陽西縣陂底水庫灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程方案設(shè)計研究

羅李強(qiáng)

（佛山市順德區(qū)水利水電勘測設(shè)計院有限公司陽江分公司,廣東 陽江 529500）

1 工程概述

陂底水庫灌區(qū)位于陽西縣,建成后已經(jīng)持續(xù)工作了40多年,在當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。但由于灌區(qū)現(xiàn)有水利工程破損、老化,已不能充分發(fā)揮作用。且為保證灌區(qū)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中繼續(xù)發(fā)揮水利工程的作用,對于灌區(qū)水利工程的改造便顯得十分必要。陂底水庫灌區(qū)的降水量較多,年平均降水量為2104.35 mm,但由于灌區(qū)管理和節(jié)水技術(shù)落后,存在較為嚴(yán)重的工程不配套、灌溉渠系滲漏問題,導(dǎo)致水資源的浪費比較嚴(yán)重,雖然當(dāng)?shù)厮Y源雖然豐富,但依然會出現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的缺水問題。因此本項目針對實際情況,通過對工程建設(shè)的強(qiáng)化、用水管理的優(yōu)化、以及非工程措施建設(shè)等多項舉措,對灌溉渠道及用水設(shè)施損失予以升級改造控制。陂底水庫灌區(qū)總設(shè)計灌溉面積5.84 萬畝、改造渠道共計分別為5.84 萬畝與59.90 km,規(guī)劃新建水閘、跌水分別為19座、4座。圖1所示為陽西縣陂底水庫部分景貌。

圖1 陽西縣陂底水庫示意圖

2 渠道設(shè)計

灌區(qū)改造渠道共59.90 km,包括東干渠24.88 km,西干渠6.35 km,南干渠18.2 km、北支渠8.55 km以及古井支渠1.92 km。通過對現(xiàn)場地質(zhì)進(jìn)行勘察,可以發(fā)現(xiàn)渠道較為突出的問題包括填土松散、沖淤嚴(yán)重、抗沖能力及防滲能力較弱,對此,決定采用混凝土防滲處理方式對渠道進(jìn)行優(yōu)化改造。

2.1 渠道縱斷面設(shè)計

對于渠道縱斷面,在設(shè)計過程中,需針對實際情況,采取合理的設(shè)計方法。在斷面設(shè)計過程中,采取“只挖不填”的原則,對邊坡較低的一側(cè)優(yōu)先開挖,可以減少挖方量。為減少土方挖填,需要利用好原有建筑物?？刂泣c確定為原有控制性建筑物,渠底縱坡需分段進(jìn)行設(shè)計,并銜接好渠道上下游水面,防止上下游有大面積的水面變化出現(xiàn)[1]。

2.2 渠道橫斷面設(shè)計

在本項目中,通過地質(zhì)勘探以及對渠道問題的深入了解分析,發(fā)現(xiàn)存在渠道存在填土松散、滲漏損失大等各種問題,所以在設(shè)計時,需做好全線混凝土防滲處理,從而起到有效的節(jié)水效果。防滲斷面擬采用梯形斷面,這樣能便于施工工作的開展[2]。

不沖不淤流速：要求將V不淤、V不沖合理控制在0.3 m/s以內(nèi)、8 m/s。

邊坡系數(shù)選擇及渠道穩(wěn)定計算：結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定,填方渠道的渠堤填方高度≤3 m時,按照土質(zhì)確定內(nèi)、外邊坡系數(shù),不同渠段的邊坡適宜范圍需以土質(zhì)勘察結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn),可將其確定為1∶0.5～1∶1.2之間,在地質(zhì)與斷面情況結(jié)合下,渠道在保證穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,邊坡可以不同。設(shè)計選用邊坡內(nèi)坡、外坡分別為1∶1.0、1∶1.0[3]。水深≤3 m,挖方渠道、渠堤填方高度≤3 m時,可按照檢驗選取渠道邊坡。在本項目中由于水深和填高都在3 m以內(nèi),所以對穩(wěn)定性不進(jìn)行計算。

橫斷面尺寸計算：采用梯形斷面為橫斷面,計算時以明渠均勻流為標(biāo)準(zhǔn),可確定計算公式如下：

式中：V、Q、W、R、i、C、n分別為平均流速、設(shè)計流量、過水?dāng)嗝?、水力半徑、水面坡降、謝才系數(shù)、糙率。

渠頂高程：設(shè)計渠頂高程為加大水面線加安全超高,岸頂超高在計算時,可使用下面的公式：

式中：Fb、hb分別為渠道岸頂超高、渠道通過加大流量時的水深。

按照《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》中標(biāo)準(zhǔn),填方渠道渠堤填方的高度為3 m以內(nèi)時,可結(jié)合土質(zhì)來對內(nèi)邊坡和外邊坡的系數(shù)進(jìn)行確定,邊坡內(nèi)坡可為1∶1.0,外坡為1∶1.0。而在水深為3 m以內(nèi)的挖方渠道中,可結(jié)合實際情況、經(jīng)驗來設(shè)定渠道邊坡,無需實施穩(wěn)定計算。

