渭南市澗峪水庫灌區(qū)東干渠改造優(yōu)化探析

張維軍，王義強，成建輝

（1.陜西省蒲城縣水務局,陜西 蒲城 715500；2.陜西錦源勘測規(guī)劃設計研究院有限公司,陜西 渭南 714000）

1 灌區(qū)概況

1.1 地理及地形地貌

澗峪水庫灌區(qū)地處渭南市華州區(qū)高塘鎮(zhèn),灌區(qū)西部與臨渭區(qū)接壤,南部緊臨隴海鐵路、310 國道、西潼高速公路,交通非常便利,是華州區(qū)的西大門,地理位置十分重要。

渭南地勢以渭河為軸線,形成南北兩山、兩塬和中部平川五大地貌類型區(qū),中部渭河沖積平原是最寬闊地帶。地勢屬華北地臺的陜甘寧盆緣區(qū),地質(zhì)呈南北隆起、中部斷陷的階梯狀地塹構(gòu)造。南北高,中間低,東西開闊,呈仰瓦狀,海拔 330 m～2645 m 之間。外圍是臺塬,墾耕歷史悠久。南部黃土臺塬與洪積扇相間,素有“長捻原”之美稱,南北邊緣為石質(zhì)山地。

灌區(qū)地貌為秦嶺北麓山前洪積扇及黃土臺塬區(qū),地形南高北低,海拔高程403 m～714 mm,東西向地形較平坦,赤水河上游支流澗峪河自南向北將灌區(qū)分為東、西兩部分。灌區(qū)地表為黃土狀壤土和洪積壤土覆蓋,黃土層深厚,質(zhì)地均一,土體疏松,無層理結(jié)構(gòu)。洪積壤土主要分布于山前洪積扇,由扇頂至扇緣分布砂礫質(zhì)壤土-砂質(zhì)壤土-壤土。

1.2 社會經(jīng)濟狀況

華州區(qū)位于陜西省關(guān)中平原東部,南依秦嶺與洛南縣交界,北鄰渭河與大荔縣、臨渭區(qū)隔水相望,東與華陰市毗鄰,西與臨渭區(qū)接壤,西南一隅與藍田縣相連。南北長41.1 km,東西寬27.7 km,總面積1139.5 km2。

華州區(qū)轄9 個鎮(zhèn)1 個街道辦事處,分別為華州街道辦、杏林鎮(zhèn)、赤水鎮(zhèn)、高塘鎮(zhèn)、大明鎮(zhèn)、瓜坡鎮(zhèn)、蓮花寺鎮(zhèn)、下廟鎮(zhèn)、金堆鎮(zhèn),常住人口36.08 萬人。澗峪水庫灌區(qū)涉及華州區(qū)高塘鎮(zhèn)24 個行政村,灌區(qū)人口3.6 萬人,土地面積8.3萬畝,耕地面積6.93 萬畝。

1.3 水文氣象及河流概況

澗峪水庫灌區(qū)屬大陸性季風氣候區(qū),四季分明,具有冬季寒冷干燥,夏季炎熱多雨氣候特點。多年平均氣溫13.4℃,最高氣溫43℃,最低氣溫-16℃。全年無霜期為215 天,最大凍土深度40 cm,多年平均降雨量850m。降雨年際變化大,年內(nèi)分配不均,7月、8月、9月三個月降雨量占全年 60%以上。

澗峪水庫位于渭河南山支流赤水河上游支流澗峪河上,壩址位于渭南市華州區(qū)高塘鎮(zhèn)以南7 km的西澗峪峪口以上280 m處。澗峪河發(fā)源于秦嶺東部的草鏈嶺與箭峪嶺之間,由東、西澗峪河在峪口以外300 m處匯合而成。峪口以上控制流域面積分別為51.9 km2和63.4 km2,主河槽長度分別為16.8 km和8.7 km。澗峪河向北流經(jīng)高塘、東陽、圣山三鄉(xiāng)鎮(zhèn),河流長12 km,在圣山鄉(xiāng)寺底村南接納箭峪河后稱為赤水河。

1.4 工程地質(zhì)

工程區(qū)位于渭河南岸秦嶺山區(qū)向渭河平原的過渡地帶,出露地層主要為第四紀沖積、洪積、風積成因的松散堆積層及人工堆積層。

依據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18036-2015）,項目區(qū)地震動峰值加速度 0.2g,地震反應譜特征周期 0.4 s,相應地震基本烈度Ⅷ度。澗峪水庫灌區(qū)分布在澗峪河兩岸,地貌單元以澗峪河一、二級階地為主,地形呈緩坡狀。

灌區(qū)地表為黃土狀壤土和洪積壤土覆蓋。黃土土層深厚質(zhì)地均一,土體疏松,無層理結(jié)構(gòu)。洪積壤土主要分布于山前洪積扇。由扇頂至扇緣依次為：砂礫質(zhì)壤土—砂質(zhì)壤土—壤土。澗峪河東岸以河道一級階地為主,地勢平坦,邊坡穩(wěn)定,工程地質(zhì)條件良好。

