小型農(nóng)田水利工程灌溉渠道造價對比分析

盧 瑤，尹曉媛，劉甲明，劉珊珊，陳運春

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650051； 2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源科學(xué)技術(shù)工程研究中心，云南 昆明 650051)

小型農(nóng)田水利工程灌溉渠道造價對比分析

盧 瑤1，2，尹曉媛1，2，劉甲明1，2，劉珊珊1，2，陳運春1，2

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650051； 2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源科學(xué)技術(shù)工程研究中心，云南 昆明 650051)

以引水農(nóng)渠為研究對象，采用經(jīng)驗公式和對比分析法，探討渠道在不同斷面結(jié)構(gòu)形式和不同材料情況下單位工程造價的變化情況，進一步分析不同渠道的工程特點和存在差異的原因。結(jié)果表明：渠道所采用的材料、斷面結(jié)構(gòu)和施工工藝是造成造價差異大的主要因素。

渠道斷面設(shè)計；農(nóng)渠；小型農(nóng)田水利工程；造價對比分析

農(nóng)田水利工程是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營活動的物質(zhì)載體，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，制約著農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展[1]。自2010年以來，國家對小型農(nóng)田水利工程的建設(shè)給予了極大的關(guān)注，明確提出了要因地制宜興建中小型水利設(shè)施，尤其是“五小水利”工程[2]。

近年來，在國家政策的支持下，我國小型農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)取得了一定的成就[3]。據(jù)統(tǒng)計，我國80%以上的灌溉面積依靠渠道輸水灌溉，渠道作為我國主要的輸水系統(tǒng)，在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有不可替代的作用。但在工程實踐中，渠道設(shè)計沒有充分考慮斷面的優(yōu)化設(shè)計，渠道壁厚的確定隨意性大，材料的選用沒有進行合理的經(jīng)濟對比分析，必然會造成資金的浪費。隨著國家及地方對小型農(nóng)田水利工程投資力度的不斷加大，如何有效控制投資，最大限度地減少資金浪費成為亟待解決的問題。

筆者以農(nóng)渠為研究對象，在相同設(shè)計參數(shù)下，從造價分析的角度對不同材料和不同斷面形式的單位工程造價進行對比分析，尋求各種渠道的適用條件，以減少資金的浪費，為設(shè)計人員、項目施工管理和待實施的項目提供參考。

1 渠道斷面的設(shè)計

1.1 基本參數(shù)的選取

選用實際工程中農(nóng)渠常用的3種斷面形式(矩形、梯形以及U形)進行研究。考慮在相同流量下，控制面積為10 hm2，采用兩級渠道灌溉，田間水利用系數(shù)0.95，渠道水利用系數(shù)0.90，水田凈灌水率為17.7 m3/s·萬hm2，渠底比降為1/2 000，梯形渠道邊坡系數(shù)為0.3，按1∶0.5開挖，分別對漿砌石、現(xiàn)澆混凝土和預(yù)制混凝土農(nóng)渠進行水力最優(yōu)斷面的設(shè)計。

1.2 水力最優(yōu)斷面的計算

農(nóng)渠位于灌溉渠系的末級，將來水直接輸送到田間。因此，水力最優(yōu)斷面設(shè)計要求渠道必須有足夠的輸水能力，滿足田間作物對水分的需求；必須有適宜的流速，快而不沖刷渠槽，慢則不會使泥沙淤積；必須有合適的邊坡，使得渠槽不坍塌、不滑坡、不發(fā)生凍脹破壞[4]。基于以上基本要求，在設(shè)定的條件即渠底比降i、糙率n、設(shè)計流量Q一定的情況下對矩形、梯形以及U形斷面進行水力最優(yōu)斷面的計算。

a. 計算設(shè)計水深和底寬

矩形和梯形按照明渠均勻流公式(1)和(2)進行計算：

(1)

bd=α0hd

(2)

式中：hd為渠道設(shè)計水深，m；bd為渠道的設(shè)計底寬，m；α0為梯形渠道斷面的最優(yōu)寬深比；m為渠道的邊坡系數(shù)。

U形斷面最接近水力最優(yōu)斷面，各部分間的尺寸關(guān)系復(fù)雜，需要借助經(jīng)驗關(guān)系以及明渠均勻流公式進行計算，如式(3)和式(4)[5]：

(3)

(4)

式中：r為圓弧的半徑，m；α為直線段的傾斜角；Nα為直線段外傾角為α?xí)r的系數(shù)。

b. 校核流速

渠道的斷面平均流速應(yīng)滿足V不淤

(5)

式中：A為渠道過水斷面面積，m2；V為渠道平均流速，m/s。

1.3 安全超高的計算

1.4 水力最優(yōu)斷面的確定

結(jié)合以上斷面計算公式，在相同流量、相同坡降下分別對漿砌石、現(xiàn)澆混凝土和預(yù)制混凝土渠道進行水力最優(yōu)斷面的設(shè)計，具體設(shè)計結(jié)果見表1。

