可持續節水渠道襯砌設計與評價

林潤霞，滿小軍

（1.龍門縣水利水電勘測設計室，廣東 惠州 516800；2.惠州市水土保持監督監測站，廣東 惠州 516003）

渠道系統在輸送灌溉水的過程中，大量灌溉水以滲流的形式從渠道中流失[1]。據估計，從渠首至農田之間流失了40%～50%的水[2]。由于渠道的大量滲流損失，許多農田地下水位變深，導致農作物產量大幅下降。此外，渠道滲漏造成了積鹽、積水的雙重問題，導致大片農業用地廢棄[3，4]。

學者們建議對干旱或半干旱地區新灌溉項目的渠道必須襯砌，以避免在干燥的土壤和深層地下水位的情況下增加滲流的機會[5]。在世界范圍內，渠道襯砌被認為是解決此問題的有效方法[6]。但是，渠道襯砌需將渠道關閉足夠長的時間，這至少會剝奪農民一個收成季節，影響農業生產，且沒有人愿意為他們承擔這種損失。現今，水作為一種商品越來越珍貴，最重要的是它來源有限，故需高度重視節水，切實提高灌溉效率，更加有力地推行可持續節水渠道的襯砌。

1 研究區概況

1.1 水資源概況

根據《2020 年惠州市水資源公報》初步統計，惠州市龍門縣2020 年用水總量1.899 6 億m3，地下水開采量0.071 2億m3，工業用水量0.142 5億m3，生活用水量0.141 9 億m3，萬元GDP 用水量105.3 m3，萬元工業增加值用水量18.9 m3，農業灌溉水有效利用系數0.51。龍門縣水資源總量豐富，但因時空分布不均，區域資源性缺水、水質性缺水并存，水資源供需矛盾較為突出。

1.2 渠道系統

本次研究渠道全長212 km。渠道上有許多水工結構和公路橋梁，使渠道路堤互連。但在某些地方，大型車輛的通行可能會受到限制。渠道站點的地形平坦，大部分渠段都積水，基本參數詳見表1。

表1 渠道基本參數

1.3 渠道襯里和改造

在使用均勻流量公式設計渠道襯砌時，應考慮水力效率、實用性和經濟性等主要參數。現有渠道襯砌總是涉及渠道改造，原因是由于未襯砌和襯砌材料之間的曼寧系數不同。在各種傳統類型的襯砌中，因水泥混凝土具有壽命長、耐久性、抗侵蝕、結構穩定、高允許速度等特點，被認為是最合適的襯砌材料。除水泥混凝土襯砌的高建造成本外，還會因接縫膨脹/收縮而發生一些滲漏。水泥混凝土襯砌是最常用的襯砌類型，推薦襯里厚度詳見表2。

表2 水泥混凝土襯砌厚度

1.4 渠段特性

1.4.1 流動深度

現有渠段的過度加寬使得渠道的河床變大，水深減小。在某些地方，河床的淤積補償了床層升高后深度的減小。因此，本研究設計的完全供水水平與之前設計所導致的完全供水水平的降低并沒有太大不同。在設計中允許略微減少全部供水水平，以縮小該部分改建所需的工程范圍。檢查遠離首部位置的降低對全部供水深度的影響，以確保從直接出口供水。對于相同的流量，流量深度的減小會導致濕潤周長的增加，且增加渠道襯里的成本。因此，需要將全部供水深度的變化保持在最低限度。渠道床寬在因加寬而導致的最大可用寬度和保持所需供水深度所需的最小寬度之間進行選擇。

1.4.2 側坡

考慮到堤岸材料的休止角，本研究提供了側坡，因它會在干燥條件下形成穩定的堤岸。干燥條件下的襯砌和改建中使用的路堤材料（填砂）采用以下邊坡：①混凝土襯砌2∶1；②切割中的無襯砌導流通道1∶1，填充中的無襯砌導流通道1.5∶1。

1.4.3 縱坡

襯砌渠道的縱向坡度可能比未襯砌的陡峭，因為較高的水流速度可能導致未襯砌的渠道受到侵蝕。現有渠道具有大量的交叉調節器，并結合墜落結構，控制上游和下游水平。由于淤積不均勻，現有的床層水平表明縱坡不均勻及小渠段的反向坡度。淤積主要限于上游和下游沖刷。在整個范圍內幾乎都有沖刷的渠段中，采用與本研究設計相同的縱坡，并且床層也保持相同。

1.4.4 超高

考慮到渠道的大小和流量，自由板值可大致為流量深度的1/6。超高的推薦值，詳見表3。

表3 超高推薦值

設計中提供的超高包括超高上述值的80%加上通過額外15%流量所需的計算深度。在此基礎上，檢查得到的超高在重塑的各階段所需的深度，允許超高50%。

1.4.5 流速

由于較高的允許流速減少了襯砌渠床中的淤泥沉積，并且所有淤泥都傳遞到下游并進入分流區和支渠，因此有必要對分流區和支渠進行襯砌，以避免床層水平的升高而影響灌溉管網的運行。為將這一現象限制在最低限度，改建渠段的現有流速沒有急劇增加。目前，1.0 m/s左右的流速一般提高15%～25%，保持在2.2 m/s以下。然而，在一些渠床淤塞嚴重的上游，可以增加縱坡以盡量減少所需的重建工程。在這些河段，允許現有流速增加20%，最大流速不超過1.4 m/s。襯砌施工前，大于1.1 m/s 的流速不適合于具有可用的近旁材料或級配土的重塑斷面。

