万松山小型农田灌溉渠道改造设计及效益分析

王清君

（辽宁省北票市高标准农田建设管理办公室，辽宁 北票 122113）

万松山村地处辽宁朝阳北票市东北部，属温带季风性大陆气候，虽水系发达，但随着水体污染、灌溉用水用量加大等问题，导致水资源日益紧张。为缓解水资源紧张，提高农田灌溉水利用率，大力发展节水灌溉，实施小型农田水利改造。

1 项目区概况

北票市万松山村农田水利设施建设规模不大，共涉及灌溉面积22.8hm2，属于Ⅴ等小（2）型工程，渠道配套的附属建筑、临时性建筑均定为5级建筑［1］。施工工期设计为8个月，估算投资83.2万元。

表1 改造内容统计

2 渠道改造设计分析

2.1 渠道基本参数设计

2.1.1 渠道流量计算

万松山村本次所改造的农渠灌溉时均采用轮灌工作制度，渠道灌溉设计流量Q计算如式（1）［2］，具体计算结果如表2。由数据可知：实测渠道流量的值大于设计流量值，因此满足使用要求。

表2 灌溉渠系流量计算结果

式中 N为渠道轮灌组数；q为设计灌水率，取6.255m3/s·万hm2；A为渠道轮灌组数平均灌溉面积（万hm2）；η为灌溉水至田间的利用系数。

2.1.2 渠道断面形式选择

在此结合项目区地形、地貌、地下水埋深等实际条件，又结合其他工程经验，农渠断面形式初步拟定从“U”型和梯形断面中二选一，主要特征对比如表3［3］。经过对比分析，由于北票市位于东北地区，地基冻胀病害显著，因此选用“U”型断面。混凝土预制块厚度控制在6cm，每隔8m设计一道伸缩缝，缝宽2.0cm，在缝中填充沥青砂浆［4］。

表3 渠道断面形式主要特征对比

2.1.3 渠道参数设计

在此依据明渠均匀流计算公式来设计渠道尺寸，如式（2）［5］。结合其他工程经验，最终求得的本项目渠道参数如表4，结构如图1［6］。

表4 渠道参数设计值

图1 渠道断面示意图

式中 Q如设计流量，取0.2m3/s；W为过水断面面积，取0.2m2；n为渠道糙率，取0.017；R为水力半径，取0.15m；i为渠道比降。

2.2 渠道防冻胀设计

渠道抗冻胀设计是本次渠道改造的最重要内容，老旧渠道就是因为忽略了冻胀危害导致渠道裂缝、崩塌严重。经实地检测，北票市冬季寒冷，冻土深度最高可达140cm，而且项目区地基为粉质壤土，冻胀性明显，必须采取防冻胀措施［7］。

2.2.1 冻胀量计算

在此依据SL23—2019《渠系工程抗冻胀设计规范》，计算基础结构下冻土层产生的冻胀量hf如式（3）［8］，并结合其他工程经验，本项目不同位置冻胀量hf计算结果如表5，由此可知冻胀量5.22cm，而相关规范中指出“U”型渠道最大位移量不超过5.0cm，因此必须对地基进行处理［9］。

表5 渠系冻胀量计算结果 单位：cm

式中 h为项目区天然冻土层产生的冻胀量，取2.0cm；Zf为基础下设计冻深（cm）；Zd为工程设计冻深，（cm）。

2.2.2 垫层置换深度

为了消除渠道冻胀破坏问题，本项目设计采用“置换法”来处理地基，具体措施为砂砾石垫层取代一定深度地基。具体置换厚度Ze按照设计规范计算，如式（4）［10］，不同部位的置换深度计算结果如表6。为了后续方便施工，并结合其他工程经验，本项目将各部位置换深度统一为35cm。

表6 渠道置换层厚度计算结果

式中 ε为置换比，取45%；Zd为工程设计冻深（cm）；δ0为衬砌层厚度（cm）。

2.2.3 砂砾石垫层施工工艺分析

2.2.3.1 材料选择

为尽可能降低成本，本项目选取的砂砾石材料为碎石、卵石、砾石、粗砂、石屑等混合体，粒径小于2mm部分小于总重的45%，其中碎石或卵石的含量不得低于总重的30%，筛分后级配良好，最大粒径不得超过50mm。

2.2.3.2 垫层施工工艺

在铺设垫层前，首先对渠道基坑两侧和底面采用小型蛙式夯实机进行压实（保持落距50cm），若地基含水量太小，则应适当洒水；然后要求砂砾石料含水量在8%，先铺设底面，厚度35cm，压实3～4遍，之后再补铺并压实，使最终垫层厚度达到35cm；底部垫层铺设完成后下放预制混凝土渠道段，比降测量没问题后填充两侧垫层，两侧垫层采用人工振捣，压实度保证在85%以上即可。

3 效益分析

3.1 节水效益

由于渠道工程重新设计和建造，显著减少了灌溉水浪费量，预计每年节水量约为7600m3，按照目前北票市农业灌溉用水单价为0.48元，因此该改造工程投入使用后产生的节水效益为3648元。

3.2 省工效益

渠道改造工程的实施可以大大减少灌溉人工支出，灌溉工作由原来的2.5个人工日降至1.3个，按照80元/人工日计算，一年可产生省工效益3.2832万元。

3.3 增产效益

该改造工程投入使用后，农业灌溉问题将彻底解决，带来的最直接效益就是农作物增产效益，北票市主要农作物包括小麦、玉米、棉花等，而本项目的22.8hm2耕地中18.67hm2为玉米，4.13hm2为棉花。灌溉分摊系数取值0.4，具体估算数据如表7。经计算因本次改造工程而年增产效益为3.4416万元。

表7 增产效益估算

4 结语

北票市万松山村小型农田经过本次改造后，不但解决了渠道流量、渗漏、断裂问题，还解决了22.8hm2耕地灌溉问题，使灌溉率由改造前的50%提高到了目前的100%，产生效益7.0896万元/年。由此可见，小型农田水利改造工程效果显著。但在改造灌溉工程时，切记不要盲目追求先进技术，以经济、实用作为最高准则。