表1 渠道斷面設(shè)計參數(shù)

基于以上計算數(shù)據(jù)以及《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》[7]，考慮到實際工程狀況，選取漿砌石、現(xiàn)澆混凝土、預(yù)制混凝土渠道的壁厚分別為25 cm、10 cm、6 cm。以現(xiàn)澆混凝土為例分別繪制渠道斷面形式為矩形、梯形、U形時的剖面圖，如圖1～3所示(單位：mm)。

圖1 矩形斷面

圖2 梯形斷面

圖3 U形斷面

2 單位造價對比分析

大量的實踐資料研究表明,材料費用在工程項目建設(shè)總造價中所占比例高達50%～60%。因此，在對項目相關(guān)材料采購時，選擇價格合理的材料至關(guān)重要。同時，不同斷面形式對工程量有非常大的影響，進而影響工程造價。因此，結(jié)合實際工程，筆者選擇農(nóng)渠的不同材料、不同斷面形式作為“變量”，組合形成了9種不同的渠道，其中漿砌石U形渠道在實際工程中無法采用，進行剔除。在主要材料價格：水泥為0.5元/kg、砂為90元/m3、塊石為80元/m3、碎石為85元/m3的基礎(chǔ)上計算其余8種渠道的每延米工程造價，并進行對比分析。

2.1 相同材料不同斷面形式下造價對比分析

在漿砌石、現(xiàn)澆混凝土和預(yù)制混凝土3種材料下，分別計算農(nóng)渠同一材料對應(yīng)不同斷面形式(矩形、梯形、U形)時每延米分項工程量以及單位工程造價，見表2～4。

從表2～4可以看出：在漿砌石、現(xiàn)澆混凝土、預(yù)制混凝土3種農(nóng)渠中矩形斷面造價最高，梯形和U形的造價變化則存在差異，現(xiàn)澆混凝土農(nóng)渠中，梯形的造價高于U形，而在預(yù)制混凝土農(nóng)渠中則相反。在同一材料不同斷面形式下渠道造價的變化幅度很小，處于1%～7%之間；不同斷面形式下農(nóng)渠的分項工程不同，即U形渠道需要進行壓頂；相同材料下同種分項工程的單價相同、工程量不同。

表2 漿砌石農(nóng)渠單位工程造價

表3 現(xiàn)澆混凝土農(nóng)渠單位工程造價

表4 預(yù)制混凝土農(nóng)渠單位工程造價

同一材料不同斷面形式下，除壓頂外，其余分項工程的單價相同、工程量不同，故每延米工程造價的差異主要是因為工程量的不同。3種農(nóng)渠中，矩形斷面除回填工程量較U形斷面低外，其余工程量均不同程度高于梯形和U形斷面，但由于回填工程單價較低對工程造價影響不大，所以矩形斷面渠道的造價居高。現(xiàn)澆混凝土、預(yù)制混凝土農(nóng)渠中造成梯形和U形斷面工程造價變化不同的主要原因是現(xiàn)澆混凝土中梯形斷面模板工程量較大且模板單價高。因此，在相同材料不同斷面形式下，形成每延米工程造價差異的主要原因是斷面形式不同所造成的工程量的變化。

2.2 不同材料相同斷面形式下造價對比分析

分別繪制矩形、梯形、U形農(nóng)渠在不同材料(漿砌石、現(xiàn)澆混凝土以及預(yù)制混凝土)下，各分項工程所對應(yīng)單價的柱狀圖以及每延米工程造價的散點圖，見圖4～6。

圖4 矩形農(nóng)渠分項工程單價與單位工程造價

圖5 梯形農(nóng)渠分項工程單價與單位工程造價

圖6 U形農(nóng)渠分項工程單價與單位工程造價

從圖4～6中可以看出，在矩形、梯形以及U形斷面形式下，現(xiàn)澆混凝土農(nóng)渠每延米工程造價最高，其次是漿砌石和預(yù)制混凝土農(nóng)渠。且以現(xiàn)澆混凝土為參照，預(yù)制混凝土的變化幅度較大，約為65%，漿砌石變化幅度較小，約為13%；由圖4～6中各單項工程的單價柱狀圖可以看出，相同斷面形式下，除渠身工程外，其余單項工程單價相同；結(jié)合表2～4可以得出，采用不同材料時，渠道的單項工程存在差異，即現(xiàn)澆混凝土農(nóng)渠需要進行模板施工，其余單項工程的工程量隨材料的變化而變化。

預(yù)制混凝土農(nóng)渠的渠身工程單價最高，其次是現(xiàn)澆混凝土農(nóng)渠和漿砌石農(nóng)渠。但每延米工程造價的變化卻不同，這主要是由工程量的變化決定的。其中，現(xiàn)澆混凝土農(nóng)渠造價最高，這是因為與其他材料的渠道相比多了模板工程，其價格大約是總造價的一半；漿砌石農(nóng)渠造價略低于現(xiàn)澆混凝土農(nóng)渠，而預(yù)制混凝土農(nóng)渠的造價卻遠遠低于漿砌石和現(xiàn)澆混凝土農(nóng)渠，這主要是因為渠道壁厚的不同使工程量存在較大的差異。因此，在相同斷面形式不同材料的情況下，每延米工程造價的變化原因主要包括施工工藝的不同、壁厚差異所引起的工程量的不同、渠身工程單價的不同等3個方面，而這歸根結(jié)底是由于材料的不同所造成的。

