“豎曲線”施工技術在農田末級渠系中的應用

賈文龍

（山丹縣馬營河流域管理處，甘肅 山丹 734100）

1 山丹縣農田水利工程發展史

自中華人民共和國成立以來，甘肅省張掖市山丹縣干、支渠道建筑材料主要以干砌石和預制磚襯砌為主，施工隊伍以鄉村社為單位，由受益區群眾義務投工、投勞完成，末級渠系工程未曾涉及。進入20 世紀70 年代末，隨著農業經濟的發展，山丹縣干、支渠道建筑材料逐步開始以塊石和料石襯砌為主，施工隊伍以鄉村社為單位，由受益區農戶義務投工、投勞完成，末級渠系工程開始涉及。進入2000 年以來，山丹縣經濟得到了長足發展，國家對農田水利工程建設的資金投入力度加大，山丹縣水利基礎設施建設得到了翻天覆地的變化，干、支渠道建筑材料以砼現澆和低壓鋼筋砼管道襯砌為主，并且干、支渠道基本得到了改造，斗渠以下的渠系工程逐年有計劃地安排實施，施工通過招投標后由有資質、有技術保障且資金雄厚的施工單位來承擔，工程質量得到了飛躍式提升，灌區呈現“行水有渠，量水有堰；分水有閘，過路有閘”的和諧局面。2010 年以來，山丹縣一部分區域末級渠系開始管網化實踐，水資源利用率得到進一步提高[1]。

2 山丹縣農田水利工程建設存在的問題

山丹縣有效灌溉面積為4.439 萬hm2，現狀實灌面積2.448 萬hm2，基本農田地處沖、洪積扇傾斜平原區，相鄰地塊間落差一般在0.3～0.9 m。渠道修建基本依據地形自然坡降建設，導致末級渠系工程修建后，由于渠道坡降較大，地頭閘向地塊分水時使渠中水流不進地塊而溢出渠頂，影響農田正常灌溉。通過近2 a 的實踐和探討，引入“一閘一跌法”的設計施工理論，即在地頭閘后設計成跌水，將力消減后利用緩坡渠道與下一個地頭閘連接，依次形成“地頭閘—跌水—緩坡連接段—地頭閘—跌水—緩坡連接段—地頭閘—……”灌溉運行模式。通過運行實踐，農田得到了正常灌溉，但工程造價較高，且冬灌后消力池內的積水無法排除，導致來年跌水側墻凍融破壞現象明顯，大大縮短了工程的使用壽命[2]。為此，基層技術人員把這一問題作為一個課題進行認真研究，盡快提交成果，以便為工程的下一步實施提供理論依據。近年來，隨著山丹縣末級渠系配套工程的全面實施，地頭閘前按照自然坡降設計，當地頭閘分水時，急速水流在閘前躍出水槽，導致農田得不到正常灌溉。對此，采取“一閘一陡法”的設計施工理論，但在閘后陡坡終點處，也是緩坡段的起點處易形成水躍，致使水流從該點處滿溢。最終，基于在實踐中一次次總結的經驗、在一次次失敗中堆積起來的專業理論知識，尤其是公路測量中“豎曲線”的放樣，觸發了基層技術人員的靈感，道路工程中有陡坡、緩坡甚至平坡，只要不出現跌水，道路依舊是暢通的。就此成功引入了“一閘一曲一緩一閘法”的設計施工理論，即在地頭閘后設計成豎曲線，將力消減后與緩坡段銜接下一個地頭閘，依次形成“地頭閘—豎曲線—緩坡連接段—地頭閘—豎曲線—緩坡連接段—地頭閘—……”灌溉運行模式。通過運行實踐，水流從急流轉化成緩流的瞬間，水面是平緩的，農田得到了正常灌溉，工程造價大大降低，而且工程設施凍漲問題得到了有效解決。

3 “一閘一曲一緩一閘”設計施工法

該方法是在“一閘一跌”法和“一閘一陡”法相結合的基礎上進一步改進的設計施工法，其特點是適應水流從急流轉化為緩流瞬間變化能力，工程造價低，設計施工便于掌握，灌溉結束后渠道和閘室內不存積水，凍漲問題能得到有效解決。該施工方法在山丹縣已得到群眾的普遍認可。

