基于水利設計標準的水庫渠道設計方案分析

徐繼輝

(龔坊鎮水務站，江西 撫州 344307)

1 水利設計標準下水庫渠道設計原則

從水利設計標準的角度來講，水庫渠道設計需要遵循以下原則：

(1)必須從提高水庫單位有效灌溉面積入手，才能確保水庫能夠有充足的水資源供應，實現灌溉用水單位效益最大化。

(2)必須堅持因地制宜原則，結合水庫所在區域實際情況，注重排水和防洪相結合，才能最大限度地減輕由于洪澇災害或旱災給當地農業生產造成的損失。

(3)結合水庫預期建設目標及水庫灌溉效益來綜合比較多種方案,選擇最合適的渠道設計方案。

(4)密切結合當地水利規劃方案，追求長遠利益，實現水資源的合理利用。

(5)水庫渠道設計并不是單一的個體，必須要密切結合當地實際情況，如密切結合防洪體系，確保可以通過水庫渠道設計來解決當地洪澇、灌溉需求等問題。

2 基于水利設計標準的水庫渠道設計

2.1 案例概況和渠道設計的必要性

本文選擇的案例為樂安縣龔坊鎮浯塘村甲山山塘水庫，壩址以上集雨面積0.06 km2，山塘正常水位87.89 m(假設高程，下同)，正常容積3.4萬m3，總容積3.8萬m3；灌溉農田面積20 hm2。現狀工程樞紐建筑物包括大壩1座，輸水涵管1座，溢洪道1座。該山塘大壩壩面和壩腳目前無排水設施，溢洪道斷面相對較小，淤塞現象比較嚴重，放水設施為位于大壩左側的φ30鋼筋混凝土圓管[1-2]。

由于該山塘長期缺乏管理，且多年未進行過加固處理，所以存在很多安全隱患，如水位監測、其他監測設備以及管理房均相對缺失，且水庫在運行期間還伴有滲漏問題。表1為該山塘工程目前的綜合評價報告，表2為從安全評價的角度分析水庫不同結構的問題。

表1 甲山山塘綜合評價報告

表2 安全評價發現的主要問題

綜合分析以上因素，為了消除安全隱患，提高蓄水能力，滿足灌溉和防洪等需求，必須對水庫進行渠道設計。通過水庫渠道設計,在滿足防洪標準要求的基礎上，保證溢洪道泄水暢通[3]。

2.2 水庫渠道設計

(1)水庫渠道路線設計規劃。按照水利設計標準和水庫設計標準要求，在對該水庫渠道進行設計規劃的過程中必須要有明確的渠道線路規劃思路，具體來講：

一是要依據下游灌溉區需求，將水庫渠道盡可能設計在脊線位置，這樣可以最大限度地提高水庫自流灌溉面積。

二是要根據當地地質條件，在進行線路規劃設計時，盡可能避開不良地質，提升水流效果，同時也可以降低工程成本。

三是盡可能保證渠道設計與道路、河流等正交，這樣可以更好的控制渠系建筑物的長度。

四是渠道設計密切結合區域防洪系統。

綜合以上原則，在對該山塘進行渠道設計時，水庫渠道線路規劃可以在現有工程設施基礎上進行。在此之前，需要對壩體進行綜合整治，在此基礎上進行溢洪道、涵管等整治設計，充分發揮溢洪道和涵管的作用，在滿足農業灌溉需求基礎上達到最理想的效果[4]。

(2)確定水庫渠道流量。甲山山塘水庫的灌溉面積為20 hm2，按照水利設計標準要求，在進行渠道設計時，應根據水庫灌溉面積來確定，通過增加系數選取要求的方法來確定水庫起到的加大流量系統和最小流量系數，通常最小流量應嚴格控制在設計水深的70%以內，在具體的設計施工操作過程中，要嚴格按照水文所提供的不同渠道引用流量來確定加大流量和最小流量等，這樣可以保證渠道流量達到最理想的狀態。由于該山塘所在區域為Ⅳ區，集雨面積為0.06 km2，洪水頻率2%，查表可得洪峰流量Qm=10.58 m3/s,洪水總量Wi=6.0萬m3。渠道設計寬度為2 m，水庫最小流量約1.2 m3/s。

