桃曲坡灌区渠道节水改造典型设计研究——以灌区西干五支渠和七支渠为例

杜 锋

(陕西省桃曲坡水库灌溉中心，陕西 铜川 727031)

桃曲坡水库灌溉工程在多年的抗旱中发挥了巨大的作用，但由于长期运行，灌区工程存在老化失修、渠道水利用率低、水量损失大等问题，严重影响了工程效益的正常发挥，制约了灌区经济的发展。因此，对灌区实施有效的节水改造，改善灌区的基础设施条件，对于充分挖掘灌区潜力，提高渠道的有效利用系数，扩大灌区灌溉面积，实现灌区农业增产，农民增收，增强水管单位自身效益，促进灌区良性发展很有必要。本文以桃曲坡水库灌区2020年节水改造实施的2个单项工程西干五支渠和西干七支渠改造为具体研究对象，对灌区渠道节水改造工程设计进行详细阐述，通过节水改造工程的合理设计，对减小农业灌溉水量损失，有效节约水资源，保障灌区所辖区县广大地区增收增产和粮食安全具有重要意义。

1 桃曲坡灌区概况

桃曲坡水库灌区地处关中北部，北临铜川，西接三原，东南与东雷二期抽黄灌区接壤，是一个以水库供水为主，兼有引清、引洪，跨流域调水，蓄、引、提结合多渠首多水源的灌溉系统。灌区地形复杂，自然地形地貌分为石川河阶地和塬区两个部分；地势西高东低，高程在850～490 m之间，石川河、沮河、赵氏河三条河流将灌区分成五个自然部分，形成川道和塬区相间的灌区。灌区所辖富平、三原、耀州区、铜川新区二县二区，共15个乡镇，198个行政村，916个村民小组，总人口46.7万人，其中农业人口37.9万人。灌区设施灌溉面积31.83万亩，有效灌溉面积25.5万亩，灌溉保证率50%。灌区共有干支渠41条，总长235.36 km，其中干渠5条，总长93 km，支渠36条，总长142.36 km。干支渠建筑物1283座，其中干渠建筑物389座，支渠建筑物894座。

2 西干五支渠和七支渠运行现状及改造内容

西干五支、七支渠是桃曲坡水库灌区的重要支渠，渠道承担着西干灌区1.4万亩的农业灌溉任务，有着十分重要的意义。西干五支、七支渠均是清洪双引灌溉渠道，砼衬砌梯形断面，均衬砌于上世纪80年代后期，受当时条件限制，设计标准低、施工质量不高，加之经过多年运行行水，目前衬砌板冻胀损毁严重、渠道淤积变形、建筑物损毁、渠道过流能力降低，严重影响着项目区农业经济发展和当地农民收入，为保证粮食安全，增加农民收入，对西干五支、七支渠进行改造是十分必要的。

从其实施改造的具体内容来看，西干五支渠全长2.67 km，全线改造，桩号0+000～2+670；西干七支渠全长2.5 km，已列入改造长度0.62 km，桩号0+000～0+620，本次改造剩余的部分长度1.88 km，桩号0+620～2+500。

(2)西干七支渠：七支渠位于西干渠12+187桩号处，控制富平县庄里镇2个村组0.7万亩灌溉面积，设计流量为1.0 m3/s。渠道全长2.5 km，已全部衬砌，比降1/800，梯形断面，边坡比为1:1，现有建筑物25座。

3 西干五支和七支渠道主体设计

3.1 工程平面布置

西干五支渠全长2.67 km，进行了全线改造，改造长度2.67 km，桩号0+000～2+670；西干七支渠全长2.5 km，其中0+000～0+620段的0.62 km渠道及建筑物改造后期单独列入改造计划，本次改造剩余的1.88 km渠道，桩号0+620～2+500；改造的2条支渠平面上维持原渠道走向不变。

3.2 设计流量确定

西干五支、七支渠设计流量均保持原设计流量1.0 m3/s，加大流量1.2 m3/s不变。

3.3 渠道纵断面设计

改造衬砌渠道设计比降采用原设计比降1/800。

3.4 渠道横断面设计

3.4.1 抗冻胀设计

桃曲坡水库灌区位于关中北部渭北旱塬区，属暖温带干旱与半干旱气候区，四季冷暖分明，多年平均气温12.8℃，灌区最冷月平均气温-3℃，灌区最大冻土深度58 cm。根据《渠道防渗工程技术规范》，标准冻深大于0.1 m，应进行防冻胀设计。

