輸水管道設計在灌區節水改造中的應用

董 鵬

（晉中市水利發展中心,山西 晉中 030600）

灌區對糧食作物的生產有支撐作用,乃至在工農業的發展中具有突出貢獻。灌區用水量大,在綠色環保的發展趨勢下,積極推行節水改造策略勢在必行。項目區灌溉以龐莊水庫和地下水為主水源,明渠和管線自流灌溉,地下水用水泵抽取后依托低壓管道進行灌溉。流域內的天然徑流量屬于龐莊水庫關鍵的來水途徑。

1 低壓輸水管道灌溉設計要點

1.1 取水工程的設計

現狀管網灌溉系統普遍采用三級干渠的部分水閘和節制閘,重點建設部分為三級干渠30 km左右范圍,具體以灌區的規模特征和實際用水需求為準,對布局做靈活的調整,為農田灌溉提供水源支持。

1.2 渠首工程的設計

渠首包含引水渠和沉砂池。引水渠具有連接沉砂池和節制閘的作用,以矩形截面形式為主,施工材料采用C20 混凝土,深度在1.5 m以內,具體視實際情況做靈活調整。沉砂池常采用開敞式矩形單箱結構,以澆筑C20 混凝土的方法施工成型。沉砂池施工中,增設擋土墻,目的在于提高沉砂池的強度,保障結構的穩定性。沉砂池與引水渠間設長約3 m的漸變段,用于連通兩部分。根據沉砂池的規劃,在其右側設集水坑,配套使用。日常應用中,加強對沉砂池底部淤沙的清理,以防淤沙堆積過厚。

2 灌溉輸水管道設計

2.1 管道平面布置

本次龐莊灌區骨干渠系改造后全部采用管道輸水,改造后的管道埋設于灌區原有渠道內。其中,北干管控制灌區內共鋪設1 條干線、2 條支線和1 條分支線；南干管控制灌區內共鋪設1條干線、3條支線和2條分支線[1]。

改造后管道總長60.496 km。干管、支管及分支管分布情況：北干管總長2.391 km、南干管總長13.734 km；北干北支長4.505 km、北干中支管長23.730 km、南干北支管長6.402 km、南干中支4.755 km、南干新南支2.891 km；北干中支北分支長0.618 km、南干中支東分支1.470 km。

2.2 管道設計流量計算

根據灌區灌溉制度,在P=50%保證率情況下,北干管片區最大凈灌水率為0.186 m3/（s·萬畝）。本次龐莊灌區灌溉續建配套與節水改造實施后骨干渠系輸配水方式全部采用管道輸水,灌溉水利用系數0.85[2]。

2.3 水力計算

工程管線以灌區最不利控制點進行水力計算,末端給水裝置工作水頭取0.02 MPa,水庫水位按最低取水位（死水位）924 m計算。南干管片區最不利控制點位于南干新南支控制范圍的王誨莊村南,地面高程867 m。北干管片區最不利控制點位于北干中支北分支控制范圍的上莊河西,地面高程844 m。斗、農級管徑根據控制面積結合灌區現狀井灌區末級管線建設情況確定。斗、農級管線采用輪灌,斗級管線dn160,設計流量分別為90 m3/h；農級管線dn90,設計流量為30 m3/h[3]。

涂塑防腐鋼管內涂層為環氧樹脂,糙率與PE管接近,可取相同系數。

式中：hf為沿程水頭損失,m；f為管材摩阻系數,取9.48×104；L為管長,m；Q為流量,m3/h；d為管道內徑,mm；m為流量指數,取1.77；b為管徑指數,取4.77。

管線局部水頭損失按沿程水頭損失的10%考慮。

灌區新建管線以已改造段末端為起點,經2140 m鋼筋混凝土管道至樁號總2+140南北干管分叉點,管線最大靜水壓力0.74 MPa,分叉點動水剩余水頭43.48 m。北干管自分叉點北0+000經1390 m鋼筋混凝土管和1700 m鋼管至已改造段末端北3+090,剩余水頭8.22 m,管線最大靜水壓力0.77 MPa。南干管自分叉點南0+000經1935 m鋼筋混凝土管和1409 m鋼管至已改造段末端南3+344,剩余水頭46.72 m,管線最大靜水壓力0.77 MPa。

2.4 管道鋪設設計

根據氣象資料及調查項目區當地情況,項目區最大凍土深0.94 m,本次設計一般段管頂埋深不小于1.0 m；穿越水域（河、溝、庫區）段根據沖刷深加安全埋深值,確定穿石河段管頂埋深不小于2.0 m,其他2 處不小于1 m。

