田林鋼，努爾曼古麗·艾爾肯，阿不力米提

(1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450045;2.和田地區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，新疆和田848000)

渠道防滲工程技術(shù)就是杜絕或減少由渠道滲入渠床而流失水量的各種工程技術(shù)和方法.常用土料、水泥料、石料、膜料、混凝土和瀝青混凝土等材料建立渠道防滲層，以達到防滲目的.渠道防滲工程除具有防滲作用外，還有防沖、防淤、防坍塌、穩(wěn)定渠道、保證輸水安全的作用.防滲渠道設(shè)計時，應(yīng)滿足不沖、不於條件才能確定各參數(shù)值.筆者以實際工程設(shè)計為例，對新疆藏桂鄉(xiāng)支渠進行了防滲設(shè)計.

1 工程概況

新疆藏桂鄉(xiāng)支渠位于新疆昆侖山北麓，塔克拉瑪干沙漠南緣，地理坐標東經(jīng) 78°58'42″，北緯37°31'50″，位于皮山縣以東 65 km，315 國道以北3 km處，東鄰皮亞勒瑪鄉(xiāng)，西接木吉鄉(xiāng)，南北被戈壁灘、沙漠包圍，是塊獨立的綠洲.藏桂鄉(xiāng)地處內(nèi)陸腹地，熱量豐富，降水稀少，蒸發(fā)強烈，無霜期長，晝夜溫差大，為暖溫帶干旱荒漠氣候.其特點:四季分明，夏季中午炎熱，早晚涼爽，日溫差極大;冬季寒冷;春季升溫快，多風;秋季降溫快;多年平均氣溫11.9℃，多年平均降水量48.2 mm，多年平均蒸發(fā)量2 450.0 mm，無霜期多年平均217 d.灌區(qū)全年盛行西北風，多年平均風速1.6 m/s，多年平均最大風速14.0 m/s，多年平均浮塵天氣 30.4 d.

新疆藏桂鄉(xiāng)支渠防滲配套建設(shè)工程位于沖積平原過渡地帶，屬于單一的沖積平原地貌單元［1］.灌區(qū)水利工程多為二十世紀五、六十年代建設(shè)，工程建設(shè)標準普遍偏低，渠道老化過于嚴重，過水能力只有原來的70%.雖然年年投入人力、物力進行修補，但由于經(jīng)濟等因素，總是不能徹底改建，設(shè)施也無法配套完善，加之渠道沒有采取防凍脹及防滲措施，灌區(qū)每年都有一部分農(nóng)田不能適時灌溉.這次實施藏桂鄉(xiāng)支渠防滲改造總長度為11.952 km，設(shè)計過水流量為 0.8 m3/s.

2 渠道工程設(shè)計

2.1 工程級別與標準

藏桂鄉(xiāng)渠道總控制灌溉面積2.4 km2，據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL 252—2000)［2］和《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50288—99)［3］，確定工程規(guī)模為小(2)型，其工程等別為V等［2］.

按照《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50288—99)［3］中的規(guī)定，干旱地區(qū)以旱作物為主的地面灌溉設(shè)計保證率P=50% ～75%［3］，確定各水平年灌溉保證率P=75%.

2.2 渠線位置

渠道沿線分布著居民點，農(nóng)田就分布在渠線兩側(cè)，東側(cè)布置有礫石道路伴隨，因此支渠原渠線比較合理，不宜調(diào)整.

2.3 渠道設(shè)計流量

按照《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50288—99)中的規(guī)定［3］及防滲改造后渠系水利用系數(shù)和各分段的控制灌溉面積，確定藏桂鄉(xiāng)支渠設(shè)計流量為0.33 ～0.88 m3/s、加大流量為 0.430 ～1.144 m3/s.

3 防滲渠道設(shè)計

藏桂鄉(xiāng)支渠防滲配套建設(shè)工程防滲改造設(shè)計原則是在保證輸水安全的同時，選擇因地制宜、就地取材、技術(shù)簡單、耐久性強、工程量少、造價低、運行管理方便的方案.為提高渠道防滲及防沖能力，渠道采用預(yù)制混凝土板襯砌，沿渠道軸線方向每隔50 m設(shè)置一道寬50 cm、厚36 cm的C20現(xiàn)澆混凝土隔墻，故渠底寬取0.4 ～0.6 m.

