灌区节水改造中防渗渠道断面的优化设计探讨

2022-07-14罗科峰

湖南水利水电 2022年2期

罗科峰

（韶关市华源水电建设有限公司，广东韶关 512300）

近年来党中央提出了“节水优先”的治水新理念，紧跟农业现代化与打造节水型社会的步伐，各地区都陆续加强了对传统灌区工程的改造优化，以提高水资源的利用率[1]。目前，很多灌溉工程运行时间较长，老化严重，很多渠道断面大、衬砌率低，相关配套设施不完善，造成灌溉水调度难、水资源浪费严重等问题。为解决这一问题，实现水资源的有效利用，推动我国农业生产的高效发展，有必要对灌溉工程进行升级优化，全面发展高效节水灌溉技术，最大限度提高水资源的利用率。

1 对防渗渠道断面进行优化设计的意义

国内很多灌溉工程修建时间比较早，建设标准不高，施工工艺落后，渠系设施不完善，工程老化，损坏严重。灌溉面积远低于设计标准，通常仅为设计灌溉面积的70%左右，因此续建配套扩大灌溉范围的潜力非常大。随着水资源紧张与生产生活用水矛盾越来越突出，国家提倡发展节水灌溉技术。其中，对现有灌区实施技术改造是一个不错的选择，不仅用时短，而且成本低。在灌溉改造项目中使用最为普遍的一项节水工程技术就是渠道防渗技术。通过对渠道进行防渗处理后可大幅提升水资源的利用率，从而有效缓解农业用水的供需矛盾，省下来的水可作为灌溉用水，进而增加灌溉范围。同时，也能使地下水位下降，避免形成沼泽地与盐碱地，让农业与生态更融洽地发展[2]。

2 防渗渠道断面优化设计的关键内容

2.1 选取防渗材料

防渗材料主要有三种，分别是土料、混凝土、膜料。选择土料的优点是操作简单，费用小，防渗效果明显，但不足之处也有很多，使用年限短，允许流速不能过高，抗冻性不好。选择混凝土的优点在于可以将渠道渗流水量损失控制在10%以下；能减少淤积问题，从而减少渠道的日常管护与维修成本；若满足一定条件，采用混凝土材料修建的渠道使用寿命不低于50年；允许流速大，能够减小渠道断面，从而节省土方用量，缩小占地面积[3]；另外，可按照渠道设计要求，将混凝土制作成为不同形状大小的构筑物。膜料这种材料的柔性、延伸性以及抗拉性能均非常好，可用于不同形状的渠道中，也可用于存在位移、沉降风险的渠道中，膜料的施工技术简单，能缩短渠道施工时间，同时，耐酸碱性、耐土壤微生物的侵蚀，耐腐蚀性都很好，将膜料应用于渠道防渗建设中可以确保渠道使用时间不低于15年。

2.2 防渗渠道断面形式的种类

当前防渗渠道工程中所选用的渠道断面形式主要包括三种：U形、梯形、弧形坡脚梯形等。在具体选取断面形式时，必须综合考虑下列因素：施工的难易性、抗冻胀性、水利条件、输沙能力、建造费用等[4]。表1为三种渠道断面形式的优劣点。其中，U形断面多用于小型渠道，弧形坡脚梯形断面则多用于改造大中型梯形的土渠，有助于消除原渠道行水与施工期之间的矛盾矛盾[5]。

表1 防渗渠道三种断面形式的优劣点

2.3 防渗渠道纵横断面的优化要点

在设计渠道纵横断面的时候，通常会用到明渠均匀流公式，注意要反复计算、核算一些关键参数，如比降。现在关于渠道断面设计的方法有很多，也更加完善。其中，有一种新设计方法在近年来渠道防渗断面优化设计中显露出优势，得到大量的应用，即动态规划方法。运用此法必然会考虑到一些关键性的参数，防止工作人员凭经验随意确定部分关键参数。待选择好渠道防渗断面类型后，通过对渠底纵坡等重点变量完成对渠道设计的描述。

2.4 衬砌厚度必须要合理

衬砌厚度在渠道断面设计优化中非常重要。若衬砌厚度较为合理能使渠道的抗冻胀性能得到明显提升。渠道改造工程中的防渗厚度一定要合理，通常利用等厚板与肋梁板进行确定。

其中，需计算出等厚板与肋梁板的相应惯性矩以及抗弯模量的数值。如果材料运行的抗拉应力是一个定值时，它的抗弯模量与弯矩之间的关系为正比，当受到正弯矩的作用，板面受到压力，同时肋梁受拉，那么其抵抗弯矩的力量将明显高出等厚板许多，不低于等厚板的两倍[6]。

3 实例分析

3.1 工程改造背景

某水库灌区为广东省一个中型灌区工程。灌区灌溉干支渠总长为47.109 km，本次渠道改造长度为38.181 km，灌区设计总灌溉面积为2.509 9万亩。该工程建于1956年，建成后东、西干渠只有渠首部分在运行过程中进行了“三面光”处理，为浆砌石砌筑。由于当时设计标准低，经过几十年的使用，工程老化严重，渠道垮方严重，安全隐患较多，涵洞淤积堵塞严重，渠道漏水、渗水现象严重。目前，该工程渠系水利用系数仅为0.4。原因在于渠道渗漏问题较为严重，灌区下游与上游引水渠水没有完全达到，从而使灌溉面积大幅缩减，从原设计灌溉2.509 9万亩萎缩到1.3万亩，现灌溉面积的设计保证率从最初的90%缩小至50%左右，农作物产量低。

3.2 设计水平年及设计标准

本工程设计年限取10年，设计水平年为2030年。参照《灌溉与排水工程设计标准》（GB 50288-2018）中的要求，湿润地区以种植水稻为主，其设计灌溉保证率应为85%～95%。本次灌区改造工程设计，结合当地实际取灌溉设计保证率为90%。该灌区设计灌溉面积大于0.5万亩且小于5万亩，参照《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）、《灌区改造技术规范》（GB 50599-2018）及《防洪标准》（GB 50201-2014），本灌区属于中型灌区。

3.3 该灌区工程渠道灌溉流量分析与优化设计

根据《灌溉与排水工程设计标准》（GB 50288-2018）相关规定，并结合该灌区各渠段设计面积计算出各渠道各渠段的设计流量、加大流量及最小流量，渠道的渠系水利用系数取0.75。渠道各渠段设计流量按其灌溉面积与千亩设计引用流量计算，加大流量的百分数为25，最小流量不小于设计流量的40%。根据灌水率计算结果显示，该灌区设计灌水率q=1.456 m3/s·万亩。由于旱地作物类型较多，缺乏各作物、各生长期蒸发量的试验资料，因而无法做出各种旱作物的灌溉量，其灌溉定额根据经验按水田的1/3用水量计算。表2为渠道各渠段的灌溉流量。