3.1 渠道斷面

近年來，隨著山丹縣末級渠系配套工程的實施，建筑材料基本以砼預制U 型槽為主，此次筆者將以實例做一詳細敘述，渠道設計流量Q=0.3 m3/s，設計斷面見圖1。

圖1 渠道橫斷面圖

3.2 渠道流態判別

通過近年來末級渠系配套工程的設計與施工，當地頭閘設置于急流渠段處，由于閘前行近流速大，地頭閘向地塊分水時，導致水流躍出水槽，影響農田正常灌溉[3]，甚至造成農田無法灌溉。為此，引入弗汝德數（Fr）判別流態，通過試算法推導出臨界斷面A和臨界水深h，最終導出臨界坡降i。

3.2.1 弗汝德數（Fr）。當弗汝德數Fr=1時，為臨界流；當弗汝德數Fr＞1 時，為急流；當弗汝德數Fr＜1 時，為緩流。

Fr2=，其中Q表示過水流量（m3/s），B表示過水斷面相應的水面寬度（m），g表示重力加速度（取9.81 m/s2），A表示過水斷面面積（m2）。當Fr2=1，過水流量Q=0.3 m3/s時，相應以上圖砼U型槽為例，經試算，過水斷面面積A=0.176 3 m2，相應的水面寬度B=0.595 m，臨界水深h=0.385 m。

3.2.2 臨界坡降（i）。依據以上數據，過水流量Q=0.3 m3/s，斷面面積A=0.176 3 m2，臨界水深h=0.385 m，代入明渠均勻流公式其中，C表示謝才系數，，n表示渠道糙率，取0.017；R表示水力半徑，X表示過水斷面相應的濕周（m）。經試算，渠道的臨界坡降i=1/110。

當渠道坡降i=1/110 時，為臨界流；當渠道坡降i＞1/110時，為急流；當渠道坡降i＜1/110時，為緩流。

3.3 臨界坡降在末級渠系工程中的操作

近年來，山丹縣通過實施馬營河大型灌區續建配套與節水改造項目、寺溝中型灌區改造、重點縣項目、農綜項目和土地整理項目，水利基礎設施得到了極大的改善，末級渠系配套工程隨之全面鋪開。但由于地形條件的限制，加之技術方面的困擾，一度使技術人員陷入盲區，通過理論與實踐的反復結合，最終實現了豎曲線在末級渠系工程中的應用[4]。

3.3.1 下級地頭閘前坡降控制。通過以上水力計算確定，該實例砼U 型渠渠道設計流量Q=0.3 m3/s，臨界坡降i=1/110。在實際操作中，將渠道坡降控制在i=1/120，渠水深0.4 m，Fr2=0.87，閘前水流在緩坡狀態。

3.3.2 上級地頭閘后豎曲線與下級地頭閘前緩坡段的銜接。由于山丹縣基本農田地處沖洪積扇傾斜平原區，相鄰地塊間落差一般在0.3～0.9 m，上、下游地頭閘之間的凈距在20.0 m 左右，按照自然地形進行設計，上、下游地頭閘間的渠道坡降（i）為1/67～1/22，流態屬急流，不易建閘。為此，筆者以上、下游地頭閘高差h=0.6 m、凈距L=20 m為例進行分析。

如2 圖所示，初始陡坡長度T1=5 m，起點高程A=100.00 m，終點高程G=99.525 m，高差h=0.475 m，坡降i=1/10.53；初始緩坡段長度GF=15 m，起點高程G=99.525 m，終點高程F=99.400 m，高差h=0.125 m，坡降i=1/120。則夾角4.975°；利用圓曲線公式計算，曲線半徑，外矢矩cos4.975-1）=0.22 m，矢高=57.44×（1-cos4.975）（1-cos 4.975）=0.22 m。

依據以上數據可確定C點高程等于G點高程加外矢矩E，則C（高程）=G+E（外矢距）=99.525+0.220=99.745 m，E（高程）=15×1/120+F=0.125+99.4=99.525 m。

