小型灌溉水源工程設計模式及施工技術要點探討

李 榮

(葫蘆島市連山區水土保持局，遼寧 葫蘆島 125001)

連山區位于遼寧省西部，地處遼西走廊。東臨渤海、南鄰葫蘆島市區、西鄰朝陽市、北鄰南票區。地理位置在東經120°14′15″～121°02′00″，北緯40°40′30″～41°00′01″，總面積1132km2。全區轄9個鄉鎮，9個街道(含錦郊)，115個行政村。全區總人口42.47萬人，其中農業人口18.11萬人，農民人均純收入7800元，耕地面積45.95萬畝。自從1991年遼寧省實施“大禹杯”競賽以來，連山區曾經十幾次奪得省市“大禹杯”，也修建了大量的小型農田水利工程。截至2016年底，全區現有水庫4座、方塘89座、機電井2483眼(包括大口井226眼)、塘壩21座。全區有效灌溉面積7萬畝。針對連山區有效灌溉面積僅占耕地面積15.2%、每個水利單元有效灌溉面積不足30畝的現狀，提高全區耕地及每個水利單元的有效灌溉面積，保證全區農業可持續發展已刻不容緩。只有創新工程建設思路，克服已不符合時代要求的簡單、粗暴的工程建設方法，才能探索出適合連山區小型水利工程建設發展的新模式[1]。

1 工程建設背景

2014年，連山區農業綜合開發實施利用世界銀行貸款可持續發展農業項目，主要目的就是借鑒國外發展現代農業的成功經驗，探索連山區發展現代農業的途徑，推進連山區農業現代化事業的健康發展。同時，在農業綜合開發工作中能引進世行先進的項目管理理念、管理方法，進一步豐富農業綜合開發的管理經驗和管理模式，完善農業綜合開發項目管理制度，健全管理機制，提高項目管理的水平。世行理念的中心思想體現在工程建設中就是禁止新開采地下水，避免破壞水源生態環境，實現生態環境的可持續利用[2]。提倡充分開發利用地表水資源，對原有水源工程進行改造，這一理念正好與連山區地下水已嚴重超采目前已達到111.6%、地表水利用不足目前僅為21.1%的現狀不謀而合。

2 工程設計思路研究

連山區是一個以山丘區為主的縣區，氣候屬于大陸性半濕潤季風氣候，年蒸發量為降水量的三倍以上。多年平均陸地蒸發量450mm，水面蒸發量1346.4mm，多年平均降水量為593.9mm，降水年內分配也極不均勻，多集中在七、八月份，占全年降水量的55%以上。人均占有水資源量僅405.7m3，不足全省平均水平(827m3)的一半。針對連山區自然現狀，從減少地面蒸發量、充分開發利用地表水資源入手，利用原有水源進行升級改造的同時，重點開發和利用中小型河流的地表水資源，不讓地表水資源白白流失，探索出適合連山區可持續發展的農業灌溉發展模式迫在眉睫。只有實施點面結合，綜合施策的方法，才能實現連山區水利及農業的可持續發展[3]。

2.1 點型設計模式

針對連山區老舊大口井或小型方塘較多且年久失修的特點，有針對性進行升級改造勢在必行。以前大口井確實在農業灌溉中曾發揮重要作用，但隨著時間的推移，越來越失去它往日風采，呈現出諸多弊端。一是以前大口井主要人工開挖深度普遍較淺，屬不完整井，隨著水位不斷下降，水量已不能滿足灌溉需求，干旱季節基本無水可用；二是大口井占地面積大，在寸土寸金的當今已不合時宜；三是存在著嚴重的安全隱患，即使采取安全措施，加裝安全防護網，往往效果不佳，且容易被人為破壞，還增加了維護成本，因大口井出現人身安全事故問題時有發生。針對以上缺點，經過近二年來探索實踐，連山區通過在世行項目區用復合井代替大口井的方法有效解決了上述問題。同時復合井也適合在古河道、河灘地及溝道邊施工，即節省了占地，又確保了施工安全，最大限度的發揮了水源灌溉功效，達到了預期效果[4]。

2.2 面型設計模式

針對連山區季節性中小河流平時河中水量很小，大部分水量經砂石層流走，特別是在干旱季節，河床往往處于干涸狀態的特點，采用攔蓄結合方式盡可能留住地表水資源，有效利用地表水資源已勢在必行。通過世行項目二年探索實踐證明，有攔無蓄不行、有攔有蓄方法不當亦達不到預期效果。攔水設施應運而生，它充分攔蓄了地表水，做到了攔蓄的有機結合，特別是在干旱季節，水量充足，充分體現了它的獨特價值，同時它又具有施工安全、管理安全、行洪安全的特性，深受社會歡迎[5]。

3 施工技術要點分析

3.1 復合井(點型設計)

