大功灌区一期工程渠道改造设计要点

刘元永，乔广为

（河南省海河流域水利事务中心，河南 新乡 453002）

大功灌区早期建设标准低、运行时间久、历史欠账多，同时受水土资源变化、水资源供需矛盾加剧等因素影响，部分工程设施、用水管理、可持续发展等方面存在一些突出短板。现状骨干渠道衬砌率低，建筑物配套率不高，渠道多数仍为土渠，建筑物配套不善，现有建筑物年久失修、破损严重，对灌区灌排设施改造维修意义重大、刻不容缓。

一期工程位于滑县，主要建设内容包括总干渠渠道衬砌10.3 km，重建涵闸7 座、涵洞1 座，维修涵闸1 座，堤顶道路硬化1 km，防护网安装1 km 等。总干渠现状为全挖方复式断面，为土渠，底宽15 m左右，边坡1∶3左右，淤积较严重，断面不规整，灌溉渗漏严重，水资源严重浪费[1]。

渠道两侧为滩地，宽20～40 m，滩地百姓开荒种田，侵占沟渠现象较为普遍，影响渠道的安全运行，急需进行渠道改造。

1 渠道横断面设计

1.1 渠道断面

大功灌区总干渠治理段为全挖方复式断面，现状渠道底宽按原15.4 m 宽度治理，边坡1∶3，本次对渠道主河槽进行整治、衬砌治理。大功总干渠运行多年，渠道均已形成梯形断面型式；为减少对现有渠道的扩挖及回填、避免对现有渠道和渠系建筑物的影响，本次治理不改变现有断面型式，仍采用梯形断面型式。

1.2 边坡设计

根据《大功灌区续建配套与现代化改造一期工程地质勘察报告》，大功灌区按地貌形态看绝大部分地区属黄河冲积平原，少部分属黄河漫滩。灌区内地层岩性揭露地层主要为第四系全新统和上更新统冲积地层。上更新统冲积-湖积层（Q3al-l）绝大部分地区被全新统覆盖，岩性主要为灰黄、棕红杂灰绿色亚黏土、黏土与灰黄、灰绿色亚砂土、灰黄色泥质粉砂或砂砾石层呈不等厚互层。全新统主要为黄河、卫河上游冲积物，部分地区有沙丘，局部有湖沼沉积。冲积层（Q4al）主要为灰黄、灰褐色砂层和灰黄、灰黑色亚砂土、亚黏土。根据地层岩性及其分布特征，在该段渠道范围内选取2 处典型断面进行边坡稳定计算分析。边坡采用简化毕肖普法进行边坡稳定计算[2]。设计工况如下：①渠道内设计水深，地下水处于稳定渗流状态，计算内外坡抗滑稳定；②渠道内设计水位骤降，计算内坡抗滑稳定。校核工况如下：①渠道施工期，渠内无水，地下水处于稳定渗流状态，计算内坡抗滑稳定；②渠道内设计水深，地下水处于稳定渗流加地震状态，计算内坡抗滑稳定。经计算，并参考地质报告边坡建议值后，确定本渠段内边坡取值为1∶3。

1.3 渠道糙率

根据《灌溉与排水工程设计标准》（GB50288-2018），对于采用金属模板浇筑、衬砌面平整顺直、表面光滑的混凝土渠道，其糙率为0.012～0.014；对抛光木模板浇筑、表面一般的混凝土渠道，其糙率为0.016。结合大功灌区渠道衬砌施工工艺现状、渠道运行现状以及河南省内其他灌区渠道衬砌经验，考虑跨渠桥梁等局部水头损失，对全断面现浇混凝土衬砌渠段，其糙率选用0.016[3]。

1.4 设计底宽及水深

大功灌区总干渠设计流量为70 m³/s，为减少渠道整治过程中的挖填方量，渠道设计底宽仍采用规划底宽15.4 m。在确定渠道流量、底宽、边坡、纵坡、糙率的情况下，渠道水深可按明渠均匀流公式计算，其计算公式如下：

式中：Q为渠道设计流量（m3/s）；A为渠道过水断面面积（m2）；C为谢才系数；R为渠道过水断面水力半径（m）；i为渠道纵坡；n为渠道过水断面糙率，取0.016。

同时，结合总干渠沿线各节制闸的闸前灌溉节制水位和沿线灌溉区域及各干渠灌溉水位需求，水位按各节制闸节制水位控制，按明渠非均匀流公式自下而上推算水面线，确定各段水深，以满足灌区沿线灌溉水位要求。

2 渠道纵断面设计

大功灌区输水渠道的纵比降应结合地形地势、分配水头条件等综合选取，在满足灌区范围内灌溉高程的前提下，应满足不冲不淤的要求，降低工程投资并满足工程布置的需要。总干渠渠道纵断面设计要求如下：①保证设计输水能力，水流安全通畅；②输水水位满足沿线各分水闸的需水要求。

