大中型灌区节水改造中防渗渠道断面优化设计

姚治国

（新疆瑞祥农牧工程咨询设计院有限公司,新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

为进一步落实中央“节水优先”治水新思路，紧跟现代化农业和节水型社会建设步伐，有必要理清现有大中型灌区的运行现状和水资源利用状况。大中型灌区多数通过四级以上的渠道输水，渠道断面大，衬砌率低，灌溉工程老化、破损严重、配套不齐，导致水资源浪费和灌溉水调度困难[1]。为实现水资源可持续利用，着力解决南疆水资源过度开发，用水结构失衡，农业用水方式粗放等问题，对现有灌区进行升级改造，大力发展高效节水灌溉，全面提高灌溉用水效率已十分迫切。本文结合前海灌区45 团2019 年骨干工程节水改造项目，从优化防渗渠道断面设计方面，为新疆发展节水农业及灌区现代化节水改造提供治理思路。

1 项目概况

前海灌区地处图木舒克市辖区，属塔里木盆地西部边缘地带。团场东西长52 km，南北宽20 km，规划面积117 万亩，可耕地面积76.8 万亩，耕地面积34.87 万亩。灌溉水源主要为叶尔羌河和提孜那甫河，叶尔羌河多年平均径流量64.57×108m3，平均流量204.5 m3/s；提孜那甫河多年平均年径流量8.711×108m3。前海灌区2019 年骨干工程节水改造项目主要针对45 团90 条分支渠进行改造，渠道现状均为土渠，水资源渗漏损失及淤积严重，运行管理比较困难。

2 工程建设

2.1 建设任务

灌区计划改建渠道90 条，总长111.97 km，改建配套建筑物1386 座，年用水量5417.76 万m3，年节水量157.11 万m3。通过渠道改造措施的实施，提高水资源利用率，减少农业用水量，提高农业灌溉的保证率及管理水平，增加农作物产量，改善生态环境。

2.2 建设内容

前海灌区45 团2019 年骨干工程节水改造项目建设内容见表1。

表1 2019年骨干工程节水改造项目建设内容明细表

2.3 工程等级

根据规范渠道设计流量0.20 m3/s～0.88 m3/s，工程规模为小型，渠道及主要建筑物工程级别为5级。90条渠道均位于灌区内，位置高于泄洪河道，不受洪水威胁。灌区属干旱地区，以旱作物为主，结合本灌区气象、水文及水土资源利用特点，灌溉设计保证率取75%。

3 防渗渠道断面设计

3.1 防渗方案

结合灌区实际，拟比选膜料防渗和砼防渗形式。

（1）膜料防渗。该防渗形式适用于中、小型低流速渠道。优点是造价低。缺点是允许流速小，渠道设计断面大、纵坡缓。

（2）砼防渗。该防渗形式适用于大、中、小型渠道。优点是防渗、抗冲性能好，耐久性强。缺点是一旦施工质量出现问题，则防渗效果不佳。

通过以上两种防渗形式的比较，本工程防渗形式采用砼防渗。

3.2 渠道横断面结构形式

本地主要采用梯形断面、弧形底梯形断面和U形断面。由于弧形底梯形断面和U形断面有利于增强边坡的稳定性，断面抗冲、抗冻性能比梯形断面强，另外这两种横断面形式水流条件较好，在第三师各团场渠道上普遍应用。U形渠道施工难度较大，质量不易控制，施工技术还不成熟。

鉴于本项目区纵坡缓，断面较大，决定采用弧形底梯形断面形式。

3.3 衬砌方案比选

以0.70 m渠深的分支渠为例对两种砼衬砌材料进行方案比选。

3.3.1 衬砌形式

（1）方案一：全断面采用现浇砼板衬砌

渠道防渗形式为现浇砼防渗结构形式。渠道全断面采用C20二级配现浇砼，厚度为80 mm，砼强度为C20，抗冻等级为F150，抗渗等级为W4。

（2）方案二：渠道渠底现浇、边坡预制砼板衬砌

渠道边坡采用边长400 mm×500 mm预制C20 砼矩形块砌筑，预制板厚60 mm，砼抗冻等级为F150，抗渗等级为W4。垫层与预制砼板之间设20 mm厚M15 水泥砂浆找平层，渠底采用C20 二级配现浇砼，厚度为80 mm，砼强度为C20，抗冻等级为F150，抗渗等级为W4。两种衬砌设计方案见图1。

