大中型灌區(qū)節(jié)水改造中防滲渠道斷面優(yōu)化設(shè)計

姚治國

（新疆瑞祥農(nóng)牧工程咨詢設(shè)計院有限公司,新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

為進(jìn)一步落實(shí)中央“節(jié)水優(yōu)先”治水新思路，緊跟現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)和節(jié)水型社會建設(shè)步伐，有必要理清現(xiàn)有大中型灌區(qū)的運(yùn)行現(xiàn)狀和水資源利用狀況。大中型灌區(qū)多數(shù)通過四級以上的渠道輸水，渠道斷面大，襯砌率低，灌溉工程老化、破損嚴(yán)重、配套不齊，導(dǎo)致水資源浪費(fèi)和灌溉水調(diào)度困難[1]。為實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，著力解決南疆水資源過度開發(fā)，用水結(jié)構(gòu)失衡，農(nóng)業(yè)用水方式粗放等問題，對現(xiàn)有灌區(qū)進(jìn)行升級改造，大力發(fā)展高效節(jié)水灌溉，全面提高灌溉用水效率已十分迫切。本文結(jié)合前海灌區(qū)45 團(tuán)2019 年骨干工程節(jié)水改造項(xiàng)目，從優(yōu)化防滲渠道斷面設(shè)計方面，為新疆發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)及灌區(qū)現(xiàn)代化節(jié)水改造提供治理思路。

1 項(xiàng)目概況

前海灌區(qū)地處圖木舒克市轄區(qū)，屬塔里木盆地西部邊緣地帶。團(tuán)場東西長52 km，南北寬20 km，規(guī)劃面積117 萬畝，可耕地面積76.8 萬畝，耕地面積34.87 萬畝。灌溉水源主要為葉爾羌河和提孜那甫河，葉爾羌河多年平均徑流量64.57×108m3，平均流量204.5 m3/s；提孜那甫河多年平均年徑流量8.711×108m3。前海灌區(qū)2019 年骨干工程節(jié)水改造項(xiàng)目主要針對45 團(tuán)90 條分支渠進(jìn)行改造，渠道現(xiàn)狀均為土渠，水資源滲漏損失及淤積嚴(yán)重，運(yùn)行管理比較困難。

2 工程建設(shè)

2.1 建設(shè)任務(wù)

灌區(qū)計劃改建渠道90 條，總長111.97 km，改建配套建筑物1386 座，年用水量5417.76 萬m3，年節(jié)水量157.11 萬m3。通過渠道改造措施的實(shí)施，提高水資源利用率，減少農(nóng)業(yè)用水量，提高農(nóng)業(yè)灌溉的保證率及管理水平，增加農(nóng)作物產(chǎn)量，改善生態(tài)環(huán)境。

2.2 建設(shè)內(nèi)容

前海灌區(qū)45 團(tuán)2019 年骨干工程節(jié)水改造項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容見表1。

表1 2019年骨干工程節(jié)水改造項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容明細(xì)表

2.3 工程等級

根據(jù)規(guī)范渠道設(shè)計流量0.20 m3/s～0.88 m3/s，工程規(guī)模為小型，渠道及主要建筑物工程級別為5級。90條渠道均位于灌區(qū)內(nèi)，位置高于泄洪河道，不受洪水威脅。灌區(qū)屬干旱地區(qū)，以旱作物為主，結(jié)合本灌區(qū)氣象、水文及水土資源利用特點(diǎn)，灌溉設(shè)計保證率取75%。

3 防滲渠道斷面設(shè)計

3.1 防滲方案

結(jié)合灌區(qū)實(shí)際，擬比選膜料防滲和砼防滲形式。

（1）膜料防滲。該防滲形式適用于中、小型低流速渠道。優(yōu)點(diǎn)是造價低。缺點(diǎn)是允許流速小，渠道設(shè)計斷面大、縱坡緩。

（2）砼防滲。該防滲形式適用于大、中、小型渠道。優(yōu)點(diǎn)是防滲、抗沖性能好，耐久性強(qiáng)。缺點(diǎn)是一旦施工質(zhì)量出現(xiàn)問題，則防滲效果不佳。

通過以上兩種防滲形式的比較，本工程防滲形式采用砼防滲。

3.2 渠道橫斷面結(jié)構(gòu)形式

本地主要采用梯形斷面、弧形底梯形斷面和U形斷面。由于弧形底梯形斷面和U形斷面有利于增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性，斷面抗沖、抗凍性能比梯形斷面強(qiáng)，另外這兩種橫斷面形式水流條件較好，在第三師各團(tuán)場渠道上普遍應(yīng)用。U形渠道施工難度較大，質(zhì)量不易控制，施工技術(shù)還不成熟。

鑒于本項(xiàng)目區(qū)縱坡緩，斷面較大，決定采用弧形底梯形斷面形式。

3.3 襯砌方案比選

以0.70 m渠深的分支渠為例對兩種砼襯砌材料進(jìn)行方案比選。

3.3.1 襯砌形式

（1）方案一：全斷面采用現(xiàn)澆砼板襯砌

渠道防滲形式為現(xiàn)澆砼防滲結(jié)構(gòu)形式。渠道全斷面采用C20二級配現(xiàn)澆砼，厚度為80 mm，砼強(qiáng)度為C20，抗凍等級為F150，抗?jié)B等級為W4。

