河套灌區(qū)土地整治項(xiàng)目灌溉工程模式研究

蘇磊　王晶

摘要：灌溉工程設(shè)計(jì)，應(yīng)保證適時(shí)適量滿足項(xiàng)目區(qū)作物不同時(shí)期生長發(fā)育階段需要的人工補(bǔ)充水量，同時(shí)滿足作物除澇的要求。

關(guān)鍵詞：河套灌區(qū)；灌溉工程；模式；研究

河套灌區(qū)地表水資源豐富，原有灌溉渠系較多，灌溉建筑物較多，易選取黃灌渠自流灌溉。灌溉與排水工程設(shè)計(jì)主要有三項(xiàng)內(nèi)容，一是水源（供水）工程。二是輸（配）水工程和田間工程。三是農(nóng)田防洪除澇工程設(shè)計(jì)。

1.灌溉制度設(shè)計(jì)

1.1灌溉設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB5028-99，以及項(xiàng)目區(qū)采用渠灌的特點(diǎn)，灌溉設(shè)計(jì)保證率采用75%。

1.2地下水利用量（Wk）的確定

地下水利用量是指地下水借土壤毛細(xì)管作用上升至作物根系吸水層內(nèi)而被利用的水量。參照《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)（第八卷）》確定。

1.3主要作物需水量

作物需水量以內(nèi)蒙古水科院編制的《內(nèi)蒙古自治區(qū)主要作物灌溉制度與需水量等值線圖》為依據(jù)確定，主要作物需水量見表1-1。

1.4 設(shè)計(jì)灌溉定額

M=E-P_o-（W_o-W）-W_k

式中：M-作物生育期灌溉定額（m³/畝）；

E-作物需水量（m³/畝）；

p_o-有效降雨量（m³廟）；

（W_o-W）-播前及生育期末土層內(nèi)的儲(chǔ)水量（m³/畝）；

W_k-地下水補(bǔ)給量（m³/畝）。

1.5 秋澆灌溉制度

為使作物根系層土壤中鹽分處于平衡狀態(tài)，需通過一年一度的秋澆的淋洗，維持鹽分平衡，達(dá)到逐步淡化的目的，秋澆與播前儲(chǔ)水灌溉，按灌區(qū)耕地土壤為非鹽化考慮，選定本項(xiàng)目區(qū)秋澆定額為100m³/畝，秋澆面積比例為95%的耕地。

1.6綜合灌溉定額

根據(jù)上述灌溉制度設(shè)計(jì)，計(jì)算出綜合灌溉定額，詳見表1-2。

2.渠道工程設(shè)計(jì)

2.1灌溉渠道設(shè)計(jì)

（1）灌溉水利用系數(shù)

根據(jù)土壤條件、渠道流量、襯砌情況、地下水位等因素，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)灌溉實(shí)際，計(jì)算各級(jí)渠道的渠系水利用系數(shù)。

（2）渠道流量計(jì)算

根據(jù)渠道現(xiàn)狀運(yùn)行情況和渠道的灌溉方式，本著滿足現(xiàn)狀灌溉要求，并考慮到渠道現(xiàn)狀灌溉引水流量、灌溉面積與灌溉制度。

以斗渠-1控制范圍座典型流量計(jì)算，斗渠-1控制面積約為1.56萬畝。斗渠1下設(shè)12條農(nóng)渠，可分成4個(gè)輪灌組，同時(shí)工作的農(nóng)渠為3條。

斗渠輸水至田間凈流量：

Q_凈=A×q

式中：A-為斗渠控制面積（萬畝）；

q-為設(shè)計(jì)灌水模數(shù)（m³/s·萬畝）；

Q_凈-為斗渠應(yīng)送至田間的凈流量（m³/s）。

斗渠1控制面積為0.97萬畝，設(shè)計(jì)灌水模數(shù)為0.524m³/（s·萬畝）。

經(jīng)過計(jì)算得：

Q斗1田凈=A×q=0.51m³/s

農(nóng)渠凈流量計(jì)算：

Q_{農(nóng)田凈}=Q_斗1田凈/（n×k）

Q_{農(nóng)凈}=Q_{農(nóng)田凈}/η

式中：Q_{農(nóng)田凈}-為農(nóng)渠的田間凈流量（m³/s）；

Q_{農(nóng)凈}-為農(nóng)渠凈流量（m³/s）；

Q_斗1田凈-為斗渠1應(yīng)送至田間的凈流量（m³/s）；

n-為斗渠以下同時(shí)灌水的農(nóng)渠數(shù)；

k-為農(nóng)渠下同時(shí)灌水的毛渠數(shù)；

η-田間水利用系數(shù)。

Q_斗1田凈為0.51m³/s，因?yàn)檗r(nóng)渠分組輪灌，同時(shí)工作的農(nóng)渠有2條，同時(shí)工作的毛渠數(shù)有3條，所以農(nóng)渠的田間凈流量為：