3 不同渠道特點分析

3.1 不同斷面形式下渠道的特點

不同斷面形式下的渠道，工程量差異明顯，在很大程度上影響著渠道的造價以及占地面積。研究表明，在明渠的各種斷面形式中半圓形斷面是水力最佳的。因此，U形渠道作為接近水力最佳斷面的形式，具有整體性好、水力條件好、省工省料等的優(yōu)點，受到了普遍歡迎；梯形雖然是占地面積最大的斷面形式，但因其施工方便、邊坡穩(wěn)定，在實際工程中較為常見；矩形作為特殊的梯形，施工更加方便。不同斷面形式下渠道的特點如表5所示。

表5 不同斷面形式下的渠道特點

3.2 不同材料情況下渠道的特點

在實際工程中，采用不同材料時渠道有著各自的特點，即有著常用的斷面形式以及使用范圍。當材料為漿砌石時，渠道的斷面形式一般為梯形和矩形，這種材料常用于石料來源豐富、有抗凍、抗沖性、耐磨要求的各級渠道；當材料為現(xiàn)澆混凝土?xí)r，施工工藝多、造價相對較高，渠道的斷面形式一般為梯形、矩形和U形3種，但這種材料的渠道防滲效果、抗沖性和耐久性都很好，適用范圍很廣，可以用于各類地區(qū)；當材料為預(yù)制混凝土?xí)r，造價相對較低，渠道的斷面形式一般為U形和矩形，這種材料的渠道常用于運輸方便的地區(qū)。不同材料情況下渠道的適用范圍如表6所示。

表6 不同材料情況下渠道的適用范圍

4 結(jié)論與建議

通過計算農(nóng)渠在Q、i、n已知情況下的水力最優(yōu)斷面，并對所求渠道在不同斷面形式以及不同材料情況下的造價、特點、適用范圍進行對比分析，得到如下結(jié)論。

a. 相同材料情況下不同斷面形式所造成的工程量的差異，以及相同斷面形式下采用不同材料所造成的施工工藝的不同、工程量的變化以及渠身工程單價的差異是形成總造價差異的主要原因，兩者相比，材料對造價的影響更大。

b. 斷面形式不同使渠道的穩(wěn)定狀況、占地面積、施工難易等不同，其中U形渠道的水力條件較好、占地面積較少、施工較易。

c. 現(xiàn)澆混凝土渠道的適用范圍最廣，預(yù)制混凝土渠道對交通運輸條件要求嚴格，漿砌石渠道大體適用于石料來源豐富的地區(qū)。

總的來說，渠道所選材料以及斷面形式的差異使得工程造價、穩(wěn)定性以及施工難易程度等不同。因此，在實際工程中要結(jié)合材料和斷面形式，秉持因地制宜的原則選擇適合的渠道。當資金有限而對占地面積沒有限制時，可以選用漿砌石矩形渠道；當所用地區(qū)的地形比較開闊而且用水量又比較大時，可以選用現(xiàn)澆混凝土或漿砌石的梯形渠道；當所用地區(qū)的土地資源稀缺且施工工藝過硬時，可以選用預(yù)制混凝土U形渠道。

[1] 呂俊. 小型農(nóng)田水利設(shè)施供給機制:基于政府層級差異[J]. 改革,2012(3):59-65.

[2] 胡志強. 小型農(nóng)田水利工程建設(shè)影響因素的系統(tǒng)分析[D].長沙:中南大學(xué),2012.

[3] 張亦工,胡振虎. 中國小型農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀、原因與對策[J]. 山東財政學(xué)院學(xué)報,2011(6):105-110,118.

[4] 黃謀松. 灌溉渠道的斷面設(shè)計研究[J]. 低碳世界,2014(3):102-103.

[5] 吳寧. U型斷面渠道水力計算的方法步驟[J]. 科技信息,2010(17):506.

[6] 郭元裕. 農(nóng)田水利學(xué)[M]. 北京：中國水利水電出版社,1997.

[7] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，中華人民共和國建設(shè)部.灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范：GB50288—99[S].北京：中國計劃出版社，1999.

國土資源公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201511003)

盧瑤(1991—)，女，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)水土工程造價研究。Email:546887598@qq.com

陳運春(1976—)，女，副教授，碩士，主要從事國土規(guī)劃、造價管理研究。Email:ynkmcyc2006@163.com

10.3880/j.issn.1003-9511.2017.04.005

F407.9

A

1003-9511(2017)04-0024-04

2017-03-26 編輯：方宇彤)