基于水利設(shè)計標準的水庫渠道設(shè)計方案分析

徐繼輝

(龔坊鎮(zhèn)水務(wù)站，江西 撫州 344307)

1 水利設(shè)計標準下水庫渠道設(shè)計原則

從水利設(shè)計標準的角度來講，水庫渠道設(shè)計需要遵循以下原則：

(1)必須從提高水庫單位有效灌溉面積入手，才能確保水庫能夠有充足的水資源供應(yīng)，實現(xiàn)灌溉用水單位效益最大化。

(2)必須堅持因地制宜原則，結(jié)合水庫所在區(qū)域?qū)嶋H情況，注重排水和防洪相結(jié)合，才能最大限度地減輕由于洪澇災(zāi)害或旱災(zāi)給當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的損失。

(3)結(jié)合水庫預(yù)期建設(shè)目標及水庫灌溉效益來綜合比較多種方案,選擇最合適的渠道設(shè)計方案。

(4)密切結(jié)合當?shù)厮?guī)劃方案，追求長遠利益，實現(xiàn)水資源的合理利用。

(5)水庫渠道設(shè)計并不是單一的個體，必須要密切結(jié)合當?shù)貙嶋H情況，如密切結(jié)合防洪體系，確?？梢酝ㄟ^水庫渠道設(shè)計來解決當?shù)睾闈?、灌溉需求等問題。

2 基于水利設(shè)計標準的水庫渠道設(shè)計

2.1 案例概況和渠道設(shè)計的必要性

本文選擇的案例為樂安縣龔坊鎮(zhèn)浯塘村甲山山塘水庫，壩址以上集雨面積0.06 km2，山塘正常水位87.89 m(假設(shè)高程，下同)，正常容積3.4萬m3，總?cè)莘e3.8萬m3；灌溉農(nóng)田面積20 hm2?，F(xiàn)狀工程樞紐建筑物包括大壩1座，輸水涵管1座，溢洪道1座。該山塘大壩壩面和壩腳目前無排水設(shè)施，溢洪道斷面相對較小，淤塞現(xiàn)象比較嚴重，放水設(shè)施為位于大壩左側(cè)的φ30鋼筋混凝土圓管[1-2]。

由于該山塘長期缺乏管理，且多年未進行過加固處理，所以存在很多安全隱患，如水位監(jiān)測、其他監(jiān)測設(shè)備以及管理房均相對缺失，且水庫在運行期間還伴有滲漏問題。表1為該山塘工程目前的綜合評價報告，表2為從安全評價的角度分析水庫不同結(jié)構(gòu)的問題。

表1 甲山山塘綜合評價報告

表2 安全評價發(fā)現(xiàn)的主要問題

綜合分析以上因素，為了消除安全隱患，提高蓄水能力，滿足灌溉和防洪等需求，必須對水庫進行渠道設(shè)計。通過水庫渠道設(shè)計,在滿足防洪標準要求的基礎(chǔ)上，保證溢洪道泄水暢通[3]。

2.2 水庫渠道設(shè)計

(1)水庫渠道路線設(shè)計規(guī)劃。按照水利設(shè)計標準和水庫設(shè)計標準要求，在對該水庫渠道進行設(shè)計規(guī)劃的過程中必須要有明確的渠道線路規(guī)劃思路，具體來講：

一是要依據(jù)下游灌溉區(qū)需求，將水庫渠道盡可能設(shè)計在脊線位置，這樣可以最大限度地提高水庫自流灌溉面積。

二是要根據(jù)當?shù)氐刭|(zhì)條件，在進行線路規(guī)劃設(shè)計時，盡可能避開不良地質(zhì)，提升水流效果，同時也可以降低工程成本。

三是盡可能保證渠道設(shè)計與道路、河流等正交，這樣可以更好的控制渠系建筑物的長度。

四是渠道設(shè)計密切結(jié)合區(qū)域防洪系統(tǒng)。

綜合以上原則，在對該山塘進行渠道設(shè)計時，水庫渠道線路規(guī)劃可以在現(xiàn)有工程設(shè)施基礎(chǔ)上進行。在此之前，需要對壩體進行綜合整治，在此基礎(chǔ)上進行溢洪道、涵管等整治設(shè)計，充分發(fā)揮溢洪道和涵管的作用，在滿足農(nóng)業(yè)灌溉需求基礎(chǔ)上達到最理想的效果[4]。

(2)確定水庫渠道流量。甲山山塘水庫的灌溉面積為20 hm2，按照水利設(shè)計標準要求，在進行渠道設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)水庫灌溉面積來確定，通過增加系數(shù)選取要求的方法來確定水庫起到的加大流量系統(tǒng)和最小流量系數(shù)，通常最小流量應(yīng)嚴格控制在設(shè)計水深的70%以內(nèi)，在具體的設(shè)計施工操作過程中，要嚴格按照水文所提供的不同渠道引用流量來確定加大流量和最小流量等，這樣可以保證渠道流量達到最理想的狀態(tài)。由于該山塘所在區(qū)域為Ⅳ區(qū)，集雨面積為0.06 km2，洪水頻率2%，查表可得洪峰流量Qm=10.58 m3/s,洪水總量Wi=6.0萬m3。渠道設(shè)計寬度為2 m，水庫最小流量約1.2 m3/s。