2 渠道設計

2.1 流量設計

為確定渠道的適當流量值，可從龍門縣水資源開發和管理投資計劃報告和渠道設計說明書（詳見表4）獲取相關數據。為避免數據差異，計算了渠道的累積流量（詳見表5），并將其與報告和說明書中提供的流量進行比較。設計流量是基于干渠設計說明書中的相關數據計算得出的，結果詳見表6。

表4 根據現有數據編制的渠道設計成果

表5 數據比較

表6 渠段設計數據

2.2 截面設計

根據各種研究人員采用的通常方法，渠道襯里的截面設計基于曼寧公式：

式中：v為流速（m/s）；n為曼寧系數；R為水力半徑（m），是流體截面積A與潤濕周長P的比值；S為縱向水力坡度或渠床坡度；A為流體截面積（m2）；P為潤濕周長（m）。

材料的滲透性決定了渠道的吸收損失，曼寧系數決定了渠道的承載能力。風化是由溫度變化，交替凍結和解凍以及潤濕和干燥的破壞性作用引起的。堿土會導致混凝土腐蝕，可通過使用耐硫酸鹽水泥來防止這種腐蝕。建筑成本會因地區和各種材料的可用性而異。襯砌截面的厚度取決于襯砌材料、邊坡坡度和靜水壓力。應設置適當的排水系統，以防止因背壓而導致輸水故障。混凝土襯砌是耐用的，如果鋪設得當，吸收損失將下降95%。由于曼寧系數較低，渠道允許的水流速度較高，因此減小了渠道截面。該結構在面板中進行，并提供凹槽以防止因交替膨脹和收縮而產生的裂縫。在路基頂部使用油紙、原油、1∶6水泥灰泥或1∶4水泥砂漿，以避免其海綿狀和滲透性。

2.3 截面改造

設計的渠道下游截面改造通過MS Excel工作表以及Flow Master軟件進行。MS Excel工作表用以確定渠道斷面底部寬度，曼寧系數值為0.017。給定渠道斷面底部寬度的假定值，然后使用連續性方程計算流量并與所需流量進行比較。若2 個流量相等，則表示所選截面的設計是正確的。若2個流量不相等，則需修改底部寬度。渠道斷面底部寬度確定后，通過Flow Master 軟件（2009）對設計的工作表其他參數（即渠道寬度、水流面積、潤濕周長、水力半徑和流速）進行檢查。經計算的一個試驗截面和最終改造截面，如圖1—2 所示。通過該程序設計和改造后的最終渠道截面更加準確。

圖1 Flow Master Software軟件設計的起初橫截面

圖2 Flow Master Software軟件設計的改造橫截面

3 結果分析

本研究已為普通水泥混凝土襯砌準備了初步的成本估算，采用13 cm 的厚度來估算在選定范圍內具有3 000 Psi 強度的混凝土量。為此，計算了渠道兩側的切割（修整）、回填和混凝土襯砌的數量。

3.1 數量估算

在MS Excel 工作表中，沿渠道指定的縮短距離為457、503、655、686、953、983 m，初步估算了切割（修整）、回填和混凝土襯砌的數量。沿渠道指定縮短距離的切割（修整）量為85 745.7 m3，回填量為119 027.2 m3，混凝土襯砌量為17 647.4 m3。

3.2 成本結果

根據上述所選到的成本在MS Excel 工作表中計算其成本。切割（修整）是指在渠床開挖或切割沙子、黏土、塊石以保持渠道坡度，綜合單價為600元/m3，總金額為5 145 萬元。回填是指使用土料回填渠身，綜合單價為1 240 元/m3，總金額為14 759 萬元。混凝土襯砌使用3 000 Psi 的普通水泥混凝土用于13 cm 厚的渠道襯砌，綜合單價為18 600 元/m3，總金額為32 824 萬元。經合計，工程需要投資52 728萬元。

4 結語

對渠道進行襯砌，可顯著降低渠道滲流損失、積水淤積和維護成本，提高渠道流速、輸水效率和運行效益。通過渠道襯砌，可以降低渠道40%～50% 的滲流損失。混凝土襯砌后的渠道光滑、抗侵蝕、寬度較小且流速較快，減少了渠段的積水和泥沙淤積，提高了渠道性能，從而減少了渠道后期清淤和修復的維護成本。渠道流速的增加、滲流損失的減少，使渠道的輸水效率從70%提升至90%，灌溉水利用率和渠道運行效益顯著提高。從最初成本結果來看，渠道襯砌的投資似乎很高，但渠道襯砌是一個可持續的過程，就長期利益而言是非常經濟實用的，相對于節約用水也是非常必要的。