2.3 渠道結(jié)構(gòu)計算

填方渠道和挖方渠道是本次引水渠道的兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計方式,在設(shè)計時針對流量、渠道尺寸,確定填方渠道型式及選取典型斷面,并計算好邊坡穩(wěn)定[4]。渠道建筑物等級、允許的最小安全系數(shù)分別為5級、1.10。填方渠道在正常運用條件下與非常運用條件Ⅰ滑動安全系數(shù)K分別為1.66、1.35。挖方渠道在正常運用條件與非常運用條件Ⅰ滑動安全系數(shù)K分別為2.00、2.20。

3 防滲型式方案比選

結(jié)合本項目實際情況,為實現(xiàn)節(jié)水需求,要求設(shè)計好渠道防滲水平。為對土層的透水性能進(jìn)行了解,需在現(xiàn)場進(jìn)行注水試驗,將土樣從鉆孔內(nèi)取出并進(jìn)行滲透試驗。素填土土層是渠道的基礎(chǔ),素填土的滲透系數(shù)為1.21×10-3cm/s。為減少在輸水期間產(chǎn)生的損失,要求渠道能科學(xué)地發(fā)揮實施防滲能力措施。另針對當(dāng)?shù)貧夂?、地質(zhì)等各項條件,采用定性和定量對渠道防滲襯砌形式進(jìn)行分析[5]。常用的襯砌形式比較見表1。

水泥土、砌石、混凝土都有各自的適用的條件。水泥土可就地取材,在施工期間難度較小,且成本較低,但抗凍性較差,適用的條件或者區(qū)域為壤土或沙壤土地,要求的渠道級別襯砌為3 級～5 級[6]。灌溉渠道。砌石雖然克服了水泥土的其他問題,且具有良好的耐磨和耐用性,但防滲效果難以保證。該類別適用于石料來源豐富、有抗凍、抗沖、耐磨要求的各級渠道的渠道襯砌基本都可以?；炷辆哂辛己玫姆罎B性能,且抗沖性和耐久性較好,能在各類渠道襯砌中使用[7]。通過綜合分析與對比可以發(fā)現(xiàn),水泥土不合適本項目,主要是使用年限太少。砌石也同樣不適合本項目,主要是由于因為防滲效果較差,難以滿足節(jié)水效果?，F(xiàn)澆混凝土整體效果更好,且防滲效果能滿足要求,綜合考慮后選用現(xiàn)澆混凝土進(jìn)行防滲,將澆筑厚度確定為10 cm[8]。

4 水閘設(shè)計

通過對勘測現(xiàn)場勘察,發(fā)現(xiàn)在各干支渠上并未都設(shè)置有節(jié)制閘,為對渠道水位進(jìn)行控制,滿足灌溉與排水需求,節(jié)制閘在本項目中共設(shè)置8座節(jié)制閘。水閘過流能力計算十分重要,可按照按寬頂堰流公式計算：

式中：B、Q、H0、g、m、σ、ε分別為總凈寬、節(jié)制閘設(shè)計流量、計入行近流速水頭的閘上游水深、重力加速度、流量系數(shù)、淹沒系數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)。

在消力池設(shè)計時,可采用U型槽結(jié)構(gòu),對于池深進(jìn)行確定時,可使采用下面的公式：σ0分別為下游水深、消力池出口處水面落差、相應(yīng)于收縮斷面水深hc的第二共軛水深、淹沒安全系數(shù)。

在對池長確定進(jìn)行確定時,可采使用下面的公式：

式中：

式中：Lsj、Ls、、L j分別為消力池長度、消力池斜坡段水平投影長度、水躍長度校正系數(shù)、水躍長度。

對于海漫設(shè)計可按照下面的公式進(jìn)行：

式中：q、Δh、Ks分別為消力池末端的單寬流量、上下游水位差、海漫長度計算系數(shù)。

在本設(shè)計方案下,本工程分水閘的過流能力見表2。

5 渡槽設(shè)計

改造渠道范圍內(nèi)共有現(xiàn)狀渡槽26 座,經(jīng)復(fù)核只有3 座已無維修價值,需重建,其他23 座渡槽經(jīng)檢測基本滿足灌溉,只是槽身有裂痕、止水破壞、漏水、擋土傾斜、中間節(jié)槽身斷裂等問題,經(jīng)過維修均可以正常使用[9]。

