灌区节水改造中防渗渠道断面的优化设计

2022-10-29乔永梅赵健

江苏建材 2022年5期

乔永梅，赵健

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

0 引言

传统的灌区防渗渠道，容易出现水资源的浪费情况，实际的灌溉效率也会因此而降低，不利于缓解当前严峻的农业用水现状。在这种情况下，就需要重视灌区节水改造工作，并且针对防渗渠道断面设计进行优化和完善，这对于国内的农业、环保等领域的发展都是十分重要的，这也是现阶段灌区节水改造工作中的一个主要任务。针对灌区节水改造中防渗渠道断面的优化设计进行详尽阐述，提出具有针对性和建设性的意见，希望对具体的防渗渠道断面设计工作起到一定的借鉴和引导作用。

1 灌区防渗渠道断面现状及改进

国内诸多灌区工程存在标准低、施工质量差和渠系不配套等情况。其中部分灌区工程在灌溉面积设计方面比较保守，目前来看具有较强的扩大灌溉面积的潜力[1]。

而在发展节水灌溉的过程中，针对老旧灌区工程进行改造是非常重要的一个策略，同时这一策略还具有很高的性价比，其中防渗渠道断面优化设计已经在老旧灌区改造工程中进行运用，取得了良好的效果。一方面防渗渠道断面优化设计之后，能够促使灌区的用水效率大大提升，从而缓解国内存在的农业用水矛盾现象，同时节约下来的水还能够进一步扩大灌溉面积，另一方面，防渗渠道断面优化设计还可以有效地降低地下水位[2]，防止沼泽地的出现。

2 防渗渠道断面形式的选择

2.1 改造防渗渠道断面形式

在实际的灌区节水改造工作进程中，防渗渠道断面常用的形式主要有以下几种，分别是矩形、梯形、弧形底梯形、弧形坡脚梯形和U型以及复合形等。相关设计工作人员在进行形式选择的过程中，需要综合考量以下几方面的重要要素，分别是水力条件情况、抗冻胀性和输沙能力[3]。除此之外，在防渗渠道断面的设计过程中，还需考虑投资情况、施工是否方便等。

综合下来，在实际的灌区节水改造中防渗渠道断面形式的选择上，可以选择以下几个综合表现比较好的断面形式：弧形坡脚梯形断面、梯形防渗断面、U形断面。其优缺点如表1所示。

表1 几种不同断面形式的比较

2.2 防渗渠道断面的具体优化流程

在实际的灌区节水改造中防渗渠道断面的优化设计过程中，一般采取明渠均匀流公式，除却需要实现给出比降等重要的参数以外，还需要设计工作者进行反复的试验和校核，这样才能得到良好的灌区节水改造中防渗渠道断面的优化设计效果[4]。

2.2.1 动态规划模型的设计

假设渠道的总长度为1，依据相关影响因素的加入（地质条件、地形条件、流量等因素），可将渠道分为N。

针对上述假设的渠道，各个渠道段的设计为Qi，最大流量为Qmax，最小流量为Qmin，末水位所需高程为H末，地面坡降为Ji，因此各个渠道段落末地面的高程为：Δdi，其中i的值为：1，2，3，……，N。以此为基础的动态优化设计，可以确定各个渠道段的最优设计，从而有效控制投资成本。

2.2.2 约束条件

防渗渠道首的水位高度为状态，以Hn表示，指的是渠道第n阶段的状态。

（1）水位衔接的约束条件，其中与下段渠道断面设计相比，上段渠道断面的设计水位应高出一些，也就是Hn＞Hn+1。

（2）渠道水位高程的约束条件，其需要与渠道末尾水位高程和沿渠水头的笋丝相等，并且任意一个阶段水位高程，应大于渠首水位高程。

（3）坡降约束条件，应允许最大坡降与最小坡降之间存在渠道纵向坡降。

（4）流速约束条件，渠道中的水体流速需处于不冲流速与不淤流速之间。

（5）渠首填方高度约束条件，这一约束需要依据断面形式、衬砌方式以及土质等条件进行确定。

3 灌区节水改造中防渗渠道断面的优化设计要点

3.1 防渗材料选择

（1）在土料的选择上，相关工作人员需要尽可能选择成本较低，同时技术操作简单又能够得到良好防渗效果的材料，这是高质量灌区节水改造中防渗渠道断面形成的重要基础条件。

（2）在混凝土材料的选择上，所选用的混凝土材料需要能够减少渠道渗水流量的损失，并且要求减少损失达到90%以上。另外，高质量的混凝土材料的选用，能够提升渠道衬砌施工的整体效果，同时相关企业和单位在渠道工程后续的维修和管理方面的费用也会降低，进而促进灌区节水改造工作整体的推进。

（3）在膜料防渗上，膜料自身具有较强的柔性、延伸性和抗拉能力，可以在实际的渠道断面优化设计工作过程中进行运用，同时膜料施工工艺比较简单，能够极大程度上促进渠道施工进度。最后，膜料在实际的应用过程中不会受到酸碱性、土壤微生物等侵蚀，耐腐蚀性比较强，也可以促进灌区节水工程整体耐腐蚀性的提升，进而增强灌区工程整体的寿命。