灌区改造中水渠工程设计及施工布置

2023-03-22饶宇豪

河南水利与南水北调 2023年1期

饶宇豪

（梅州市水利水电勘测设计院有限公司，广东梅州 514000）

0 引言

灌区改造是水利基本建设项目，是水利建设项目的一种，是指对已建的灌区和现有灌溉工程进行加固、改建、扩建和配套，形成一个以水利建设为主体，水利生产为中心，灌溉、排水和排涝等为配套的农业生产体系。灌渠改造建设工程战略性极强，设计到周围城市乡村在水利、农业和农村经济的各个方面。灌区改造是国家水利建设计划项目之一，是解决水资源短缺问题最有效的措施之一。目前现有的灌区，很多都修建于几十年前，受到当时技术和整体的大环境的影响，导致灌区在使用过程中的问题不断。随着城市道路的扩建，灌区水渠也受到破坏，造成了综合灌溉水利用系数较低，因此需要对灌区进行改造，并对其中的水渠进行重新设计，以提升水的综合利用率。

1 工程概况

文章所选择的灌区位于某河流的中下游，灌区的南北方向长为55 km，东西宽为18.50 km，中间贯穿多个乡镇。该灌区的主要引水方式为有闸控制自流，最大的引水量能够达到83.20 m3/s。在该灌区所在的位置上，其地质主要为第四纪岩性，当地光照充足，属于半湿润大陆性季风气候，四季分明，平均年降水量在634.30 mm，年蒸发量平均为1 032 mm。当地光热充足，但是降水量少，且多年来的降水时空分布不均匀。按照灌区以往的工作制度和灌水模数来进行计算，灌区的控制灌溉面积可以通过水渠的参数计算出来。对该灌区内的水渠情况进行统计，如表1 所示。想要对上述情况的灌区进行改造，对于水渠进行工程设计，并布置施工。

表1 灌区水渠情况统计表

2 水渠工程设计与施工布置

2.1 分析不同水渠用水需求

水渠工程设计的最终目的是满足农业灌溉的同时，最大限度减少水资源的浪费。以灌区中的干渠为例分析农作物的年灌溉需水量，如表2所示。

表2 研究区干渠不同农作物年灌溉需水量表

根据水利方面的技术要求，水渠在高效节水的灌溉工程下，要求水利用系数需要高于0.95，在计算水渠流量的过程中，计算公式如下：

式中：Q表示水渠的设计流量，q表示设计的灌溉率，A表示设计的灌溉面积，η表示水利要求灌溉系数。根据当地的地质情况，计算田间的净流量和水渠净流量。计算公式为：

式中：Q1表示田间的净流量，A1表示水渠控制面积，Q2表示水渠净流量。

2.2 水渠断面设计

水渠中的干渠全长1 320 m，设计流量为15.50 m3/s，其断面为梯形圆弧，浆砌卵石衬砌。目前已经出现大面积破损，为了保证其功能正常，对原水渠进行拆除和重建。文章所选择的梯形断面相对于其他形状的断面来说，其占地面积大，渠道的边坡稳定性更好，对于施工的衬砌材料要求不高，因此在施工过程中相对便捷。在衬砌结构中，选择浆砌石底板+混凝土边坡的衬砌方案，设计尺寸为底宽为1.50 m，坡比为1：1.5，水渠的深度为2.00 m，此方案具有良好的抗冲和防渗透性能，糙率相对于其他的方法更大，流速能够减小，受到的流速摩擦力小，因此使用时间更长。断面设计示意图见图1，结合以上设计的特点，进行水渠改造的施工布置。

图1 水渠衬砌断面图

2.3 施工布置

首先分析灌区改造过程中，水渠工程的施工特点。改造水渠的导流隧洞由于进口处设计得比较宽，因此在施工过程中的边坡开挖尺寸大，周围的边坡与原来的边坡相比更高。在这样的技术设计下，经过计算，工程在施工过程中大约需要10万立方米的骨料和大坝填筑料，且要求这些施工料的级配必须要高，保证使用过程中不会出现大量的碎料。水渠下方的导流洞需要开挖一个尺寸为13 m × 14.5 m 的附砌后断面，需要先进行爆破，在施工过程中需要控制爆破的震动对周围环境的影响。此外，水渠的边坡高度差比较大，在施工过程中需要考虑到降水造成的影响，及时进行边坡支护。

