汭河灌區南干渠維修改造渠道設計分析

張海燕

（崇信縣水利服務站，甘肅 平涼 744200）

汭河灌區位于崇信縣中部［1］，分布在汭河左右兩岸，覆蓋縣城東西30km區域。建國以來該灌區經過多次改建，形成了控制灌溉面積1166.67hm2的中型灌區。為了合理利用水資源，進一步改善農業生產條件，提高抗旱減災能力，大力發展節水灌溉，崇信縣2008年實施了汭河灌區續建配套與節水改造項目。但由于當時資金有限，僅對灌區設施嚴重老化失修，渠道及渠系建筑物嚴重淤積破壞的部分進行了處理。近幾年，由于維修和管理經費不足，灌區設施不能及時得到維修，老化失修及人為破壞嚴重，南干渠內雜草叢生，居民區渠道破壞嚴重，灌溉水很難到達下游灌溉地區，渠道接近報廢，不能正常通水運行，嚴重影響渠道輸水效率。因此南干渠維修改造迫在眉睫。

1 渠道橫斷面襯砌方案比選

南干渠現狀斷面型式為梯弧形斷面，分為漿砌石斷面和預制板斷面。由于現狀渠道的破壞及淤積，需要對這兩種斷面的渠道進行清淤維修，初步設定如下的3種渠道橫斷面的襯砌方案［2-4］。

方案1：為梯弧形斷面，采用M10砂漿砌混凝土預制板襯砌。明渠下鋪設0.2～0.3m厚砂礫墊層，再采用混凝土預制板襯砌，以防滲漏凍脹。明渠每隔5m設一橫向伸縮縫，縫寬2cm，縫內背水面填M10砂漿，迎水面填1∶4水泥瀝青砂漿，每隔100m設一道截水墻，厚度0.3m，采用C20混凝土現澆。

方案2：為梯弧形斷面，同樣采用M10砂漿砌混凝土預制板襯砌。明渠下鋪設0.2～0.3m厚砂礫墊層，鋪設土工膜，再采用混凝土預制板襯砌，以防滲漏凍脹。明渠每隔5m設一橫向伸縮縫，縫寬2cm，縫內背水面填M10砂漿，迎水面填1∶4水泥瀝青砂漿，每隔100m設一道截水墻，厚度0.3m，采用C20混凝土現澆。

方案3：為漿砌石U型斷面，采用M10砂漿砌塊石襯砌。下鋪設土工膜，然后用C15混凝土現澆0.03m厚的墊層，再采用0.3m厚的M10漿砌塊石襯砌，以防滲漏凍脹。明渠每隔10m留一橫向伸縮縫，縫寬2cm，縫內背水面填M10砂漿，迎水面填1∶4水泥瀝青砂漿，每隔100m設一截水墻，厚度0.3m，采用C20混凝土現澆。

3種渠道橫斷面初設方案經濟比較如表1。

表1 渠道橫斷面初設方案經濟比較

從水力要素角度講，渠道橫斷面采用梯弧形斷面和U型斷面形式，近似于最佳水力斷面，流速分布比較均勻，不易淤積，兩種斷面形式均可采用。對于方案1，渠底有一定的反拱作用，在渠底下鋪設砂礫墊層，透水性好，能增加砌體抵抗凍脹的能力，可減少渠道的裂縫和位移；對于方案2，在方案1基礎上鋪設了土工膜，同樣可防滲防凍脹；對于方案3，渠底下鋪設土工膜，然后用C15混凝土現澆5cm厚的墊層，再采用0.3m厚的M10漿砌塊石襯砌，同樣防滲防凍脹。從技術角度講，3種方案均可采用。但從表1中經濟比較可知，方案1投資較小，方案3最大。而從引水安全和防滲技術上來講，方案2最好，故采用方案2。

2 渠道斷面設計

2.1 渠道有關技術參數設計

2.1.1 邊坡系數選擇

渠道邊坡系數m的選擇，主要取決于渠床的地質條件及渠道挖填的高度，根據渠道沿線工程地質條件并參照汭河灌區工程建設的經驗，渠道邊坡系數選擇為：填方渠段外邊坡系數m=1.0，挖方渠段渠堤以上邊坡系數m=0.75。

2.1.2 渠道糙率系數選擇

參照已建工程實測資料和經驗并考慮到目前施工單位的施工技術水平［5］，預制混凝土襯砌渠道糙率系數取n=0.017。

2.1.3 渠道安全超高

渠道安全超高（Δh）與渠道的級別、流量等因素有關，根據有關技術規范及已建工程實際資料，并結合本次南干渠道整治的規模，選定Δh=0.2～0.3m。

2.1.4 渠堤頂寬設計

各級渠道岸頂寬度基于渠道設計流量的大小及有無交通要求而確定。本次南干渠道維修規模較小，渠堤寬度僅考慮通行三輪車以便維修管理渠道。因此渠道的岸頂寬度為：挖方段和填方段均采用采用1.5m。

