盘山县水田灌区灌溉渠道改造设计要点浅析

常秀红

(盘山县农业水利事务服务中心，辽宁 盘山 124100)

0 引言

盘山县水田灌区为大型灌区[1]，现有红旗、八一、青年水库平原中型水库3 座，总库容6910 万m3，兴利库容4097 万m3，供水能力为6290 万m3，配合上游大型水库进行供水。主要骨干工程为支渠以上配套建筑物包括提水工程(南塘站、南水北调站)、引水工程(拦河闸、拦河坝)以及倒虹吸、渡槽涵闸等共计3000 多座，支渠以上渠道705 条、长度1032 km。盘山灌区建设运行已有几十余载，各种建筑物老化、渗漏及破损情况不同，运行情况也不同，从2006 年开始至今，通过大型灌区续建配套与节水工程改造逐渐完善，预计到2020 年将基本改造完成。此次节水改造项目区主要渠道多为20 世纪70 年代规划建设，修护不到位，干渠渠堤断面小，现状渠道多为土渠或者浆砌石断面，渠道断面破损、坍塌、渗漏严重，水量损失较大，堤土土系松动，渠堤多处水土流失严重，甚至有决堤危险，已经危及农田和村庄安全，因此应对渠道进行改造设计[2]。灌区内典型干渠长1.034 km(部分，上游已治理)，控制灌溉面积6265 亩，种植结构主要为水稻。现状渠道为土渠断面，渠道破损及渗漏严重，本次考虑将现状渠道改造为C20 砼衬砌断面，进行渠道断面设计研究。

1 设计流量确定

1.1 灌水率

灌水率与灌区内的作物组成、种植比例、作物允许灌水延续时间、栽插进度有关。根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB 50288-2018)[3]，万亩以上灌区灌水延续时间，水稻泡田期为5 d～15 d，生育期为3 d～5 d。万亩及万亩以下灌区可按表列数值适当减小。故灌区拟定水稻泡田进度：水稻泡田延续时间拟定为15 d，其中前5 d 完成30%，日均进度6%，高峰期5 d完成40%，日均进度8%，后5 d 完成30%，日均进度6%。由此计算出规划水平年灌水率，按相关的灌溉设计规范进行修正，规划水平年2030 年灌区修正后的灌水率见图1，设计灌水率为0.47 m3/(s·万亩)。

图1 灌区P=75%灌水率图

1.2 灌溉水利用系数

灌溉水利用系数即为渠系水利用系数及田间水利用系数的乘积，渠系水利用系数为灌区各级渠道水利用系数的乘积，根据典型区布置情况，田间农渠为末级固定渠道，在推求农渠的净毛流量时，取农渠长度的一半作为农渠的工作长度，求出农渠的净毛流量后，它们之间的比值即为农渠水利用系数。推求支渠水利用系数时，采取对应支渠下50%～70%农渠的毛流量作为支渠的净流量推求毛流量，推出支渠净毛流量后，将干渠下所属支渠毛流量作为干渠净流量推求干渠毛流量(典型区设计时支渠采用续灌工作制度)。干渠净毛流量比值即为干渠水利用系数。本文农渠毛流量通过测量得到，斗渠、支渠及干渠以次推求得到。

在推求各级渠道水利用系数时，根据灌区渠道土质按《灌溉与排水工程设计规范》(GB 50228—2018)取土壤透水性系数K=3.4，土壤透水性指数m=0.50，渠道采用浆砌石衬砌，水泥砂浆抹面，故衬砌渠道渗水损失修正系数ξ0=0.15。推得如下：

(1)现状灌溉水利用系数

农渠水利用系数：η渠农=0.935；

斗渠水利用系数：η渠斗=0.913；

支渠水利用系数：η渠支=0.897；

干渠水利用系数：η渠干=0.876；

渠系水利用系数：η渠=η渠干×η渠支×η渠斗×η渠农=0.671；

根据规范，现状年田间水利用系数取ξ田=0.90；

灌溉水利用系数：ξ灌=0.671×0.90=0.604；

因此现状年2018 年灌溉水利用系数取值0.60。

(2)规划水平年为2030 年，灌溉水利用系数：

农渠水利用系数：η渠农=0.965；

斗渠水利用系数：η渠斗=0.952；

支渠水利用系数：η渠支=0.938；

干渠水利用系数：η渠干=0.928；

渠系水利用系数：η渠=η渠干×η渠支×η渠斗×η渠农=0.80；

根据规范，规划水平年田间水利用系数取ξ田=0.904；

灌溉水利用系数：ξ灌=0.800×0.904=0.723；

因此规划水平年2030 年灌溉水利用系数取值0.72。

1.3 设计流量确定

灌区内某干渠长1.034 km，控制灌溉面积6265 亩，本次设计灌溉设计保证率为75%，设计灌水率为0.47 m3/（s·万亩），灌溉水利用系数0.72，通过灌溉面积、设计灌水率和灌溉水利用系数确定出设计流量。计算公式如下：