(3)渠道縱坡和糙率設計。水利工程項目中，按照水利設計標準進行水庫渠道設計時，尤其是渠道橫斷面設計過程中，需要考慮灌溉面分布高程的問題，所以在對渠道縱坡進行設計的過程中，要嚴格按照水庫工程規模來確定高程。

結合水利設計標準和該工程水庫渠道設計要求，首先在進行縱坡設計時，要盡可能地確保坡面放緩設計，這樣可以避免水頭大量損失，同時還能兼顧到渠尾的灌溉需求；其次對于坡度相對較陡的渠道段，在進行縱坡設計和施工過程中要盡可能做好放坡設計，同時要控制開土方開挖量。

綜合以上要求和設計原則，根據水庫渠道設計施工的技術和經濟條件，同時兼顧水利工程灌區渠道容易出現沖刷的現象，在渠道設計時，要考慮到比降和壩坡要求,做好逐級規劃，如表3。綜合以上因素，該工程水庫干渠的縱坡為1/2000，支渠縱坡為1/1000，渠道均采用混凝土防滲結構，水庫渠道糙率為0.015。

表3 壩坡要求

(4)水庫渠道斷面設計。該山塘的主要作用是用于下游20 hm2農田灌溉，根據農田灌溉的需求、特征以及具體參數設計，水庫斷面設計采用矩形斷面，并按照水利設計標準相關要求來確定關鍵參數。

水庫渠道均勻流量計算如式(1)：

(1)

式中：Q為水庫渠道的設計流量，m3/s；A為水庫渠道過水斷面面積；C為謝才系數；R為水力半徑，m；i為渠道縱坡；n為渠道的糙率系數。

按照式(1)，結合《灌溉與排水工程設計標準》(GB 50288—2018)相關規定，在加大流量30%之后的水深25%基礎上加上0.2 m得出。

水庫渠道斷面施工過程中要選擇合適的原材料，同時要盡可能地保留水庫渠道沿線原有的地質特征，可以從當地選擇天然的建筑材料，如砂礫石料、塊石料。在進行工程加固和防滲加固時，可以使用壩址附近山體，對于渠道土基段、墻體、底板，使用C15毛石混凝土砌筑，這樣可以大幅度提升防滲效果，同時使用F50W4混凝土進行防滲加固，在渠道中每隔7.0 m位置設置一條橫向縫。

(5)渠道陡坡路段處理。水庫渠道設計過程中，必須要注意坡度對于渠道的影響，如果使用傳統的渠道設計方法必然會增加工程量，并且渠道水流量效果也無法得到保證，所以結合該工程地形特點，有針對性地結合陡坡地段特點進行處理。水庫干渠設計確定渠頂寬度為0.5 m，在這種條件下如果出現陡坡，渠道外側無法通行，勢必會增加渠道管理的難度，因此在設計中使用C25鋼筋混凝土蓋板進行覆蓋，既可以保證水流暢通，還能夠降低后期的管理工作，避免坡面太陡導致物體墜落破壞渠道的現象。

同時考慮到該山塘壩坡不規整，上下游壩坡均相對較陡，且沒有進行護坡處理，所以在進行水庫渠道設計的過程中，還需要對現有的溢洪道進行整治。該山塘初步確定溢洪道堰頂高程為87.89 m，滿庫時壩前水面寬度經測量為63.00 m，溢洪道堰頂至壩頂水深為1.27 m，滿庫時水面長度經測量為153.00 m，經計算，溢洪道設計寬度應為2.00 m，根據《江西省塘壩除險整治指南》，加固后溢洪道寬度滿足泄洪要求，但是需要對溢洪道底板以及邊墻進行襯砌加固處理。溢洪道新建邊墻及底板襯砌，底板高程為87.79～87.39 m，長18.00 m，寬2.00 m，厚0.20 m；兩側邊墻高1.00 m，墻頂寬0.50 m,下設0.10 m厚C15混凝土墊層；其后按底寬1.00 m，兩側邊坡坡比1∶0.75開挖，與下游渠道銜接。

3 結 論

水庫渠道設計必須要結合水利設計標準，科學的水庫渠道設計施工能夠有效調節用水資源的分布，有利于區域農業灌溉。在進行水庫渠道設計時，要充分結合水庫所在區域的地質、水文等環境，以提高單位水利有效灌溉面積的原則，最大限度地減輕和預防洪澇災害給下游農田造成的損失，確保農田灌溉有充足的水源支持，充分考慮水利設計標準要求，切實保證和提高水庫渠道設計質量。