小型农田水利工程田间灌溉渠道断面选型分析

2020-07-21王万洋

河南水利与南水北调 2020年6期

王万洋

（新疆瑞祥农牧工程咨询设计院有限公司）

1 工程概况

工程区西部山区属沙里阔勒岭，海拔3 300 m以上，呈北西——南东向走向。东部的安大力塔格山脉，海拔5 000 m左右，也呈北西——南东走向。工程区主要在两山系之间展布的狭长的塔什库尔干谷地北部，海拔3 330～3 630 m，谷地最宽处15 km，最窄处不足2 km。项目工程区内地层岩性以第四系沉积物为主，主要由第四系全新统（Q4BMQM）冲洪积物组成的粉土、砂卵砾石及碎石土为主。

主要建设内容：①消力池1 座；②渠道工程。修建支渠1条，分支渠2条，斗渠12条，农渠4条；③配套渠系建筑物。

根据2001年国家技术质量监督局发布的1/400万《中国地震动参数区划图》〔GB18306-2001〕，工程区地震动峰值加速度为≥0.40H，地震特征周期为0.45s，相应地震基本烈度为≥Ⅸ度，应属区域构造稳定较差地区，但对该工程不会有太大的影响。

2 项目主要施工内容

项目引水支渠1条，长773 m；设计分支渠2条，分别长617 m和1 200 m，引水支渠与分支渠均采用5 cm厚 25F200UD50预制混凝土断面，设计流量0.10 m3/s，纵坡1/37～1/25（支渠水力要素见表1）。设计斗渠12 条，总长4 154 m，采用5 cm 厚 25F200UD40 预制砼断面，设计流量0.03 m3/s，纵坡1/2 000～1/14（相关数据见表1）。引水支渠、分支渠、斗渠沿轴线方向每隔7.31 m 设一条横向伸缩缝，缝宽3 cm，采用聚乙烯油膏填缝。压顶板采用 25F200现浇砼，宽30 cm，厚5 cm，每隔2.50 m设置一道伸缩缝，采用 25细石混凝土填缝。

根据各渠道的纵向坡度及设计流量大小，结合渠道沿线地层岩性及采用的护砌材料，按明渠均匀流公式进行设计，项目均采用了经济实用断面结构，衬砌材料为预制混凝土。

3 渠道断面结构形式分类

在农田水利工程末级渠道设计过程中必须考虑到线路长、数量大，以及节水降耗等核心问题。从目前看，渠道结构设计需考虑同等流量下的经济性、适用性，设计渠道断面，可根据设计流量、纵坡、糙率和边坡系数等用明渠均匀流公式加以计算。

设计断面应满足如下几个条件：第一，渠道应具备足够输水能力；第二，渠道断面应具备相应的稳定性，即：纵向稳定，保证渠道不发生冲刷以及淤积、冲淤平衡。从平面来看不应出现左右摆动以及两岸的局部淤积和冲刷；第三，断面与比降的一致性。要保证整条渠道的渠床表面糙率相同，在忽略渗漏、蒸发损失因素的情况下保证明渠水流为均匀流速。在选择渠道横断面时充分考虑到地质、地势、施工条件等因素，最终选择出合理的断面形式。通常水利工程断面形式分为3类，即：梯形、U型与弧形。下面对几种常用的断面形式分别论述。

表1 支渠水力要素表

3.1 确定基本设计方案

3.1.1 混凝土梯形断面形式

水利工程中梯形断面是应用最广，使用时间最长的一种断面形式，是其他渠道形式无法比拟，常用于输水干、支渠道上（见图1）。

图1 半填半挖渠道横断面图

通常农田水利灌溉项目多为小型水利工程（流量＜5 m3/s）。设计过程中应严格依照《灌溉与排水工程设计规范》进行设计，项目渠道只规划支斗农渠。考虑到新疆冬季寒冷，有大范围冻土层问题（一般超过100 cm），需在混凝土梯形断面渠道下部铺设砂砾/风积砂，避免出现冻胀破坏。梯形渠道的优点在于：防治效果好，一般能减少渗漏损失90%～95%；耐久性好，正常情况下，混凝土衬混凝土渠道可运行50a以上；强度高，便于管理，能有效防止动、植物或其他外力的破坏；衬砌接缝少，工程造价低，工程量适中，投资省；可塑性强，适应性广泛，施工便捷。缺点：占地面积较大；适应变形能力差；返修费用高；泥砂易淤积；在缺乏砂石料的地区，造价偏高。