（2）方案二：渠道渠底現(xiàn)澆、邊坡預(yù)制砼板襯砌

渠道邊坡采用邊長400 mm×500 mm預(yù)制C20 砼矩形塊砌筑，預(yù)制板厚60 mm，砼抗凍等級為F150，抗?jié)B等級為W4。墊層與預(yù)制砼板之間設(shè)20 mm厚M15 水泥砂漿找平層，渠底采用C20 二級配現(xiàn)澆砼，厚度為80 mm，砼強(qiáng)度為C20，抗凍等級為F150，抗?jié)B等級為W4。兩種襯砌設(shè)計方案見圖1。

3.3.2 方案比較

（1）渠道結(jié)構(gòu)性能比較

方案一整體性較強(qiáng)，有利于增強(qiáng)渠道邊坡的穩(wěn)定性，渠道糙率小，抗沖、抗凍性能較強(qiáng)，過流能力強(qiáng)于方案二。

圖1 兩種砼襯砌方案方案設(shè)計斷面圖

（2）水力條件

由于現(xiàn)澆砼板糙率比預(yù)制砼板糙率小，流速大，有利于減輕淤積問題，在相同斷面下，水力條件優(yōu)于預(yù)制砼板方案。

（3）施工技術(shù)

方案二的施工質(zhì)量便于控制，可以明顯地縮短渠道停水時間，缺點(diǎn)是板縫較多，施工縫砂漿結(jié)合力較弱，整體性較差。方案一具有占用施工場地少，渠道整體性較好的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是砼達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度所需要的養(yǎng)護(hù)期較長，造成施工期較長，砼養(yǎng)護(hù)工作量大，容易造成施工質(zhì)量缺陷。

（4）經(jīng)濟(jì)比較

對兩個方案進(jìn)行投資估算，見表2。

表2 襯砌方案經(jīng)濟(jì)比較

通過對主要工程量的投資分析：方案二主要工程投資高于方案一。

1.設(shè)計與制作：材料100%純棉布料。長20 cm、寬10 cm，距離手套口2 cm處縫制一根綁帶，綁帶兩端各縫制辣椒、小蘋果、樹葉等玩具，用針線手工縫制或縫紉機(jī)加工即可制成。見示意圖1。

綜上，方案一在水力條件、投資及結(jié)構(gòu)性能上更好，有利于渠道過流及穩(wěn)定性，施工與灌溉期的矛盾可采取提前灌溉錯開灌溉期，解決施工工期短的問題，也可通過機(jī)井灌溉等方式解決施工期與灌溉期的矛盾。確定選擇方案一作為推薦方案，即渠道渠底和邊坡采用現(xiàn)澆砼板襯砌。

3.4 渠道斷面設(shè)計參數(shù)

3.4.1 渠道流量及邊坡系數(shù)

90 條渠道設(shè)計流量0.20 m3/s～0.88 m3/s。防滲改建渠道地層巖性為細(xì)沙和低液限粉土，根據(jù)渠道地層巖性、設(shè)計水深、加大水深、填方高度、渠道防滲型式等因素，確定砼板襯砌方案內(nèi)、外邊坡系數(shù)，根據(jù)規(guī)范渠道設(shè)計水深（加大水深）在1.0 m以下，渠道內(nèi)、外邊坡系數(shù)均取1.5。

3.4.2糙率

根據(jù)規(guī)范現(xiàn)澆砼襯砌渠道糙率n=0.015～0.017，考慮到施工及長期運(yùn)行的影響，結(jié)合類似工程實(shí)施過程中的經(jīng)驗(yàn)，取糙率n=0.016。

3.4.3 渠堤寬度的確定

渠道設(shè)計流量小于2 m3/s時，堤頂寬度為0.5 m～1.0 m。本項(xiàng)目渠堤均無交通要求，按照規(guī)范確定渠堤寬度統(tǒng)一取1.0 m。

3.4.4 渠道橫斷面水力計算

以5-1支渠渠段為例，橫斷面水力要素計算結(jié)果見表3。

表3 5-1分支渠斷面水力要素計算表

3.5 節(jié)水量計算

灌區(qū)防滲改造提高了渠道水利用系數(shù)，根據(jù)式（1）計算。

式中：V節(jié)為該工程到設(shè)計水平年的節(jié)水量；V基數(shù)為以水平年為基數(shù)的引水量；η設(shè)、η現(xiàn)分別為設(shè)計水平年和現(xiàn)狀年該渠道的渠道水利用系數(shù)。

2019年骨干工程節(jié)水改造項(xiàng)目完成后可節(jié)水157.11 萬m3，具體見表4。

表4 2019年骨干工程節(jié)水改造項(xiàng)目節(jié)水量計算表單位：萬m3

4 結(jié)語

通過多年灌區(qū)續(xù)建配套和節(jié)水改造的實(shí)施，新疆大多灌區(qū)的的灌排條件和骨干工程的輸水調(diào)控條件均得到了顯著改善，但渠道系統(tǒng)和田間工程依然是節(jié)水薄弱點(diǎn)和潛力挖掘點(diǎn)。受限于水資源匱乏、灌溉水利用系數(shù)偏低和水資源嚴(yán)重浪費(fèi)的現(xiàn)狀，對大型灌區(qū)骨干渠道工程實(shí)施節(jié)水改造，使水資源合理開發(fā)和高效利用，總量控制在三條紅線以內(nèi)，有利于對灌區(qū)生態(tài)建設(shè)、水資源可持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。因此，深入分析項(xiàng)目所在地氣象水文和地質(zhì)條件，優(yōu)化設(shè)計渠道的防滲結(jié)構(gòu)和斷面型式，有利于完成上述目標(biāo)，同時也為當(dāng)?shù)毓鄥^(qū)后續(xù)節(jié)水改造工程提供了典型樣板。