3.3.2 方案比较

（1）渠道结构性能比较

方案一整体性较强，有利于增强渠道边坡的稳定性，渠道糙率小，抗冲、抗冻性能较强，过流能力强于方案二。

图1 两种砼衬砌方案方案设计断面图

（2）水力条件

由于现浇砼板糙率比预制砼板糙率小，流速大，有利于减轻淤积问题，在相同断面下，水力条件优于预制砼板方案。

（3）施工技术

方案二的施工质量便于控制，可以明显地缩短渠道停水时间，缺点是板缝较多，施工缝砂浆结合力较弱，整体性较差。方案一具有占用施工场地少，渠道整体性较好的优点，缺点是砼达到设计强度所需要的养护期较长，造成施工期较长，砼养护工作量大，容易造成施工质量缺陷。

（4）经济比较

对两个方案进行投资估算，见表2。

表2 衬砌方案经济比较

通过对主要工程量的投资分析：方案二主要工程投资高于方案一。

1.设计与制作：材料100%纯棉布料。长20 cm、宽10 cm，距离手套口2 cm处缝制一根绑带，绑带两端各缝制辣椒、小苹果、树叶等玩具，用针线手工缝制或缝纫机加工即可制成。见示意图1。

综上，方案一在水力条件、投资及结构性能上更好，有利于渠道过流及稳定性，施工与灌溉期的矛盾可采取提前灌溉错开灌溉期，解决施工工期短的问题，也可通过机井灌溉等方式解决施工期与灌溉期的矛盾。确定选择方案一作为推荐方案，即渠道渠底和边坡采用现浇砼板衬砌。

3.4 渠道断面设计参数

3.4.1 渠道流量及边坡系数

90 条渠道设计流量0.20 m3/s～0.88 m3/s。防渗改建渠道地层岩性为细沙和低液限粉土，根据渠道地层岩性、设计水深、加大水深、填方高度、渠道防渗型式等因素，确定砼板衬砌方案内、外边坡系数，根据规范渠道设计水深（加大水深）在1.0 m以下，渠道内、外边坡系数均取1.5。

3.4.2糙率

根据规范现浇砼衬砌渠道糙率n=0.015～0.017，考虑到施工及长期运行的影响，结合类似工程实施过程中的经验，取糙率n=0.016。

3.4.3 渠堤宽度的确定

渠道设计流量小于2 m3/s时，堤顶宽度为0.5 m～1.0 m。本项目渠堤均无交通要求，按照规范确定渠堤宽度统一取1.0 m。

3.4.4 渠道横断面水力计算

以5-1支渠渠段为例，横断面水力要素计算结果见表3。

表3 5-1分支渠断面水力要素计算表

3.5 节水量计算

灌区防渗改造提高了渠道水利用系数，根据式（1）计算。

式中：V节为该工程到设计水平年的节水量；V基数为以水平年为基数的引水量；η设、η现分别为设计水平年和现状年该渠道的渠道水利用系数。

2019年骨干工程节水改造项目完成后可节水157.11 万m3，具体见表4。

表4 2019年骨干工程节水改造项目节水量计算表单位：万m3

4 结语

通过多年灌区续建配套和节水改造的实施，新疆大多灌区的的灌排条件和骨干工程的输水调控条件均得到了显著改善，但渠道系统和田间工程依然是节水薄弱点和潜力挖掘点。受限于水资源匮乏、灌溉水利用系数偏低和水资源严重浪费的现状，对大型灌区骨干渠道工程实施节水改造，使水资源合理开发和高效利用，总量控制在三条红线以内，有利于对灌区生态建设、水资源可持续利用和经济可持续发展。因此，深入分析项目所在地气象水文和地质条件，优化设计渠道的防渗结构和断面型式，有利于完成上述目标，同时也为当地灌区后续节水改造工程提供了典型样板。