(3)渠道縱坡和糙率設(shè)計。水利工程項目中，按照水利設(shè)計標準進行水庫渠道設(shè)計時，尤其是渠道橫斷面設(shè)計過程中，需要考慮灌溉面分布高程的問題，所以在對渠道縱坡進行設(shè)計的過程中，要嚴格按照水庫工程規(guī)模來確定高程。

結(jié)合水利設(shè)計標準和該工程水庫渠道設(shè)計要求，首先在進行縱坡設(shè)計時，要盡可能地確保坡面放緩設(shè)計，這樣可以避免水頭大量損失，同時還能兼顧到渠尾的灌溉需求；其次對于坡度相對較陡的渠道段，在進行縱坡設(shè)計和施工過程中要盡可能做好放坡設(shè)計，同時要控制開土方開挖量。

綜合以上要求和設(shè)計原則，根據(jù)水庫渠道設(shè)計施工的技術(shù)和經(jīng)濟條件，同時兼顧水利工程灌區(qū)渠道容易出現(xiàn)沖刷的現(xiàn)象，在渠道設(shè)計時，要考慮到比降和壩坡要求,做好逐級規(guī)劃，如表3。綜合以上因素，該工程水庫干渠的縱坡為1/2000，支渠縱坡為1/1000，渠道均采用混凝土防滲結(jié)構(gòu)，水庫渠道糙率為0.015。

表3 壩坡要求

(4)水庫渠道斷面設(shè)計。該山塘的主要作用是用于下游20 hm2農(nóng)田灌溉，根據(jù)農(nóng)田灌溉的需求、特征以及具體參數(shù)設(shè)計，水庫斷面設(shè)計采用矩形斷面，并按照水利設(shè)計標準相關(guān)要求來確定關(guān)鍵參數(shù)。

水庫渠道均勻流量計算如式(1)：

(1)

式中：Q為水庫渠道的設(shè)計流量，m3/s；A為水庫渠道過水斷面面積；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑，m；i為渠道縱坡；n為渠道的糙率系數(shù)。

按照式(1)，結(jié)合《灌溉與排水工程設(shè)計標準》(GB 50288—2018)相關(guān)規(guī)定，在加大流量30%之后的水深25%基礎(chǔ)上加上0.2 m得出。

水庫渠道斷面施工過程中要選擇合適的原材料，同時要盡可能地保留水庫渠道沿線原有的地質(zhì)特征，可以從當?shù)剡x擇天然的建筑材料，如砂礫石料、塊石料。在進行工程加固和防滲加固時，可以使用壩址附近山體，對于渠道土基段、墻體、底板，使用C15毛石混凝土砌筑，這樣可以大幅度提升防滲效果，同時使用F50W4混凝土進行防滲加固，在渠道中每隔7.0 m位置設(shè)置一條橫向縫。

(5)渠道陡坡路段處理。水庫渠道設(shè)計過程中，必須要注意坡度對于渠道的影響，如果使用傳統(tǒng)的渠道設(shè)計方法必然會增加工程量，并且渠道水流量效果也無法得到保證，所以結(jié)合該工程地形特點，有針對性地結(jié)合陡坡地段特點進行處理。水庫干渠設(shè)計確定渠頂寬度為0.5 m，在這種條件下如果出現(xiàn)陡坡，渠道外側(cè)無法通行，勢必會增加渠道管理的難度，因此在設(shè)計中使用C25鋼筋混凝土蓋板進行覆蓋，既可以保證水流暢通，還能夠降低后期的管理工作，避免坡面太陡導(dǎo)致物體墜落破壞渠道的現(xiàn)象。

同時考慮到該山塘壩坡不規(guī)整，上下游壩坡均相對較陡，且沒有進行護坡處理，所以在進行水庫渠道設(shè)計的過程中，還需要對現(xiàn)有的溢洪道進行整治。該山塘初步確定溢洪道堰頂高程為87.89 m，滿庫時壩前水面寬度經(jīng)測量為63.00 m，溢洪道堰頂至壩頂水深為1.27 m，滿庫時水面長度經(jīng)測量為153.00 m，經(jīng)計算，溢洪道設(shè)計寬度應(yīng)為2.00 m，根據(jù)《江西省塘壩除險整治指南》，加固后溢洪道寬度滿足泄洪要求，但是需要對溢洪道底板以及邊墻進行襯砌加固處理。溢洪道新建邊墻及底板襯砌，底板高程為87.79～87.39 m，長18.00 m，寬2.00 m，厚0.20 m；兩側(cè)邊墻高1.00 m，墻頂寬0.50 m,下設(shè)0.10 m厚C15混凝土墊層；其后按底寬1.00 m，兩側(cè)邊坡坡比1∶0.75開挖，與下游渠道銜接。

3 結(jié) 論

水庫渠道設(shè)計必須要結(jié)合水利設(shè)計標準，科學(xué)的水庫渠道設(shè)計施工能夠有效調(diào)節(jié)用水資源的分布，有利于區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉。在進行水庫渠道設(shè)計時，要充分結(jié)合水庫所在區(qū)域的地質(zhì)、水文等環(huán)境，以提高單位水利有效灌溉面積的原則，最大限度地減輕和預(yù)防洪澇災(zāi)害給下游農(nóng)田造成的損失，確保農(nóng)田灌溉有充足的水源支持，充分考慮水利設(shè)計標準要求，切實保證和提高水庫渠道設(shè)計質(zhì)量。