5.1 結(jié)構(gòu)計算

槽身按設(shè)計流量設(shè)計,加大流量校核需加大。渠道的斷面、渡槽的斷面分為梯形與矩形,這樣在槽身水流進(jìn)出時能保持平順,水頭損失可有效減少,也能避免發(fā)生沖刷作用,漸變段需在渡槽進(jìn)出口設(shè)置采用砼八字墻設(shè)置在渡槽進(jìn)出口。鋼筋砼梁式結(jié)構(gòu)為渡槽的槽身結(jié)構(gòu),采用砼一字墻為渡槽邊墩[10]。采用砼一字墻。槽水力設(shè)計期間,需對槽身的過水?dāng)嗝娉叽邕M(jìn)行確定,可使采用下面的公式進(jìn)行計算：

式中：Q、A、R、i分別為渡槽設(shè)計流量、渡槽過水?dāng)嗝婷娣e、水力半徑、槽底比降。渡槽過流能力計算結(jié)果見表3。

5.2 渡槽維修方案

對于渡槽的維修與處理,采取的施工工藝為：首先在混凝土基面、伸縮縫及安裝縫槽內(nèi)等需結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑿毛處理,將環(huán)氧基液涂刷在上面,然后將軟木膠泥填充在內(nèi),填充需飽滿充實,封口可以使用環(huán)氧砂漿。對于大面積滲水面,防滲處理措施采用環(huán)氧砂漿,在混凝土基面處理好之后,將環(huán)氧基液涂刷在上面,在0.5 h～1.5 h之后,將環(huán)氧砂漿抹在上面,這樣能對混凝土面進(jìn)行找平。砂漿平均厚度需控制在0.5 cm以內(nèi),初凝后再將基液涂刷在上面,在0.5 h～1.5 h之后,開始涂抹第二次層環(huán)氧砂漿,將厚度控制為1 cm。最后將一道基液涂在封口砂漿面,最后收面養(yǎng)護(hù)7 d～14 d。處理安裝縫時,用清水及丙酮將鑿開的槽內(nèi)清洗干凈,將環(huán)氧基液涂刷在上面,使用軟木膠泥填充,封口使用環(huán)氧砂漿。伸縮縫處理期間,需將槽內(nèi)清洗干凈,將環(huán)氧基液涂刷在上面,填充使用軟木膠泥,封口使用環(huán)氧基液,粘貼使用APP防水油氈粘貼,寬度為40 cm,錨固時使用外用鍍鋅鐵皮錨固,在最后再使用環(huán)氧砂漿封口。

6 設(shè)計節(jié)能效果分析

為使陂底灌區(qū)工程投產(chǎn)后能夠安全、經(jīng)濟(jì)的運行,結(jié)合工程特點及實際情況,采取節(jié)水改造方案。本工程能耗主要發(fā)生在施工期。項目施工期的能耗種類以油、電為主。主要材料消耗量為：人工142337.87 工日；42.5#水泥19557.76 t；汽油97.62 t；塊石2996.34 m3；砂44596.58 m3；碎石69625.09 m3；鋼筋861.19 t；電106358.82 kW·h；水398823.22 m3。

項目運行期的能耗種類以水能為主,灌區(qū)年用水量約為4276.04 萬m3,采用重力自流供水灌溉,用能環(huán)保合理。節(jié)能效果綜合評價本項目所在地的電、水供應(yīng)量充裕,有可靠保障,能源供應(yīng)對項目有長久支持力。工程建設(shè)期采用的節(jié)能措施合理,運行期用能合理,項目建成后更不會對當(dāng)?shù)啬茉丛斐善茐暮筒涣加绊憽９こ添椖糠蠂?、地方、行業(yè)節(jié)能設(shè)計的要求,從節(jié)能角度,項目是合理可行的。

7 結(jié)語

陂底水庫灌區(qū)對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展意義重大,針對灌區(qū)內(nèi)現(xiàn)有水利工程破損、老化現(xiàn)狀,此次結(jié)合其實際情況,提出了科學(xué)的改造設(shè)計方案。從縱斷面設(shè)計、橫斷面設(shè)計考慮,結(jié)合渠道結(jié)構(gòu)計算來確定渠道最佳設(shè)計方案；同時,綜合比較多種防滲型式方案,最終選擇現(xiàn)澆混凝土方式進(jìn)行防滲；另設(shè)置8座節(jié)制閘以控制渠道水位,通過計算確定合理的水閘過流能力；最后針對可維修使用的渡槽提出維修方案。結(jié)果表明,陂底水庫灌區(qū)改造后,可滿足當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展需求,且具有顯著的節(jié)能效果。