暗管排水在高标准农田建设工程中的实例应用

薛期颖

(长泰县农田建设站，福建 漳州 363000)

1 项目概况

上青农牧土地整理项目区位于长泰县岩溪镇锦鳞村陂头片区，龙津溪东岸，是由龙津溪冲洪积而成的河漫滩地。整体地形东高西低，平均坡度在0-6°之间。万亩灌渠十五户陂渠首绕项目区东侧边界蜿蜒而过，灌溉条件优越。区内土壤类型为砂壤土，土质肥沃、土层深厚。项目区属南亚热带海洋性季风气候区，年均降雨量1590mm，4-9月降雨量占全年的75%左右。

上青农牧土地整理项目是结合现代农业产业园开发的项目，属长泰县岩溪镇锦鳞村2018年高标准农田建设项目的一部分，规划建设高标准农田577亩。建成后的产业园将以现代农业生产为主，兼具农业培训、观光、休闲、餐饮等作用。根据园区的功能使用要求，园区内的排水系统需立足于高标准建设，以适应现代农业的生产需求。适合本项目区的排水型式有明沟排水和暗管排水2种方式。

2 方案比选

2.1 明沟排水

明沟排水即露天沟槽排水，根据(农建发[2018]1号)精神和“四高”要求(高起点规划、高标淮设计、高质量建设、高效益运行)，加上园区整洁、卫生、美化的需要，所有的排灌渠都要硬化。传统的排水明沟硬化常用的有块石砌筑、砖块砌筑、混凝土现浇和预制板铺装等方式。该项目的明沟硬化推荐干砌块石方式。

2.2 暗管排水

暗管排水即通过地下设置的渗排水通道代替排水明沟。有无管和有管之分。无管排水如埋石沟槽排水、梢捆排水和砂砾排水。有管排水即通过埋设管材进行排水，一般由吸水管、集水管和附属建筑物组成。由吸水管将土层中过多的水，经管壁上的外包过滤材料引导和过滤后，由渗水通道渗流进管内，再由集水管汇流并排走。附属建筑物主要是设置检修井。具体比选内容见表1。

表1 方案对比表

续表1 方案对比表

2.3 比选结果

十五户陂灌渠沿项目区上侧环绕而过，水源丰富，渠道渗漏量大，因此区内耕地渍害较重。项目区地形总体东高西低，向龙津溪倾斜，平均坡度在0-6°之间。排水系统出口承泄区直接为龙津溪流，高岸落差达5m以上，满足暗管排水的适用条件。结合本项目区的地形环境及使用需求，经表1方案综合对比可以看出，暗管排水方案的大部分指标都优于明沟排水方案，更适合园区的使用要求，故该项目倾向选取暗管排水方案。但传统的暗管排水全线埋设于地下，排涝依靠渗流，所以在本项目的暗管方案中还存在管道淤积；排地表水慢、排涝能力有限的问题。

3 解决问题思路

3.1 排涝能力有限问题的解决思路

暗管排水的管径因受排水方式、上下级水位、埋深要求、造价控制等因素的限制，往往不是很大，因此单管排涝能力受到限制，当碰到南方汛期凶猛的暴雨，传统的暗管设计单靠渗流很难保证排水及时。

解决方法：①使暗管与地面连通，直接引排地表水，让暗管兼具排涝和调控地下水位的功能。以调控地下水位确定沟深和间距，以排涝标准计算管径，一管多能，综合使用。②利用不占地表耕地的优势，加大布置密度。③在田面布置汇向暗管进水口或明沟的浅土沟，引导和排除田面水，与暗管一起构成复合式的排水体系。④优化管口进流条件，如设置喇叭口和渐变段等，条件允许时适当提高进口水头，以增加管内充盈度和加快流速。⑤对于流量较大的下级排水，依旧采用明沟排水，使排水系统整体明暗结合，取长补短。

3.2 管道堵塞、清理及检修问题的解决思路

解决方法：①布置时要因地制宜，尽量采用较大的坡降，以得到较大的流速冲淤。②做好滤水层的施工质量；③平时加强进出口管理，注意防堵防淤，排水时做好进口杂物的过滤，出口处应长期保持在下游水位以上；④地面多设进水口，方便冲洗和通气。⑤若已被淤死，可采用将端头前后都装有喷嘴的软管伸进管内，泵上高压水流，用前喷嘴喷出的高压水流冲刷泥淤，用后喷嘴喷出的高压水流产生反作用力顶住软管并使软管向前移动，同时把泥淤冲出管外。⑥直接开挖替换[1-4]。

