北灘灌區支渠改造工程設計

許永

（蘭考縣水利局，河南 蘭考 475300）

1 灌區基本現狀

北灘灌區始建于1996年，灌區原渠首為引水閘，位于藍豐浮橋上游約15 m處。近年由于黃河河床下切，黃河水位下降，原有的渠首引水閘失去原有的引水功能，因此需要建設取水泵站引水。原渠首位置空間受限，距離下游的黃河藍豐浮橋較近，不能放置流量較大的浮船泵站。結合當地黃河沿線的岸坡現狀，擬選取位于原渠首閘上游300 m 處的東方紅灌區渠首（東方紅提灌站）處新建浮船泵站。

2 灌區水文地質狀況

2.1 灌區自然經濟狀況

北灘灌區總面積80 km2，耕地約0.76萬hm2，設計灌溉面積0.52萬hm2，分屬蘭考的東壩頭、谷營鎮（原谷營鄉和爪營鄉合并）、固陽三個鄉鎮的35個行政村。

北灘灌區現狀作物種植結構為：灘區小麥85%，玉米85%，其他作物10%，復種指數180%。現狀作物畝均產量約為：小麥6 240 kg/hm2、玉米6 900 kg/hm2。

2.2 地形地貌

北灘灌區屬黃河沖積平原，由于歷史上黃河泛濫，黃泛淤積使地形變化很大，地勢由西北向東南傾斜，比降平緩，一般在1/4 000～1/5 500。黃河決口處及黃河故道形成崗洼相間、波狀沙地地貌。沙崗大小不等，形狀各異，一般高度不超過3 m，坡度約30°，長數十米至數百米。

2.3 氣候

根據《中國自然區劃》氣候分類，北灘灌區屬暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風氣候，氣溫、日照、降水及蒸發在年內隨季節變化而變化，四季分明，冬季氣溫干燥寒冷，夏季潮濕、雨量集中。多年平均氣溫為14.20℃，無霜期213 d，多年平均日照時數為2 391.60 h，日照率為54.60%，氣候溫和，光照和熱量資源充足，適宜各種作物生長。

2.4 巖土類型、分布及工程等特性

根據靜力觸探、鉆探、標貫及室內土工試驗結果，在勘探深度范圍內將地層共分為6層，現分別對本場地所揭露地層予以描述：

①粉土（Q4al+pl）：黃褐色，稍濕，稍密，局部有砂感。搖振反應中等，切面無光澤，干強度低，韌性低。該層底部局部夾黏性土薄層，土質偏軟。上部50 cm 為耕植土，含植物根系等。該層場地內普遍分布。

②粉砂（Q4al+pl）：褐黃色，稍濕-飽和，中密，局部稍密。礦物成分主要為石英、長石、云母碎片，顆粒級配一般。局部夾粉土薄層，土質偏軟。該層場地內普遍分布。

③粉土夾粉砂（Q4al+pl）：褐黃色，濕，中密，局部有砂感。搖振反應中等，切面無光澤，干強度低，韌性低。局部夾黏性土薄層。該層場地內普遍分布。

④細砂（Q4al+pl）：灰褐色，中密，飽和，礦物成分主要為石英、長石、云母碎片。顆粒級配一般，局部夾黏性土薄層。該層場地內普遍分布。

⑤粉土夾細砂（Q4al+pl）：褐黃色、灰褐色，稍濕，中密，局部為細砂。搖振反應中等，切面無光澤，干強度低，韌性；局部夾黏性土薄層。該層場地內普遍分布。

⑥細砂（Q4al+pl）：灰褐色，密實，飽和，礦物成分主要為石英、長石、云母碎片。顆粒級配一般，局部夾黏性土薄層。該層場地內普遍分布。

(2)欽州石夾剖面硅質巖主量元素各特征值及其比值與圖解顯示，研究區的硅質巖在強烈的生物作用下形成，并有顯著的陸源物質加入，沉積環境主要為大陸邊緣，且D-C界線處可能受過熱液活動的影響。

該層厚度未穿透，最大揭露深度為30 m。

3 灌區續建配套與節水改造工程

北灘灌區自建成后為蘭考縣農業經濟發展和農民生活水平提高發揮了重要作用，但限于灌區建成時資金、技術等條件，灌區工程建設標準低、質量差，渠道及渠系建筑物配套程度低。并且由于缺乏必要的資金投入，渠道及渠系建筑物得不到及時的維護和更新，導致工程老化失修、破損嚴重，致使滲漏損失大，輸水效率低，灌溉水利用率和灌溉保證率低，造成灌區有效灌溉面積逐漸衰減，實際灌溉面積不斷萎縮，嚴重制約著灌區農業經濟的發展。為改善灌區農業生產條件，提高農業特別是糧食綜合生產能力，增加灌區農民收入，提高農民生活水平，亟須加強灌區農業水利基礎設施建設。

