盤山縣水田灌區(qū)灌溉渠道改造設(shè)計要點淺析

常秀紅

(盤山縣農(nóng)業(yè)水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 盤山 124100)

0 引言

盤山縣水田灌區(qū)為大型灌區(qū)[1]，現(xiàn)有紅旗、八一、青年水庫平原中型水庫3 座，總庫容6910 萬m3，興利庫容4097 萬m3，供水能力為6290 萬m3，配合上游大型水庫進(jìn)行供水。主要骨干工程為支渠以上配套建筑物包括提水工程(南塘站、南水北調(diào)站)、引水工程(攔河閘、攔河壩)以及倒虹吸、渡槽涵閘等共計3000 多座，支渠以上渠道705 條、長度1032 km。盤山灌區(qū)建設(shè)運行已有幾十余載，各種建筑物老化、滲漏及破損情況不同，運行情況也不同，從2006 年開始至今，通過大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水工程改造逐漸完善，預(yù)計到2020 年將基本改造完成。此次節(jié)水改造項目區(qū)主要渠道多為20 世紀(jì)70 年代規(guī)劃建設(shè)，修護(hù)不到位，干渠渠堤斷面小，現(xiàn)狀渠道多為土渠或者漿砌石斷面，渠道斷面破損、坍塌、滲漏嚴(yán)重，水量損失較大，堤土土系松動，渠堤多處水土流失嚴(yán)重，甚至有決堤危險，已經(jīng)危及農(nóng)田和村莊安全，因此應(yīng)對渠道進(jìn)行改造設(shè)計[2]。灌區(qū)內(nèi)典型干渠長1.034 km(部分，上游已治理)，控制灌溉面積6265 畝，種植結(jié)構(gòu)主要為水稻?，F(xiàn)狀渠道為土渠斷面，渠道破損及滲漏嚴(yán)重，本次考慮將現(xiàn)狀渠道改造為C20 砼襯砌斷面，進(jìn)行渠道斷面設(shè)計研究。

1 設(shè)計流量確定

1.1 灌水率

灌水率與灌區(qū)內(nèi)的作物組成、種植比例、作物允許灌水延續(xù)時間、栽插進(jìn)度有關(guān)。根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50288-2018)[3]，萬畝以上灌區(qū)灌水延續(xù)時間，水稻泡田期為5 d～15 d，生育期為3 d～5 d。萬畝及萬畝以下灌區(qū)可按表列數(shù)值適當(dāng)減小。故灌區(qū)擬定水稻泡田進(jìn)度：水稻泡田延續(xù)時間擬定為15 d，其中前5 d 完成30%，日均進(jìn)度6%，高峰期5 d完成40%，日均進(jìn)度8%，后5 d 完成30%，日均進(jìn)度6%。由此計算出規(guī)劃水平年灌水率，按相關(guān)的灌溉設(shè)計規(guī)范進(jìn)行修正，規(guī)劃水平年2030 年灌區(qū)修正后的灌水率見圖1，設(shè)計灌水率為0.47 m3/(s·萬畝)。

圖1 灌區(qū)P=75%灌水率圖

1.2 灌溉水利用系數(shù)

灌溉水利用系數(shù)即為渠系水利用系數(shù)及田間水利用系數(shù)的乘積，渠系水利用系數(shù)為灌區(qū)各級渠道水利用系數(shù)的乘積，根據(jù)典型區(qū)布置情況，田間農(nóng)渠為末級固定渠道，在推求農(nóng)渠的凈毛流量時，取農(nóng)渠長度的一半作為農(nóng)渠的工作長度，求出農(nóng)渠的凈毛流量后，它們之間的比值即為農(nóng)渠水利用系數(shù)。推求支渠水利用系數(shù)時，采取對應(yīng)支渠下50%～70%農(nóng)渠的毛流量作為支渠的凈流量推求毛流量，推出支渠凈毛流量后，將干渠下所屬支渠毛流量作為干渠凈流量推求干渠毛流量(典型區(qū)設(shè)計時支渠采用續(xù)灌工作制度)。干渠凈毛流量比值即為干渠水利用系數(shù)。本文農(nóng)渠毛流量通過測量得到，斗渠、支渠及干渠以次推求得到。

