摘要：針對高台縣三清乾渠CH23+066～26+674渠段穿越小海子水庫庫區，經方案比較，優選出適宜強凍脹和軟弱基土地層的正反拱箱形暗涵渠道方案；設計的正反拱拱箱形暗涵渠道經實踐 應用 ，設計合理，抗凍脹性能強，推廣價值極為廣泛。
關鍵詞：箱形暗涵 渠道 設計
1 工程概況
高台縣友聯灌區位於河西走廊中部，屬黑河流域中游沿岸大型灌區之一，高台縣三清乾渠是友聯灌區主要的引水渠道。乾渠從臨澤縣蓼泉鎮塘灣村處的黑河南岸開口引水，西至高台縣駱駝城山水河，全長67.75km，設計流量3.90m3/s，加大流量4.90m3/s，控制灌溉面積6.74萬畝。同時承擔著小海子水庫1048.1萬m3和鮑家湖水庫447萬m3的蓄水任務。三清乾渠始建於1975年，原為土渠運行，2001～2004年黑河流域近期治理項目中已完成三清乾渠改建襯砌40.48km，乾渠CH23+066～26+674渠段3.608km，因受小海子水庫除險加固工程及考慮小海子水庫調節灌溉等因素 影響 ，未進行建設。
2.存在 問題 及工程建設原由
三清乾渠CH23+066～26+674渠段地處小海子水庫北側，緊靠小海子水庫土壩布置。由於小海子水庫除險加固工程完成後，擴大了小海子水庫庫容，新建小海子水庫壩堤位於該段乾渠下游，從而使三清乾渠CH23+066～26+674渠段處在水庫中。在小海子水庫除險加固工程設計中，曾考慮廢除三清乾渠CH23+066～26+674渠段，讓三清乾渠上游引來的水進入小海子水庫，經水庫調節後輸出到下游三清乾渠，以滿足灌溉需求。但經勘測後發現，三清乾渠CH26+674處渠底高程為1365.156m（也即小海子水庫三清乾渠放水洞洞底高程），而小海子水庫豐稔乾渠放水洞高程為1362.0m（也即水庫庫底高程），相差3.156m。經 計算 ，要滿足三清乾渠從水庫引水，水庫水位高程必須達到1366.5m，此時水庫最大水深4.5m，相應庫容為240萬m3。同時，由於5～7月份黑河基本斷流，三清乾渠通常只能引1～2m3/s黑河潛流，此時正是灌溉高峰期，灌溉用水量很大，水庫水位很難滿足三清乾渠引水要求。若採用廢除三清乾渠CH23+066～26+674渠段，經小海子水庫調節後輸出到下游三清乾渠的方案，將造成在小海子水庫低水位時，三清乾渠無法正常引水，而豐稔乾渠則可盡情引水的局面。同時易造成各渠系分水不均矛盾，導致誘發 社會 不穩定因素的發生。若保證小海子水庫水位滿足三清乾渠正常引水，水庫庫容需維持在240萬m3左右，該庫容將成為死庫容不能發揮應有的效益，小海子水庫的灌溉效益將銳減。
綜上所述，為了保證三清乾渠正常引水，同時使小海子水庫的灌溉效益得到充分發揮，修建三清乾渠CH23+066～26+674渠段是解決問題的關鍵。
3.工程設計
3.1抗凍脹設計
經地質勘察，三清乾渠CH23+066～26+674渠段大部分座落在沙壤土層上，為凍脹性土層。高台縣氣象局實測本區多年平均凍土深度為106cm，即標準凍深106cm。經計算，設計凍深值為陽坡85.3cm，渠底98.5cm，陰坡127.84cm，凍脹量為7.57cm。依據《渠系工程抗凍脹設計規範》（SL23-19）規定，凍脹量遠大於襯砌渠道的允許位移值，需從適應凍脹、迴避凍脹、消減或消除凍脹等方面採用抗凍脹及工程措施。
根據工程級別、日照及遮蔭程度、地下水位埋深、渠道走向等因素，工程措施採用砂礫石置換凍脹基土，置換厚度為陽坡50～70cm，渠底60cm，陰坡60～95cm。抗凍脹結構措施採用設計方案比較優選。
