小型農(nóng)田水利工程田間灌溉渠道斷面選型分析

王萬洋

（新疆瑞祥農(nóng)牧工程咨詢設(shè)計(jì)院有限公司）

1 工程概況

工程區(qū)西部山區(qū)屬沙里闊勒嶺，海拔3 300 m以上，呈北西——南東向走向。東部的安大力塔格山脈，海拔5 000 m左右，也呈北西——南東走向。工程區(qū)主要在兩山系之間展布的狹長的塔什庫爾干谷地北部，海拔3 330～3 630 m，谷地最寬處15 km，最窄處不足2 km。項(xiàng)目工程區(qū)內(nèi)地層巖性以第四系沉積物為主，主要由第四系全新統(tǒng)（Q4BMQM）沖洪積物組成的粉土、砂卵礫石及碎石土為主。

主要建設(shè)內(nèi)容：①消力池1 座；②渠道工程。修建支渠1條，分支渠2條，斗渠12條，農(nóng)渠4條；③配套渠系建筑物。

根據(jù)2001年國家技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督局發(fā)布的1/400萬《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》〔GB18306-2001〕，工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為≥0.40H，地震特征周期為0.45s，相應(yīng)地震基本烈度為≥Ⅸ度，應(yīng)屬區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定較差地區(qū)，但對該工程不會(huì)有太大的影響。

2 項(xiàng)目主要施工內(nèi)容

項(xiàng)目引水支渠1條，長773 m；設(shè)計(jì)分支渠2條，分別長617 m和1 200 m，引水支渠與分支渠均采用5 cm厚 25F200UD50預(yù)制混凝土斷面，設(shè)計(jì)流量0.10 m3/s，縱坡1/37～1/25（支渠水力要素見表1）。設(shè)計(jì)斗渠12 條，總長4 154 m，采用5 cm 厚 25F200UD40 預(yù)制砼斷面，設(shè)計(jì)流量0.03 m3/s，縱坡1/2 000～1/14（相關(guān)數(shù)據(jù)見表1）。引水支渠、分支渠、斗渠沿軸線方向每隔7.31 m 設(shè)一條橫向伸縮縫，縫寬3 cm，采用聚乙烯油膏填縫。壓頂板采用 25F200現(xiàn)澆砼，寬30 cm，厚5 cm，每隔2.50 m設(shè)置一道伸縮縫，采用 25細(xì)石混凝土填縫。

根據(jù)各渠道的縱向坡度及設(shè)計(jì)流量大小，結(jié)合渠道沿線地層巖性及采用的護(hù)砌材料，按明渠均勻流公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，項(xiàng)目均采用了經(jīng)濟(jì)實(shí)用斷面結(jié)構(gòu)，襯砌材料為預(yù)制混凝土。

3 渠道斷面結(jié)構(gòu)形式分類

在農(nóng)田水利工程末級(jí)渠道設(shè)計(jì)過程中必須考慮到線路長、數(shù)量大，以及節(jié)水降耗等核心問題。從目前看，渠道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮同等流量下的經(jīng)濟(jì)性、適用性，設(shè)計(jì)渠道斷面，可根據(jù)設(shè)計(jì)流量、縱坡、糙率和邊坡系數(shù)等用明渠均勻流公式加以計(jì)算。

設(shè)計(jì)斷面應(yīng)滿足如下幾個(gè)條件：第一，渠道應(yīng)具備足夠輸水能力；第二，渠道斷面應(yīng)具備相應(yīng)的穩(wěn)定性，即：縱向穩(wěn)定，保證渠道不發(fā)生沖刷以及淤積、沖淤平衡。從平面來看不應(yīng)出現(xiàn)左右擺動(dòng)以及兩岸的局部淤積和沖刷；第三，斷面與比降的一致性。要保證整條渠道的渠床表面糙率相同，在忽略滲漏、蒸發(fā)損失因素的情況下保證明渠水流為均勻流速。在選擇渠道橫斷面時(shí)充分考慮到地質(zhì)、地勢、施工條件等因素，最終選擇出合理的斷面形式。通常水利工程斷面形式分為3類，即：梯形、U型與弧形。下面對幾種常用的斷面形式分別論述。

表1 支渠水力要素表

3.1 確定基本設(shè)計(jì)方案

3.1.1 混凝土梯形斷面形式

水利工程中梯形斷面是應(yīng)用最廣，使用時(shí)間最長的一種斷面形式，是其他渠道形式無法比擬，常用于輸水干、支渠道上（見圖1）。

圖1 半填半挖渠道橫斷面圖

通常農(nóng)田水利灌溉項(xiàng)目多為小型水利工程（流量＜5 m3/s）。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)嚴(yán)格依照《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)，項(xiàng)目渠道只規(guī)劃支斗農(nóng)渠。考慮到新疆冬季寒冷，有大范圍凍土層問題（一般超過100 cm），需在混凝土梯形斷面渠道下部鋪設(shè)砂礫/風(fēng)積砂，避免出現(xiàn)凍脹破壞。梯形渠道的優(yōu)點(diǎn)在于：防治效果好，一般能減少滲漏損失90%～95%；耐久性好，正常情況下，混凝土襯混凝土渠道可運(yùn)行50a以上；強(qiáng)度高，便于管理，能有效防止動(dòng)、植物或其他外力的破壞；襯砌接縫少，工程造價(jià)低，工程量適中，投資省；可塑性強(qiáng)，適應(yīng)性廣泛，施工便捷。缺點(diǎn)：占地面積較大；適應(yīng)變形能力差；返修費(fèi)用高；泥砂易淤積；在缺乏砂石料的地區(qū)，造價(jià)偏高。

