小型矩形渠道工程在新疆塔城地區(qū)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

楊新花

（額敏縣水利局，新疆 額敏 834600）

0 引言

新疆為我國內(nèi)陸省份，水資源儲量及利用的結(jié)構(gòu)性較為不均衡，可開發(fā)的水資源匱乏，并且南北疆分布不均衡，已嚴(yán)重制約新疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。大力發(fā)展高效水資源利用的水利建設(shè)項(xiàng)目已成為新疆地區(qū)重要工作。塔城位于新疆西北處，冬冷夏熱，降水稀少，旱季時(shí)節(jié)較長，具有顯著“沙漠綠洲”的地域特性，這就需要在塔城地區(qū)大力發(fā)展高效節(jié)水灌溉的水利水渠系統(tǒng)，提升當(dāng)?shù)氐乃Y源利用效率[1]。小型水利渠道工程作為農(nóng)田水利工程的重要組成部分，工程設(shè)計(jì)的合理性不僅關(guān)乎著施工的符合性，同時(shí)還關(guān)系到農(nóng)田利用區(qū)的灌溉、種植和防洪等。總之，渠道工程是關(guān)乎農(nóng)田生產(chǎn)的最基本保障，是農(nóng)作物的增產(chǎn)增收的前提。

1 工程背景及設(shè)計(jì)要求

1.1 工程背景

新疆塔城地區(qū)位于新疆自治區(qū)西北部，屬于典型的干旱和半干旱地區(qū)，全地區(qū)面積為10.54萬km2，人口總數(shù)約為94萬人。塔城地區(qū)夏季炎熱，冬季寒冷，春秋季氣溫不穩(wěn)定，季節(jié)性降雨差異較大，雨季降雨量較大。塔城地區(qū)一共分布有河流107條，地區(qū)水資源豐富，農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿Υ螅r(nóng)業(yè)作為該地區(qū)主要的生產(chǎn)力發(fā)展因素，一直受到地方政府的重視，本文研究以塔城農(nóng)村地區(qū)某試驗(yàn)田為計(jì)算參數(shù)進(jìn)行研究。

1.2 設(shè)計(jì)要求

小型渠道工程在設(shè)計(jì)方面要充分考慮當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境、水文資料、氣候變化等外界條件，要科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，最大化地提高水渠利用率[2]。既滿足灌溉需求，也滿足防洪排澇的要求。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)堅(jiān)持以下幾個(gè)原則：①堅(jiān)持節(jié)約用水，增加單位水量；②應(yīng)實(shí)事求是，合理利用當(dāng)?shù)厮Y源；③最小破壞地表植被；④水渠設(shè)計(jì)長度最小化。

2 渠道流量設(shè)計(jì)

2.1 水渠流量推算

針對塔城地區(qū)干旱少水的特性，在該地區(qū)所采用的灌溉模式通常主干線路采用續(xù)灌，支線、干線采用輪灌水渠的形式。輪灌水渠通常為在同一水渠內(nèi)一次性灌水有效時(shí)限內(nèi)輪流澆灌的形式，設(shè)計(jì)時(shí)包括斗渠和農(nóng)渠都采用輪灌。續(xù)灌公式和輪管設(shè)計(jì)公式為：

續(xù)灌：

式中：Qs為設(shè)計(jì)流量；As為渠道灌溉面；qs為設(shè)計(jì)灌水率，ηs為水渠到農(nóng)田的水利用系數(shù)。

輪灌：

式中：Qn為輪灌設(shè)計(jì)流量；N為輪灌組數(shù)；An為輪灌灌溉面積；ηs為水渠到農(nóng)田的水利用系數(shù)[3]。

利用式（1）～式（2）可以計(jì)算得到該地區(qū)灌溉時(shí)渠道設(shè)計(jì)流量。

2.2 水渠流量最大值推算

水渠最大流量通常在運(yùn)行過程中短時(shí)間內(nèi)水流量出現(xiàn)的最大峰值，水渠的高程以該峰值為設(shè)計(jì)依據(jù)。當(dāng)在實(shí)際灌溉過程中，極有可能出現(xiàn)設(shè)計(jì)與實(shí)際情況不符，如在實(shí)際農(nóng)田種植過程中，要加大對灌溉區(qū)的種植面積、改變農(nóng)作物的品類，這些情況都有可能加大對水的需求量[4]，這時(shí)就需要對水渠預(yù)留一定的空間，綜合考慮最大流量。在計(jì)算最大流量時(shí)，是以設(shè)計(jì)流量值為基礎(chǔ)的，具體公式如下：

