灌区渠道设计研究

摘要:针对现状灌区老化失修、灌溉水损失严重、利用率低等问题，对灌区渠道进行防渗衬砌，减少沿途水量损失，节水效果明显，节水潜力较大。

关键词:渠道防渗衬砌 提高水利用系数

1 渠道工作制度

灌区空间分布比较零散，各条渠道控制范围地形、地貌复杂。渠道为满足自流灌溉要求，干渠段较长，支渠控制面积较小。为便于管理，提高水的利用率，有利于田间管理和农业耕作，避免用水矛盾，根据灌区受益乡镇多年的引洪淤灌的习惯，确定干渠灌溉工作制度为续灌，支、斗渠为轮灌渠道。

2 渠道设计流量的确定

2.1 干渠设计流量的确定

渠道设计流量根据灌水率、渠道控制灌溉面积、衬砌后的灌溉水利用系数计算而得，干渠为续灌渠道，干渠设计流量按灌区设计灌水率进行计算。

（1）续灌渠道设计流量按下式计算：

式中：Qs—续灌渠道的设计流量（m³/s）

—设计灌水率（m³/s/万亩），取0.36m³/s/万亩；

—渠道控制的灌溉面积（万亩）；

—灌溉水利用系数，取0.60～0.64。

（2）引洪流量

干渠引洪流量按下式计算：

式中：q—每亩需引洪的净水量，取90m3/亩；

A—干渠控制面积（亩）；

N—引洪次数，取2次；

T—每次引洪时间（h），取45h；

η—灌溉水利用系数；

2.2 支斗渠设计流量的确定

支斗渠属于轮灌渠道，根据《灌溉与排水工程设计标准》(GB50288-2018)，支斗渠按轮灌渠道设计流量公式进行计算。

轮灌渠道计算公式如下：

式中：Qn—轮灌渠道的设计流量（m³/s）

N—该渠道轮灌组数；

—该渠道轮灌组平均灌溉面积（万亩）；

—该轮灌渠道至田间的灌溉水利用系数。

经计算，支斗渠计算设计清水流量小于引洪流量，考虑当地多年的引洪淤灌的灌溉习惯，到春灌时来水含冰块，渠段断面过小，会造成渠道淤堵，故本次支斗渠设计流量采用引洪流量，对于计算设计流量不足0.1 m3/s的渠道，为保证渠道正常引水效果，符合灌区实际运行情况，渠道设计流量采用0.1m3/s。

3 渠道纵、横断面设计

3.1 渠道纵断面设计

渠道纵坡在现状基础上，结合实测地形，在满足渠道上、下游建筑物和已衬砌渠道的底板高程等衔接要求的前提下，满足灌溉要求，并满足渠道流速要求来确定渠道纵坡。干渠结合支渠口高程，对渠道进行必要的清淤。

3.2 渠道横断面设计

（1）渠道清淤

渠道清淤工作主要安排在非灌溉期施工，以避免影响灌溉作业。渠道清淤前须先对渠道进行高程测量，校对渠道上下游纵坡，合理放线，控制渠道清淤深度，避免土渠段发生超挖现象。对于现已衬砌仅清淤渠段，清淤至现有硬质衬砌顶高程。清理出的淤泥应用于渠堤加固，禁止随意堆弃。

（2）渠道防渗衬砌材料比选

1）断面型式

渠道衬砌，是在原断面的基础上进行，本次改造渠道保持现有梯形断面型式不变。

2）渠道防渗材料比选

渠道衬砌的主要目的是减少渗漏量，所以材料的选择应因地制宜，实用有效，根据防渗效果、工程造价、施工难易程度，且结合该渠段上下游已衬砌的型式，并参照近年工程运行效果等决定。本次以渠底宽1米、渠深1m的典型渠道断面，进行方案比选。

方案一：现浇混凝土板结构型式

干渠现浇混凝土衬砌渠道防渗效果好，可减少输水损失的80～90%；糙率小、渠道过水能力大、耐久性好、强度高、适合于机械化施工，工程造价居中；但混凝土抗冻性能较差，对于渠道横向不均匀沉陷适应性差，从以往工程完成情况看，现浇混凝土衬砌对渠道土质为砂土、砂壤土且地下水埋深大的渠段较为适宜。

该方案渠道选择比选的断面采用现浇C30W6F200混凝土衬砌，两侧边坡1:1.0，渠深为1.0m，底宽为1.0m，渠顶宽20cm，衬砌厚度10cm。

方案二：预制混凝土板衬砌+防渗复合土工膜结构

混凝土预制板衬砌渠道施工速度快，对于渠道横向不均匀沉陷适应性强。但防渗效果不如现浇，预制混凝土抗冻性能较差，维修率高，造价高，整体性差。如需好的防渗效果，另需在衬砌板下增设复合土工膜防渗措施，土工膜采用两布一膜复合结构，规格为300g/0.4mm/300g。