3.1.1 結構尺寸

復合井是由一個主井(露出地面)和地面以下圍繞主井的多個輔井共同組成，并通過碎石、渣石等透水性材料填充的水源形式。井管采用預制鋼筋混凝土井圈，主井管規格Φ2.0m；輔井管規格Φ1.0m，主井部分起到集水井作用；輔井部分起到蓄水作用。主井要比輔井深2到3m，以鉤機炮錘挖不動為標準，這樣以利于水泵安裝及保證水井有更好的出水量，達到充分利用水資源的目的。輔井管的高度及形狀應根據正常地下水位及地形條件確定。復合井根據工程需要可靈活設置磚混結構井房，其規格為3.0m×3.0m，具體詳見復合井圖1～2。

圖1 復合井平面圖

3.1.2 基礎處理

采用大開挖法施工，用人工配合機械開挖，開挖時注意做好施工排水，并根據當地地質條件，選擇安全的施工坡比。首先完成主井開挖，以便施工排水，然后地基整平，輔井管需坐落在基巖上。如在耕地上施工，需表土分離堆放，以便完工后恢復原來地貌。

3.1.3 預制鋼筋混凝土管安裝

基礎處理完成后，先進行主井管吊裝，然后進行碎石墊層鋪設，要平整密實，之后機械吊裝輔井管并蓋上井蓋。

3.1.4 土石方回填

井管安裝完畢后，首先填碎石濾料，然后進行回填土(砂礫石)，回填土要符合質量要求，回填土要水平分層回填土，對稱填筑夯實。機械填土時，輔井管填土厚度大于1m時方可允許機械通過。如在耕地上施工，須最后回填表土，確保不影響土地耕作。

3.1.5 施工期選擇

工程施工應選擇在相對干旱期進行，便于工程質量和進度控制，保證施工安全，降低施工成本。就連山區而言，選擇在春季4月～6月上旬，這期間是連山區全年最干旱季節，降水很少或基本無降水[5]。

圖2 復合井剖面圖(單位：m)

3.2 攔水設施(面型設計)

3.2.1 結構尺寸

攔水設施是由集水井及集水廊道共同組成的攔蓄地表水的一種水源形式，它的結構為鋼筋混凝土框架結構，由基礎梁、豎墻(井壁)、肋板、頂(拱)板組成，基礎梁斷面為300(高)×400(寬)，其余斷面厚均為200。集水廊道每隔5m設一道肋板，起加固及支撐廊道作用。攔水設施長度根據河道寬度及工程需要可靈活設置，同時根據工程需要亦可靈活設置井房，井房為磚混結構，規格3.0m×3.0m。

3.2.2 基礎處理

采用人工配合機械開挖，開挖時注意做好施工排水，開挖應先開挖兩側集水井，以便施工排水。然后集水廊道基礎開挖，地基整平，并位于基巖上。

3.2.3 鋼筋綁扎

先綁扎基礎及豎墻鋼筋，綁扎豎墻鋼筋時需在兩側用鋼管搭設臨時支架以防鋼筋籠變形。

3.2.4 混凝土澆筑

混凝土灌注入倉采用商品混凝土機械注入，振搗采用插入式振搗棒。澆筑混凝土前應將爬梯、進水管等預埋件按圖預先埋設牢固，防止澆筑混凝土時松動，預埋孔洞亦事先留出，不得事后敲鑿。混凝土澆筑可分三期，即基礎梁澆筑、豎墻混凝土澆筑及頂(拱)板澆筑。混凝土施工縫位置可以設以下二處，一是基礎梁上部，二是距拱廊(集水廊道)豎墻頂600處。

3.2.5 土石方回填

施工完畢后，當混凝土強度達到設計強度的70%時，方可進行回填土(砂礫石)，回填土要符合質量要求，先用錦綸網包裹進水孔，然后回填碎石，同時水平分層回填土，對稱填筑夯實。機械填土時，廊道頂填土厚度大于1m時方可允許機械通過。

3.2.6 施工期選擇

工程施工應選擇在相對干旱期進行，便于工程質量和進度控制，保證施工安全，降低施工成本。就連山區而言，選擇在春季4月～6月上旬，這期間是連山區全年最干旱季節，降水很少或基本無降水。

4 優缺點分析

4.1 優點

4.1.1 結構形式好

復合井為預制鋼筋混凝土井管組合而成，可根據不同地形條件選擇不同的結構形式，達到相同的預期效果。攔水設施為現澆鋼筋混凝土框架結構，由集水井和集水廊道組成，攔蓄效果好，同時集水井在施工中還起到排水基坑的作用，降低了施工成本。同時攔水設施長度可由河道寬度和需求靈活設置[6]。

