大功灌區一期工程渠道改造設計要點

劉元永，喬廣為

（河南省海河流域水利事務中心，河南 新鄉 453002）

大功灌區早期建設標準低、運行時間久、歷史欠賬多，同時受水土資源變化、水資源供需矛盾加劇等因素影響，部分工程設施、用水管理、可持續發展等方面存在一些突出短板。現狀骨干渠道襯砌率低，建筑物配套率不高，渠道多數仍為土渠，建筑物配套不善，現有建筑物年久失修、破損嚴重，對灌區灌排設施改造維修意義重大、刻不容緩。

一期工程位于滑縣，主要建設內容包括總干渠渠道襯砌10.3 km，重建涵閘7 座、涵洞1 座，維修涵閘1 座，堤頂道路硬化1 km，防護網安裝1 km 等。總干渠現狀為全挖方復式斷面，為土渠，底寬15 m左右，邊坡1∶3左右，淤積較嚴重，斷面不規整，灌溉滲漏嚴重，水資源嚴重浪費[1]。

渠道兩側為灘地，寬20～40 m，灘地百姓開荒種田，侵占溝渠現象較為普遍，影響渠道的安全運行，急需進行渠道改造。

1 渠道橫斷面設計

1.1 渠道斷面

大功灌區總干渠治理段為全挖方復式斷面，現狀渠道底寬按原15.4 m 寬度治理，邊坡1∶3，本次對渠道主河槽進行整治、襯砌治理。大功總干渠運行多年，渠道均已形成梯形斷面型式；為減少對現有渠道的擴挖及回填、避免對現有渠道和渠系建筑物的影響，本次治理不改變現有斷面型式，仍采用梯形斷面型式。

1.2 邊坡設計

根據《大功灌區續建配套與現代化改造一期工程地質勘察報告》，大功灌區按地貌形態看絕大部分地區屬黃河沖積平原，少部分屬黃河漫灘。灌區內地層巖性揭露地層主要為第四系全新統和上更新統沖積地層。上更新統沖積-湖積層（Q3al-l）絕大部分地區被全新統覆蓋，巖性主要為灰黃、棕紅雜灰綠色亞黏土、黏土與灰黃、灰綠色亞砂土、灰黃色泥質粉砂或砂礫石層呈不等厚互層。全新統主要為黃河、衛河上游沖積物，部分地區有沙丘，局部有湖沼沉積。沖積層（Q4al）主要為灰黃、灰褐色砂層和灰黃、灰黑色亞砂土、亞黏土。根據地層巖性及其分布特征，在該段渠道范圍內選取2 處典型斷面進行邊坡穩定計算分析。邊坡采用簡化畢肖普法進行邊坡穩定計算[2]。設計工況如下：①渠道內設計水深，地下水處于穩定滲流狀態，計算內外坡抗滑穩定；②渠道內設計水位驟降，計算內坡抗滑穩定。校核工況如下：①渠道施工期，渠內無水，地下水處于穩定滲流狀態，計算內坡抗滑穩定；②渠道內設計水深，地下水處于穩定滲流加地震狀態，計算內坡抗滑穩定。經計算，并參考地質報告邊坡建議值后，確定本渠段內邊坡取值為1∶3。

1.3 渠道糙率

根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB50288-2018），對于采用金屬模板澆筑、襯砌面平整順直、表面光滑的混凝土渠道，其糙率為0.012～0.014；對拋光木模板澆筑、表面一般的混凝土渠道，其糙率為0.016。結合大功灌區渠道襯砌施工工藝現狀、渠道運行現狀以及河南省內其他灌區渠道襯砌經驗，考慮跨渠橋梁等局部水頭損失，對全斷面現澆混凝土襯砌渠段，其糙率選用0.016[3]。

1.4 設計底寬及水深

大功灌區總干渠設計流量為70 m3/s，為減少渠道整治過程中的挖填方量，渠道設計底寬仍采用規劃底寬15.4 m。在確定渠道流量、底寬、邊坡、縱坡、糙率的情況下，渠道水深可按明渠均勻流公式計算，其計算公式如下：

式中：Q為渠道設計流量（m3/s）；A為渠道過水斷面面積（m2）；C為謝才系數；R為渠道過水斷面水力半徑（m）；i為渠道縱坡；n為渠道過水斷面糙率，取0.016。

同時，結合總干渠沿線各節制閘的閘前灌溉節制水位和沿線灌溉區域及各干渠灌溉水位需求，水位按各節制閘節制水位控制，按明渠非均勻流公式自下而上推算水面線，確定各段水深，以滿足灌區沿線灌溉水位要求。

2 渠道縱斷面設計

大功灌區輸水渠道的縱比降應結合地形地勢、分配水頭條件等綜合選取，在滿足灌區范圍內灌溉高程的前提下，應滿足不沖不淤的要求，降低工程投資并滿足工程布置的需要。總干渠渠道縱斷面設計要求如下：①保證設計輸水能力，水流安全通暢；②輸水水位滿足沿線各分水閘的需水要求。