3.1 防滲渠道斷面形式

原渠道為梯形，現(xiàn)設(shè)計仍采用梯形斷面.

3.2 設(shè)計參數(shù)選擇

3.2.1 邊坡系數(shù)

該渠道渠基土為粉土，因為是老渠，挖填方量都很少，基本為修坡.根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL 18—2004)的規(guī)定［4］，支渠的內(nèi)邊坡系數(shù)取1.5，外邊坡系數(shù)取 1.0.

3.2.2 糙 率

據(jù)《渠道防滲工程設(shè)計規(guī)范》(SL 18—2004)規(guī)定［4］，混凝土預(yù)制板渠道糙率可取 n=0.017.

3.2.3 渠堤超高

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50288—99)規(guī)定［3］，有

式中:Fb為渠堤超高，m;Hb為渠道通過加大流量時的水深，m.

3.3 渠道斷面設(shè)計

3.3.1 渠道縱斷面設(shè)計

該次設(shè)計渠線不變，渠道縱坡的選擇應(yīng)利用原有縱坡并兼顧各分水閘現(xiàn)有底板高程，綜合考慮渠道與渠系建筑物水面連接和沿線分水閘對渠道高程的要求，使分水閘平順分水，滿足不沖、不淤流速的要求，并使工程量盡量小，確定合適的縱坡.

1)流速控制.渠道流速應(yīng)控制在不淤、不沖流速之間.渠道不淤流速為

式中:Q為渠道的設(shè)計流量，m3/s;Co為根據(jù)渠道泥沙性質(zhì)確定的系數(shù)，取 Co=0.2.計算可得平均V不淤=0.114 ～0.188 m/s.該次支渠設(shè)計平均流速為0.85 ～1.74 m/s，滿足不淤流速要求.

《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL 18—91)的第2.1.10條規(guī)定:允許不沖流速為 3 ～ 5 m/s［5］.混凝土預(yù)制板襯砌渠道加大流速為1.87 m/s，小于允許不沖流速.

2)縱坡控制.渠道縱坡的控制在滿足經(jīng)濟合理的基礎(chǔ)上，還應(yīng)注意以下幾點:①流速控制在不淤、不沖流速之間，保證渠道安全;②根據(jù)不同地形和設(shè)計斷面選擇的縱坡應(yīng)盡量保證工程量最小;③為保證該段渠道兩端建筑物底板高程的銜接，此次渠道防滲改造設(shè)計渠道縱坡坡降仍然采用原渠道縱坡坡降，即渠道縱坡 i=0.001 62 ～0.009 30.

3.3.2 渠面寬度設(shè)計

該灌區(qū)屬小型灌區(qū)，且為挖方渠道，為了減少工程量及造價，渠面寬度取1.0～1.5 m.

3.3.3 渠底寬確定

根據(jù)改造渠道的現(xiàn)狀底寬、設(shè)計流量、渠道防滲形式及經(jīng)濟比較，渠底寬確定如下［1］.

一支渠:0+000～3+500段渠底寬0.6 m;3+500～3+746.7段渠底寬0.4 m.

二支渠:0+000～1+750段渠底寬0.6 m;1+500～4+023.5段渠底寬0.4 m.

三支渠:0+000～4+181.4段渠底寬0.6 m.

3.4 渠底與邊坡底板襯砌設(shè)計

渠道斷面為梯形，為了增加渠道抗凍脹能力，渠道底板采用60 mm現(xiàn)澆混凝土，邊坡采用厚度為60 mm預(yù)制混凝土板襯砌.混凝土板下設(shè)置戈壁料墊層.混凝土強度等級為C20，抗凍標號為F150.