Q農(nóng)田凈=Q斗1田凈/（n×k）=0.085（m³/s）

取田間水利用系數(shù)η=0.861，則農(nóng)渠的凈流量為：

Q農(nóng)凈=Q農(nóng)田凈/η=0.099（m³/s）

灌區(qū)土壤屬中粘壤土，可以查出相應(yīng)的土壤透水性參數(shù)：A=1.9，m=0.4。

農(nóng)渠每公里輸水損失系數(shù)：

σ^'_農(nóng)=ε₀×σ_農(nóng)=ε0A/（100Q農(nóng)凈m）

式中：σ^'_農(nóng)-襯砌農(nóng)渠的每公里輸水損失系數(shù)；

σ^'_農(nóng)-土質(zhì)農(nóng)渠的每公里輸水損失系數(shù)；

ε₀-襯砌渠道滲水損失修正系數(shù)，取0.3；

A-渠床土壤透水系數(shù)，取1.9；

m-渠床土壤透水指數(shù)，取0.4；

Q_{農(nóng)凈}-農(nóng)渠的凈流量，（m³/s）。

計(jì)算得：σ^'_農(nóng)=ε₀×σ_農(nóng)=0.016

農(nóng)渠毛流量（設(shè)計(jì)流量）計(jì)算：

Q農(nóng)毛=Q農(nóng)凈（1+σ^'_農(nóng)L農(nóng)）

式中：Q_{農(nóng)毛}-農(nóng)渠的設(shè)計(jì)流量，（m³/s）；

Q_{農(nóng)凈}-農(nóng)渠的凈流量，（m³/s）；

L_農(nóng)-農(nóng)渠的平均工作長度，（km）。

計(jì)算得：Q_{農(nóng)毛}=Q_{農(nóng)凈}（1+σ^'_農(nóng)L_農(nóng)）=0.099（m³/s）

農(nóng)渠設(shè)計(jì)流量計(jì)算：

Q農(nóng)凈=3×Q農(nóng)毛=0.297（m³/s）

斗渠每公里輸水損失系數(shù)：

斗渠1設(shè)計(jì)流量計(jì)算：

斗渠每公里輸水損失系數(shù)：

經(jīng)過計(jì)算得

斗渠1的灌溉水利用系數(shù)：

2.2渠道斷面設(shè)計(jì)

（1）梯形渠道斷面參數(shù)選擇

①比降。初步確定主干比降為1：6000和1：5000左右，農(nóng)渠比降為1：3500左右，毛渠比降為1：2500左右。

②渠床糙率?；炷烈r砌防滲渠道渠床糙率系數(shù)襯砌渠采用0.016，土渠采用0.025。

③流速。根據(jù)渠道淤積流速公式：

[V]=C√（R）

式中：R為水力半徑，以m計(jì)；

C為系數(shù)，與懸浮泥沙粒徑和水力粗度有關(guān)，還與渠壁糙率有關(guān)。

近似計(jì)算時(shí)，對(duì)于砂土、粘壤土或粘土渠道，如取糙率n=0.016，懸浮泥沙不大于0.25mm時(shí)，C=0.50。

④超高。根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》分析確定，渠道混凝土防滲層超高為0.10m～0.15m。

（2）渠道橫斷面設(shè)計(jì)：

渠道斷面水力要素計(jì)算：

根據(jù)渠道斷面水力要素計(jì)算公式，分別計(jì)算斗渠、農(nóng)渠的水力要素。

式中：A-過水?dāng)嗝婷娣e（m²）-濕周（m）

R-水力半徑（m）C-謝才系數(shù)

Q_{設(shè)計(jì)}-設(shè)計(jì)流量（m³/s）V一渠道平均流速（m/s）

b-渠道底寬 h-渠道水深

m-邊坡比 i-渠道比降

n-粗糙率（襯砌渠0.016，土渠0.025）

（3）渠道縱斷面設(shè)計(jì)

田間各級(jí)渠道設(shè)計(jì)水位應(yīng)相互銜接。農(nóng)渠的水位應(yīng)高出灌溉范圍內(nèi)地面0.20m，斗渠的設(shè)計(jì)水位應(yīng)高出農(nóng)渠水位0.2m。

