小型灌溉水源工程设计模式及施工技术要点探讨

2018-04-24李荣

水利规划与设计 2018年3期

李荣

(葫芦岛市连山区水土保持局，辽宁葫芦岛 125001)

连山区位于辽宁省西部，地处辽西走廊。东临渤海、南邻葫芦岛市区、西邻朝阳市、北邻南票区。地理位置在东经120°14′15″～121°02′00″，北纬40°40′30″～41°00′01″，总面积1132km2。全区辖9个乡镇，9个街道(含锦郊)，115个行政村。全区总人口42.47万人，其中农业人口18.11万人，农民人均纯收入7800元，耕地面积45.95万亩。自从1991年辽宁省实施“大禹杯”竞赛以来，连山区曾经十几次夺得省市“大禹杯”，也修建了大量的小型农田水利工程。截至2016年底，全区现有水库4座、方塘89座、机电井2483眼(包括大口井226眼)、塘坝21座。全区有效灌溉面积7万亩。针对连山区有效灌溉面积仅占耕地面积15.2%、每个水利单元有效灌溉面积不足30亩的现状，提高全区耕地及每个水利单元的有效灌溉面积，保证全区农业可持续发展已刻不容缓。只有创新工程建设思路，克服已不符合时代要求的简单、粗暴的工程建设方法，才能探索出适合连山区小型水利工程建设发展的新模式[1]。

1 工程建设背景

2014年，连山区农业综合开发实施利用世界银行贷款可持续发展农业项目，主要目的就是借鉴国外发展现代农业的成功经验，探索连山区发展现代农业的途径，推进连山区农业现代化事业的健康发展。同时，在农业综合开发工作中能引进世行先进的项目管理理念、管理方法，进一步丰富农业综合开发的管理经验和管理模式，完善农业综合开发项目管理制度，健全管理机制，提高项目管理的水平。世行理念的中心思想体现在工程建设中就是禁止新开采地下水，避免破坏水源生态环境，实现生态环境的可持续利用[2]。提倡充分开发利用地表水资源，对原有水源工程进行改造，这一理念正好与连山区地下水已严重超采目前已达到111.6%、地表水利用不足目前仅为21.1%的现状不谋而合。

2 工程设计思路研究

连山区是一个以山丘区为主的县区，气候属于大陆性半湿润季风气候，年蒸发量为降水量的三倍以上。多年平均陆地蒸发量450mm，水面蒸发量1346.4mm，多年平均降水量为593.9mm，降水年内分配也极不均匀，多集中在七、八月份，占全年降水量的55%以上。人均占有水资源量仅405.7m3，不足全省平均水平(827m3)的一半。针对连山区自然现状，从减少地面蒸发量、充分开发利用地表水资源入手，利用原有水源进行升级改造的同时，重点开发和利用中小型河流的地表水资源，不让地表水资源白白流失，探索出适合连山区可持续发展的农业灌溉发展模式迫在眉睫。只有实施点面结合，综合施策的方法，才能实现连山区水利及农业的可持续发展[3]。

2.1 点型设计模式

针对连山区老旧大口井或小型方塘较多且年久失修的特点，有针对性进行升级改造势在必行。以前大口井确实在农业灌溉中曾发挥重要作用，但随着时间的推移，越来越失去它往日风采，呈现出诸多弊端。一是以前大口井主要人工开挖深度普遍较浅，属不完整井，随着水位不断下降，水量已不能满足灌溉需求，干旱季节基本无水可用；二是大口井占地面积大，在寸土寸金的当今已不合时宜；三是存在着严重的安全隐患，即使采取安全措施，加装安全防护网，往往效果不佳，且容易被人为破坏，还增加了维护成本，因大口井出现人身安全事故问题时有发生。针对以上缺点，经过近二年来探索实践，连山区通过在世行项目区用复合井代替大口井的方法有效解决了上述问题。同时复合井也适合在古河道、河滩地及沟道边施工，即节省了占地，又确保了施工安全，最大限度的发挥了水源灌溉功效，达到了预期效果[4]。

