从新余市实际出发浅谈灌溉渠道的衬砌断面设计

■朱莲花 ■新余市大江工程规划设计院，江西 新余 338000

1 概述

小型农田水利工程内容丰富、涵盖面广，主要指灌溉面积1万亩、除涝面积3万亩、库容10万m3、渠道流量1 m3/s以下的水利工程。其中大中型灌区末级渠系及田间工程与小型灌区、小型灌溉片、小型排涝工程、小型泵站和包括雨水集蓄利用在内的小型水源工程等都属于其范畴。小型农田灌溉工程是小型农田水利工程的重要组成部分，主要指具有灌溉功能的，渠道流量在1m3/s以下的渠系工程。本文重点围绕我市实施量大、涉及面广的小型农田灌溉渠道，以经济实用、先进合理、方便施工为原则，倡导科学、经济、实用、生态的工程设计理念，根据当前小型农田灌溉渠系工程改造的建设需求，结合地方财力及建设资金落实情况，力求与生态环境相协调，针对灌区普遍采用的梯形、U型及矩形断面渠道，从渠道衬砌断面尺寸、衬砌超高、衬砌厚度等方面进行设计，提倡多方案比较、杜绝贪大求新、减少资金浪费。

2 灌溉渠道的衬砌断面选择

灌溉渠道常见的断面形式有梯形、矩形、U型及复合型。其中梯形、矩形、U型常用于流速1m3/s以下的小型农田水利灌溉渠道，复合型断面一般适用于挖深较大的深挖渠段。在实际设计过程中，根据灌溉对象需求要求确定设计流量，通过水力计算，得出经济合理渠道断面，结合渠道输水要求、流速要求、水位要求选定断面尺寸。

按照新余市相关工程经验，设计流量Q≥0．4m3/s的渠道，推荐采用梯形衬砌断面;设计流量Q≤0．3m3/s的渠道推荐采用U型衬砌断面;设计流量0．3m3/s＜Q＜0．4m3/s的渠道可采用梯形或U型衬砌断面。一般情况下，衬砌断面形式最好为梯形或U型，但考虑有些渠道两岸为混凝土路面或已有房屋等其他建筑物，不便开挖，也可采用矩形断面，以减少渠道占地。

3 灌溉渠道的衬砌材料选择

渠道衬砌主要为减少渗漏损失，提高渠系水利用系数，控制地下水位上升，防止土壤沼泽化和盐碱化，同时减少渠道糙率，加大流速，增加输水能力，兼能固基护壁，防止渠道冲刷破坏。

目前工程实际中主要采用的衬砌材料有混凝土衬砌，砖、石衬砌，沥青混凝土护面，塑料薄膜、油毡防渗，其他如水泥土防渗、粘土防渗等。由于混凝土衬砌具有防渗、抗冲性能好，耐久性强，且适用不同地形、气候和运用条件，因此新余市灌溉渠道多采用混凝土衬砌，对于用砖比较方便的矩形断面也采用砖衬砌。

4 梯形衬砌断面设计

4．1 断面设计

设计流量Q≥0．4m3/s的渠道，推荐采用梯形衬砌断面(设计流量0．3m3/s＜Q＜0．4m3/s亦可采用)，过水断面按水力最优断面设计。断面衬砌(现浇)示意图如下:

其中:B－衬砌渠底宽(m);h1－设计水深(m);h2－衬砌渠深度(m);H－渠深(m);δ－衬砌厚度;m－边坡系数;b－现浇混凝土压顶宽，根据我省工程实际，一般取宽10～30cm，厚10cm，如衬砌后渠岸边坡土质较好，又比较平整的，可不设压顶;a，a1－渠堤和衬砌超高(m)，按规范及新余市实际经验，取值参考下表1。

渠堤超高a值及衬砌超高a1值表(表1)

水力最优断面过水面积最小，湿周最短，能节省衬砌工程量。对于小型渠道，衬砌断面按水力最优断面设计是比较合理的。梯形渠道水力最优断面的水力要素计算公式如下(《灌溉与排水工程设计规范》附录H):

式中:h0－水力最优断面水深(m);n－渠床糙率;Q－渠道设计流量(m3/s);m－渠道内坡系数;i－渠底比降;b0－水力最优断面底宽(m);A0－水力最优断面的过水断面面积(m2);x0－水力最优断面湿周(m);R0－水力最优断面的水力半径(m);V0－水力最优断面流速(m/s)。