受該段渠道影響的有5 處分水口門，各分水口門水位要求如下：長垣一干渠分水閘（樁號34+200）水位63.93 m，長垣二干渠分水閘水位（樁號36+050）63.40 m，長垣三干渠分水閘（樁號40+400）水位62.97 m，瓦崗干渠分水閘（樁號44+400）水位63.15 m，柳青干渠分水閘（樁號57+800）水位60.8 m。

結合緱莊閘底板高程59.34 m、節制水位63.04 m，小馬村閘底板高程59.00 m、節制水位62.1 m 以及長滑邊界處總干渠渠底高程60.2 m，確定本治理段渠道比降為1/12 000～1/17 600。節制閘節制后，節制水位能滿足各干渠的輸水需求。

現有渠道渠底高程低于節制閘底40 cm 左右，若回填至閘門控制的渠底高程，還需回填4.5 萬m3土方，結合沿線土方平衡結果，盡量減少外借土及借土臨時占地和對周邊的影響，本次渠底護砌高程按現狀渠道渠底高程護砌。

3 渠道襯砌結構設計

3.1 襯砌原則

渠道襯砌的主要目的是防滲，減少渠道滲漏損失，提高輸水配水能力，增加渠坡的穩定性，故對渠道主河槽進行全斷面襯砌。

3.2 襯砌材料選擇

根據渠道沿線地形、地質條件，結合規劃輸水、節水及水利用系數的總體目標，選取襯砌材料。襯砌材料應選擇防滲效果好、經久耐用、輸水能力和防淤抗沖能力高、施工方便、管護維修方便、價格合理的材料。

常用襯砌材料有現澆混凝土板、預制混凝土板、漿砌塊石。現澆混凝土襯砌厚度10 cm，預制混凝土襯砌厚度8 cm，漿砌石襯砌厚度30 cm。對于漿砌石襯砌方案，河南省平原地區石材較缺，砌筑人工費用高，結構的整體性不好，襯砌后渠道糙率較混凝土襯砌高，水力條件相對差，對本次工程而言，不太適合。混凝土預制塊襯砌的渠道接縫多，整體性較差，糙率高，水力條件比現澆板差，由于板厚相對混凝土現澆板薄，抗沖抗磨性能較低。現澆混凝土襯砌水力條件好，渠道表面美觀，平整度高，施工便捷。

綜合類似工程實際情況，絕大部分渠道襯砌采用現澆混凝土板襯砌，易于實施，運行效果良好，美觀度及平整度較好，便于施工質量控制，運行后實踐檢驗符合平原區的實際地形地質條件，病害程度較輕。而漿砌石和預制板護砌施工速度較快，但施工質量不易控制，美觀度及平整度較差，渠道過水運行后，由于襯砌結構整體性差，易于出現塌陷、翹曲等病害，砂漿接縫處易長草，既會對護砌結構造成破壞，也加大了渠道糙率。

經綜合考慮，決定選用現澆混凝土襯砌。根據《灌溉與排水工程設計標準》，現澆混凝土板的厚度一般采用6～15 cm，本次工程現澆混凝土厚度采用10 cm。

3.3 襯砌及分縫設計

大功灌區涉及范圍廣，區域內滑縣、內黃縣為地下水超采區。為保持大功總干渠渠道斷面和過流能力，完成灌區輸水和生態補水的任務，考慮到總干渠輸水距離長的因素，渠道的防滲等級采用Ⅲ級。

總干渠主河槽采用全斷面現澆混凝土襯砌，渠坡和渠底襯砌厚度均采用10 cm，渠道頂部設20 cm寬的封頂板。襯砌混凝土強度等級為C25，抗凍標號為F150，抗滲標號為W6。混凝土襯砌板渠坡、渠底橫縫間距均為4 m；渠底、渠坡縱縫按2.5 m 間距設置，分縫均采用矩形縫，縫寬均為2.0 cm。左右兩側坡腳齒墻上方各設置1 條誘導縫，分縫上部臨水側2 cm 均采用密封膠封閉[4]、下部均采用閉孔塑料泡沫板充填。

因渠道兩側灘地還有耕種需求，為保護襯砌封頂板免受耕種的影響，在封頂板外側50 cm 處修建寬1 m、高20 cm 的子堤，同時也能防止灘地土、植物進入渠道，減少渠道淤積。為減少灘地積水對渠道和耕種的影響，子堤每隔100 m 設置1 處缺口，雨季時可將灘地雨水集中排入總干渠。

3.4 襯砌高度確定

本次治理主要對渠道主河槽進行襯砌防護，根據《灌溉與排水工程設計標準》對渠道襯砌超高規定，為減少對兩側灘地填筑量和外借土量，大功總干渠襯砌采用0.3 m 超高，以設計水位加0.3 m 確定護砌高程。結合沿線土方平衡情況，兩側灘地按護砌高程進行平整，既可以滿足渠道襯砌過水要求，也可以改造渠道兩側的灘地，使其整體外觀統一、整齊、美觀。