受该段渠道影响的有5 处分水口门，各分水口门水位要求如下：长垣一干渠分水闸（桩号34+200）水位63.93 m，长垣二干渠分水闸水位（桩号36+050）63.40 m，长垣三干渠分水闸（桩号40+400）水位62.97 m，瓦岗干渠分水闸（桩号44+400）水位63.15 m，柳青干渠分水闸（桩号57+800）水位60.8 m。

结合缑庄闸底板高程59.34 m、节制水位63.04 m，小马村闸底板高程59.00 m、节制水位62.1 m 以及长滑边界处总干渠渠底高程60.2 m，确定本治理段渠道比降为1/12 000～1/17 600。节制闸节制后，节制水位能满足各干渠的输水需求。

现有渠道渠底高程低于节制闸底40 cm 左右，若回填至闸门控制的渠底高程，还需回填4.5 万m3土方，结合沿线土方平衡结果，尽量减少外借土及借土临时占地和对周边的影响，本次渠底护砌高程按现状渠道渠底高程护砌。

3 渠道衬砌结构设计

3.1 衬砌原则

渠道衬砌的主要目的是防渗，减少渠道渗漏损失，提高输水配水能力，增加渠坡的稳定性，故对渠道主河槽进行全断面衬砌。

3.2 衬砌材料选择

根据渠道沿线地形、地质条件，结合规划输水、节水及水利用系数的总体目标，选取衬砌材料。衬砌材料应选择防渗效果好、经久耐用、输水能力和防淤抗冲能力高、施工方便、管护维修方便、价格合理的材料。

常用衬砌材料有现浇混凝土板、预制混凝土板、浆砌块石。现浇混凝土衬砌厚度10 cm，预制混凝土衬砌厚度8 cm，浆砌石衬砌厚度30 cm。对于浆砌石衬砌方案，河南省平原地区石材较缺，砌筑人工费用高，结构的整体性不好，衬砌后渠道糙率较混凝土衬砌高，水力条件相对差，对本次工程而言，不太适合。混凝土预制块衬砌的渠道接缝多，整体性较差，糙率高，水力条件比现浇板差，由于板厚相对混凝土现浇板薄，抗冲抗磨性能较低。现浇混凝土衬砌水力条件好，渠道表面美观，平整度高，施工便捷。

综合类似工程实际情况，绝大部分渠道衬砌采用现浇混凝土板衬砌，易于实施，运行效果良好，美观度及平整度较好，便于施工质量控制，运行后实践检验符合平原区的实际地形地质条件，病害程度较轻。而浆砌石和预制板护砌施工速度较快，但施工质量不易控制，美观度及平整度较差，渠道过水运行后，由于衬砌结构整体性差，易于出现塌陷、翘曲等病害，砂浆接缝处易长草，既会对护砌结构造成破坏，也加大了渠道糙率。

经综合考虑，决定选用现浇混凝土衬砌。根据《灌溉与排水工程设计标准》，现浇混凝土板的厚度一般采用6～15 cm，本次工程现浇混凝土厚度采用10 cm。

3.3 衬砌及分缝设计

大功灌区涉及范围广，区域内滑县、内黄县为地下水超采区。为保持大功总干渠渠道断面和过流能力，完成灌区输水和生态补水的任务，考虑到总干渠输水距离长的因素，渠道的防渗等级采用Ⅲ级。

总干渠主河槽采用全断面现浇混凝土衬砌，渠坡和渠底衬砌厚度均采用10 cm，渠道顶部设20 cm宽的封顶板。衬砌混凝土强度等级为C25，抗冻标号为F150，抗渗标号为W6。混凝土衬砌板渠坡、渠底横缝间距均为4 m；渠底、渠坡纵缝按2.5 m 间距设置，分缝均采用矩形缝，缝宽均为2.0 cm。左右两侧坡脚齿墙上方各设置1 条诱导缝，分缝上部临水侧2 cm 均采用密封胶封闭[4]、下部均采用闭孔塑料泡沫板充填。

因渠道两侧滩地还有耕种需求，为保护衬砌封顶板免受耕种的影响，在封顶板外侧50 cm 处修建宽1 m、高20 cm 的子堤，同时也能防止滩地土、植物进入渠道，减少渠道淤积。为减少滩地积水对渠道和耕种的影响，子堤每隔100 m 设置1 处缺口，雨季时可将滩地雨水集中排入总干渠。

3.4 衬砌高度确定

本次治理主要对渠道主河槽进行衬砌防护，根据《灌溉与排水工程设计标准》对渠道衬砌超高规定，为减少对两侧滩地填筑量和外借土量，大功总干渠衬砌采用0.3 m 超高，以设计水位加0.3 m 确定护砌高程。结合沿线土方平衡情况，两侧滩地按护砌高程进行平整，既可以满足渠道衬砌过水要求，也可以改造渠道两侧的滩地，使其整体外观统一、整齐、美观。