式中：Qj為水渠流量最大值；J為水渠最大值流量系數(shù)；Qd為水渠設(shè)計(jì)流量。

依據(jù)前文中對該試驗(yàn)田設(shè)計(jì)流量計(jì)算可以得到，該地區(qū)設(shè)計(jì)流量值，因此選定水渠流量系數(shù)為1.35。

表1 水渠最大值流量系數(shù)[5]

3 渠道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

水渠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常包括側(cè)墻設(shè)計(jì)和地板設(shè)計(jì)兩部分，荷載計(jì)算可查閱《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191-2008）內(nèi)容，根據(jù)規(guī)范內(nèi)容，通常矩形結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1 矩形渠道布置示意圖

3.1 渠道斷面選取

依據(jù)式（3），可查閱矩形渠道斷面設(shè)計(jì)表，確定最大水流量下，水渠斷面尺寸形式見表2。

表2 矩形水渠斷面設(shè)計(jì)查算表[6]

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力計(jì)算

水渠的側(cè)壁屬于一端固定，一段懸挑的結(jié)構(gòu)形式，因側(cè)壁高度較小通常不考慮墻身自重僅按受彎構(gòu)件考慮，在計(jì)算側(cè)墻結(jié)構(gòu)荷載時(shí)，應(yīng)計(jì)算側(cè)壁和底板兩部分荷載。

側(cè)壁應(yīng)力：

底板應(yīng)力：

式中：h為水渠設(shè)計(jì)水深；rg為土壓力分項(xiàng)系數(shù)，取1.2；rq為水壓力分項(xiàng)系數(shù)，取1.1；rl為墻后回填土的重度，采用19 kN/m，φ為墻后內(nèi)摩擦角[7]。

3.3 矩形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表

根據(jù)上述公式內(nèi)容，查閱矩形渠道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式統(tǒng)計(jì)見表3，可查出水工結(jié)構(gòu)的混凝土厚度取值、側(cè)墻高度及底部彎矩等相關(guān)信息。

表3 矩形渠道側(cè)墻結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)表[8]

3.4 矩形水渠結(jié)構(gòu)選擇

應(yīng)力最為集中的地方通常分布在水渠的側(cè)墻與底板連接處，因此需要在該連接節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行加固處理，可通過在底板側(cè)墻處設(shè)計(jì)連接貼膠，防止局部應(yīng)力過大。但是從實(shí)際施工角度進(jìn)行考慮，如果粘貼貼角在小型矩形水渠內(nèi)施工比較麻煩[9]，并且側(cè)墻高0.8 m以下處通常連接處應(yīng)力并不是特別集中，因此在設(shè)計(jì)過程中需要在0.8 m以上的部分粘貼角即可。統(tǒng)計(jì)分析塔城地區(qū)水渠資料，依據(jù)該試驗(yàn)地區(qū)渠道流量設(shè)計(jì)參數(shù)，選定如下兩個(gè)渠道斷面滿足渠道流量設(shè)計(jì)要求。

圖2 加貼角水渠結(jié)構(gòu)圖

對比分析圖2中兩個(gè)尺寸渠道斷面不難看出，當(dāng)選用（a）斷面時(shí)，此時(shí)渠道高和渠道寬度均為100 cm。當(dāng)選用（b）斷面時(shí)，此時(shí)渠道寬度為100 cm，渠道高度為80 cm。具體應(yīng)結(jié)合塔城地區(qū)地形特點(diǎn)進(jìn)行選型。

4 結(jié)語

小型的渠道工程在設(shè)計(jì)是農(nóng)田水利建設(shè)的基礎(chǔ)，對灌溉和防洪都具有重要意義，因此在設(shè)計(jì)上要堅(jiān)持最優(yōu)化原則，保證設(shè)計(jì)工作的科學(xué)有效性，并且要在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，便于項(xiàng)目施工，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求和施工要領(lǐng)進(jìn)行操作。本文通過對新疆塔城地區(qū)水渠設(shè)計(jì)的研究，總結(jié)出一般水渠的設(shè)計(jì)原理，利用渠道流量和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，確定了該試驗(yàn)區(qū)的矩形渠道尺寸，可為該地區(qū)小型渠道設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。