王 伟

(五家渠农六师勘测设计研究有限责任公司，新疆 五家渠 831300）

0 引言

新疆奇台县开垦河灌区是兵地共建灌区，灌区土地总面积110 万亩,其中第六师开垦河灌区共包含4 个农场，总灌溉面积32.82 万亩。本项目区奇台农场位于山前冲积平原，建于60 年代初，项目区灌溉面积18.82 万亩。自建场以来，奇台农场先后修建了汪家口水库（Ⅰ）库、（Ⅱ）库、奇台农场引水干渠、奇台农场输水干渠、奇台农场东干渠等一批中型水利工程，在一段时间内为项目区经济发展作出了很大贡献。由于原工程设计标准偏低，工程老化，年久失修，不能满足农场日常灌溉用水需要，同时造成灌区地下水超采。在此基础上，对该灌区的骨干工程进行配套续建和节水改造。

1 项目区概况

项目区奇台农场总人口1.4 万人，其中汉族占92.82%，少数民族人口占7.18%。奇台农场是全国粮食生产基地之一,在地区国民经济中占有重要地位。奇台农场是地表水和地下水混灌区。

项目区地表水均来自开垦河，奇台农场分水比例为39.27%，75%保证率下引水量4582.42 万m3；项目区地下水由地表水补给，地下水水质良好，是较好的灌溉和生活用水。据第六师地质勘察资料，开垦河灌区地下水总储量为1.86 亿m3,可开采量为1.08 亿m3。工程区分布地层岩性主要是巨厚的第四纪松散堆积物，以低液限粉土和圆砾为主。

2 工程级别及主要建设内容

本次第六师开垦河灌区骨干渠道防渗改建工程全长47.78 km，设计流量为1.0～30.18 m3/s,根据《灌溉与排水工程设计规范》，设计流量大于5.0 m3/s 的渠道为奇台农场引水干渠，主要建筑物为4 级，次要建筑物为5 级；其他干渠和支渠设计流量均小于5.0 m3/s，主要建筑物和次要建筑物均为5 级。灌溉设计保证率取75%。灌溉水利用系数为0.52。

主要建设内容包括骨干渠道防渗改建工程总长度为47.78 km，其中干渠总长31.2 km、支渠总长16.58 km；改建渠道建筑物132 座，其中闸 84 座，农桥 43 座，沉砂池 2 座，涵洞 1 座，渡槽1 座，跌水 1 座。

3 工程设计

3.1 渠道纵断面设计

根据渠道的设计流量和实地勘测资料，在设计中考虑渠系现状，综合各分水口、进水口、已有建筑物的高程条件等来控制渠道的纵坡，对部分纵坡较大，易产生冲刷破坏渠段，拟对纵坡进行调整。纵坡考虑原有支渠和斗渠渠底高程，使干渠和支渠水能通畅地进入下级渠道；根据渠道沿线地形、地质条件，设计流量等，保证设计输水能力、边坡稳定和水流安全通畅；保证干渠与支渠之间、支渠各斗渠之间以及重要建筑物上、下游水面平顺衔接；满足渠道不冲不淤流速；各渠道分水口高程要满足灌溉要求等[1]。

各渠口水位由下式推算确定：

式中：A0为渠道灌溉范围内控制点（较难灌到水的地面）的地面高程，m；△I 为控制点地面与附近末级固定渠道设计水位的高差，一般取 0.1 m～0.2 m；L 为渠道的长度，m；I 为渠道的比降；ψ为水流通过渠系建筑物的水头损失，m。

经计算，引水干渠渠道纵坡拟定主要以各引洪闸、电站引水闸的高程作为控制性高程点，保证能够正常引洪，满足电站引水渠的引水高程，尽量贴近原渠底，保证挖填方量最小，并且使水面曲线平顺连接，水力条件良好，水流稳定，综合考虑确定纵坡为8.06‰～23.88‰；输水干渠在原渠上改建，控制性高程为起点已建闸、沿线几个分水闸高程，确定南北走向段纵坡为14.4‰～15.9‰，东西走向段纵坡为1.6‰～2.0‰；东干渠在原渠上改建，控制性高程为一座已建可利用跨河渡槽，沿线各分水闸高程，纵坡定为5.8‰～16.4‰；支渠均在原渠道上改建，控制点高程为沿线各分水闸高程，一支渠纵坡为5.32‰～37.8‰，二支渠纵坡为3.1‰～7.77‰，调水渠三支渠纵坡为2.0‰～26.67‰。