2.2 面型设计模式

针对连山区季节性中小河流平时河中水量很小，大部分水量经砂石层流走，特别是在干旱季节，河床往往处于干涸状态的特点，采用拦蓄结合方式尽可能留住地表水资源，有效利用地表水资源已势在必行。通过世行项目二年探索实践证明，有拦无蓄不行、有拦有蓄方法不当亦达不到预期效果。拦水设施应运而生，它充分拦蓄了地表水，做到了拦蓄的有机结合，特别是在干旱季节，水量充足，充分体现了它的独特价值，同时它又具有施工安全、管理安全、行洪安全的特性，深受社会欢迎[5]。

3 施工技术要点分析

3.1 复合井(点型设计)

3.1.1 结构尺寸

复合井是由一个主井(露出地面)和地面以下围绕主井的多个辅井共同组成，并通过碎石、渣石等透水性材料填充的水源形式。井管采用预制钢筋混凝土井圈，主井管规格Φ2.0m；辅井管规格Φ1.0m，主井部分起到集水井作用；辅井部分起到蓄水作用。主井要比辅井深2到3m，以钩机炮锤挖不动为标准，这样以利于水泵安装及保证水井有更好的出水量，达到充分利用水资源的目的。辅井管的高度及形状应根据正常地下水位及地形条件确定。复合井根据工程需要可灵活设置砖混结构井房，其规格为3.0m×3.0m，具体详见复合井图1～2。

图1 复合井平面图

3.1.2 基础处理

采用大开挖法施工，用人工配合机械开挖，开挖时注意做好施工排水，并根据当地地质条件，选择安全的施工坡比。首先完成主井开挖，以便施工排水，然后地基整平，辅井管需坐落在基岩上。如在耕地上施工，需表土分离堆放，以便完工后恢复原来地貌。

3.1.3 预制钢筋混凝土管安装

基础处理完成后，先进行主井管吊装，然后进行碎石垫层铺设，要平整密实，之后机械吊装辅井管并盖上井盖。

3.1.4 土石方回填

井管安装完毕后，首先填碎石滤料，然后进行回填土(砂砾石)，回填土要符合质量要求，回填土要水平分层回填土，对称填筑夯实。机械填土时，辅井管填土厚度大于1m时方可允许机械通过。如在耕地上施工，须最后回填表土，确保不影响土地耕作。

3.1.5 施工期选择

工程施工应选择在相对干旱期进行，便于工程质量和进度控制，保证施工安全，降低施工成本。就连山区而言，选择在春季4月～6月上旬，这期间是连山区全年最干旱季节，降水很少或基本无降水[5]。

图2 复合井剖面图(单位：m)

3.2 拦水设施(面型设计)

3.2.1 结构尺寸

拦水设施是由集水井及集水廊道共同组成的拦蓄地表水的一种水源形式，它的结构为钢筋混凝土框架结构，由基础梁、竖墙(井壁)、肋板、顶(拱)板组成，基础梁断面为300(高)×400(宽)，其余断面厚均为200。集水廊道每隔5m设一道肋板，起加固及支撑廊道作用。拦水设施长度根据河道宽度及工程需要可灵活设置，同时根据工程需要亦可灵活设置井房，井房为砖混结构，规格3.0m×3.0m。

3.2.2 基础处理

采用人工配合机械开挖，开挖时注意做好施工排水，开挖应先开挖两侧集水井，以便施工排水。然后集水廊道基础开挖，地基整平，并位于基岩上。

3.2.3 钢筋绑扎

先绑扎基础及竖墙钢筋，绑扎竖墙钢筋时需在两侧用钢管搭设临时支架以防钢筋笼变形。

3.2.4 混凝土浇筑

混凝土灌注入仓采用商品混凝土机械注入，振捣采用插入式振捣棒。浇筑混凝土前应将爬梯、进水管等预埋件按图预先埋设牢固，防止浇筑混凝土时松动，预埋孔洞亦事先留出，不得事后敲凿。混凝土浇筑可分三期，即基础梁浇筑、竖墙混凝土浇筑及顶(拱)板浇筑。混凝土施工缝位置可以设以下二处，一是基础梁上部，二是距拱廊(集水廊道)竖墙顶600处。