4 灌區支渠改造工程設計

北灘灌區共有支渠五條，現狀均為土質渠道，為灌排兩用渠道。其中一支渠長度為7.13 km，二支渠長度為3.97 km，三支渠長度為8.94 km，四支渠長度為6.65 km，五支渠長度為5.31 km；此次項目計劃安排支渠渠道硬化襯砌工程，詳細計算如下。

4.1 不沖流速

渠道的不沖流速根據《灌溉與排水工程設計規范》附錄C中表C.0.4 防滲襯砌渠道允許不沖流速（混凝土）取值：現場澆筑<8 m/s，預制鋪砌<5 m/s，噴射法施工<10 m/s。

4.2 渠道比降確定

由于渠道直接由黃河引水，黃土地區渾水渠道的渠底設計比降可按下式計算：

式（1）中：ρ——渾水渠道水流挾沙能力（kg/m3）；ω——泥沙沉降速度（mm/s）；Qh——渾水渠道設計流量（m3/s）。

估算渠底比降為1/5 500，為使工程量較小，盡量選擇渠底的比降與自然地面比降接近，初步選擇渠底比降為：一支渠1/5 000、二支渠1/2 500、三支渠1/2 500、四支渠1/2 500、五支渠1/3 333。

4.3 排澇計算

根據《灌溉與排水工程設計規范》平原區旱地設計排澇模數按下式計算：

式（2）中：q——旱地設計排澇模數［m3/（s·km2）］；T——排澇歷時（d）；R——設計暴雨產生的徑流深（mm）。

根據《灌溉與排水工程設計規范》排澇標準的設計暴雨重現期應根據排水區的自然條件、澇災嚴重程度及影響大小等因素，可采用5—10 a。根據調查，結合北灘灌區實際情況，設計暴雨重現期選5 a。北灘灌區主要種植為小麥、玉米等旱作物，設計暴雨歷時選24 h暴雨，排除時間選2 d排出。

查《河南省中小流域設計暴雨洪水圖集》（河南省水利勘測設計院1984年）中圖11《河南省最大24 h點雨量均值圖》及《河南省最大24 h 點雨量離差系數圖》得，最大24 h 點雨量均值H24=100，變差系數Cv=0.50，偏態系數Cs=3.50 Cv=1.75，按5年一遇暴雨重現期，查《皮爾遜Ⅲ型曲線模比系數Kp值表》得模比系數Kp=1.33，則5年一遇24 h雨量P=kp×H24=132.60 mm。

查《河南省水利工程水文計算常用圖》（73 圖集）中圖47《平原地區降雨徑流關系曲線圖》表，最大初損值Imax=100 mm，取前期影響雨量pa=0.60Imax=60 mm，則P+Pa=192.60 mm，以此查圖47《河南省平原地區降雨徑流關系曲線圖》曲線VI，得徑流深R=68.68 mm。

將參數R=68.68 mm，T=2 d，代入排澇模數計算公式得，q=0.40。

渠道排澇流量計算成果見表1。

表1 渠道排澇流量計算成果表

4.4 灌溉流量計算

北灘區選用灌水率0.02 m3/（s·萬hm2）作為設計凈灌水率，渠道渠系水利用系數為0.65，設計毛灌水率為0.04 m3/（s·萬hm2）。見表2。

表2 渠道灌溉流量計算成果表

4.5 渠道斷面設計

渠道的縱、橫斷面設計應符合以下要求：①首先要保證渠道輸水能力、水流通暢和邊坡穩定；②各級渠道和渠道各分段之間要銜接平順；③渠道滲漏損失量較小；④五條支渠為灌排兩用，承擔部分排澇功能，渠道設計流量取排澇和灌溉流量的較大值；⑤為減少渠道開挖、回填工程量，應結合渠道現狀，確定渠道斷面尺寸。

渠道橫斷面尺寸應根據渠道過水面積、設計流量和比降等通過水力計算確定，可按下式計算：

各支渠水力計算成果具體詳見表3。

表3 渠道設計成果表

4.6 渠道渠頂超高

根據《灌溉與排水工程設計規范》（GB50288-2018）有關規定，4、5級渠道岸頂超高按下列公式計算：

式（4）中：Fb——渠道岸頂超高（m）；hb——渠道通過加大流量時的水深（m）。

根據各支渠水力計算成果，按上述公式計算超高為：0.48～0.54 m，此工程主要建筑物級別為4級，渠道襯砌超高可適當減少，確定為設計水位加0.50 m。

5 總結

項目實施完成后，灌溉水利用率顯著提高，渠道輸水滲漏問題得到改善，年增節水能力896.69 萬m3。大大改善了灌區農業生產條件，可恢復灌溉面積0.09 萬hm2，改善灌溉面積0.30 萬hm2。新增糧食生產能力288.60 萬kg，新增其他農產品生產能力32.90 萬kg。按現行價格計算，新增產值695.63 萬元，灌溉效益313.03萬元。促進了灌區治安的穩定，增加了農民的收入，使農村經濟得到了發展，社會更加和諧。