农田水利中斗渠设计流量与横断面形式确定分析

2015-12-30周富强

水利技术监督 2015年5期

关键词：支渠填方断面

周富强

（新疆新淼建设工程有限公司，新疆伊宁 835000）

农田水利中斗渠设计流量与横断面形式确定分析

周富强

（新疆新淼建设工程有限公司，新疆伊宁 835000）

以实际工程为例，对农田水利建设中斗渠设计流量和横断面形式的选择进行了分析。为斗渠工程的设计提供参考。

农田水利建设；斗渠设计流量；横断面形式

1 案例介绍

我国农田水利建设快速发展，对斗渠工程的建设要求也越来也高。在对斗渠进行设计时，需要对设计流量和横断面的基本类型进行确定。某水利工程的总灌溉面积为123.4万亩，一共由5个灌溉系统组成，其中抽水泵站有36个，一共安装了165万台抽水机，装机总容量为11.56万kW。工程主要由支渠、干渠构成，渠道的断面形式为U型混凝土衬砌。其中斗渠共有501条，总长度为792.2km。随着地貌特征的不断变化，之前修建的斗渠已经不能满足设计要求，需要对斗渠重新进行设计改造。

2 渠道规划设计中的注意事项

2.1 需要考虑多级抽水灌区斗渠之间的间隔距离

该工程建设中斗渠之间的距离为550～4500m，平均距离为2000m，根据渠道运行的基本情况进行分析，渠道之间的距离越小，流量的设计值也就越低，不利于泵站之间的配合，对泵站运行效率也有一定的影响。

2.2 边坡方面存在的问题

该工程支渠挖方段的边坡比为4∶1，但是由于土层中含有砂卵石层、粉砂层，对边坡的稳定有一定的影响，因此要将边坡的坡度进一步放缓［1］。外坡比设计为1∶1.25，提高了填方断面的密实度。衬砌施工 1年后，在填方段出现了少量的裂缝，分析后认为是由于填方外部出现沉降导致的。为了提高填方和渠道的安全性，需要将施工中填方外边坡比设计为1∶1.5。

3 流量设计计算

3.1 斗渠设计计算

在水利工程中，农作物的灌溉比例、灌溉制度、灌溉面积、渠道水的使用系数都会对渠道设计流量造成影响。该地区的农作物的种植比例如表1所示。灌水的延续时间见表2。

表1 农作物的种植比例

表2 作物灌水延续时间

使用以下公式来计算灌溉率:

式中:Qi为灌水率（单位为 m3/s.667hm2）；αi为第 i种作物种植比例；第i中作物灌水定额为mi（m3/667m2），单位为（m3/s.667hm2）；第i种作物灌水延续时间为 Ti，单位为d。经计算，该灌溉渠道的灌水率为0.512，在设计流量时，按照设计流量的 1.5倍来确定。

3.2 支渠流量计算

支渠流量指的是所有工作斗渠毛流量的和:

式中，所有支渠上同时工作斗渠的数量为 n，支渠渠道对水的利用系数为0.95。那么支渠毛流量的使用如下公式进行计算:

由于支取上各个轮罐组的情况不一致。经计算，支渠K4+890～K6+575按照1.17m3/s来设计流量，加大流量为1.52m3/s。K1+100～K4+8000段的设计流量为1.59m3/s，加大流量为2.06m3/s。

4 渠道断面形式的确定

4.1 断面形式的选择

该工程所有斗渠的断面形式均为“U”型，断面示意图如图1所示。斗渠的上部呈稍向外倾斜的直线，下部呈现为半圆性。直线段下切半圆。对于比较大的U型渠道一般使用浅且宽的断面，设计深宽比为 0.66～0.76，而对于比较小的 U型渠道断面，一般建议使用深且窄的断面，设计深宽比为1.0。断面的设计流量为2.6～0.1m3/s，设计的渠道宽度为0.55～2.56m，设计斗渠的渠道比降为1/100～1/1000，外倾角为8.6°～12°。

使用这种渠道断面形式，主要具有以下几个方面的优点。

图1 U型断面示意图

（1）具有良好的水利条件。U型断面和水力的最佳断面比较接近，相较于其它的断面类型，U型断面的水流的流动速度更快、湿周小，对沙和水的运送能力更好，一般泥沙不会在渠道中淤积，并且可以降低灌溉周期。