1)抗冻胀计算

本次抗冻胀设计选择改造渠道中相对不利走向东西走向的西干五支渠上段作为典型进行抗冻胀设计，以此为依据确定本次改造渠道衬砌结构的抗冻胀措施。

选取东支渠内坡中点偏下、底面中点两点进行冻胀量计算，按照《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL23—2006)中的式(1)进行计算：

Zd=ΨdΨwZm

(1)

式中：Zd为渠系工程设计冻深(cm)；Zm为历年最大冻深(cm)，取58 cm；Ψd为考虑日照及遮阴程度的修正系数Ψd=a+(1-a)Ψi计算；Ψw为地下水影响系数，取1.28 m；Zwi为计算点的冻前地下水位深度，取4.5 m(m)；Zwo为临近气象站冻前地下水位埋深(m)；经调查气象站冻前地下水位埋深取Zwo=3.0 m；β为系数，查规范取0.79。

具体参数取值及不同位置设计冻深计算结果见表1。

表1 设计冻深计算表 m

2)冻胀量计算及冻胀等级确定

根据《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL 23—2006)，基础结构下冻土层产生的冻胀量hf可按式(2)计算。具体见表2。

表2 渠道底板、边板冻胀量及冻胀性级别表 cm

hf=h*Zf/Zd

(2)

式中：hf为基础结构下冻土层产生的冻胀量(cm)；h为工程地点天然冻土层产生的冻胀量(cm)；Zf为基础设计冻深(cm)，Zf=Zd-0.35δc-1.6δw，其中δc为基础板厚度，δc=10 cm。δw为底板之上冰层厚度，δw=0。

3)抗冻胀措施确定

经计算本项目混凝土衬砌渠道阴坡板、底部冻胀量为2.14 cm、2.04 cm，其冻胀级别为II级，根据《渠系工程抗冻胀设计规范》P18表4.2.2渠道衬砌结构允许法向位移值，整体式U形断面混凝土衬砌结构允许法相位移值为2～5 cm，由于本项目混凝土板衬砌渠道要满足灌区的冬灌，为工程运行安全考虑，本设计渠道衬砌结构需采取抗冻胀措施。

该渠渠基土的冻胀级别为II级冻胀类别，根据《渠系工程抗冻胀设计规范》P24第5.1.2条规定，抗冻胀措施具体为：渠道断面形式采用整体式U形断面；

为提高渠道砼抗冻等级及板厚，砼标号采用C15、F100、W4，衬砌厚度10 cm。

3.4.2 横断面及衬砌结构设计

设计根据改造工程地形地貌、工程现状，地质条件、抗冻胀措施以及尽量减少永久占地等因素，经过对梯形、矩形、弧底梯形、U型断面进行比较分析后，认为“U”型断面具有水力条件好，施工方便、造价较低的优点，综合确定西干五支、七支渠的设计横断面采用U型，渠道衬砌采用现浇砼结构。

渠道横断面水力计算采用明渠均匀流计算公式：

Q=1/n×ω×R2/3×i1/2

(3)

式中：Q为渠道计流量(m3/s)；w为过水断面(m2)；c为谢才系数；R为水力半径(m)；J为比降。

根据《灌溉与排水工程设计标准》(GB50288-2018)中6.1.23条规定，岸顶超高可按下式进行计算：

Fb=1/4hb+0.2

(4)

式中：Fb为渠道岸顶超高(m)；hb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标准》(GB50288-2018)中6.1.23条规定，渠道衬砌超高值可采用0.3～0.8 m，5级渠道可适当减小，但不应小于0.1 m。经水力计算，各渠段横断面几何尺寸、水力要素成果详见表3。

表3 西干五支、七支渠改造段水力要素表

经过综合计算分析，西干五支渠、七支渠渠道衬砌设计均采用C15现浇砼“U”型断面，弧半径0.6 m，圆心角148°，衬高1.2 m，砼板厚10 cm，砼板标号为C15，防渗等级为W4，抗冻胀等级为F100。渠道横向每隔4 m设一条横向伸缩缝，不设纵向伸缩缝；伸缩缝采用梯形缝，尺寸为：上口宽3 cm、下口宽2 cm，缝内采用聚笨乙烯泡沫板填塞，M10水泥砂浆封口。