3.5 渠道水力計算

渠道橫斷面尺寸根據(jù)明渠均勻流公式確定，計算公式為:

式中:Q為渠道設(shè)計流量，m3/s;A為渠道過水斷面面積，m2;C為謝才系數(shù);R為水力半徑，m;B為渠道底寬，m;m為渠道邊坡系數(shù);H為渠道水深，m;i為水力坡降，即渠道縱坡;n為糙率系數(shù).

渠道水力要素計算結(jié)果見表1.

表1 渠道水力要素表

根據(jù)表1的計算結(jié)果，在滿足灌溉和保證渠道安全的條件下，支渠的渠深確定為1.058～0.948 m.

3.6 伸縮縫設(shè)計

根據(jù)《渠道防滲工程設(shè)計規(guī)范》(SL 18—2004)［4］，混凝土板渠道每 7.2 m 設(shè) 1 道橫向縫，縫寬平均2 cm.縫口上部填瀝青砂漿，厚2 cm，下部填中密度苯板.

4 渠道抗凍脹設(shè)計

為防御渠道防滲工程受基土凍脹作用的破壞，季節(jié)凍土地區(qū)標準凍深大于10 cm的襯砌渠道必須進行防凍脹設(shè)計.當?shù)貧v年最大凍土深度0.69 m.據(jù)當?shù)氐刭|(zhì)測量資料可知，渠線粉土層為凍脹性土.

4.1 設(shè)計凍深

根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》(SL 211—2006)［6］附錄 B，設(shè)計凍深按下式計算:

式中:Zd為設(shè)計凍深，m;ψd為日照及遮陰程度影響系數(shù);ψi為日照及遮陰程度修正系數(shù)，根據(jù)規(guī)范查圖可得ψi=1.15 m;ψw為地下水影響系數(shù);Zm為實測歷年最大凍深，取0.69 m.由《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》(SL 211—2006)［6］表 B1.1.1 －1 得

式中:β為系數(shù)，查表得β=0.79;Zwo為鄰近氣象臺(站)的地下水位深度，取8.0 m;Zwi為設(shè)計點地下水位深度，取3.0 m.

設(shè)計凍深計算見表2.

表2 設(shè)計凍深計算表

4.2 防凍脹計算

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，這種夏季炎熱、冬季寒冷的地區(qū)防凍脹結(jié)構(gòu)可以采用渠床置換法或設(shè)保溫層法.置換法施工成本低，投資較小，因此確定該工程全渠段防凍脹采用置換法.采用戈壁料置換渠基土.

置換厚度Zn為

式中:ds為基礎(chǔ)板厚，渠底為0.06 m，渠坡為0.06 m;ε為置換比.根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL 18—91)［5］，當砂壤土地基大于(Zd+1.0 m)時，對于輕壤粉質(zhì)土 ε取 0.4～0.5，這里取 ε=0.42.經(jīng)計算，渠底 Zn=24.6 mm，渠坡 Zn=24.6 mm.

5 結(jié)語

對新疆藏桂鄉(xiāng)支渠防滲設(shè)計工程從材料性能、施工、投資等方面進行比較，設(shè)計過程中選擇最優(yōu)參數(shù)和方案，得到了可行的最優(yōu)設(shè)計結(jié)果.

渠道工程上選擇較多的動力渠道是梯形斷面渠道，所以這里的渠道也采用了梯形斷面.為提高渠道防滲及防沖能力，渠道面板采用預(yù)制混凝土板并取得了良好的設(shè)計效果.

［1］和田地區(qū)水利水電勘測設(shè)計院.和田地區(qū)皮山縣藏桂鄉(xiāng)支渠防滲改建工程初步設(shè)計報告［R］.和田:和田地區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，2012.

［2］長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院.SL 252—2000水利水電工程等級劃分及洪水標準［S］.北京:中國水利水電出版社，2000.

［3］中華人民共和國水利部.GB 50288—99灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，1999.

［4］中國灌溉排水發(fā)展中心.SL 18—2004渠道防滲工程設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2004.

［5］中華人民共和國水利部農(nóng)村水利水土保持司，科技教育司中華人民共和國能源部，水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院.SL 18—91渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京:水利電力出版社，1991.

［6］中水東北勘測設(shè)計院有限責任公司.SL 211—2006水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2006.