式中：Q设为设计流量，m3/s；F 为渠道控制灌溉面积，本次控制灌溉面积3250 亩；q 为设计灌水率，0.47 m3/（s·万亩）；ξ 为灌溉水利用系数。

经计算可得，灌溉渠道设计流量为0.212 m3/s。

2 灌溉沟水力计算

本工程灌溉渠道断面尺寸根据《水利计算手册》[4]和《水力学》(第四版)[5]中明渠均匀流计算公式，在渠道流量Q、设计底坡i、底宽b 和糙率系数n，已知的情况下求设计水深，从而求得渠道断面尺寸。计算公式如下：

式中：Q 为渠道设计流量，m3/s；A 为渠道过水断面面积，m2；χ 为湿周，m；b 为渠道底宽，m；h 为渠道正常水深，m；m1，m2为渠道边坡系数，矩形渠道为0；C 为谢才系数；n 为渠道糙率系数；R 为水力半径，m；i 为渠道设计底坡。

渠堤超高：渠堤超高是保证行水安全，考虑渠系建筑物的壅水高度和渠道运用期间可能加大等因素对水位的影响，根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288－2018）按下式计算确定：

式中：△h 为渠堤堤顶超高,m；hf为渠道通过加大流量时的水深，m。

根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB 50288-2018)，该工程加大流量取35%计算。水力计算见表1。

表1 灌溉渠道水力计算表

3 结构设计

3.1 衬砌形式的选择

根据现场勘察情况灌溉渠渠线沿线附近无石料场，浆砌石材料紧缺，而混凝土衬砌具有以下优点：(1)混凝土衬砌渠道具有防渗效果好、耐久、糙率小、强度高和适应性强。(2)混凝土衬砌其衬砌厚度较薄，节省工程量等，通过对灌溉渠现状情况的认真分析研究，本着经济合理、便于施工、安全可靠、过流能力佳的原则，对灌溉渠选取混凝土衬砌及M7.5 浆砌石衬砌两种方案进行比较，断面设计图见图2。每米造价比较结果见表2。

图2 两种方案断面设计图

表2 两种方案每米造价比较表

由表2 可知，方案一，采用C20 砼矩形断面衬砌，每米造价617.46 元。方案二，采用M7.5 浆砌石矩形断面衬砌，每米造价702.66 元。从以上分析结果看，方案一投资费用低，且从渠道、地质、施工条件、防渗及长期运行管理等考虑，最终衬砌断面采用C20 砼衬砌形式。

3.2 工程布置

现状灌溉渠道为土渠，渠道坍塌、淤积及渗水严重，将现状渠道断面改造成C20 混凝土衬砌。灌溉渠设计灌溉面积6265 亩，灌溉设计流量0.212 m3/s，设计底坡1/300～1/2000。渠道采用C20 砼浇筑衬砌，边墙及底板衬砌厚度均20 cm，断面为0.8 m×0.9 m 矩形断面。灌溉渠道设计断面见图2(a)。

4 结论及建议

目前盘山县节水灌溉工程面积仅有15.02 万亩，仅占全县耕地面积的20.9%，加之生态建设、环境保护等观念的加强，地下水的限量开采，极端天气、恶劣气候的出现，使得旱情进一步加重，水量也逐年匮乏。在水资源严重缺乏的情况下，改进灌溉方式，提高灌溉技术水平，加大节水灌溉面积，改进灌区的管理水平，利用现有可灌溉水资源量更好的发展农田灌溉水平已成为当务之急[6]，同时水利配套工程的建设，也是保证枯水年灌溉保证率的重中之重。工程2017 年11 月开始设施，2018 年5 月已完成验收，通过灌区续建配套与节水改造项目的实施，改善了灌区的农业生产条件，具体如下：

1)改善灌溉面积6.2 万亩，灌区灌溉水利用系数由现状的0.60 提高到0.72。

2)年增节水能力383.0 万m3，年节约水量316.0 万m3。

3)灌区续建配套工程及优质水稻节水改造项目，使水田区水利工程完好率达到70%以上，灌溉保证率达到75%、排水能力达到十年一遇。

4) 项目区常规灌区的复种指数由现状178.0%提高到190.0%，充分挖掘潜在的农业生产能力。