截流井技术应用与设计——以府谷县工程为例

何 靖

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；2. 陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司,陕西 西安 710075；3.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710075；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075)

1 引言

府谷县地处黄土高原，黄土层厚度较大，地下水位埋藏较深，农业生产中利用地下水灌溉成本较高，且随着时间的推移，面临地下水位下降等不利因素的限制，不能满足农业生产过程中对水分的需求。其境内有多条雨季水量丰沛、旱季基本断流的小河流，如何将雨季丰沛的水量低成本、有效地存蓄用于旱季灌溉，是解决该区域灌溉需水、满足农业生产需求的有效途径。截流井[1]是一种水平集水的水工建筑物，且成本低、能有效存蓄水资源、满足该区域实际情况的水利设施。邓方霞[2]详细阐述了渗渠取水的计算过程并提出了相关建议；张玉堂等[3]等对西藏白朗县截流井的应用进行了详尽阐述；王育男[4]、郝卫平等[5]、马书升等[6]专家学者研究了我国不同地区截流井技术的应用情况与取得的良好效益。截流井的设计、应用关系到该地区农业生产灌溉水源的保证率。

2 项目区概况

工程项目区位于府谷县北部，工程受益范围涉及麻镇、哈镇、古城镇共3个乡镇和1个墙头农业园区，涉及36个自然村。总受益人口1.062万人。其中渠道灌溉面积9879亩，低压管道灌溉面积3247亩。项目区沿黄土石山区是地形地貌的一个显著特征，地势西北高，东南低，海拔高度在780～1426 m之间。年平均降雨量435 mm。项目区农作物主要是玉米、谷类为主。

3 截流井灌溉工程设计

第一个设计区选在古城前坪村，规划灌溉面积800亩，截流井控制灌溉面积大约为400亩，主要灌溉玉米等粮食作物。

3.1 截流井出水流量

截流井主要有抽蓄水的竖井和垂直于河道的横向渗渠两部分，而整个截流井水量的大小取决于当地河流来水情况，其次取决于横向渗渠。即在不考虑河流状况下，截流井的水源情况决定于渗渠。本次截流井横井采用规格为1000×100×1000的素水泥管，其上的进水孔取φ30的圆形孔，呈梅花状布置，孔眼内大外小，以防堵塞。孔眼净距为2～2.5 d(d为孔眼直径)，本次设计其净间距为60 mm。孔眼布置在管径的1/3以上的管周壁上，下部不设置孔眼，以防下部泥沙流入管内，造成关内淤塞，影响集水管的集水效果。

进水孔眼的流速应小于0.03 m/s，一般采用0.01 m/s。孔眼的总面积计算公式为：

F=Q/A

(1)

式(1)中：F为孔眼总面积，m2；Q为设计水量，m3/s；V为孔眼允许流速，m/s。

3.1.1 水力计算公式：

(1)流量公式

Q=AV

(2)

式(2)中：Q为设计水量，m3/s；A为管内水流有效断面积，m2；V为管内水流速，m/s。

(2)管内水流速公式

(3)

式(3)中：i为水力坡度，i=h/L(即管段的起点和终点的高差与该段长度比)；R为水力半径，m；R=A/ρ(ρ=湿周);C为径流系数。

(3)径流系数公式

(4)

式(4)中：n为粗糙系数，人工钢筋混凝土管粗糙系数采用0.014；

(5)

为方便计算，公式(5)可简化为：

(6)

(7)

经过计算得到，孔眼总面积占管面总面积的10%，符合孔眼式渗管的设计要求。

由于项目区河流地下地质情况的勘测，本次确定截流井渗渠取水流量采用阿拉薇娜为努美诺夫公式。其出水流量的确定计算公式如下：

Q=αLKqr

(8)

(9)

(10)

式(8)～(10)中：Q为渗渠总产水量，m3/d；α为淤塞系数，项目区取α=0.6；L为渗渠长度，m；K为渗透系数，m/d；K取值0.088 cm/s，即76 m/d；qr为河流方面的引来流量，m3/m/d；Hy为渗渠顶到河面的高差，m；取值3 m；H0为渗渠出口顶部距离竖井积水位的高差，m；取值2 m；A为河流来水的来水面积，m2；d为渗渠直径，m；渗渠直径取值0.8 m；T为含水层的厚度，m；项目区含水层厚度取值50 m。