澗峪河西岸地形起伏較大,但地質(zhì)條件較好,無不良地質(zhì)現(xiàn)象分布。灌區(qū)渠管線穿越山前沖洪積扇、黃土臺塬及澗峪、澗峪河谷,沿線沖溝發(fā)育,地形起伏較大。黃土塬區(qū),河川一、二級階地黃土層均屬非自重濕陷性土層,濕陷等級為II 級,地基土承載力特征值250 kPa。

1.5 灌區(qū)作物情況

澗峪水庫灌區(qū)地處華州區(qū)西南高塘鎮(zhèn),收益區(qū)南北長約13 km,東西寬1.0 km～7.0 km,經(jīng)統(tǒng)計,現(xiàn)有耕地面積69300 畝,但設計灌溉面積為52400 畝,有效灌溉面積為41000 畝。

澗峪灌區(qū)現(xiàn)狀年農(nóng)作物以旱作物為主,灌溉方式為地面灌溉,灌溉保證率為50%。灌區(qū)種植作物有小麥、玉米、林果、夏雜和秋雜,現(xiàn)狀年種植比例分別為40%、30%、40%、8%和8%,復種指數(shù)為126%。

2 灌區(qū)水利工程狀況

2.1 取水樞紐

灌區(qū)水源為澗峪水庫,其位于灌區(qū)南端,距渭南市區(qū)31 km。壩址以上流域面積115.3 km2,水庫主要功能：以城市供水、灌溉及防洪為主,兼有發(fā)電。總庫容1283.6 萬m3,興利庫容1115 萬m3,調(diào)洪庫容314.8 萬m3,死庫容 43萬m3,工程等級為Ⅲ等中型。

2.2 灌溉渠系及渠系建筑物

澗峪水庫灌區(qū)骨干渠道建設于20 世紀70 年代,現(xiàn)狀干支渠總長56.223 km。其中,總干渠0.19 km,灌溉面積52400 畝,設計流量5.24 m3/s。東干渠13.68 km,灌溉面積13900 畝,設計流量0.54 m3/s。灌區(qū)規(guī)劃干支渠渠系建筑物241 座。

3 東干渠現(xiàn)狀及存在問題

3.1 東干渠現(xiàn)狀

東干渠南北向布設,從東澗峪峪口沿進山路向北經(jīng)腰村、柿村、高塘鎮(zhèn)至圣山村結(jié)束。

（1）東干渠從倒虹吸出口至樁號東干3+000 段,為2018年實施改造段,渠道斷面為矩形,混凝土渠道,渠道頂部加蓋混凝土蓋板,目前運行狀況良好。

（2）東干3+000～東干5+043 段,渠線沿Y295 鄉(xiāng)道左側(cè),并兼顧道路排水系統(tǒng)。在經(jīng)過沿途劉家斜、柿村村莊時,渠道已由當?shù)毓凡块T改造成矩形斷面并加混凝土蓋板,渠道經(jīng)村莊之間部分,為混凝土U型渠道。

（3）東干5+043～東干9+941 段,由于高塘鎮(zhèn)區(qū)發(fā)展擴建、竹溪里景區(qū)建設、華州區(qū)移民安置點建設等,本段東干渠已被毀壞。

（4）東干9+941～東干13+682 段,由于上一段東干渠被毀壞,導致本段范圍內(nèi)耕地無法灌溉,東干渠已經(jīng)被村民填埋恢復成耕地種植。

3.2 東干渠存在的問題

（1）部分渠道經(jīng)過村莊段的混凝土U型渠道兩側(cè)垮塌、當?shù)卮迕袼阶栽谇篱_口,導致渠體損毀,渠系建筑物失去功能,加之平時石渣、枯木樹葉堆積在渠道中,導致渠道堵塞。

（2）部分段因當?shù)匕l(fā)展建設和長期無法灌溉,渠道被村民填埋。

4 東干渠改造設計

東干渠改造總長10.68 km,其中渠道改造長度為5.784 km。

4.1 斷面方案

渠道斷面主要考慮渠道的現(xiàn)狀和渠線的底質(zhì)等,按科學合理、運行良好原則,并充分考慮渠床穩(wěn)定、沖淤平衡、輸水能力、滲漏損失、施工、管理及投資等因素綜合確定。本次擬采用弧形斷面、梯形斷面及矩形斷面等三個方案進行比選,見表1。

表1 渠道斷面方案比選

經(jīng)以上方案比選,并考慮項目區(qū)原有渠道為矩形,經(jīng)綜合分析,方案三有便于襯砌、施工簡單、運行管理方便等優(yōu)點,優(yōu)于方案一和方案二,本次選用矩形斷面。

渠道斷面襯砌材料選擇結(jié)合節(jié)水效果、投資和運行管理等因素。由于本工程主要是在原有渠道上優(yōu)化改造,且改造的渠道斷面較小,其渠線分布涉及山區(qū)和平原區(qū),其次工程區(qū)石料儲量較少,并主要考慮當?shù)厥┕そ?jīng)驗、施工難易程度及群眾的接受程度等,本規(guī)劃渠道防滲材料全部采用 C20 砼澆筑。