4 渠道主要建筑物设计

西干五支渠计划改造各类渠道建筑物28座，其中：量水堰1座，农桥10座，陡坡5座，节制闸2座，斗门10座。西干七支渠计划改造各类渠道建筑物19座，其中：农桥9座、陡坡4座、节制闸1座、斗门5座。

4.1 量水堰

西干五支渠量水堰设计采用巴歇尔量水堰，C15现浇砼结构，喉道宽度为0.90 m，喉道长度为0.6 m，进口段长度1.65 m，出口段长度0.92 m，上游扩散段长1.0 m，下游扩散段长1.043 m。

4.2 斗门改造

4.3 节制闸改造

4.3.1 闸孔尺寸确定

节制闸孔尺寸按照平底宽顶堰公式进行计算，公式如下：

B=Q/[εm(2g)1/2H03/2]

(5)

经计算，节制闸闸孔宽度为0.87 m，经综合考虑本次设计闸孔宽度取1.0 m、闸孔高度与渠道衬砌高度相同为1.2 m。

4.3.2 节制闸设计

4.4 农桥改造

4.5 陡坡改造

4.5.1 缺口宽度bc

西干2条支渠拆除重建陡坡缺口采用梯形缺口，根据以下公式用试算法计算梯形缺口底宽bc：

Q=M梯b平均h3/2

(6)

其中，M梯=2.25-0.15b平均/h

村小组代表大会应该制定并通过章程(村规民约)，这是村自治的基础，关系到全体村民利益。因此在制定的时候，应最大限度听取村民意见，并保证顺利实施。村民小组代表大会还可以聘请一名专业的法律顾问，为其提供法律指导和帮助，进一步规范权力行使。

b平均=bc+0.8nch

式中：Q为渠道设计流量，1.0 m3/s；bc为梯形缺口底宽度，m；nc为缺口边坡系数，取0.75；h为不计行近流速的堰上水头，0.83 m；b平均为梯形缺口平均宽度，m。

经计算：梯形缺口底宽取0.40 m。

4.5.2 进口扭面长度L1

进口段长度一般采用下式计算：L1=(2.5-3.25)h

本次设计采用L1=3h=3×0.83=2.49 m，取3.0 m。

4.5.3 陡坡段的确定

4.5.4 消力池水力计算

消力池池深d计算根据以下公式计算：

d=hc＂-ht

E0=P+h+v2/2g

式中：hc＂为陡坡末端收缩水深hc的共轭水深(m)；ht为下游明渠正常水深(m)；q为陡坡末端收缩断面上的单宽流量，m3/(s*m)；hc为陡坡末端收缩水深m；E0为进口控制断面对消力池底的总能头，m；P为陡坡与消力池池底之间的高差m；φc为陡坡段的流速系数,按公式计算；m0为消力池边坡系数，取1；V为上游渠道断面平均流速，m/s

根据计算结果，本次设计取0.4～0.7 m。

消力池池长L3：LS=6.5H＂C，根据计算结果，本次取池长6.0～8.0 m。

消力池宽度主要依据陡槽平面扩散宽及下游渠道底宽等条件确定，且取以5 cm为尾数的整数。本次消力池宽度取1.0 m。

4.5.5 出口段长度L4

出口段长度L4采用：L4=3.0h下=3.0×0.83=2.49 m。根据计算结果，出口段长度L4最终取3.0 m。

5 结语

桃曲坡水库灌区属资源性缺水与工程性缺水并存的地区，只有通过节水改造，，才能有效节约水资源，逐步缓解当地工农业发展需水量的增加与水资源总量不足的矛盾。本文通过对渠道节水工程进行合理设计，确定了各个主要设计数据、参数和施工要点，为渠道节水改造施工提供了准确的设计依据，从工程实施后的效果看，随着灌区节水工程逐年实施，水利工程中的各项设施逐步得到改造、更新和配套完善，为灌区管理体制改革创造出良好的硬件条件，有力地推动了灌区正在进行的水管体制改革、水费按量计费和农民用水者协会等改革的深入开展，促进了灌区管理的良性循环和不断发展。