在推求各級渠道水利用系數(shù)時，根據(jù)灌區(qū)渠道土質(zhì)按《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50228—2018)取土壤透水性系數(shù)K=3.4，土壤透水性指數(shù)m=0.50，渠道采用漿砌石襯砌，水泥砂漿抹面，故襯砌渠道滲水損失修正系數(shù)ξ0=0.15。推得如下：

(1)現(xiàn)狀灌溉水利用系數(shù)

農(nóng)渠水利用系數(shù)：η渠農(nóng)=0.935；

斗渠水利用系數(shù)：η渠斗=0.913；

支渠水利用系數(shù)：η渠支=0.897；

干渠水利用系數(shù)：η渠干=0.876；

渠系水利用系數(shù)：η渠=η渠干×η渠支×η渠斗×η渠農(nóng)=0.671；

根據(jù)規(guī)范，現(xiàn)狀年田間水利用系數(shù)取ξ田=0.90；

灌溉水利用系數(shù)：ξ灌=0.671×0.90=0.604；

因此現(xiàn)狀年2018 年灌溉水利用系數(shù)取值0.60。

(2)規(guī)劃水平年為2030 年，灌溉水利用系數(shù)：

農(nóng)渠水利用系數(shù)：η渠農(nóng)=0.965；

斗渠水利用系數(shù)：η渠斗=0.952；

支渠水利用系數(shù)：η渠支=0.938；

干渠水利用系數(shù)：η渠干=0.928；

渠系水利用系數(shù)：η渠=η渠干×η渠支×η渠斗×η渠農(nóng)=0.80；

根據(jù)規(guī)范，規(guī)劃水平年田間水利用系數(shù)取ξ田=0.904；

灌溉水利用系數(shù)：ξ灌=0.800×0.904=0.723；

因此規(guī)劃水平年2030 年灌溉水利用系數(shù)取值0.72。

1.3 設(shè)計流量確定

灌區(qū)內(nèi)某干渠長1.034 km，控制灌溉面積6265 畝，本次設(shè)計灌溉設(shè)計保證率為75%，設(shè)計灌水率為0.47 m3/（s·萬畝），灌溉水利用系數(shù)0.72，通過灌溉面積、設(shè)計灌水率和灌溉水利用系數(shù)確定出設(shè)計流量。計算公式如下：

式中：Q設(shè)為設(shè)計流量，m3/s；F 為渠道控制灌溉面積，本次控制灌溉面積3250 畝；q 為設(shè)計灌水率，0.47 m3/（s·萬畝）；ξ 為灌溉水利用系數(shù)。

經(jīng)計算可得，灌溉渠道設(shè)計流量為0.212 m3/s。

2 灌溉溝水力計算

本工程灌溉渠道斷面尺寸根據(jù)《水利計算手冊》[4]和《水力學(xué)》(第四版)[5]中明渠均勻流計算公式，在渠道流量Q、設(shè)計底坡i、底寬b 和糙率系數(shù)n，已知的情況下求設(shè)計水深，從而求得渠道斷面尺寸。計算公式如下：

式中：Q 為渠道設(shè)計流量，m3/s；A 為渠道過水?dāng)嗝婷娣e，m2；χ 為濕周，m；b 為渠道底寬，m；h 為渠道正常水深，m；m1，m2為渠道邊坡系數(shù)，矩形渠道為0；C 為謝才系數(shù)；n 為渠道糙率系數(shù)；R 為水力半徑，m；i 為渠道設(shè)計底坡。