4.1.2 占地少，施工方便

復合井多位于原大口井或小型方塘、古河道、河灘地或溝道邊，對于機械施工來說占地很少或不涉及占地問題，施工方便快捷。采用預制鋼筋混凝土管，節省了施工時間，同時井管鋪設完成后即可停止施工排水，減少了施工排水時間，從而降低了施工成本。目前連山區Φ5.0m以上大口井60余眼；小型方塘30余座，利用大口井或小型方塘改造成復合井，大口井按平均Φ10m、小型方塘按20×20計算、改造后大口井可增加耕地6.8畝；小型方塘可增加耕地近18畝。攔水設施位于河道中施工，不占用耕地，施工場地大，更便于機械施工。

4.1.3 安全性高

復合井為封閉結構，較傳統敞開式大口井相比，消除了安全隱患，保證了施工、運行安全；攔水設施雖位于河道中，但完工后回填保持原狀，不影響行洪，保證了行洪安全，同時集水井位于河岸兩側也起到了防洪堤的作用[7]。

4.1.4 清淤量小

復合井輔井管間經過碎石、渣石等透水性材料填充起層層過濾作用，故主井淤積量很小或基本無淤積；攔水設施為封閉結構，迎水面進水孔通過錦綸網包裹、碎石填濾幾乎無淤積，即使有微量淤積也只限于廊道段，因為集水井段無進水孔，只有經過沉淀的水通過進水通道(人工清淤通道)進入集水井，不存在造成淤積的因素，廊道淤積可通過人工清淤通道給予解決。

4.1.5 效益顯著

復合井較傳統的水源井相比，其出水量一般不低于20～30m3/h，是Φ2.0m沉井出水量的3～5倍；其控制灌溉面積可達300畝以上，攔水設施橫跨河床兩岸，全范圍吸收河床斷面地表流經，僅蓄水量每延長米可達10m3，單井出水量50m3/h以上，單座攔水設施出水量100m3/h以上，其控制灌溉面積1000畝以上，可確保河道兩岸耕地灌溉需求。與同等投資的方塘相比，其灌溉效益是方塘的3～5倍，同時也是最好的抗旱補充水源工程。由于復合井、攔水設施均為封閉地下工程，水面不裸露在外，地面蒸發量減少了199.2%，生態效益十分顯著[8]。

4.1.6 使用壽命長

傳統的水源井大多為敞開式砌石結構、易遭人為破壞，即使預制鋼筋混凝土管因多為沉井，不完整井，水量不足，使用壽命不超過10年，復合井為預制鋼筋混凝土管新型結構，為完整井，使用壽命不低于20年；攔水設施由于為雙層鋼筋混凝土框架結構，位于地下不裸露在外，且環境溫度基本保持穩定，工程壽命可達到50～100年。

4.2 缺點

4.2.1 臨時占地面積較大

復合井施工時由于采用大開挖法施工，臨時占地面積較大，如果在耕地上實施存在一定困難。

4.2.2 一次性投資較大

復合井每座投資在7～10萬元，是Φ2.0m沉井的2.5～3倍；基本與Φ5.0m～Φ10.0m大口井相當；攔水設施投資每延長米在5000～5500元，以50m長計算，需投資25～30萬元，相當于一座1000m2小型方塘的投資。

5 結束語

通過上述分析看出，在小型灌溉水源工程選擇上，復合井、攔水設施作為新型的、最適合連山區的小型灌溉水源工程形式。它具有施工方便、占地少、使用壽命長、灌溉效益顯著等特性，可廣泛推廣到與連山區自然氣候條件相似的地區，同時攔水設施還兼顧防洪功能，更值得大力推廣。

[1] 高勇. 新民市農田水利工程建設探析[J]. 水利技術監督, 2014(03): 43- 44+76．

[2] 賈瑞紅. 淺析農田水利建設的科學化管理[J]. 水利技術監督, 2011(06): 22- 24．

[3] 趙德奎. 小型農田水利重點縣建設必要性與可行性分析[J]. 水利規劃與設計, 2015(04): 16- 17+74．

[4] 李鶴, 江彬, 顧濤, 等. 小型農田水利設施管理市場化改革出現的問題與對策[J]. 湖南社會科學, 2011(06): 99- 101．

[5] 王利偉. 東方紅灌區節水配套改造項目水資源供需平衡分析[J]. 水資源開發與管理, 2015(01): 6- 10．

[6] 何志軍. 小型農田水利施工與管理探討[J]. 水利技術監督, 2013(06): 21- 23．

[7] 潘坤. 關于農田水利建設項目施工管理中一些問題的探討[J]. 內蒙古水利, 2013(05): 127- 128．

[8] 王聰, 蘆剛, 劉潔, 等. 波動水壓滴灌系統設計與實驗分析[J]. 中國農村水利水電, 2012(06): 69- 72+77．