在完成施工特点的设计后，对施工进行布置。水渠的边坡是水渠工程设计开挖施工中的重要工序，也是灌区改造现场中最复杂、也是最易发生安全事故的部位。主要通过设置排水沟和防护、支撑或挡土墙进行保护，从而防止由于地表变形或塌陷而造成作业面坍塌事故的发生。施工布置主要包括支护结构及支撑系统布置、边坡支护及其附属设施布置以及围岩安全监测工作等。边坡一般采用开挖法进行，开挖时对被破坏的土体采取及时保护措施，使其尽可能不受雨水冲刷。在对文章研究区进行施工的过程中，分结构进行布置。边坡在施工支护中，主要有以下几个结构施工需要详细布置。

挡土墙：主要起保护作用，但挡墙高度应大于作业面宽度和深度。排水沟：主要起排水作用，一般布置在开挖深度在20 m 以上的部位，排水沟一般设在开挖深度5 m以下，宽度在30 m以上。水平支撑：主要用于加固土体侧力结构，一般布置在开挖深度3～5 m 处，沿坡脚设置一定长度的水平支撑，竖向支撑的间距一般不大于50 m，倾斜支撑和悬臂支撑根据坡脚开挖深度不同而有所区别。斜坡支护：主要起稳定作用，布置在开挖深度为30～50 m 的位置上，垂直支撑间距一般不大于2 m。斜坡支护系统根据坡脚开挖坡度来确定：一般情况下为1：2～1：3，即1个斜坡仅有一个支护结构面。

根据以上的施工位置，在施工过程中，挡土墙及排水沟布置如下：挡土墙的埋设可根据现场条件，按照一定的坡度将其设置在挡土墙外。挡土墙与坡面应平顺、平直，一般在墙底或墙边开洞时要注意开洞后形成整体，以免影响挡土墙的正常工作。挡土墙与排水沟应采用盖板连接的方式，盖板的宽度不应小于1 m，盖板上每隔5 m 设一孔，孔径不宜小于60 mm，孔深不宜小于100 mm，排水沟深度一般为30～50 cm，一般不宜小于40 cm。排水孔之间须用衬砌土或混凝土填充严实，不得用水泥砂浆封堵或使用钢筋混凝土等封堵，严防雨水流失影响挡土墙的使用寿命。

在施工过程中，需要对围岩的安全进行监测。施工单位应在施工作业面的醒目位置设置围岩安全监测标志，使每一个作业面都能及时、准确地掌握围岩的稳定状况。一般情况下，施工单位在每个作业面设置一个围岩安全监测点，每隔一段时间应进行一次监测，并在现场记录或通过计算机分析处理后将监测结果记录下来并存档。监测资料必须与有关设计、规范和规程保持一致，并可根据实际需要进行适当修改或补充。施工单位还应定期进行围岩的动态监测工作，监测内容主要包括：岩体强度、岩面变化、边坡变形、地下水情况、地表沉降、裂缝等，并进行必要的观测试验，从而判断监测结果的可靠性，从而及时地采取有效的安全措施及预防措施来保证施工作业面的安全与稳定，围岩动态监测工作要做到每一个作业面的每一道工序的全过程监督检查，对监测中出现问题的部位要及时予以处理，确保监测工作正常有效进行。

在锚杆与支护桩的安装中，需要尤其注意锚杆与支护桩安装方式。安装方式很大程度上决定了锚杆在埋设过程中的深度，影响施工过程中的质量。文章所选择的锚杆与支护桩安装方式为单根安装，主要是由于单支锚杆在支护线向两端平行且间距为1 m，在这样的形态下，使用单根安装的方式不仅能够节省工程成本，而且也能够达到安全施工的要求。