3.5 兩側堤頂復核

1～3級渠道岸頂超高應按土石壩設計要求確定。根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2020）對渠道堤頂在靜水位以上的超高規定，壩頂超高計算公式為：

式中：y為壩頂超高（m）；R為最大波浪在壩頂上的爬高（m）；e為最大風壅水面高度（m）；A為安全加高（m），3級渠道安全加高取0.7 m。

經計算，總干渠渠道超高為1.06 m。沿線現有堤防高程總體上大于渠道超高，局部由于現場耕種和個別穿渠道路造成堤防較低，后期結合管理道路的修建進行局部修復。

3.6 襯砌穩定計算

正常情況下，挖方渠段計算條件為設計水深，地下水處于穩定滲流狀態；填方渠段計算條件為設計水深，堤外無水。非常情況Ⅰ下，挖方渠段計算條件為正常情況下的設計水位驟降0.3 m；非常情況Ⅱ下，填方渠段計算條件為渠內閘前設計水位。混凝土襯砌穩定復核設計值，詳見表1。

表1 混凝土襯砌穩定復核設計值

3.6.1 抗滑穩定計算

正常情況下，護坡體內外水位一致，水壓力相抵后，混凝土板的下滑力及摩阻力均由混凝土板自重產生。輸水渠道渠底多位于壤土中，經計算，在正常情況設計水位驟降0.3 m的工況下，計算其抗滑穩定安全系數為2.26，大于設計值1.25，齒墻尺寸為0.35 m×0.25 m，可以滿足穩定要求。襯砌體受力，如圖1所示。

圖1 襯砌體受力

圖1中，P1為渠道內水對襯砌結構的壓力（kPa）；P2為渠道地下水對襯砌結構的壓力（kPa）；G為襯砌結構下滑力（kN/m2）；f為襯砌結構摩擦力（kN/m2）；P2-P1為外水壓力與內水壓力之差（kPa）。

3.6.2 抗浮穩定計算

在地下水位低于渠道設計水位的情況下，內水壓力≥外水壓力，襯砌體滿足抗浮穩定要求。汛期降水時，在地下水位高于渠道設計水位的情況下，考慮到采用排水措施，襯砌體滿足抗浮穩定要求。在渠道渠底及兩側坡腳處設置有無砂混凝土排水體，間距4 m。渠坡抗浮計算，如圖2所示。

圖2 渠坡抗浮計算

圖2中，P內為渠道內水對襯砌結構的壓力（kPa）；P外為渠道地下水對襯砌結構的壓力（kPa）；G為襯砌結構自重（kN）；P外-P內為外水壓力與內水壓力之差（kPa）。

3.7 防凍脹措施

選出典型斷面，根據地下水的埋藏情況，分完建期與運行期找出最大凍脹量在橫斷面上的出現點，再利用有關公式逐點算出其設計凍深、凍脹量。

因大功灌區在每年12—次年1 月冰凍期不灌溉，其間不輸水。在此條件下，選出代表斷面，根據地下水的埋藏低于渠道渠底的情況，按完建期找出最大凍脹量在橫斷面上的出現點，再利用有關公式逐點算出其設計凍深、凍脹量及所需保溫板的厚度。

渠道橫斷面的很多部位均有凍脹破壞發生，需要準確找出最大凍脹量出現的位置作為計算點。參照《渠系工程抗凍脹設計規范》（SL23-1991），計算點選取原則如下：均質土渠渠床，凍結期渠內無冰（水）時，最大值出現在渠底或陰坡下部。參照上面的原則，選取典型斷面計算點。大功總干渠為南北方向布置，選取一個典型斷面進行計算，計算結果顯示凍脹量總體不大，而運行工況計算結果超過梯形斷面渠道襯砌凍脹位移允許值（0.5～1 cm）。針對凍脹破壞情況，總干渠渠道襯砌采用能適應凍脹變形的柔性結構，在渠道左右岸兩側坡腳設置誘導縫，縱向每隔2.5 m 設置1 道伸縮縫，橫向每隔4 m 設置1道伸縮縫，以適應凍脹變形。

3.8 現有溝渠順接

總干渠沿線遇排水溝道及分水閘時對渠道范圍內的溝道進行疏浚，渠道襯砌與現有溝道順接，保證渠道輸水及排水的順暢。

4 結語

本次治理工程實施后，工程運行狀況顯著改善，渠道輸水能力大幅提高，直接改善灌溉面積8 000 hm2，農作物增產7 608 t，新增節水243 萬m3；同時，有效控制了地下水超采，改善了農村生態環境和農民生活條件。通過水利工程及配套工程的建設，既實現了工程的使用功能，又形成一定的生態景觀效果，使灌區實現人與自然相互和諧，工程綜合效益顯著。