3.2設計方案比選
根據對小海子水庫地形地貌和三清乾渠渠線的勘查，三清乾渠CH23+066～26+674渠段在渠線布置上有三種方案可進行比選。
方案一：渠線沿新建小海子水庫土壩外北側繞壩布置方案。該方案渠線長約4.5km，但因該段地勢低洼，地面高程低於渠頂設計高程約3～5m，屬全填方渠道，填方工程量大，且建成後渠基為柔弱地基，渠道沉降隱患大，對渠道長期運行不安全。
方案二：渠線沿小海子水庫外以南布置方案。該方案設計渠線自三清乾渠CH18+925處沿原小海子水庫回水線以南進行布置，渠線長約7km。因該段渠線經過之地全部為沙丘，且地勢較高，屬全挖方渠道，挖方工程量大。同時受地形所限，渠線須兩次穿越312國道，渠線長，施工難度大，工程造價高。
方案三：沿原渠線布置方案。該方案設計渠線沿三清乾渠原渠線布置，渠線平行於原小海子水庫土壩，穿越小海子水庫，渠線長3.608km。該方案渠基挖填適中，渠線短，工程量小，施工方便。但因穿越水庫，需充分考慮凍脹、穩定等影響因素。
經綜合 分析 比較，方案一安全隱患大，不宜採用；方案二渠線長，施工難度大，工程造價高，不 經濟 ；方案三渠線短，工程量小，施工方便、經濟合理，較為理想。因此，渠線布置選擇方案三。
根據選定的渠線，抗凍脹結構措施採用以下三種設計方案進行比較優選。
方案A：梯形明渠襯砌方案
設計採用已建三清乾渠梯形斷面結構形式，渠底為C15細粒砼砌石襯砌，厚度40cm；渠坡為C15砼預製塊襯砌，厚度8cm；採用砂礫石墊層置換凍土，根據抗凍脹規範計算，置換厚度為：渠底60cm，渠陰坡60～95cm，渠陽坡50～70cm。方案A特性見表1。
表1 設計方案比選表
方案B：玻璃鋼管襯砌方案
渠床的凍脹 性屬於強凍脹的中型渠道，迴避凍脹的結構措施應採用暗渠或暗管輸水，設計採用玻璃鋼管承插連接襯砌，管徑2.2m，管壁厚23mm。玻璃鋼管管身由連續的玻璃纖維不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂為基料，以石英砂及碳酸鈣為無機非金屬顆粒為填料壓制而成。方案B特性見表1。
方案C：正反拱箱形暗涵渠道方案
渠床的凍脹性屬於強凍脹的中型渠道，迴避凍脹的結構措施應採用暗渠或暗管輸水，暗渠的埋置深度應等於或大於工程設計凍深。設計渠底採用反拱弧底、渠頂為正拱蓋板的正反拱箱形暗涵，底部設置非凍脹性土置換層。設計暗涵凈寬3.0m，凈高2.3m，內直牆高度1.3m；設計全部斷面採用C20鋼筋砼現澆結構，拱頂厚20cm，反拱弧底厚40cm，側牆厚30cm。採用砂礫石墊層置換凍土，置換厚度為：渠底80cm。方案C特性見表1。
根據對擬選的三個設計方案進行分析比較（見表1設計方案比選表），結論為：正反拱箱形暗涵渠道方案較方案一具有抗強凍脹、抗滑坡性能強，適宜軟土地基層和使用年限長等優點；較方案二具有自重大，穩定性好，施工簡便，工程造價低等優點。
綜上所述，三清乾渠CH23+066～26+674渠段採用正反拱箱形暗涵渠道方案襯砌最為適宜。
關鍵詞：箱形暗涵 渠道 設計
1 工程概況
高台縣友聯灌區位於河西走廊中部，屬黑河流域中游沿岸大型灌區之一，高台縣三清乾渠是友聯灌區主要的引水渠道。乾渠從臨澤縣蓼泉鎮塘灣村處的黑河南岸開口引水，西至高台縣駱駝城山水河，全長67.75km，設計流量3.90m3/s，加大流量4.90m3/s，控制灌溉面積6.74萬畝。同時承擔著小海子水庫1048.1萬m3和鮑家湖水庫447萬m3的蓄水任務。三清乾渠始建於1975年，原為土渠運行，2001～2004年黑河流域近期治理項目中已完成三清乾渠改建襯砌40.48km，乾渠CH23+066～26+674渠段3.608km，因受小海子水庫除險加固工程及考慮小海子水庫調節灌溉等因素 影響 ，未進行建設。