B點高程等于A、C兩點高程之和的1/2減去1/4倍的矢 高h，則B=（A+C）/2+h/4=（100+99.745）/2+0.055=99.93 m。

同理，可求得D=（C+E）/2+h/4=（99.745+99.525）+0.055=99.69 m。

至此，相鄰兩閘口間的點位高程依次為A=100 m，B=99.525 m，C=99.745 m，D=99.690 m，E=99.525 m，F=99.400 m。

圖2 豎曲線與緩坡銜接示意圖

3.3.3 豎曲線在我縣渠道工程中的應用。豎曲線在山丹縣水利過程中應用較為廣泛，在山丹縣馬營河大型灌區續建配套與節水改造項目中就曾得到過應用。在大、中型渠道變坡點處，按照常規做法，在渠道運行過程中容易起浪花，水流不平穩。在變坡點處采用豎曲線銜接后，水流平穩了，浪花也消除了[5]。無論是陡坡與陡坡、陡坡與緩坡、緩坡與陡坡銜接，還是緩坡與緩坡銜接，效果均良好。

如圖3 所示，渠道上段坡降i1=1/500，下段坡降i2=1/50，B點位變坡點，為進一步簡化計算，取切線長T1=T2，則夾角

圖3 豎曲線放樣圖

依據以上確定數據，由B點的高程數據減去外矢矩E的數據，可得到E點高程（或者A、C兩點的高程數據平均后可得到F點的高程，再用F點的高程加矢高h的數據，可得到E點高程），G點高程由A、E兩點的高程數據平均后可得到H點的高程，再用H點的高程加矢高h/4 的數據，可得到G點高程。依據此方法可得到其余點的高程數據，依次聯結渠道豎曲線點A、W、G、K、E、O、M、Q、C，放樣結束。

近年來，在黨的富民政策指引下，山丹縣末級渠系配套工程全面鋪開，兩閘口間的渠道銜接問題顯得較為突出，在不違背自然地形條件的情況下，水流為急流，只滿足渠道輸水要求，在農田灌溉階段，則水流躍出水槽，影響工程運行。通過推廣兩閘口間豎曲線銜接，目前工程運行良好。

4 豎曲線施工方法的適應范圍

第一，針對于干、支渠道，在變坡點處，可采用豎曲線施工方法銜接上、下游渠段，銜接的渠段可以是陡坡與陡坡、陡坡與緩坡、緩坡與陡坡、緩坡與緩坡。

第二，在渠道變坡點上、下游處，采用豎曲線施工方法銜接，切線長不宜過長（小于或等于20 m），長了不易施工；也不宜過短（一般為10～20 m），過短不能平順渠道水流。

第三，在末級渠系配套工程中，兩閘口間，落差較小，渠道水流為緩流，則直接進行渠道聯結，不采用豎曲線施工。

第四，在末級渠系配套工程中，兩閘口間，距離較短（20 m）落差較大（大于1 m以上），則不易采用豎曲線施工。

第五，在末級渠系配套工程中，豎曲線施工法，主要適應于兩閘口間自然坡降在1/100～1/20的渠段，緩與1/100的渠段，接近緩坡流態，兩閘口間的渠道可直接聯結；陡于1/20的渠段，渠道流速超出規范要求，兩閘口間的渠道可采用陡坡、跌水或倒虹吸銜接。

5 結語

在基層農田水利工程設計與施工中，水力計算按明渠均勻流計算的約占95%，按明渠非均勻流計算的僅占5%。這就導致地頭閘在運行過程中存在水流躍出水槽的現象。對此，建議在灌溉渠道設計中，將渠道分為輸水渠道和灌溉渠道來進行設計，輸水渠道長距離輸水，按明渠均勻流計算；遇到閘口分水處，需在閘口上游段調整為緩坡，以利于分水；在末級渠系田間渠道設計中，為避免分水閘口在運行過程中水流躍出水槽，宜考慮明渠非均勻流計算，應用“豎曲線”法設計施工。