（2）水的损失率低。相较于梯形渠道来说，大约1km输水流量损失将会降低1%～3%，而且U型渠道断面水流的速度比较快、不易出现裂缝，具有良好的防渗效果［2］。此外，由于U型渠道断面比较窄，水面暴露的面积较少，水资源蒸发量少。

（3）具有良好的力学性能。由于U型渠道底部类型为反拱，衬砌的断面和悬链线比较接近，并且土体的侧向压力低，侧向土体具有良好的稳定性。可以有效防止地基被冻胀破坏，具有良好的稳定性和抗滑性，渠道具有更好的耐久性。

4.2 斗渠的布置类型

该渠道一共修建了5个灌溉系统，并分别顺着干渠分别在南部进行抽水，各个泵站之间设置支渠来进行连接。布置斗渠时，要和等高线垂直的方向进行布置。在布置渠道线路时，要考虑渠道和道路之间的关系，保证渠道设计的合理性。在规划斗渠时，要按照规定标准进行施工，保证渠道的顺直。

4.3 布置渠道系统

在布置抽水灌溉区的系统时，首先要做好泵站的规划工作，将输水支渠之间的距离控制在3.0km。布置时要顺着等高线进行布置，充分对水头、已有的田间配套设备等进行利用［3］。此外，在规划渠道线路时，要根据地形地貌情况来进行规划，确保道路和渠道可以紧密结合。

4.4 确定渠道的灌溉面积

布置好渠道系统后，要确定渠道的灌溉面积。在进行确定时，首先要根据地形情况以及土地的利用率来对灌溉面积进行确定。此灌区主要有坡地和平原土地两种类型。其中坡地根据坡度情况按0.55～0.6进行取值。而对于平原土体根据该工程的实际情况利用系数值为0.87。将灌溉综合土地的使用系数确定为0.815。

5 斗渠设计注意事项

5.1 需要考虑渠道的比降

工程的支架主要按照和等高线平行的的方法进行布置，渠道的比降为1/1450，工程的分干系统东部高、西部低，为了降低地块和支架之间的倾斜度，要求东部支渠电能比降更大。根据原来的设计来对支渠将那些布置。每间隔0.5km布置跌水，渠道的总建设量大。该工程一共有8个跌水，跌差总量为34.3m。在对设计进行重新审查后，改进了设计，对地形进行了充分使用。大多数的渠道的大比降设计为1/100～1/500，渠道所占的地面面积比较小，衬砌混凝土和土方工程的施工量比较小，而渠道工程对水的运输能力可以提升 5倍左右，在改进渠道功能后，不仅对灌溉效果进行了保留，并且还具备了一定的排水效果，提高了渠道的安全性。

5.2 上级渠道、下级渠道和支渠的高程

在该工程设计建设中，使用无闸进行引水，分干渠要比支渠引水口底部高程低，大约相差0～52cm。当运行过程中，水流量比较小时，由于渠道底部被抬高，导致水无法进入到支渠中［4］。对于抽水灌区来说，为了使灌区的灌溉能力被进一步提高，保证泵站的安全性，要对水量进行更加充分的使用。此外，在支口位置布置闸来进行引水，当不使用闸来进行引水时，要求支口的高度低于干渠30cm。

5.3 选择支渠的高程

在布置支渠时，主要是按照等高线来进行布置的，但是需要注意的是要合理的选择地面高程和支渠高程，尽可能保证开挖和填充的平衡。当支渠渠线选择的高程比较高，渠线工程主要是使用填方的方法来进行施工。如果高程过高，会使工程的施工面积变大，增加工程的施工难度，对渠道运行的安全性造成了比较大的影响［5］。而对于支渠渠线在进行施工时，需要进行大挖方施工，施工方便，施工费用低，渠道的安全性也更高，但是由于不能使用本级渠道灌溉渠边的耕地，因此要安排上级渠道通过支渠道进行灌溉。所以，在对抽水灌溉系统进行布置时，要使用填方施工的方法进行施工，并适当进行挖方。而对于末级渠道，要使用挖为主、填方为辅的方法进行施工。