渠堤超高：渠堤超高是保證行水安全，考慮渠系建筑物的壅水高度和渠道運用期間可能加大等因素對水位的影響，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50288－2018）按下式計算確定：

式中：△h 為渠堤堤頂超高,m；hf為渠道通過加大流量時的水深，m。

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50288-2018)，該工程加大流量取35%計算。水力計算見表1。

表1 灌溉渠道水力計算表

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 襯砌形式的選擇

根據(jù)現(xiàn)場勘察情況灌溉渠渠線沿線附近無石料場，漿砌石材料緊缺，而混凝土襯砌具有以下優(yōu)點：(1)混凝土襯砌渠道具有防滲效果好、耐久、糙率小、強(qiáng)度高和適應(yīng)性強(qiáng)。(2)混凝土襯砌其襯砌厚度較薄，節(jié)省工程量等，通過對灌溉渠現(xiàn)狀情況的認(rèn)真分析研究，本著經(jīng)濟(jì)合理、便于施工、安全可靠、過流能力佳的原則，對灌溉渠選取混凝土襯砌及M7.5 漿砌石襯砌兩種方案進(jìn)行比較，斷面設(shè)計圖見圖2。每米造價比較結(jié)果見表2。

圖2 兩種方案斷面設(shè)計圖

表2 兩種方案每米造價比較表

由表2 可知，方案一，采用C20 砼矩形斷面襯砌，每米造價617.46 元。方案二，采用M7.5 漿砌石矩形斷面襯砌，每米造價702.66 元。從以上分析結(jié)果看，方案一投資費用低，且從渠道、地質(zhì)、施工條件、防滲及長期運行管理等考慮，最終襯砌斷面采用C20 砼襯砌形式。

3.2 工程布置

現(xiàn)狀灌溉渠道為土渠，渠道坍塌、淤積及滲水嚴(yán)重，將現(xiàn)狀渠道斷面改造成C20 混凝土襯砌。灌溉渠設(shè)計灌溉面積6265 畝，灌溉設(shè)計流量0.212 m3/s，設(shè)計底坡1/300～1/2000。渠道采用C20 砼澆筑襯砌，邊墻及底板襯砌厚度均20 cm，斷面為0.8 m×0.9 m 矩形斷面。灌溉渠道設(shè)計斷面見圖2(a)。

4 結(jié)論及建議

目前盤山縣節(jié)水灌溉工程面積僅有15.02 萬畝，僅占全縣耕地面積的20.9%，加之生態(tài)建設(shè)、環(huán)境保護(hù)等觀念的加強(qiáng)，地下水的限量開采，極端天氣、惡劣氣候的出現(xiàn)，使得旱情進(jìn)一步加重，水量也逐年匱乏。在水資源嚴(yán)重缺乏的情況下，改進(jìn)灌溉方式，提高灌溉技術(shù)水平，加大節(jié)水灌溉面積，改進(jìn)灌區(qū)的管理水平，利用現(xiàn)有可灌溉水資源量更好的發(fā)展農(nóng)田灌溉水平已成為當(dāng)務(wù)之急[6]，同時水利配套工程的建設(shè)，也是保證枯水年灌溉保證率的重中之重。工程2017 年11 月開始設(shè)施，2018 年5 月已完成驗收，通過灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目的實施，改善了灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，具體如下：

1)改善灌溉面積6.2 萬畝，灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)由現(xiàn)狀的0.60 提高到0.72。

2)年增節(jié)水能力383.0 萬m3，年節(jié)約水量316.0 萬m3。

3)灌區(qū)續(xù)建配套工程及優(yōu)質(zhì)水稻節(jié)水改造項目，使水田區(qū)水利工程完好率達(dá)到70%以上，灌溉保證率達(dá)到75%、排水能力達(dá)到十年一遇。

4) 項目區(qū)常規(guī)灌區(qū)的復(fù)種指數(shù)由現(xiàn)狀178.0%提高到190.0%，充分挖掘潛在的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力。