3.2 渠道防冻胀设计

奇台农场引水干渠0+000～6+534.4 段、奇台农场东干渠、引水干渠一支渠0+000～2+237 段，是非冻胀性土，可不考虑冻胀。引水干渠6+534.4～8+082 段、输水干渠、一支渠2+237～8+279 段、二支渠、三支渠渠基是低液限粉土，是冻胀性土，需考虑冻胀。项目区最冷月1 月份平均气温：-17.9℃＜-10℃，属严寒地区。低液限粉土属冻胀性土质。冻前地下水位深度1.5 m。渠道所在地区同时满足发生冻胀的三个条件，渠道在修建时要采取防冻措施[2]。

3.2.1 设计冻深计算

根据《渠系工程抗冻胀设计规范》，渠系工程的设计冻深可按下式计算：

式中：Zd为渠系工程的设计冻深，m；Zm为历年最大冻深，取1.6 m；ψd为日照及遮阴程度影响系数；ψw为地下水修正系数。

设计冻深计算见表1。

表1 第六师开垦河灌区骨干渠道设计冻深计算表

3.2.2 冻胀量及冻胀级别确定

当基础板厚小于50 cm 时,基础冻深按下式计算：

式中：δc为基础板厚，引水干渠40 cm,输水干渠10 cm～40 cm，支渠 8 cm～30 cm；δw为底板之上冰层厚度，0 cm。

渠道基础土料冻胀量按下式计算：

式中：h 为工程地点天然冻土层产生的冻胀量, 由冻胀量图查得，cm；hf基础结构下冻土层产生的冻胀量，cm；Zd程地点的天然设计冻深，m。根据以上公式计算基土冻胀量，结果见表2。

表2 第六师开垦河灌区骨干渠道基础冻深、冻胀量计算表

3.2.3 渠道抗冻胀措施

依据《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL23-2006)，当渠基土冻胀级别为Ⅲ级时，可采用置换措施防止冻胀破坏，渠床各部位置换深度可按下式计算：

式中：Zn为置换深度，cm；ε 为置换比，边坡取60%，渠底取80%；δ0为衬砌板厚度，cm，本工程引水干渠衬砌厚度40 cm,其余渠道现浇砼底板及边坡板厚度8 cm～12 cm。

根据计算渠道坡面上部需置换0.29 m～0.92 m 砂砾石垫层，渠道坡面下部、渠底需要置换0.52 m～0.91 m 砂砾石垫层。本次工程冻胀土置换厚度在计算的基础上借鉴周边渠道置换垫层厚度，最终确定引水干渠置换0.3 m 砂砾石垫层；输水干渠及3 条支渠浆砌石部分置换0.30 砂砾石垫层、砼部分置换0.45 m 砂砾石垫层。计算结果见表3。

表3 第六师开垦河灌区骨干渠道置换层厚度计算表

3.3 渠道横断面设计

3.3.1 渠道参数

引水干渠设计流量30.18 m3/s，该渠道渠底与边坡基础均为卵石和砂砾石，正常运行已超过40 年，渠基和边坡非常稳定，本次基本在原有渠道断面上防渗改建，无需进行边坡稳定计算，边坡系数按现状渠道的边坡取值。

引水干渠为渠底干砌卵石灌浆、边坡浆砌石，糙率取0.035；输水干渠、东干渠、3 条支渠均采用现浇砼板衬砌，糙率取0.016。为满足运行管理需要，干渠的渠堤宽度两侧分别为2.5 m 和4.0 m。支渠渠堤宽度为1 m～2.0 m。衬砌渠道超高值可采用0.3 m～0.8 m，引水干渠渠深1.3 m～2.1 m；东干渠渠深0.8 m～1.1 m；输水干渠渠深0.8 m～1.1 m，支渠渠深0.6 m～1.1 m。

3.3.2 断面形式选定

根据渠道规模和第六师多年防渗改建的经验，可采用梯形断面、弧形底梯形断面和弧形坡脚梯形断面等形式。其中引水干渠流量大，断面大，为避免砌筑难度，选定为梯形断面；输水干渠和东干渠流量适中、断面适中，采用水力条件、抗冻胀能力、抗冲能力较好的弧形底梯形断面；支渠流量小，断面小，全部采用施工工艺简单施工期短的梯形断面。引水干渠一支渠和水库调水渠三支渠起始段为发电与灌溉共用，流量较大，但纵坡小，断面大，本次设计也采用梯形断面。