2.1.5 渠道縱斷面設計

南干渠道維修工程保持現狀渠線不變，除崇大公路涵洞至藺家溝涵洞段297m需將渠底降低0.463m外，其他段設計比降和現狀渠道比降一致。為了確保供水通暢，設計以藺家溝涵洞底板高程為基準，按1/2000的比降向上游緩調渠底，消除高差。

2.2 渠道過水橫斷面設計

2.2.1 渠道橫斷面尺寸計算

渠道橫斷面尺寸受渠道設計流量、設計縱斷面及糙率系數等因素影響，通過水力學計算加以確定。一般情況下，灌溉渠道在一定長度段比降應盡量保持不變，斷面應均勻，單位斷面流量基本相等。渠道橫斷面設計采用明渠均勻流公式計算［6］，即

式中 Q為渠道設計流量（m3/s）；A為渠道過水面積（m2）；C為謝才系數；R為水力半徑（m）；n為糙率系數；I為水力坡降，與渠道底坡比降一致。

2.2.2 渠道橫斷面墊層厚度計算

南干渠明渠工程由于渠基大都坐落在低液限粉土、低液限含砂礫粉土地基之上，該土層透水性較大，渠道需采用防滲措施，以減小渠道的滲漏和凍脹，確保渠基的穩定和渠道完好對砂礫墊層厚度設計如下：

2.2.2.1 標準凍深設計

根據崇信縣城氣象站多年各月最大凍深值，繪制頻率曲線，相應于10%的最大凍深值為0.46m。

2.2.2.2 渠道斷面上的凍深分布

南干渠均為由西向東走向，地下水位在6m以下，因此凍深值不作修正，渠道底部凍深為0.38m，沿渠道橫斷面的凍深分布如表2。

表2 渠道橫斷面上凍深分布

2.2.2.3 砂礫換填厚度及要求

根據渠道沿線取樣的試驗結果，渠道土壤屬于砂壤土，可設換填比為40%～50%。渠道所在區域日照良好，換填比取平均值為45%。在確定凍土深和換填比的情況下，換填厚度計算結果如表3。

表3 渠道橫斷面換填厚度分布

3 渠道維修改造設計

3.1 漿砌石渠道維修設計

南干渠道約0.513km現狀為漿砌石渠道，存在輕微淤積，砂漿抹面脫落，砌石勾縫破損等問題。宜采取清淤、掛網和加防滲面板措施。清淤采用人工挖除，架子車及三輪車拉運，倒于棄渣場。人工鑿除砂漿抹面后，掛網采用人工植筋，φ12錨固鋼筋間距1.0m，植入現狀渠道0.18m，縫隙用M10水泥砂漿塞填。防滲面板厚0.1m，壓頂寬0.4m，厚0.15m，均采用C25鋼筋混凝土現澆。維修后渠道斷面型式為梯弧形，渠口寬1.8m，深0.95m，邊坡比為1∶1，相應反弧圓心角為90°，反弧半徑為0.479m。

3.2 重新襯砌渠道設計

長度約有3.131km的南干渠道破損嚴重，需重新襯砌。重襯渠道前，應先人工清淤，人工拆除現狀渠道預制板，清理干凈，就近堆放，以便重新利用。根據損壞預制板的類型和數量，按照對應類型尺寸，補充預制板相應的數量。重新襯砌的渠道斷面型式為梯弧形，渠口寬2.2m，深1.0m；邊坡比為1∶1，相應反弧圓心角為90°，反弧半徑為0.45m。為了減小滲漏，防止凍脹，渠底鋪筑河床混合料墊層0.2～0.3m，鋪設0.3mm厚土工膜后，再采用M10砂漿砌C20混凝土預制板襯砌，板厚0.08m；壓頂寬0.2m，厚0.08m，采用C20混凝土現澆。渠道每隔5m設一橫向伸縮縫，縫寬2cm，縫內背水面填M10砂漿，迎水面填1∶1∶4水泥瀝青砂漿，每隔100m設一道截水墻，厚度0.3m，采用C20混凝土現澆。夯填土干容重rd≥1.65t/m3。

4 結語

汭河灌區是崇信縣糧食和經濟作物的主要種植區域之一，其中的南干渠道為糧食作物的生產提供重要水源保障。對現狀南干渠道的維修改造，有助于先進水利設施進一步配套，有力提高現代水利化程度，有利于逐步運用技術，推廣無公害農業；有利于提高了汭河灌區的抗旱保收能力，有助于當地調整農業產業結構，發展經濟作物提高群眾收入。在滿足現狀灌溉用水的基礎上，能夠恢復部分灌溉面積，同時使灌區的水資源得到合理配置，促進水資源的可持續利用。南干渠道的建設與發展，對崇信縣農業綜合利用開發和農村經濟的可持續發展、保障社會經濟的健康穩步發展都有十分重要的意義。