2.存在 問題 及工程建設原由
三清乾渠CH23+066～26+674渠段地處小海子水庫北側，緊靠小海子水庫土壩布置。由於小海子水庫除險加固工程完成後，擴大了小海子水庫庫容，新建小海子水庫壩堤位於該段乾渠下游，從而使三清乾渠CH23+066～26+674渠段處在水庫中。在小海子水庫除險加固工程設計中，曾考慮廢除三清乾渠CH23+066～26+674渠段，讓三清乾渠上游引來的水進入小海子水庫，經水庫調節後輸出到下游三清乾渠，以滿足灌溉需求。但經勘測後發現，三清乾渠CH26+674處渠底高程為1365.156m（也即小海子水庫三清乾渠放水洞洞底高程），而小海子水庫豐稔乾渠放水洞高程為1362.0m（也即水庫庫底高程），相差3.156m。經 計算 ，要滿足三清乾渠從水庫引水，水庫水位高程必須達到1366.5m，此時水庫最大水深4.5m，相應庫容為240萬m3。同時，由於5～7月份黑河基本斷流，三清乾渠通常只能引1～2m3/s黑河潛流，此時正是灌溉高峰期，灌溉用水量很大，水庫水位很難滿足三清乾渠引水要求。若採用廢除三清乾渠CH23+066～26+674渠段，經小海子水庫調節後輸出到下游三清乾渠的方案，將造成在小海子水庫低水位時，三清乾渠無法正常引水，而豐稔乾渠則可盡情引水的局面。同時易造成各渠系分水不均矛盾，導致誘發 社會 不穩定因素的發生。若保證小海子水庫水位滿足三清乾渠正常引水，水庫庫容需維持在240萬m3左右，該庫容將成為死庫容不能發揮應有的效益，小海子水庫的灌溉效益將銳減。
綜上所述，為了保證三清乾渠正常引水，同時使小海子水庫的灌溉效益得到充分發揮，修建三清乾渠CH23+066～26+674渠段是解決問題的關鍵。
3.工程設計
3.1抗凍脹設計
經地質勘察，三清乾渠CH23+066～26+674渠段大部分座落在沙壤土層上，為凍脹性土層。高台縣氣象局實測本區多年平均凍土深度為106cm，即標準凍深106cm。經計算，設計凍深值為陽坡85.3cm，渠底98.5cm，陰坡127.84cm，凍脹量為7.57cm。依據《渠系工程抗凍脹設計規範》（SL23-19）規定，凍脹量遠大於襯砌渠道的允許位移值，需從適應凍脹、迴避凍脹、消減或消除凍脹等方面採用抗凍脹及工程措施。
根據工程級別、日照及遮蔭程度、地下水位埋深、渠道走向等因素，工程措施採用砂礫石置換凍脹基土，置換厚度為陽坡50～70cm，渠底60cm，陰坡60～95cm。抗凍脹結構措施採用設計方案比較優選。
3.2設計方案比選
根據對小海子水庫地形地貌和三清乾渠渠線的勘查，三清乾渠CH23+066～26+674渠段在渠線布置上有三種方案可進行比選。
方案一：渠線沿新建小海子水庫土壩外北側繞壩布置方案。該方案渠線長約4.5km，但因該段地勢低洼，地面高程低於渠頂設計高程約3～5m，屬全填方渠道，填方工程量大，且建成後渠基為柔弱地基，渠道沉降隱患大，對渠道長期運行不安全。
方案二：渠線沿小海子水庫外以南布置方案。該方案設計渠線自三清乾渠CH18+925處沿原小海子水庫回水線以南進行布置，渠線長約7km。因該段渠線經過之地全部為沙丘，且地勢較高，屬全挖方渠道，挖方工程量大。同時受地形所限，渠線須兩次穿越312國道，渠線長，施工難度大，工程造價高。