4 暗管设计

4.1 设计排涝标准

项目区为设施农业种植区，依据《农田排水工程技术规范》(SL4-2013)要求，本项目区排涝标准采用10a一遇24h暴雨量24h排完。

4.2 排涝模数分析

根据《福建省短历时暴雨等值线图》查得本项目区多年平均最大24h暴雨均值H24=119mm，CV24=0.46，CS=3.5CV，10a一遇24h设计暴雨值为191mm。排涝模数按水田与旱地分别计算。

1)水田排涝模数[平均排除法：qw=(P-h1-ET，-F)/(86.4T)

(1)

式中:qw为水田设计平均排涝模数，m3/s·km2；h1为水田滞蓄水深，40mm；P为24h设计暴雨量，191mm；ET′为24h水田蒸发量，4mm；F为24h水田渗漏量，5mm；T为设计排涝历时，1d。

计算得:qw=1.64m3/s*km2

2)旱地排涝模数：qd=R/(86.4T)

(2)

式中：qd为旱地排涝模数；m2/s*km2；R为设计暴雨产生的径流深mm， R=P*a；P为24h设计暴雨量，191mm；a为径流模数，取0.75；T为设计排涝历时，1d。

计算得：qd=1.66m2/s*km2。

因项目区为水旱轮作区，故排涝模数取较大值q=1.66m3/s*km2。

4.3 排涝流量计算

因区间外来水已被十五户陂灌渠拦截，故排涝流量仅考虑单管控制范围内的排涝面积。排涝流量计算公式：Q=CqA

Q=CqA

(3)

式中：Q为设计排涝流量，m3/s；C为与面积有关的流量系数，本项目只设一级排水，取C=1；q为设计排涝模数，1.66 m3/s*km2；A为单管排涝面积=30*200m(测绘得)=0.006 km2；

计算得: Q=1*q*A=1.66m3/s*km2*0.006km2=0.00996m3/s，取0.01m3/s。

4.4 管径计算

暗管排水为无压流，为减小淤积，多采用较大纵坡(0.1-0.2%)。排水比降需符合≥0.3m/s的管内最低流速要求，一般大管径(>100mm)时取1/600-1/1500。本项目依实际地形取i=1/1000。

暗管的管径设计，除以地表排涝流量的要求计算外，还应考虑管内淤积因素，并留有较大余量，排水管至少要达计算管径的1.1倍。本项目内管糙率n取0.011；

因管内径>100mm，取a=0.8，查表2得α=1.93448(下表2)。

均匀流管径计算公式：

(4)

式中：d2为管内径；n为管内壁糙率，取0.011；Q为设计流量，取0.01m3/s；α为本式管内径>100mm，取a=0.8，查表2得α=1.93448；i为管的设计比降，取0.001。

计算得：d2=187mm，则管内径D=187*1.1=205.7mm。取企标规格DN225(内径)，校核得充满度为80%时相应流量Qa=0.016 m3/s，平均流速V=0.4808m/s，满足要求[5-7]。

表2 不同充盈度a的α值和β值

4.5 埋深和间距的确定

暗管的埋深和间距，主要根据农田土壤的透水性、耕作深度和作物需求等因素来确定。因我县当前还只是小规模小范围的应用，还未大面积的推广布置，加之长泰县为稻作区，园区内的主要种植作物也一般为浅根系的果蔬，根据农技人员提供的各作物需要的地下水降深值，以及农业机械作业的要求，结合经验数据，确定该项目要求的地下水降深需△H≥0.6m。

暗管埋深：

D=△H+△h+s

(5)

式中：D为暗管埋深，m；△H为作物要求的地下水降深。该项目取0.6m；△h为剩余水头，一般取0.2-0.3m，本项目取0.3m；s为管中水深，该项目取管顶水头0.2m。

图1 暗管埋深示意图

则该项目末级暗管埋深D=0.6+0.3+0.2m=1.1m。设计埋深在1.1-1.5m之间。

根据确定的暗管埋深，采用经验数据法，我们可直接从表3中(见表3)查出对应的间距建议值，该区内土壤类型为砂壤土，对应的间距值为20-40m，该项目为保险起见，间距取值30m，尽可能沿原明沟布置。

表3 吸水管埋深和间距(m)*

4.6 管材和裹滤料的选择

当前长泰县可用的暗管管材有普通混凝土管、塑料排水管、双壁波纹管、无砂混凝土管和网状透水管等。普通混凝土管和无砂混凝土管重量大，钻孔、安装难度高，且存在内壁糙率大、易淤积的问题，不推荐采用。塑料排水管造价较高，受压易变形，外管壁光滑打孔难度也较大。网状透水管糙率太大，也不适合该项目的排涝应用要求。双壁波纹管管径较大，内管壁光滑平顺，比塑料排水管强度高，承压大，寿命长，重量轻，造价低，吸水性能更好，故推荐采用。应用时在管径上2/3管壁波谷处开进水孔，一般每米管长开孔面积33cm2(应>10cm2/m)。另外，连通地面的竖管和出口段管体因无打孔要求，为外露面以后的保护及控水方便，竖管和出口段管体选择使用PVC塑料排水管。

