输水管道设计在灌区节水改造中的应用

董 鹏

（晋中市水利发展中心,山西 晋中 030600）

灌区对粮食作物的生产有支撑作用,乃至在工农业的发展中具有突出贡献。灌区用水量大,在绿色环保的发展趋势下,积极推行节水改造策略势在必行。项目区灌溉以庞庄水库和地下水为主水源,明渠和管线自流灌溉,地下水用水泵抽取后依托低压管道进行灌溉。流域内的天然径流量属于庞庄水库关键的来水途径。

1 低压输水管道灌溉设计要点

1.1 取水工程的设计

现状管网灌溉系统普遍采用三级干渠的部分水闸和节制闸,重点建设部分为三级干渠30 km左右范围,具体以灌区的规模特征和实际用水需求为准,对布局做灵活的调整,为农田灌溉提供水源支持。

1.2 渠首工程的设计

渠首包含引水渠和沉砂池。引水渠具有连接沉砂池和节制闸的作用,以矩形截面形式为主,施工材料采用C20 混凝土,深度在1.5 m以内,具体视实际情况做灵活调整。沉砂池常采用开敞式矩形单箱结构,以浇筑C20 混凝土的方法施工成型。沉砂池施工中,增设挡土墙,目的在于提高沉砂池的强度,保障结构的稳定性。沉砂池与引水渠间设长约3 m的渐变段,用于连通两部分。根据沉砂池的规划,在其右侧设集水坑,配套使用。日常应用中,加强对沉砂池底部淤沙的清理,以防淤沙堆积过厚。

2 灌溉输水管道设计

2.1 管道平面布置

本次庞庄灌区骨干渠系改造后全部采用管道输水,改造后的管道埋设于灌区原有渠道内。其中,北干管控制灌区内共铺设1 条干线、2 条支线和1 条分支线；南干管控制灌区内共铺设1条干线、3条支线和2条分支线[1]。

改造后管道总长60.496 km。干管、支管及分支管分布情况：北干管总长2.391 km、南干管总长13.734 km；北干北支长4.505 km、北干中支管长23.730 km、南干北支管长6.402 km、南干中支4.755 km、南干新南支2.891 km；北干中支北分支长0.618 km、南干中支东分支1.470 km。

2.2 管道设计流量计算

根据灌区灌溉制度,在P=50%保证率情况下,北干管片区最大净灌水率为0.186 m3/（s·万亩）。本次庞庄灌区灌溉续建配套与节水改造实施后骨干渠系输配水方式全部采用管道输水,灌溉水利用系数0.85[2]。

2.3 水力计算

工程管线以灌区最不利控制点进行水力计算,末端给水装置工作水头取0.02 MPa,水库水位按最低取水位（死水位）924 m计算。南干管片区最不利控制点位于南干新南支控制范围的王诲庄村南,地面高程867 m。北干管片区最不利控制点位于北干中支北分支控制范围的上庄河西,地面高程844 m。斗、农级管径根据控制面积结合灌区现状井灌区末级管线建设情况确定。斗、农级管线采用轮灌,斗级管线dn160,设计流量分别为90 m3/h；农级管线dn90,设计流量为30 m3/h[3]。

涂塑防腐钢管内涂层为环氧树脂,糙率与PE管接近,可取相同系数。

式中：hf为沿程水头损失,m；f为管材摩阻系数,取9.48×104；L为管长,m；Q为流量,m3/h；d为管道内径,mm；m为流量指数,取1.77；b为管径指数,取4.77。

管线局部水头损失按沿程水头损失的10%考虑。

灌区新建管线以已改造段末端为起点,经2140 m钢筋混凝土管道至桩号总2+140南北干管分叉点,管线最大静水压力0.74 MPa,分叉点动水剩余水头43.48 m。北干管自分叉点北0+000经1390 m钢筋混凝土管和1700 m钢管至已改造段末端北3+090,剩余水头8.22 m,管线最大静水压力0.77 MPa。南干管自分叉点南0+000经1935 m钢筋混凝土管和1409 m钢管至已改造段末端南3+344,剩余水头46.72 m,管线最大静水压力0.77 MPa。

2.4 管道铺设设计

根据气象资料及调查项目区当地情况,项目区最大冻土深0.94 m,本次设计一般段管顶埋深不小于1.0 m；穿越水域（河、沟、库区）段根据冲刷深加安全埋深值,确定穿石河段管顶埋深不小于2.0 m,其他2 处不小于1 m。

