可持续节水渠道衬砌设计与评价

林润霞，满小军

（1.龙门县水利水电勘测设计室，广东 惠州 516800；2.惠州市水土保持监督监测站，广东 惠州 516003）

渠道系统在输送灌溉水的过程中，大量灌溉水以渗流的形式从渠道中流失[1]。据估计，从渠首至农田之间流失了40%～50%的水[2]。由于渠道的大量渗流损失，许多农田地下水位变深，导致农作物产量大幅下降。此外，渠道渗漏造成了积盐、积水的双重问题，导致大片农业用地废弃[3，4]。

学者们建议对干旱或半干旱地区新灌溉项目的渠道必须衬砌，以避免在干燥的土壤和深层地下水位的情况下增加渗流的机会[5]。在世界范围内，渠道衬砌被认为是解决此问题的有效方法[6]。但是，渠道衬砌需将渠道关闭足够长的时间，这至少会剥夺农民一个收成季节，影响农业生产，且没有人愿意为他们承担这种损失。现今，水作为一种商品越来越珍贵，最重要的是它来源有限，故需高度重视节水，切实提高灌溉效率，更加有力地推行可持续节水渠道的衬砌。

1 研究区概况

1.1 水资源概况

根据《2020 年惠州市水资源公报》初步统计，惠州市龙门县2020 年用水总量1.899 6 亿m3，地下水开采量0.071 2亿m3，工业用水量0.142 5亿m3，生活用水量0.141 9 亿m3，万元GDP 用水量105.3 m3，万元工业增加值用水量18.9 m3，农业灌溉水有效利用系数0.51。龙门县水资源总量丰富，但因时空分布不均，区域资源性缺水、水质性缺水并存，水资源供需矛盾较为突出。

1.2 渠道系统

本次研究渠道全长212 km。渠道上有许多水工结构和公路桥梁，使渠道路堤互连。但在某些地方，大型车辆的通行可能会受到限制。渠道站点的地形平坦，大部分渠段都积水，基本参数详见表1。

表1 渠道基本参数

1.3 渠道衬里和改造

在使用均匀流量公式设计渠道衬砌时，应考虑水力效率、实用性和经济性等主要参数。现有渠道衬砌总是涉及渠道改造，原因是由于未衬砌和衬砌材料之间的曼宁系数不同。在各种传统类型的衬砌中，因水泥混凝土具有寿命长、耐久性、抗侵蚀、结构稳定、高允许速度等特点，被认为是最合适的衬砌材料。除水泥混凝土衬砌的高建造成本外，还会因接缝膨胀/收缩而发生一些渗漏。水泥混凝土衬砌是最常用的衬砌类型，推荐衬里厚度详见表2。

表2 水泥混凝土衬砌厚度

1.4 渠段特性

1.4.1 流动深度

现有渠段的过度加宽使得渠道的河床变大，水深减小。在某些地方，河床的淤积补偿了床层升高后深度的减小。因此，本研究设计的完全供水水平与之前设计所导致的完全供水水平的降低并没有太大不同。在设计中允许略微减少全部供水水平，以缩小该部分改建所需的工程范围。检查远离首部位置的降低对全部供水深度的影响，以确保从直接出口供水。对于相同的流量，流量深度的减小会导致湿润周长的增加，且增加渠道衬里的成本。因此，需要将全部供水深度的变化保持在最低限度。渠道床宽在因加宽而导致的最大可用宽度和保持所需供水深度所需的最小宽度之间进行选择。

1.4.2 侧坡

考虑到堤岸材料的休止角，本研究提供了侧坡，因它会在干燥条件下形成稳定的堤岸。干燥条件下的衬砌和改建中使用的路堤材料（填砂）采用以下边坡：①混凝土衬砌2∶1；②切割中的无衬砌导流通道1∶1，填充中的无衬砌导流通道1.5∶1。

1.4.3 纵坡

衬砌渠道的纵向坡度可能比未衬砌的陡峭，因为较高的水流速度可能导致未衬砌的渠道受到侵蚀。现有渠道具有大量的交叉调节器，并结合坠落结构，控制上游和下游水平。由于淤积不均匀，现有的床层水平表明纵坡不均匀及小渠段的反向坡度。淤积主要限于上游和下游冲刷。在整个范围内几乎都有冲刷的渠段中，采用与本研究设计相同的纵坡，并且床层也保持相同。

1.4.4 超高

考虑到渠道的大小和流量，自由板值可大致为流量深度的1/6。超高的推荐值，详见表3。

表3 超高推荐值

设计中提供的超高包括超高上述值的80%加上通过额外15%流量所需的计算深度。在此基础上，检查得到的超高在重塑的各阶段所需的深度，允许超高50%。

1.4.5 流速

由于较高的允许流速减少了衬砌渠床中的淤泥沉积，并且所有淤泥都传递到下游并进入分流区和支渠，因此有必要对分流区和支渠进行衬砌，以避免床层水平的升高而影响灌溉管网的运行。为将这一现象限制在最低限度，改建渠段的现有流速没有急剧增加。目前，1.0 m/s左右的流速一般提高15%～25%，保持在2.2 m/s以下。然而，在一些渠床淤塞严重的上游，可以增加纵坡以尽量减少所需的重建工程。在这些河段，允许现有流速增加20%，最大流速不超过1.4 m/s。衬砌施工前，大于1.1 m/s 的流速不适合于具有可用的近旁材料或级配土的重塑断面。