带入相应数值对Q进行计算，得到Q值5674 m3/d。

3.1.2 确定控制面积

该设计区水源为截流井，截流井出水流量128 m3/h，水源供水流量不稳定。

截流井最大控制面积按下式计算：

(11)

式(11)中：A为灌溉面积，hm2；Qs为截流井供水能力，m3/h，取128 m3/h；Ia为设计耗水强度，mm/d，取4.5 mm/d；td为水泵日供水小时数，h/d，取20 h/d；η为渠系灌溉水利用系数，取0.75。

由于截流井所在河流来水流量不稳定，枯水期无法满足规划灌溉面积的灌水需求。故此修建的截流井需可灌溉面积远大于规划灌溉面积，存储多余水量以便于枯水期时满足规划灌溉面积的需水量。前坪村的规划灌溉面积为400亩<截流井可灌溉面积640亩，因此满足要求。

3.2 引流灌水定额及灌水周期

3.2.1 引流灌水定额

设计灌水定额按下式计算：

m=1000γsh(β1-β2)/η

(12)

式(12)中：m为设计灌水定额(mm)；γs为计划湿润层土壤干容重取1.38 g/cm3；hs为计划湿润层深度，取0.6 m；β1、β2为土壤适宜含水量上、下限(重量百分比)；η为渠道灌溉水有效利用系数。

m=1000×1.38×0.6×(0.9-0.65)×27.5%/0.75=75.9 mm=50.63 m3/亩。

3.2.2 设计灌水周期

设计灌水周期按下式计算：

T=1.5mη/E

(13)

式(13)中：T为设计灌水周期，d；m为灌溉定额，m3/亩；45 m3/亩；E为设计耗水强度，mm/d；4.5 mm/d。

T=1.5×45×0.75/4.5=11.25 d=11 d。

设计灌水周期定为11 d。

3.2.3 灌溉需水量的计算

前坪村规划灌溉面积400亩，灌水定额为45 m3/亩，作物耗水强度为4.5 mm/d；截流井水源供给渠系灌水，渠系灌溉水利用系数为0.75；每天灌溉抽水20 h。该村每天灌溉蓄水流量计算如下：

Q需=8.64qA灌

(14)

(15)

式(14)、(15)中：Q需为规划的灌溉面积每天灌溉需水量，m3/d；q为单位规划灌溉面积每秒灌溉需水量，m3/s/万亩；A灌为规划灌溉面积，亩；此处取值400亩；α为作物种植比例，此处取值为1；m为作物灌水定额，m3/亩；本次设计取值45 m3/亩；η为渠系灌溉水利用系数；T设为设计灌水周期，d；此处取值11 d。

带入相应数值可得到规划灌溉面积每天灌溉需水量为2560 m3<截流井每日供水能力5674 m3，满足项目区水资源现状及灌溉需求。

3.3 管网水力计算

3.3.1 设计区灌溉系统设计流量

设计区灌溉系统设计流量按下式计算：

Q=0.667mA/(ηTt)

(16)

式(16)中：Q为灌溉系统设计流量(m3/h)；A为系统灌溉总面积(亩)；t为日工作时数(d)，取20 h。

灌溉系统设计流量为：

Q=0.667×45×400/(0.75×11×20)=72.8 m3/h。

系统设计流量取值72.8 m3/h，井泵流量为80 m3/h，可满足灌溉系统要求。

3.3.2 田间管网水头损失计算

由Q=πD2V/4得：

(17)

式(17)中v取1.2 m/s,可得D=146 mm，取DN160 mm。

地埋固定管道采用φ160PVC为U管，管道承压力为0.6 MPa。水泵出水管到上水管采用Φ80钢管。PVC为U管道水头损失按下式计算：

(18)

式(18)中：hf为沿程水头损失(m)；f为摩阻系数，PVC为U管取0.948×105；Q为管道流量(m3/h)；d为管道内径(mm)，160 mm；m为流量指数，取1.77；b为管径指数，取4.77；L为管道长度(m)，500 m。