2.5 管道穿越水域（河、溝）段設計

1）管道穿越水域（河、溝、庫區）處防洪標準。本次龐莊灌區鋪設南干時,需穿越四卦河、石河,兩處穿越分別位于四卦水庫大下游坡腳下游4m和石河出山口；鋪設北干北支時,需穿越小河庫區。根據本工程建筑物級別和《防洪標準》要求,本次管線穿四卦河和石河處防洪標準為20年一遇；穿小河庫區內時按水庫設計防洪標準為30 年一遇。

2）管道穿越水域（河、溝、庫區）處設計洪水。根據水文計算可知,本次管線穿四卦河處20 年一遇設計洪峰流量為115 m3/s,穿石河處20 年一遇設計洪峰流量為192 m3/s,穿小河水庫庫區內30 年一遇設計洪峰流量為220 m3/s。

2.6 管道穿越水域（河、溝、庫區）處沖刷分析計算

1）管道穿四卦河處沖刷分析。本次南干輸水管道從四卦水庫溢洪道底部穿過,溢洪道底高程為863 m,溢洪道底寬10 m,溢洪道由引水渠、緩坡段、陡坡段、消能段和尾水渠等組成。溢洪道結構為兩側邊墻為漿砌石擋墻與內襯20 cm厚的鋼筋混凝土結構,底板為40 cm厚的鋼筋混凝土襯砌,底板下部為60 cm厚粗砂透水墊層。

2）管道穿石河處沖刷分析計算。本次南干輸水管道從石河河床以下穿過,在河道內不增加阻水建筑物,水流流態不會因為管道的建設而發生改變,河道沖刷主要為來洪水時的河床沖刷,而且破壞性較強,為了管道的安全運行,本次考慮該穿河處洪水沖刷影響。

3）平行岸坡沖刷計算

平行岸沖刷深度計算采用《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013）附錄D.2.2計算公式。公式如下：

式中：hs為局部沖刷深度,m；H0為沖刷處的水深,m；Ucp為近岸垂線平均流速,m/s；Uc為泥沙啟動流速,可采用張瑞瑾公式計算,m/s；n為與防護岸坡在平面上形狀有關,一般取n=1/4~1/6；η為水流流速不均勻系數。

管道穿越石河沖刷計算結果見表1。

表1 洪水沖刷計算成果（P=5%）

2.7 管道穿越公路段設計

對于管道穿三級及三級以上公路時采用定向鉆穿越,三級以下道路為大開挖施工。若管槽開挖回填后,應按不低于原路面標準進行恢復；若穿越公路處底部有原灌區渠道涵洞,且完好,本次管線采用洞穿管的方式從原有涵洞中穿過。

2.8 管道穿隧洞段設計

本次北干管鋪設時需穿過現狀“千米洞”長960 m,隧洞內管線明鋪,并隔36 m設混凝土固定墩,管道用扁鋼固定在混凝土礅上,隧洞兩端在管道施工完后進行封堵。

3 實施低壓管道輸水灌溉技術效果分析

項目區現狀灌溉水利用系數為0.46,灌區節水水平低于地區平均值,節水潛力較大。工程實施后項目區平均灌溉水利用系數可達0.85,節水效果顯著。

3.1 節約水資源

低壓管道灌溉系統具有突出的節水優勢,可有效減少滲漏量和蒸發量,依托有限的水資源創造可觀的農業經濟效益。相比土渠,節水約30%。

3.2 減少占地面積,提高效率

管道敷設至地下,有效規避管道建設占用耕地的問題,相比明渠灌溉的方式減少占用耕地量約為2%,以便有效利用土地資源。此外,管道灌溉可實現規范化和系統化,以相對較高的效率進行灌溉,輸水時間、輪灌期均縮短。

3.3 灌水及時,增加農作物經濟效益

管道輸水灌溉具有節水的特點,以免由于農作物灌溉而耗費大量的水資源。田間灌水條件得到優化,輪灌周期縮短,達到增產增收的效果,農戶可因此而獲得更加豐厚的經濟收益。

4 總結

在農業現代化的發展背景下,集約型的農業模式成為主流,需在減少資源投入的同時滿足作物的用水需求。低壓管道輸水灌溉技術具有節約水資源的突出特點,對自然資源較為友好,值得推廣與應用。相關部門在后續仍需加強探索,持續提高低壓管道輸水灌溉系統的應用水平,為農業事業的發展乃至社會經濟的可持續發展助力。