2 渠道设计

2.1 流量设计

为确定渠道的适当流量值，可从龙门县水资源开发和管理投资计划报告和渠道设计说明书（详见表4）获取相关数据。为避免数据差异，计算了渠道的累积流量（详见表5），并将其与报告和说明书中提供的流量进行比较。设计流量是基于干渠设计说明书中的相关数据计算得出的，结果详见表6。

表4 根据现有数据编制的渠道设计成果

表5 数据比较

表6 渠段设计数据

2.2 截面设计

根据各种研究人员采用的通常方法，渠道衬里的截面设计基于曼宁公式：

式中：v为流速（m/s）；n为曼宁系数；R为水力半径（m），是流体截面积A与润湿周长P的比值；S为纵向水力坡度或渠床坡度；A为流体截面积（m2）；P为润湿周长（m）。

材料的渗透性决定了渠道的吸收损失，曼宁系数决定了渠道的承载能力。风化是由温度变化，交替冻结和解冻以及润湿和干燥的破坏性作用引起的。碱土会导致混凝土腐蚀，可通过使用耐硫酸盐水泥来防止这种腐蚀。建筑成本会因地区和各种材料的可用性而异。衬砌截面的厚度取决于衬砌材料、边坡坡度和静水压力。应设置适当的排水系统，以防止因背压而导致输水故障。混凝土衬砌是耐用的，如果铺设得当，吸收损失将下降95%。由于曼宁系数较低，渠道允许的水流速度较高，因此减小了渠道截面。该结构在面板中进行，并提供凹槽以防止因交替膨胀和收缩而产生的裂缝。在路基顶部使用油纸、原油、1∶6水泥灰泥或1∶4水泥砂浆，以避免其海绵状和渗透性。

2.3 截面改造

设计的渠道下游截面改造通过MS Excel工作表以及Flow Master软件进行。MS Excel工作表用以确定渠道断面底部宽度，曼宁系数值为0.017。给定渠道断面底部宽度的假定值，然后使用连续性方程计算流量并与所需流量进行比较。若2 个流量相等，则表示所选截面的设计是正确的。若2个流量不相等，则需修改底部宽度。渠道断面底部宽度确定后，通过Flow Master 软件（2009）对设计的工作表其他参数（即渠道宽度、水流面积、润湿周长、水力半径和流速）进行检查。经计算的一个试验截面和最终改造截面，如图1—2 所示。通过该程序设计和改造后的最终渠道截面更加准确。

图1 Flow Master Software软件设计的起初横截面

图2 Flow Master Software软件设计的改造横截面

3 结果分析

本研究已为普通水泥混凝土衬砌准备了初步的成本估算，采用13 cm 的厚度来估算在选定范围内具有3 000 Psi 强度的混凝土量。为此，计算了渠道两侧的切割（修整）、回填和混凝土衬砌的数量。

3.1 数量估算

在MS Excel 工作表中，沿渠道指定的缩短距离为457、503、655、686、953、983 m，初步估算了切割（修整）、回填和混凝土衬砌的数量。沿渠道指定缩短距离的切割（修整）量为85 745.7 m3，回填量为119 027.2 m3，混凝土衬砌量为17 647.4 m3。

3.2 成本结果

根据上述所选到的成本在MS Excel 工作表中计算其成本。切割（修整）是指在渠床开挖或切割沙子、黏土、块石以保持渠道坡度，综合单价为600元/m3，总金额为5 145 万元。回填是指使用土料回填渠身，综合单价为1 240 元/m3，总金额为14 759 万元。混凝土衬砌使用3 000 Psi 的普通水泥混凝土用于13 cm 厚的渠道衬砌，综合单价为18 600 元/m3，总金额为32 824 万元。经合计，工程需要投资52 728万元。

4 结语

对渠道进行衬砌，可显著降低渠道渗流损失、积水淤积和维护成本，提高渠道流速、输水效率和运行效益。通过渠道衬砌，可以降低渠道40%～50% 的渗流损失。混凝土衬砌后的渠道光滑、抗侵蚀、宽度较小且流速较快，减少了渠段的积水和泥沙淤积，提高了渠道性能，从而减少了渠道后期清淤和修复的维护成本。渠道流速的增加、渗流损失的减少，使渠道的输水效率从70%提升至90%，灌溉水利用率和渠道运行效益显著提高。从最初成本结果来看，渠道衬砌的投资似乎很高，但渠道衬砌是一个可持续的过程，就长期利益而言是非常经济实用的，相对于节约用水也是非常必要的。