3.5 两侧堤顶复核

1～3级渠道岸顶超高应按土石坝设计要求确定。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2020）对渠道堤顶在静水位以上的超高规定，坝顶超高计算公式为：

式中：y为坝顶超高（m）；R为最大波浪在坝顶上的爬高（m）；e为最大风壅水面高度（m）；A为安全加高（m），3级渠道安全加高取0.7 m。

经计算，总干渠渠道超高为1.06 m。沿线现有堤防高程总体上大于渠道超高，局部由于现场耕种和个别穿渠道路造成堤防较低，后期结合管理道路的修建进行局部修复。

3.6 衬砌稳定计算

正常情况下，挖方渠段计算条件为设计水深，地下水处于稳定渗流状态；填方渠段计算条件为设计水深，堤外无水。非常情况Ⅰ下，挖方渠段计算条件为正常情况下的设计水位骤降0.3 m；非常情况Ⅱ下，填方渠段计算条件为渠内闸前设计水位。混凝土衬砌稳定复核设计值，详见表1。

表1 混凝土衬砌稳定复核设计值

3.6.1 抗滑稳定计算

正常情况下，护坡体内外水位一致，水压力相抵后，混凝土板的下滑力及摩阻力均由混凝土板自重产生。输水渠道渠底多位于壤土中，经计算，在正常情况设计水位骤降0.3 m的工况下，计算其抗滑稳定安全系数为2.26，大于设计值1.25，齿墙尺寸为0.35 m×0.25 m，可以满足稳定要求。衬砌体受力，如图1所示。

图1 衬砌体受力

图1中，P1为渠道内水对衬砌结构的压力（kPa）；P2为渠道地下水对衬砌结构的压力（kPa）；G为衬砌结构下滑力（kN/m2）；f为衬砌结构摩擦力（kN/m2）；P2-P1为外水压力与内水压力之差（kPa）。

3.6.2 抗浮稳定计算

在地下水位低于渠道设计水位的情况下，内水压力≥外水压力，衬砌体满足抗浮稳定要求。汛期降水时，在地下水位高于渠道设计水位的情况下，考虑到采用排水措施，衬砌体满足抗浮稳定要求。在渠道渠底及两侧坡脚处设置有无砂混凝土排水体，间距4 m。渠坡抗浮计算，如图2所示。

图2 渠坡抗浮计算

图2中，P内为渠道内水对衬砌结构的压力（kPa）；P外为渠道地下水对衬砌结构的压力（kPa）；G为衬砌结构自重（kN）；P外-P内为外水压力与内水压力之差（kPa）。

3.7 防冻胀措施

选出典型断面，根据地下水的埋藏情况，分完建期与运行期找出最大冻胀量在横断面上的出现点，再利用有关公式逐点算出其设计冻深、冻胀量。

因大功灌区在每年12—次年1 月冰冻期不灌溉，其间不输水。在此条件下，选出代表断面，根据地下水的埋藏低于渠道渠底的情况，按完建期找出最大冻胀量在横断面上的出现点，再利用有关公式逐点算出其设计冻深、冻胀量及所需保温板的厚度。

渠道横断面的很多部位均有冻胀破坏发生，需要准确找出最大冻胀量出现的位置作为计算点。参照《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL23-1991），计算点选取原则如下：均质土渠渠床，冻结期渠内无冰（水）时，最大值出现在渠底或阴坡下部。参照上面的原则，选取典型断面计算点。大功总干渠为南北方向布置，选取一个典型断面进行计算，计算结果显示冻胀量总体不大，而运行工况计算结果超过梯形断面渠道衬砌冻胀位移允许值（0.5～1 cm）。针对冻胀破坏情况，总干渠渠道衬砌采用能适应冻胀变形的柔性结构，在渠道左右岸两侧坡脚设置诱导缝，纵向每隔2.5 m 设置1 道伸缩缝，横向每隔4 m 设置1道伸缩缝，以适应冻胀变形。

3.8 现有沟渠顺接

总干渠沿线遇排水沟道及分水闸时对渠道范围内的沟道进行疏浚，渠道衬砌与现有沟道顺接，保证渠道输水及排水的顺畅。

4 结语

本次治理工程实施后，工程运行状况显著改善，渠道输水能力大幅提高，直接改善灌溉面积8 000 hm2，农作物增产7 608 t，新增节水243 万m3；同时，有效控制了地下水超采，改善了农村生态环境和农民生活条件。通过水利工程及配套工程的建设，既实现了工程的使用功能，又形成一定的生态景观效果，使灌区实现人与自然相互和谐，工程综合效益显著。