實(shí)際工程會(huì)受自然條件和運(yùn)行條件所限，因此渠道斷面無法完全按照經(jīng)濟(jì)斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)，如：在項(xiàng)目地勢較為平緩部分，可采用寬淺型斷面從而發(fā)揮土方挖、填基本一致的優(yōu)勢；針對寒冷地段或許深挖的地段，還需考慮到施工的經(jīng)濟(jì)性以及凍土帶來的影響。針對這些地段設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)選窄、深的斷面結(jié)構(gòu)。

3.1.2 混凝土U型斷面形式

該斷面形式屬于水利工程中較為常見的一種，其斷面由下部的半圓/弧形，以及上部直線斷面構(gòu)成。相比于梯形斷面，該渠道斷面與最佳水力斷面較為接近，可保證水流均勻快速流過，同時(shí)能有效緩解防滲襯砌渠道的膨脹系數(shù)，有效調(diào)整受力的不均勻性。此外，渠道底部反拱部分能有效緩解裂縫、錯(cuò)臺(tái)、凍害等工程問題（見圖2）。

圖2 渠道U型橫斷面圖

U型渠道的優(yōu)點(diǎn):①具有良好的水力學(xué)性能、防滲性能、抗凍性能；②有效降低施工占地面積，通常梯形斷面施工可節(jié)省50%左右的占地，同時(shí)，還能大幅降低施工土方量；③改斷面施工具有便捷性，通過機(jī)械化施工可保證施工質(zhì)量和施工速度，從而大幅壓縮施工投資總量。

U型渠不適合流量大、縱坡大的渠道上（沖刷嚴(yán)重）。一般情況下，在寒冷和地下水位較淺地區(qū)修建U 型渠時(shí)，應(yīng)考慮到凍脹因素，需在渠槽內(nèi)鋪設(shè)風(fēng)積砂或砂礫石墊層等防凍墊層。

3.1.3 復(fù)合斷面（U型底）

以梯形+U 型渠道斷面為基礎(chǔ)，逐漸演變出梯弧形混凝土渠道。有效的利用了梯形和U型兩種斷面優(yōu)勢。同時(shí)，梯弧形混凝土渠道斷面設(shè)計(jì)在新疆地區(qū)應(yīng)用較多。斷面形式采用弧形現(xiàn)澆砼板，邊坡采用現(xiàn)澆混凝土板或預(yù)制混凝土板，在混凝土板下部結(jié)構(gòu)與前面渠道結(jié)構(gòu)基本一致。從施工技術(shù)角度來看，施工難度較低且斷面也接近于最佳水利斷面。此外，該斷面形式能有效改善渠道凍脹變形及受力不均等問題，可有效減輕凍脹造成的損壞，同時(shí)該結(jié)構(gòu)的濕周較小、水力半徑較大，由此提升了過水效果。

項(xiàng)目主要應(yīng)用的建筑材料為天然石料：混凝土粗細(xì)骨料可以從縣城利群砂石料場購成品方，料場日生產(chǎn)能力500～1 000 m3，平均運(yùn)距20 km，根據(jù)試驗(yàn)資料可滿足施工要求。項(xiàng)目緊鄰314國道便于運(yùn)輸，根據(jù)實(shí)地調(diào)查資料，可從定點(diǎn)料場拉運(yùn)。卵石，根據(jù)實(shí)地調(diào)查資料，可從塔提庫力支流上采集，此帶卵石豐富，平均運(yùn)距為20 km。結(jié)合原材料供應(yīng)情況，混凝土施工以現(xiàn)澆混凝土為主。

3.2 生態(tài)設(shè)計(jì)理念的應(yīng)用

輪灌或大水漫灌的方式會(huì)浪費(fèi)大量水力資源，加劇了水資源的供需的不平衡性。因此，在此次渠道設(shè)計(jì)中加入了渠道防滲技術(shù)，這樣可有效降低輸水過程中的能源損耗，大幅提升水資源的利用率。此外，通過渠床加固減少渠道表面水土流失，可提升渠道的平整度，由于糙率的降低也能提升流速，進(jìn)而保證渠道的灌溉效率。同時(shí)，防滲技術(shù)還便于日常維護(hù)，避免雜草叢生情況的發(fā)生，渠道防滲的效果非常顯著，對于灌溉效率提升與生態(tài)環(huán)境的保護(hù)都有良好的促進(jìn)作用。

為保證防凍厚層，設(shè)計(jì)中提出應(yīng)粗修土渠并使用平板振動(dòng)夯對墊層進(jìn)行逐層拖振處理。該墊層包括兩層的回填，且層厚≤20 cm。通過灑水夯實(shí)，保證項(xiàng)目密度達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。夯實(shí)后需進(jìn)行清理平整，并沿著坡面/渠底重新拖振，保證施工面的平整度為后續(xù)填筑提供質(zhì)量保證。

4 結(jié)語

綜上所述，渠道灌溉工程易受各種自然因素影響，設(shè)計(jì)方案的科學(xué)與否直接決定了渠道的建設(shè)和使用效果。隨著水利渠道灌溉項(xiàng)目設(shè)計(jì)水平的提升，其在成本控制、使用效果及使用壽命上均有顯著提高。此外，水利工程設(shè)計(jì)融入綠色環(huán)保理念，可獲取更大的社會(huì)價(jià)值，進(jìn)而推動(dòng)社會(huì)步入可持續(xù)發(fā)展之路。