2.5 管道穿越水域（河、沟）段设计

1）管道穿越水域（河、沟、库区）处防洪标准。本次庞庄灌区铺设南干时,需穿越四卦河、石河,两处穿越分别位于四卦水库大下游坡脚下游4m和石河出山口；铺设北干北支时,需穿越小河库区。根据本工程建筑物级别和《防洪标准》要求,本次管线穿四卦河和石河处防洪标准为20年一遇；穿小河库区内时按水库设计防洪标准为30 年一遇。

2）管道穿越水域（河、沟、库区）处设计洪水。根据水文计算可知,本次管线穿四卦河处20 年一遇设计洪峰流量为115 m3/s,穿石河处20 年一遇设计洪峰流量为192 m3/s,穿小河水库库区内30 年一遇设计洪峰流量为220 m3/s。

2.6 管道穿越水域（河、沟、库区）处冲刷分析计算

1）管道穿四卦河处冲刷分析。本次南干输水管道从四卦水库溢洪道底部穿过,溢洪道底高程为863 m,溢洪道底宽10 m,溢洪道由引水渠、缓坡段、陡坡段、消能段和尾水渠等组成。溢洪道结构为两侧边墙为浆砌石挡墙与内衬20 cm厚的钢筋混凝土结构,底板为40 cm厚的钢筋混凝土衬砌,底板下部为60 cm厚粗砂透水垫层。

2）管道穿石河处冲刷分析计算。本次南干输水管道从石河河床以下穿过,在河道内不增加阻水建筑物,水流流态不会因为管道的建设而发生改变,河道冲刷主要为来洪水时的河床冲刷,而且破坏性较强,为了管道的安全运行,本次考虑该穿河处洪水冲刷影响。

3）平行岸坡冲刷计算

平行岸冲刷深度计算采用《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）附录D.2.2计算公式。公式如下：

式中：hs为局部冲刷深度,m；H0为冲刷处的水深,m；Ucp为近岸垂线平均流速,m/s；Uc为泥沙启动流速,可采用张瑞瑾公式计算,m/s；n为与防护岸坡在平面上形状有关,一般取n=1/4~1/6；η为水流流速不均匀系数。

管道穿越石河冲刷计算结果见表1。

表1 洪水冲刷计算成果（P=5%）

2.7 管道穿越公路段设计

对于管道穿三级及三级以上公路时采用定向钻穿越,三级以下道路为大开挖施工。若管槽开挖回填后,应按不低于原路面标准进行恢复；若穿越公路处底部有原灌区渠道涵洞,且完好,本次管线采用洞穿管的方式从原有涵洞中穿过。

2.8 管道穿隧洞段设计

本次北干管铺设时需穿过现状“千米洞”长960 m,隧洞内管线明铺,并隔36 m设混凝土固定墩,管道用扁钢固定在混凝土礅上,隧洞两端在管道施工完后进行封堵。

3 实施低压管道输水灌溉技术效果分析

项目区现状灌溉水利用系数为0.46,灌区节水水平低于地区平均值,节水潜力较大。工程实施后项目区平均灌溉水利用系数可达0.85,节水效果显著。

3.1 节约水资源

低压管道灌溉系统具有突出的节水优势,可有效减少渗漏量和蒸发量,依托有限的水资源创造可观的农业经济效益。相比土渠,节水约30%。

3.2 减少占地面积,提高效率

管道敷设至地下,有效规避管道建设占用耕地的问题,相比明渠灌溉的方式减少占用耕地量约为2%,以便有效利用土地资源。此外,管道灌溉可实现规范化和系统化,以相对较高的效率进行灌溉,输水时间、轮灌期均缩短。

3.3 灌水及时,增加农作物经济效益

管道输水灌溉具有节水的特点,以免由于农作物灌溉而耗费大量的水资源。田间灌水条件得到优化,轮灌周期缩短,达到增产增收的效果,农户可因此而获得更加丰厚的经济收益。

4 总结

在农业现代化的发展背景下,集约型的农业模式成为主流,需在减少资源投入的同时满足作物的用水需求。低压管道输水灌溉技术具有节约水资源的突出特点,对自然资源较为友好,值得推广与应用。相关部门在后续仍需加强探索,持续提高低压管道输水灌溉系统的应用水平,为农业事业的发展乃至社会经济的可持续发展助力。