方案三：沿原渠線布置方案。該方案設計渠線沿三清乾渠原渠線布置，渠線平行於原小海子水庫土壩，穿越小海子水庫，渠線長3.608km。該方案渠基挖填適中，渠線短，工程量小，施工方便。但因穿越水庫，需充分考慮凍脹、穩定等影響因素。
經綜合 分析 比較，方案一安全隱患大，不宜採用；方案二渠線長，施工難度大，工程造價高，不 經濟 ；方案三渠線短，工程量小，施工方便、經濟合理，較為理想。因此，渠線布置選擇方案三。
根據選定的渠線，抗凍脹結構措施採用以下三種設計方案進行比較優選。
方案A：梯形明渠襯砌方案
設計採用已建三清乾渠梯形斷面結構形式，渠底為C15細粒砼砌石襯砌，厚度40cm；渠坡為C15砼預製塊襯砌，厚度8cm；採用砂礫石墊層置換凍土，根據抗凍脹規範計算，置換厚度為：渠底60cm，渠陰坡60～95cm，渠陽坡50～70cm。方案A特性見表1。
表1 設計方案比選表
方 案 | 方案一 | 方案二 | 方案三 |
結構形式 | 梯形渠道 | 玻璃鋼管渠道 | 正反拱箱形暗涵渠道 |
襯砌方式 | C15砼預製塊和C15細粒砼組合襯砌 | 玻璃鋼管承插連接襯砌 | C20鋼筋砼現澆襯砌 |
優 點 | 防滲、抗凍脹、抗沖刷性能好，適宜於一般、中強凍脹區；施工工序較少，工程造價低。 | 耐腐蝕、抗老化，抗凍性能好，自重輕，壽命長，摩擦力小，輸水性能好。 | 採用弧底結構抗凍性能好，適宜於強、極強凍脹區和軟土地基層；自重大，穩定性好，施工簡便。工程造價適中。 |
缺 點 | 水庫高水位時乾渠將被庫水淹沒，渠岸易被庫水淘蝕沖毀；渠道抗凍脹能力差，易於凍脹破壞，使用年限短。 | 自重輕，在水中易漂浮，施工要求嚴格，工程造價高。 | 施工工序多，工程質量不易控制。 |
使用年限 | 30 | 30～50 | 30～50 |
每km投資 | 148萬元 | 363萬元 | 272萬元 |
方案評價 | 差 | 差 | 最優 |
方案B：玻璃鋼管襯砌方案
渠床的凍脹 性屬於強凍脹的中型渠道，迴避凍脹的結構措施應採用暗渠或暗管輸水，設計採用玻璃鋼管承插連接襯砌，管徑2.2m，管壁厚23mm。玻璃鋼管管身由連續的玻璃纖維不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂為基料，以石英砂及碳酸鈣為無機非金屬顆粒為填料壓制而成。方案B特性見表1。
方案C：正反拱箱形暗涵渠道方案
渠床的凍脹性屬於強凍脹的中型渠道，迴避凍脹的結構措施應採用暗渠或暗管輸水，暗渠的埋置深度應等於或大於工程設計凍深。設計渠底採用反拱弧底、渠頂為正拱蓋板的正反拱箱形暗涵，底部設置非凍脹性土置換層。設計暗涵凈寬3.0m，凈高2.3m，內直牆高度1.3m；設計全部斷面採用C20鋼筋砼現澆結構，拱頂厚20cm，反拱弧底厚40cm，側牆厚30cm。採用砂礫石墊層置換凍土，置換厚度為：渠底80cm。方案C特性見表1。
根據對擬選的三個設計方案進行分析比較（見表1設計方案比選表），結論為：正反拱箱形暗涵渠道方案較方案一具有抗強凍脹、抗滑坡性能強，適宜軟土地基層和使用年限長等優點；較方案二具有自重大，穩定性好，施工簡便，工程造價低等優點。
綜上所述，三清乾渠CH23+066～26+674渠段採用正反拱箱形暗涵渠道方案襯砌最為適宜。
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