按水力最优断面计算方法，不同流量Q、比降i、边坡系数m可求得不同渠底宽b及水深h，可以列表并绘制成果曲线，以方便设计过程中查找和比较。

小型渠道冲刷严重、断面增大是现有灌区普遍存在的现象。针对此现象，一般按以下两种情况处理:一是断面冲宽严重，按设计流量及渠道现有底宽、坡降推算的宽深比a=b(渠底宽)/h(水深)＞3时，如属局部渠段(200m以内)，建议回填至设计断面，否则维持原断面的大小，进行边坡修整后衬砌，护坡不护底，以节省费用。对于渠段水面线不能满足下级渠道取水或田间灌溉要求的，应增设节制闸。二是断面冲宽一般，按设计流量及渠道现有底宽、坡降推算的宽深比1≤a≤3时，如原渠道水位基本能满足当地灌溉要求，或在该区域内属提灌，则可维持原断面大小进行衬砌，否则应缩小断面宽度进行加固衬砌，以提高水位满足自流灌溉要求。

4．2 衬砌设计

梯形渠道混凝土等厚板衬砌分为现场浇筑与预制混凝土板两种。根据新余市目前实际情况，考虑到预制混凝土板运输、施工等相对便利，质量易于保证，建议优先采用。

(1)现场浇筑。具有衬砌接缝少，造价低等优点。采用C15混凝土衬砌，衬砌厚度宜选用6～8cm，现场浇筑混凝土单板尺寸以3～5cm为宜，接缝采用沥青混合物填充水泥砂浆抹面。

(2)预制混凝土板。具有受气候条件影响小、混凝土质量容易保证、可提前预制等优点。采用C15混凝土预制，板厚宜选用4～6cm，预制混凝土板的尺寸根据安装、搬运条件确定，人工施工时一般采用50×50cm或40×40cm以及同等大小正六边形等。

5 U型衬砌断面设计

U型槽具有良好的防渗效果、水力性能好、抗外力条件性能佳等优点，且省工省料、占地少、便于管理，在小型渠系工程改造中应尽可能采用U型槽防渗。流量Q≤0．3m3/s的小型渠道，推荐采用C20整体式预制混凝土U型槽衬砌(设计流量0．3m3/s＜Q＜0．4m3/s亦可采用)。U型槽横断面示意图如下:

其中:r－下圆弧半(cm);h1－圆弧段水深，h1=r(1－sinα)(cm);α－直立段外倾角度，根据相关研究成果及场现有U型槽模具规格，取α=14°;θ－圆弧段圆心角，θ=180°－2α;h2－圆弧段以上至水面深度(cm);h－总水深，h=h1+h2(cm);H－衬砌渠槽深度(cm);B－衬砌渠槽口宽(cm);a，a1－渠堤和衬砌超高，取值参考表1(m);δ－衬砌厚度(cm);b－两翼伸出长度，一般采用(2－3) δ，其作用是增加渠槽刚度并防止地表水进入衬砌体和基土的结合面(cm);i1－渠堤顶面向外的坡度，一般采用130～150。

按流量不同设计采用UD30～UD80混凝土U型槽，计算糙率n=0．014，渠堤超高a=0．2m，衬砌超高取 a1=0．1m。经计算，不同直径、水深、比降的对应流量见表2。

不同直径、水深、比降相对应流量表(表2)

在以流量选择U型槽型号时，优先选用深窄式槽，也就是直径小，水深深的U型槽，一是可以减少土地占用面积，二是有利于抬高水面线扩大灌溉面积。

6 矩形衬砌断面设计

新余市内灌区现有渠道断面形式为矩形的渠道数量也不少，边坡不便挖成斜坡且当地又无U型槽预制设备，用砖较方便时，可采用矩形衬砌断面。衬砌断面示意图如下图:

其中:b－衬砌渠底宽(m);h1－设计水深(m);h2－衬砌渠深度(m);h3－底板厚度(m)，现浇或者砖砌抹面，厚8cm;H－边墙高(m);δ－砂浆抹面厚度(cm)，取2cm;b1－边墙厚(m)，取值见表3;a，a1－渠堤和衬砌超高(m)，取值参考表1。

由于边墙需依靠自身重力维持稳定，砌筑断面较大，材料浪费严重，原则上不推荐采用矩形衬砌断面。特殊情况必须采用矩形衬砌方式的，砖衬砌1．2m以下和混凝土衬砌0．8m以下渠道边墙高度与厚度取值见表3与表4。

砖砌矩形断面渠道边墙高度与厚度值取值表(表3)

对于矩形断面，其最优水力断面条件为b(底宽)=2h(水深)，矩形渠道多为村旁、路边等流量较小的渠道，考滤到矩形断面完全按“最优水力断面”设计，挖方或回填土方较大，特殊情况可依据设计流量按现有断面稍作修整后进行衬砌。

7 结语

按照“生态优先”和“环境协调”的设计理念，对于一些满足《灌溉与排水工程设计规范》(附录J)“渠道防渗衬砌结构适用条件”的土质渠道，为了和当地环境相协调，保护当地生态，节约工程资金，可不进行混凝土衬砌，即当渠基土壤为重粘土、粘土、重粘壤土且渗透系数K＜8．1×10－5cm/s时，可以不做混凝土防渗衬砌，但必须按设计要求修整断面并夯实渠基。