3.2.5 土石方回填

施工完毕后，当混凝土强度达到设计强度的70%时，方可进行回填土(砂砾石)，回填土要符合质量要求，先用锦纶网包裹进水孔，然后回填碎石，同时水平分层回填土，对称填筑夯实。机械填土时，廊道顶填土厚度大于1m时方可允许机械通过。

3.2.6 施工期选择

工程施工应选择在相对干旱期进行，便于工程质量和进度控制，保证施工安全，降低施工成本。就连山区而言，选择在春季4月～6月上旬，这期间是连山区全年最干旱季节，降水很少或基本无降水。

4 优缺点分析

4.1 优点

4.1.1 结构形式好

复合井为预制钢筋混凝土井管组合而成，可根据不同地形条件选择不同的结构形式，达到相同的预期效果。拦水设施为现浇钢筋混凝土框架结构，由集水井和集水廊道组成，拦蓄效果好，同时集水井在施工中还起到排水基坑的作用，降低了施工成本。同时拦水设施长度可由河道宽度和需求灵活设置[6]。

4.1.2 占地少，施工方便

复合井多位于原大口井或小型方塘、古河道、河滩地或沟道边，对于机械施工来说占地很少或不涉及占地问题，施工方便快捷。采用预制钢筋混凝土管，节省了施工时间，同时井管铺设完成后即可停止施工排水，减少了施工排水时间，从而降低了施工成本。目前连山区Φ5.0m以上大口井60余眼；小型方塘30余座，利用大口井或小型方塘改造成复合井，大口井按平均Φ10m、小型方塘按20×20计算、改造后大口井可增加耕地6.8亩；小型方塘可增加耕地近18亩。拦水设施位于河道中施工，不占用耕地，施工场地大，更便于机械施工。

4.1.3 安全性高

复合井为封闭结构，较传统敞开式大口井相比，消除了安全隐患，保证了施工、运行安全；拦水设施虽位于河道中，但完工后回填保持原状，不影响行洪，保证了行洪安全，同时集水井位于河岸两侧也起到了防洪堤的作用[7]。

4.1.4 清淤量小

复合井辅井管间经过碎石、渣石等透水性材料填充起层层过滤作用，故主井淤积量很小或基本无淤积；拦水设施为封闭结构，迎水面进水孔通过锦纶网包裹、碎石填滤几乎无淤积，即使有微量淤积也只限于廊道段，因为集水井段无进水孔，只有经过沉淀的水通过进水通道(人工清淤通道)进入集水井，不存在造成淤积的因素，廊道淤积可通过人工清淤通道给予解决。

4.1.5 效益显著

复合井较传统的水源井相比，其出水量一般不低于20～30m3/h，是Φ2.0m沉井出水量的3～5倍；其控制灌溉面积可达300亩以上，拦水设施横跨河床两岸，全范围吸收河床断面地表流经，仅蓄水量每延长米可达10m3，单井出水量50m3/h以上，单座拦水设施出水量100m3/h以上，其控制灌溉面积1000亩以上，可确保河道两岸耕地灌溉需求。与同等投资的方塘相比，其灌溉效益是方塘的3～5倍，同时也是最好的抗旱补充水源工程。由于复合井、拦水设施均为封闭地下工程，水面不裸露在外，地面蒸发量减少了199.2%，生态效益十分显著[8]。

4.1.6 使用寿命长

传统的水源井大多为敞开式砌石结构、易遭人为破坏，即使预制钢筋混凝土管因多为沉井，不完整井，水量不足，使用寿命不超过10年，复合井为预制钢筋混凝土管新型结构，为完整井，使用寿命不低于20年；拦水设施由于为双层钢筋混凝土框架结构，位于地下不裸露在外，且环境温度基本保持稳定，工程寿命可达到50～100年。