按照明渠均勻流的公式設(shè)計(jì)渠道水位，過程如下：

H_進(jìn)=H₀+△h+∑Li+∑φ

式中：H_進(jìn)-渠道進(jìn)水口處的設(shè)計(jì)水位（m）；

H₀-渠道控制灌溉面積內(nèi)參考點(diǎn)高程（m）；

△h-參考點(diǎn)與該處末級(jí)固定渠道水位的高差，取0.20m；

∑Li-沿程水頭損失之和；

i-渠道的比降；

I-渠道的長度（m）；

φ-水流通過各級(jí)渠道及建筑物的水頭損失（0.08m）。

（4）渠堤設(shè)計(jì)

為保證渠道的穩(wěn)定性，本次設(shè)計(jì)對(duì)渠道填筑土方全部進(jìn)行夯實(shí)，對(duì)堤頂高度、寬度和外傾度進(jìn)行整修，堤頂寬度為0.4m～0.6m。

（5）渠道防凍、防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

①防滲結(jié)構(gòu)?；⌒文_梯形斷面渠道底部鋪設(shè)0.3m厚的中粗砂防凍層，兩側(cè)鋪設(shè)0.04m厚的聚苯板（容重20kg/m³）；中粗砂和聚苯板上面鋪設(shè)0.2mm厚聚乙烯薄膜；薄膜上用0.03m厚M10砂漿墊層鋪裝0.06m厚混凝土預(yù)制板。

②結(jié)構(gòu)縫、伸縮縫及填縫材料。

a.伸縮縫間距及填縫材料。根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》SL18-2004，砼板護(hù)砌梯形斷面采用聚乙烯膜防滲、每隔6.25m設(shè)置一道縫寬2.5cm的橫向伸縮縫。

填縫材料：在伸縮縫內(nèi)填充9cm深瀝青砂漿。

b.砌筑結(jié)構(gòu)縫及填縫材料。砼板做保護(hù)層，防滲砌筑均采用矩形縫，結(jié)構(gòu)縫縫寬2.5cm，填充材料為M15水泥砂漿。

③封頂板。本次設(shè)計(jì)襯砌渠道封頂板為600×400×60mm矩形C20砼預(yù)制板并與坡面頂層板預(yù)制為整體。

④渠道防凍脹設(shè)計(jì)

a.設(shè)計(jì)的原則和依據(jù)。依據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》SL211-98，工程地點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)凍土深根據(jù)《內(nèi)蒙古河套灌區(qū)利用自治區(qū)政府專項(xiàng)資金節(jié)水改造工程可行性研究》取1985年～1997年的多年平均值為0.98m，即Zk=0.98m。

b.設(shè)計(jì)凍深計(jì)算。設(shè)計(jì)凍深采用《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》SL211-98公式：Z_d=φ_f·φ_d·φ_ω·Z_k

式中Z_d-設(shè)計(jì)凍深（cm）；

φ_f-凍深年際變化的頻率模比系數(shù)；

φ_d-日照及其遮蔭程度影響系數(shù)；

φ_ω-地下水位影響系數(shù)。

φ_k-標(biāo)準(zhǔn)凍深（cm）。

日照及遮蔭程度影響系數(shù)φ_d，依據(jù)公式φ_d=a+bφ_i計(jì)算。

地下水位影響系數(shù)φ_ω=（1+ae^-Zwo）/（1+ae^-Zwi）計(jì)算確定。

式中α-系數(shù)，分中壤土和砂壤土；

Zwo-氣象臺(tái)（站）的地下水位深度（m），取2.0m；

Zwi-計(jì)算點(diǎn)的地下水位深度（m）。

c.設(shè)計(jì)凍脹量（東西走向渠道）。針對(duì)灌區(qū)內(nèi)渠道的走向均為東西走向分中壤土、砂壤土土質(zhì)分別進(jìn)行計(jì)算渠坡（陰、陽坡）、渠底的設(shè)計(jì)凍脹量。

根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》SL23-91中地基土的凍脹性工程分類，結(jié)合凍脹量計(jì)算成果，本次設(shè)計(jì)的渠道的渠坡及渠底屬于Ⅲ類。

防凍脹措施本著因地制宜、安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的原則。吸取近幾年河套灌區(qū)渠道防滲工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合防凍試驗(yàn)研究成果，襯砌渠道采取鋪設(shè)聚苯乙烯板防凍保溫措施。防凍效果比較理想且技術(shù)比較成熟。

渠道采取聚苯乙烯板保溫防凍措施。