4.2 渠道設計流量

依據(jù)《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288-2018）,由于東干渠處于狹長地帶,輸水任務是以農(nóng)業(yè)灌溉為主,沿線斗口較多,灌溉的方式以續(xù)灌設計,其設計流量計算見下式：

式中：QS為設計流量,m3/s；qS為設計灌水率,0.289 m3/（s·萬畝）；AS為設計渠道灌溉面積；ηS為灌溉水利用系數(shù),0.73。

由灌區(qū)的灌溉制度知,灌區(qū)的最小灌水率為0.076 m3/（s·萬畝）,為最大灌水率的36%,干渠的最小流量按設計流量的40%設計。渠道的設計灌溉流量見表2。

表2 東干渠渠道設計流量統(tǒng)計

4.3 渠道斷面設計

（1）糙率確定

糙率確定是渠道改造設計的重要技術(shù)參數(shù)之一,其值的合理性與可靠性意義重大。取值過大,不僅會增加投資,而且會引起渠道沖刷；反之則造成淤積。本次參照《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288-2018）,并結(jié)合以往工程經(jīng)驗及渠道實際,確定綜合糙率為0.013。

（2）流速擬定

改造渠道渠線平面彎曲較多,地形變化較大,渠線較長、流速快,對其進行防滲處理后,渠道輸水含沙量較小,泥沙淤積威脅不大。本次依據(jù)規(guī)范要求結(jié)合實際工程情況,綜合考慮淤積、沖刷及渠道中不長雜草等因素,初擬渠道平均流速0.3 m/s～8 m/s。

（3）縱斷面設計

改造渠道主要在現(xiàn)狀渠道的基礎(chǔ)上,通過改造、修復、襯砌和防滲等措施,使輸水能力滿足設計用水要求。灌溉渠道比降主要考慮用較緩的比降滿足自流要求,盡量接近地面、沿線控制節(jié)點及現(xiàn)狀渠道比降,避免出現(xiàn)過大挖方、填方量,同時考慮不淤、不沖流速等因素。本次以渠系建筑物的進出口高程為控制,按上述原則綜合考慮,最終確定渠道縱比降為2%。

（4）渠道橫斷面設計

按照《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288-2018）附錄 E 梯形渠道實用經(jīng)濟斷面的計算方法,計算水力最佳斷面水深h0和水力最佳斷面底寬b0,并按地形、地質(zhì)及現(xiàn)狀情況對底寬b0試調(diào),用流量計算公式反推水深。因渠道為續(xù)灌方式,按規(guī)范要求按加大流量水位情況下加超確定,得出設計渠道h和渠底寬b。梯形渠道水力最佳斷面水力要素計算見下式：

式中：Q為設計流量,m3/s；h0為水力最佳斷面水深,m；m為渠道內(nèi)邊坡系數(shù)；n為渠床糙率；i為渠底比降；b0為水力最佳斷面底寬。

表3 渠道斷面水力最佳斷面水力要素計算

渠道橫斷面尺寸應根據(jù)渠道過水面積、設計流量和比降等通過水力計算確定,按下式進行計算：

式中：Q為渠道設計流量,m3/s；A為渠道過水斷面面積,m2；R為水力半徑,m；i為水力坡降,在均勻流中與渠底比降一致；C為謝才系數(shù),（m1/2/s）；n為渠床糙率。

經(jīng)計算,擬取定東干渠底寬為0.6 m。因該渠道等級為5級,按《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288-2018）要求,渠道岸頂超高計算見下式：

Fb=hb/4+0.2

式中：Fb為渠道岸頂超高,m；hb為渠道通過加大流量時水深,m。

渠道斷面的設計要綜合以上幾方面同時考慮,選取最優(yōu)斷面。渠道斷面設計情況見表4。

表4 東干渠渠道斷面設計水力計算表

4.4 渠道結(jié)構(gòu)設計

經(jīng)計算,本次優(yōu)化改造的渠道采用0.6 m×0.6 m矩形斷面,兩側(cè)邊墻厚0.2 m,渠底板厚0.20 m,W4F50C20 砼澆筑。橫縱向伸縮縫每隔5 m設置一道,縫寬不小于1.5 cm,并設止水帶,內(nèi)填PT521 膠泥,填土系數(shù)不小于0.95。

5 結(jié)語

灌區(qū)改造渠道斷面優(yōu)化設計是灌區(qū)提升改造的重要內(nèi)容之一。本文以渭南市澗峪水庫灌區(qū)東干渠改造為例,對渠道流量、糙率、流速、水力最佳斷面等進行分析計算,合理優(yōu)化確定渠道改造的斷面,解決了多年來渠道運行過程中存在的問題,并經(jīng)實施運行管理驗證,其是合理可行的,可為同類型灌區(qū)渠道優(yōu)化設計提供較為實用的經(jīng)驗。