则计算出PVC为U管沿程水头损失hf为2.90 m，局部水头损失按沿程水头损失的10%计，管路损失扬程h损，为水井以后上水管路逐段沿程和局部损失之和。

h损=hf+hj

(19)

则：h损=hf+hj=2.90+0.29=3.19 m。

3.3.3 灌水系统进口设计工作水头计算

最不利处出水池高程为1154.4m，管网入口即截流井处高程为1155.6m，则管网进水口水头：

Hin=∑hf+∑hj-ΔZ+Hg

(20)

式(20)中：Hin为渠道入口设计工作水头，m；hf为计算渠道沿程水头损失之和，m；hj为计算渠道局部水头损失，m；ΔZ为设计控制点与渠道入口地面高程之差，m；Hg为设计控制点出水口工作水头，取2 m。

则灌水系统进口设计工作水头为6.06+0.606-1.2+2=7.466 m。

3.4 截流井工程设计

3.4.1 截流井设计

(1)截流井的管道水力计算。根据工程设计计算截流井水泵管道的水头损失，按下列公式计算：

(21)

式(21)中：h泵管为截流井水泵管道的水头损失，m；k为水头损失扩大系数，取1.10；f为摩阻系数，取6.25×105；Q为流量，L/h，为80 m3/h；d为管道内径，mm，为80 mm；L为管长，m，为10 m；m为流量指数，取1.9；b为管径指数，取5.1。

则截流井水泵管道的水头损失为5.59 m。

(2)截流井设计扬程计算。设计区截流井动水位为20.0 m，灌水小区系统进口设计工作水头7.466 m，截流井需求设计扬程为20+7.466+5.59+3.19=36.211 m。

3.4.2 井泵设计

(1)机泵选择。根据扬程和流量确定泵的型号，选择井用潜水电泵200QJ80为44/4，具体参数如表1所示。

表1 水泵选型参数

(2)参考项目区地表水的水文地质资料，确定设计井深为8 m，下为岩层。

(3)井孔直径确定。动水位为20 m。井型选定为管井，井径(内径)选定为Φ3000 mm。

(4)井管结构尺寸确定。井管选用采用φ3600 mm水泥管，管壁厚300 mm，单管长2000 mm，接口为柔性企口。滤水材料采用同型号铸铁管。滤水管长度参照含水层厚度和位置确定滤水管长度和位置，滤水管位置必须和含水层保持一致，过滤器采用填砾缠丝过滤器。

(5)横井结构尺寸的确定。横井选用φ1000的钢筋混凝土短管，管壁厚100 mm，单管长度1000 mm。滤水材料采用砂石料，填充3层，自上而下其滤料尺寸为：第1层厚度400 mm，沙石料粒径为0.5为1.0 mm；第2层厚度为450 mm，粒径为15为20 mm；第3层厚度为500 mm，粒径为50为100 mm，该层与横井钢筋混凝土短管相接触；第1层与第2层滤料之间铺设涤纶短纤针刺土工布，以防止第一层滤料渗漏。横井短管为φ800 mm，其开挖沟坡比为1∶3，沟底宽度确定为1.6 m，沟高4 m，沟顶宽度为4.3 m。

(6)井房设计。新建截流井房1间，砖混结构，铝合金窗，屋面采用现浇砼板，采用陕西省标准设计《建筑用料及做法》02J01屋面Ⅲ3的做法，防水层为SBS改性沥青防水卷材；外墙水泥压光，刷彩色涂料，内墙水泥压光，纸筋灰罩面。

(7)输变电工程设计。安装20kVA变压器1台，S9为20/10为0.4；架设10 kV线路0.2 km。

(8)护井工程(井台)设计。井台设计为圆锥台型砖砌体结构，高度为2 m，盖板为C20钢筋砼预制，厚度10 cm。内安装闸阀一个。

(9)配套设施。泵型：QJ型；配电柜：GGD1型；启动器：JJ1B型；泵管均采用钢制，规格：DN80 mm。

4 结语

本文针对榆林府谷县部分区域灌溉问题，开展截流井技术设计，以期满足当地农业生产对水资源的需求，并对水资源时间分布不均进行调节，为后续的相关灌溉技术提供借鉴与参考。