实际工程会受自然条件和运行条件所限，因此渠道断面无法完全按照经济断面进行设计，如：在项目地势较为平缓部分，可采用宽浅型断面从而发挥土方挖、填基本一致的优势；针对寒冷地段或许深挖的地段，还需考虑到施工的经济性以及冻土带来的影响。针对这些地段设计应优选窄、深的断面结构。

3.1.2 混凝土U型断面形式

该断面形式属于水利工程中较为常见的一种，其断面由下部的半圆/弧形，以及上部直线断面构成。相比于梯形断面，该渠道断面与最佳水力断面较为接近，可保证水流均匀快速流过，同时能有效缓解防渗衬砌渠道的膨胀系数，有效调整受力的不均匀性。此外，渠道底部反拱部分能有效缓解裂缝、错台、冻害等工程问题（见图2）。

图2 渠道U型横断面图

U型渠道的优点:①具有良好的水力学性能、防渗性能、抗冻性能；②有效降低施工占地面积，通常梯形断面施工可节省50%左右的占地，同时，还能大幅降低施工土方量；③改断面施工具有便捷性，通过机械化施工可保证施工质量和施工速度，从而大幅压缩施工投资总量。

U型渠不适合流量大、纵坡大的渠道上（冲刷严重）。一般情况下，在寒冷和地下水位较浅地区修建U 型渠时，应考虑到冻胀因素，需在渠槽内铺设风积砂或砂砾石垫层等防冻垫层。

3.1.3 复合断面（U型底）

以梯形+U 型渠道断面为基础，逐渐演变出梯弧形混凝土渠道。有效的利用了梯形和U型两种断面优势。同时，梯弧形混凝土渠道断面设计在新疆地区应用较多。断面形式采用弧形现浇砼板，边坡采用现浇混凝土板或预制混凝土板，在混凝土板下部结构与前面渠道结构基本一致。从施工技术角度来看，施工难度较低且断面也接近于最佳水利断面。此外，该断面形式能有效改善渠道冻胀变形及受力不均等问题，可有效减轻冻胀造成的损坏，同时该结构的湿周较小、水力半径较大，由此提升了过水效果。

项目主要应用的建筑材料为天然石料：混凝土粗细骨料可以从县城利群砂石料场购成品方，料场日生产能力500～1 000 m3，平均运距20 km，根据试验资料可满足施工要求。项目紧邻314国道便于运输，根据实地调查资料，可从定点料场拉运。卵石，根据实地调查资料，可从塔提库力支流上采集，此带卵石丰富，平均运距为20 km。结合原材料供应情况，混凝土施工以现浇混凝土为主。

3.2 生态设计理念的应用

轮灌或大水漫灌的方式会浪费大量水力资源，加剧了水资源的供需的不平衡性。因此，在此次渠道设计中加入了渠道防渗技术，这样可有效降低输水过程中的能源损耗，大幅提升水资源的利用率。此外，通过渠床加固减少渠道表面水土流失，可提升渠道的平整度，由于糙率的降低也能提升流速，进而保证渠道的灌溉效率。同时，防渗技术还便于日常维护，避免杂草丛生情况的发生，渠道防渗的效果非常显著，对于灌溉效率提升与生态环境的保护都有良好的促进作用。

为保证防冻厚层，设计中提出应粗修土渠并使用平板振动夯对垫层进行逐层拖振处理。该垫层包括两层的回填，且层厚≤20 cm。通过洒水夯实，保证项目密度达到规范标准。夯实后需进行清理平整，并沿着坡面/渠底重新拖振，保证施工面的平整度为后续填筑提供质量保证。