3.3.3 衬砌形式比选

根据当地材料及实际情况，可采用浆砌卵石、现浇砼或二者结合的方式进行衬砌。引水干渠纵坡大，渠道内泥砂含量较大，粒径较大，对渠道的磨损比较严重，考虑到该渠道冬季引水可能破坏砼边坡，因此选定为浆砌卵石衬砌。其他各渠道考虑到开垦河河道内卵石储量有限，但砂砾石储量丰富，而且水泥厂距项目区很近，因此剩余渠道采用现浇砼衬砌，部分流速大的渠段渠底采用浆砌石衬砌。

3.3.4 典型断面

（1）引水干渠

引水干渠采用渠底干砌卵石灌浆+边坡浆砌卵石进行衬砌。典型断面图见图1、图2。

图1 引水干渠横断面图（0+000～6+534.4 段）（尺寸单位：cm）

图2 引水干渠横断面图（6+534.4～8+082 段）（尺寸单位：cm）

（2）输水干渠

输水干渠本次改建参考已建段的结构层，其中13+500～18+747 段纵坡较陡、流速较大，采用渠底浆砌卵石40 cm、边坡混凝土厚度12 cm 及一布一膜+砂砾石抗冻垫层45 cm 方式衬砌；纵坡缓、流速不大的23+953～26+488 段采用全断面现浇砼10 cm及一布一膜+砂砾石抗冻垫层45 cm 方式衬砌。典型断面图见图3、图4。

图 3 输水干渠横断面图（18+747～26+488 段）（尺寸单位：cm）

图4 输水干渠横断面图（13+500～18+747 段）（尺寸单位：cm）

（3）东干渠

东干渠纵坡较陡，但设计流量不大，选择弧形底梯形断面的现浇砼渠道。断面图见图5。

图5 东干渠断面图（尺寸单位：cm）

（4）支渠

3 条支渠分别为引水干渠一支渠、引水干渠二支渠、水库调水渠三支渠。采用现浇砼及砂砾石抗冻垫层45 cm。断面图见图6。

图6 支渠断面图（尺寸单位：cm）

3.4 主要建筑物设计

3.4.1 水闸

本次项目共改建闸84 座，其中引水干渠采用开敞式闸室结构；输水干渠和东干渠上的节制闸、分水闸均采用现浇钢筋砼一字型结构；支渠节制闸根据为现浇钢筋砼一字型结构，支渠分水闸均采用封闭式闸门，该设计结构简单，造价低，抗冻胀性能好。一字型结构闸门均采用平板钢闸门，干渠启闭设备采用手电两用螺杆式启闭机，支渠启闭设备采用手动螺杆式启闭机。

3.4.2 涵洞

水库调水渠三支渠在0+848 处跨过电站尾水渠，电站尾水渠采用涵洞从渠底穿过，渠道采用高填方明渠。电站尾水渠最大流量3.0 m3/s，底宽2.0 m，水深0.5 m,流速3.13 m/s。三支渠底宽0.6 m，渠深0.8 m，开口宽3.0 m。

经计算涵洞长为29 m，属无压流长洞，按照无压流长洞流量计算公式计算涵洞宽度：

经计算，涵洞宽度为1.79 m,本次取2.0 m。采用预制钢筋砼城门洞型涵洞，底宽2. m,高2.0 m,厚0.3 m,每节长1.0 m，共29 节。

3.4.3 沉砂池

本次改建的2 座沉砂池位于奇台农场引水干渠0+400、4+250 两处。入池粒径级配曲线见图7。

图7 入池粒径级配曲线

为防止大粒径泥砂对渠道造成破坏，两座沉砂池出池泥沙最大粒径2 mm 的沉降率不小于95%。两座沉沙池均按单池布置，主要设置进出口连接段，工作段，机车清沙通道，年均清砂5 次左右。清除的泥沙运往下游空地。

4 结语

本工程总投资概算为7059.63 万元，经济内部收益率为9.96%，大于社会折现率8%；经济净现值1852.80 万元；效益费用比1.25，说明此项目满足国民经济效益和社会要求。项目实施后，奇台农场灌溉水利用系数从0.45 提高到0.52，缓解了地下水超采的现状，有效地提高了灌区水资源利用效率，改善了灌区的农业灌溉条件。奇台农场总灌溉面积18.82 万亩，占灌区总面积的57.34%，项目的实施，同时对灌区农业和农场经济发展有着重要意义。