该方案渠道采用预制C30W6F200混凝土衬砌，渠道底宽1.0m，渠高1.0m，两侧边坡1:1.0，渠顶宽20cm，预制板厚度10cm。

方案三：水泥毯防渗衬砌型式

水泥毯又叫混凝土帆布，采用聚乙烯和聚丙烯长丝编织成的三维纤维复合结构，含有特殊配方的干混凝土混合料，帆布底面覆有的完全防水的聚氯乙烯底衬构成。遇水会发生水合反应而硬化成一种防水防火的混凝土层，凝固后，纤维起到增强混凝土的作用，防止开裂。凝固前的水泥毯可以用手工工具随意切割或者裁剪。具有施工工艺简单、运输方便、应用灵活、环境友好、抗化学侵蚀、防水防火等特点，近年来在铁路、公路沿线护坡、修建抢险救灾道路、矿山坑道、渠道防渗等领域应用较多。缺点：一是承重能力差，需要在干燥、平整、结实的基础上进行施工，施工条件相对苛刻；二是造价高，属专利产品。本工程该方案渠道断面采用弧形坡脚梯形断面，15mm厚预制水泥毯衬砌（重量不低于23kg/m2），两侧坡肩宽0.2m，坡肩外压入地面锚固长度不低于0.3m。水泥毯沿渠道纵向铺设，每10米设置一处接缝，抗压强度不低于30Mpa，抗弯强度不低于5Mpa。相邻水泥毯叠压搭接不得少于10cm，且应上游边在上，下游边在下。

（3）新建护砌防渗衬砌结构型式

① 衬砌段横断面设计

该类干渠渠道面采用弧形坡脚梯形断面，现浇C30W6F200混凝土衬砌，衬砌厚度10cm，坡肩宽20cm，渠道垂直水流方向每3m设一道横缝；根据渠道不同尺寸，由于本工程渠道断面普遍较小，故顺水流方向渠道中心处设1道纵缝，纵缝遇肋梁位置分缝深度应该至肋梁底，伸缩缝宽度为2cm，缝内填充聚乙烯闭孔泡沫板，迎水面设置聚硫密封胶；土渠段渠底垂直水流方向设置混凝土肋梁，肋中心间距1.5m。

② 衬砌段横断面设计

该类干渠渠道断面采用梯形断面，适用于渠道底宽低于0.6m的渠道，本工程干渠仅涉及双屯堡2干渠，因渠道断面较小，为保证后期人工清淤的需求，采用渠底较平整的梯形断面，采用现浇C30W6F200混凝土衬砌，衬砌厚度10cm，坡肩宽20cm，渠道垂直水流方向每3m设一道横缝，缝宽2cm，缝内填充聚乙烯闭孔泡沫板，迎水面设置聚硫密封胶。

③ 支斗渠混凝土衬砌段横断面设计

丰产渠1-2-1斗渠渠道衬砌采用C30W6F200现浇混凝土矩形断面，衬砌厚度10cm，底宽0.4m，渠深0.4m；渠道每隔3m设一道横缝，

缝宽1cm，缝内填充聚乙烯闭孔泡沫板。

④ 干渠水泥毯衬砌段横断面设计

该类干渠断面采用弧形坡脚梯形断面，15mm厚预制水泥毯衬砌（重量不低于23kg/m2），两侧坡肩宽0.2m，坡肩外压入地面锚固长度不低于0.3m。水泥毯沿渠道纵向铺设，每10m设置一处接缝，抗压强度不低于30Mpa，抗弯强度不低于5Mpa。相邻水泥毯叠压搭接不得少于10cm，且应上游边在上，下游边在下。在接缝处均匀的涂抹土工膜专用KS胶加强封闭。用φ5*38mm不锈钢锚钉或U型钉将两片水泥毯固定，每20cm一处锚钉；在两侧坡肩外侧采用φ12*500mm锚钉进行锚固，锚钉间距40cm-60cm/个，锚钉顶部及四周涂抹防水胶。水泥毯铺贴固定完成后，对水泥毯进行洒水硬化处理。

3.3 渠顶宽度设计

根据《灌溉与排水工程设计标准》（GB 50288-2018）6.4.9条款，667hm2及以上灌区干支渠堤顶宽度不应小于2m，斗渠、农渠不宜小于1m；667hm2以下灌区可减小。本工程各灌区规模较小，灌溉面积均小于5000亩（333.35hm2），考虑各级渠道两侧均为农田，占地协调难度较大，故本工程各灌区设计渠道堤顶宽度为0.5m。

3.4 渠道水深计算

采用明渠均匀流进行水力计算，对于由于农桥建筑物进出口造成水位雍高或降低部分，建筑物进出口底部高程不做调整，水位雍高部分由渠道超高值解决。计算公式如下：

式中：Q—渠道设计流量（m³/s）；

A—渠道过水断面（m2）；

C—谢才系数，（m1/2/s）

R—水力半径（cm）；

i—渠道纵坡；

      n—渠床糙率，混凝土衬砌段糙率值采用n=0.017。

各渠道设计要求表见附表2。

3.5 渠道过流能力复核

根据《灌溉与排水工程设计标准》（GB50288-2018），4、5级渠道岸顶超高按下式确定：

式中：Fb——渠道岸顶超高，m；

      hb——渠道通过加大流量时的水深，m；

渠道通过加大流量时的水深计算，采用计算纵坡为各渠道最小纵坡，本次工程渠道设计断面以设计流量作为计算渠顶超高依据。干渠渠道超高复核见表5-24。根据调研渠道往年运行情况，南洋河河道水含沙量较大，并考虑当地多年的引洪淤灌的灌溉习惯，到春灌时来水含冰块，渠段断面过小，会造成渠道淤堵；且部分渠道两侧农田高程较高，需依赖灌溉调度壅高渠道水位，才能保证灌溉，故本工程部分渠道设计渠深结合实际情况进行了适当加大。

小结

通过对灌区进行节水综合改造，灌溉水利用系数在工程实施后相较现状年有一定程度的提高，节水效果明显，节水潜力较大。

作者简介：刘睿，女，汉族，河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司，高级工程师。