外包滤料的选择，遵循因地制宜、因材施用、来源便捷、施工方便、造价低，寿命长的要求选用。传统的滤料有无机材料如砂砾、炉渣、砖石屑等，通常以里粗外细逐层外包的级配砂砾石为主；有机材料如稻草、苇秆、茅草、棕丝、谷壳等农副产品；近年来更多采用人工合成材料，如无纺布、玻璃纤维布等土工织物。这些滤料也都能跟双壁波纹管很好的结合。但因砂砾等无机散料重量大、运输难、铺设工艺要求高，施工难度大，有机材料现在来源也不便，故不考虑。该项目裹滤料选择使用土工织物中的无纺布。

4.7 其它注意事项

暗管排水的管材安装对接时可不用胶结材料。

暗管的上游进水口布置在接近田面的里坎或田埂处，利于田块排渍，也方便农机耕作和人员存排水操作，每隔20m左右布置一个，方便以后冲洗泥淤，同时也起到排气孔的作用。管口直接以管道加可拆滤头出露，不建硬化保护设施，以减小对田间作业的影响。耕作时以加高套管或扣罩硬物来保护管口。暗管在出口处要设置防冲护砌。并在靠近出口3-4m处不设渗水孔和滤材，只用黏土夯实。出口管体应出露10cm以上。

为应对田间作业和不同作物对不同水肥条件的需求，在暗管进、排水口处采用加套可拆卸或旋转管体来升降暗管的进出口，以实现存排管控、保护管口及方便耕作的要求，简单实用(见图2所示)。不同高程的田块各自走管设出口，当高程、灌排要求、作物种类和茬口等条件相同的相邻田块，可串联布设。

在排水管的连接、转弯、变坡、路渠穿越处或长度每超过200m时应设检修井，以作集水、沉沙、连接、清淤、检修之用。本项目中未设置检修井[8-9]。

图2 田间排水暗管布置示意图

5 暗管施工

暗管排水施工工序：材料和机械准备——定位放样——开挖管槽——铺设管材(已包裹好滤材)——管槽回填——进出口处理和配置配件。

5.1 定位放样

根据设计在地面用白灰标定出管线及建筑物的位置。在管线两端钉立木桩，在起伏变化大的位置订立标记，标出管槽开挖深度和开口宽度。

5.2 开挖管槽

采用机械自下游而上开挖，槽底宽度主要满足人工作业宽度和边坡稳定要求。进出口高程和底坡比降应严格符合设计，开挖中和开挖后都要校核槽底高程。

5.3 铺设管材

采用无纺布做裹滤材时管材铺设比较简单，先将无纺布在下槽前裹好，厚度2层，以铝线捆绑，再入槽连接调整，铺设时注意管壁1/3不打孔的一面朝下；安装后的管线应均匀平顺，忌忽高忽低；铺设方向不限。

5.4 管槽回填

采用机械回填，回填土要小铲低放，不需压实；注意防止管线抬高或位移，周边如有上述其它滤材时也可填入，但要注意做好外包裹滤料的保护；回填土可稍高于原地面；严禁用烂泥回填管槽。

6 管护要点

暗管排水的管护相对简易轻松，要点在于防堵防淤，平时注意做好进出口的防护，保持排水通畅。①耕作时保护入口不让泥土进入管内；②暴雨和排地表水时注意做好进口和浅沟的清理；③平时注意下游集水沟、沉沙井等泄水道的清理，使下游水位长期低于出水口，注意出口防堵；④利用先蓄后排等各种机会大流量泄水冲淤，或导入软管定时冲淤等。

7 结 语

上青农牧土地整理项目于2019年6月完工，至今已运行两年，也经历了两个汛期的排涝考验。通过对暴雨期间的排涝观察，以及平时对管口的出水情况和耕作时土壤含水量的观测，结合作物的生长情况，可初步判断，本项目暗管排水的应用效果好于明沟。

暗管排水在长泰县还较少应用，其部分原因在于排涝能力和管道淤堵的问题。通过该项目的实例应用可得出，在满足坡降和下游排泄水位要求的地方，通过合理的设计与管护，暗管排水的综合效益明显优于明沟排水，可以选择性的应用。当前长泰人多地少，农村地区的管护意识和经费还相对不足、环保意识还不是很强，特别是在征地困难的地方，农田暗管排水技术的适地性应用，能减少用地矛盾，解决征地难题，推进项目的实施，有效改变我县农田水利现有面貌。为推动我县的高标准农田建设，落实新增耕地指标，美化人居环境，实现农业现代化，助力乡村振兴具有一定的实际意义。