浅析人民胜利渠灌区渠道衬砌断面设计

□王菊霞（河南省人民胜利渠管理局）

0 引言

人民胜利渠灌区是新中国成立后在黄河下游兴建的第一个大型引黄自流灌溉工程。灌区灌溉系统由总干渠、干(分干)渠、支渠、斗渠、农渠五级固定渠道组成，主要承担新乡、焦作、安阳三市12个县（市、区）57个乡（镇）的农业、工业、城市生活、生态补源、防汛除涝等任务。灌区现有总干渠1条，干渠（分干渠）13条，支渠77条，斗渠391条，农渠1651条，渠道总长2042.60 km。

灌区地处豫北平原半湿润缺水区，多年平均降雨量630mm，地下水和当地水资源不能满足农业生产发展的需要，主要靠引进黄河水补充。目前灌区骨干渠道衬砌率不足30%，渗漏水量占渠首引水量的50%～60%。灌区渠系水利用系数仅为0.50，灌溉保证率还达不到50%。渠系水量损失不仅降低了渠系水利用系数，减少了灌溉面积，浪费了宝贵的水资源，而且会引起地下水位上升，招致农田渍害。在有盐碱化威胁地区会引起土壤次生盐碱化。水量损失还会增加灌溉成本和农民的水费负担，降低灌溉效益。为了减少渠道输水损失，提高水利用系数，防止渠道冲刷、淤积及坍塌,保证输水安全，一方面要加强渠系工程配套和维修养护；另一方面要采取防渗工程措施，减少渠道渗漏水量。

1 灌区选择渠道衬砌类型的原则

根据当地气候、地形、土质、地下水位等自然条件，渠道大小、输水方式、防渗标准、耐久性等工程要求，水资源条件、地表水和地下水结合运用情况，土地利用、材料来源、劳力、能源及机械设备供应情况等社会经济和生态环境因素，进行技术经济论证后选定渠道衬砌的类型。选定后的渠道衬砌类型还应满足以下要求：防渗效果好,最大渗漏量能满足工程要求；经久耐用，使用寿命较长；输水能力和防淤抗冲能力高；施工简易，质量容易保证；减少渠道断面尺寸，造价低廉；管理维修方便，价格合理。

2 灌区渠道断面型式及防渗衬砌类型

灌区的渠道断面型式有：矩形、梯形、弧形底梯形、弧形坡脚梯形、复合形、U形等。防渗衬砌类型有：混凝土防渗、砌石防渗、塑料薄膜防渗以及灰土防渗等。

3 渠道衬砌断面设计

渠道断面由横断面与纵断面组成。渠道纵横断面应满足：保证设计输水能力、边坡稳定和水流安全通畅；各级渠道之间和渠道各分段之间以及重要建筑物上下游水面平顺衔接；末级渠道放水口的水位高出平整后田面进水端≥10 cm；渗漏损失量较小；⑤占地较少，工程量较小；施工、运用和管理方便。

渠道的纵横断面设计是相互联系的，设计时往往需交叉进行，反复计算和比较。渠道设计方法是按不同流量和不同地形、地质条件的各段先分别经验性地选择渠道比降，在此基础上进行纵横断面设计，然后校核渠道的流速是否满足不冲不淤要求，最后校核上下游水位的衔接情况。

3.1 合理确定渠道参数

3.1.1 渠道横断面尺寸

渠道横断面尺寸一般依据渠道设计流量采用明渠均匀流公式确定：

式中:Q-设计流量(m3/s)；A-过水断面面积(m2)，A=(b+mh)h；c-谢才系数，一般采用曼宁公式C=R1/6/n进行计算，其中：n为糙率；R-水力半径渠底比降；m-边坡系数；h-设计水深(m)；b-渠道底宽(m)。

3.1.2 渠道比降

渠道比降的选择关系着渠道输水能力的大小及冲淤问题，也关系着控制面积的大小和工程造价。在选择比降时以灌区地形、土壤条件、渠道设计流量和满足田间水位要求为依据，尽可能与地面坡度相一致，同时，还应兼顾渠道输沙要求。

3.1.3 糙率

渠床糙率与渠道土壤性质、地质条件、施工质量、管理状况、渠道流量以及所采用的衬砌材料等因素有关。如果选定的糙率小于实际值，渠道的实际输水能力及挟沙能力会下降，满足不了灌溉要求并产生淤积。如果选定的糙率大于实际值，不仅增加了工程量，而且可能引起渠床冲刷及渠水位降低，减少自流灌溉面积。

当渠坡由几种不同材料护砌且最大糙率与最小糙率的比值<1.50时，则按湿周加权平均计算综合糙率。

式中：n-糙率(混凝土护面n=1.30×10-2～1.70×10-2；浆砌块石护面n=2.50×10-2；干砌块石护面n=2.75×10-2～3.00×10-2；平整顺直，养护良好的土渠n=2.25×10-2);x-湿周（m）。

3.1.4 边坡系数

为了防止坍塌和保证输水安全，根据渠道土质情况，结合灌区现有渠道边坡实际，衬砌渠道内边坡系数一般为：0.20(U型渠道)、0.75(弧形底梯形断面)、1、1.50、1.75、2；渠堤外边坡系数一般为1.75、2。

渠道堤顶超高应符合

式中：Fb-渠道堤顶超高(m)；hb-渠道通过加大流量时的水深(m)。

渠道超高值采用0.30～0.80m，5级渠道可适当减少，但≥0.10m。

3.1.6 渠道断面宽深比

渠道断面宽深比是渠道设计中的一个重要参数，对渠道输水能力、工程量、施工难易及断面的平面稳定都有影响，满足渠道断面相对稳定的宽深比与设计流量之间有着密切关系。流量愈大，宽深比愈大，所以大型渠道多为宽浅式。

渠道断面宽深比：a=b/H

式中：a-渠道断面宽深比；b-渠道底宽(m)；H-渠深(m)，H=h+Fb。详见表1。

表1 渠道断面宽深比与设计流量关系表

4 渠道断面校核

4.1 渠道的不冲流速

渠道的不冲流速和渠床土壤性质、水流含沙量及其性质、过水断面水力要素有关。

式中：Vt-渠道的不冲流速（m/s）；K-不冲流速系数，沙壤土0.53，黏土0.75;Q-设计流量（m3/s）。

4.2 渠道的不淤流速

根据人民胜利渠资料求出的不淤流速经验公式：Vs=CQ0.5

式中：Vs-渠道的不淤流速（m/s）;C-不淤流速系数，当Q＞10m3/s时C=0.20；当Q=5～10m3/s时，C依渠道的宽深比而定，b/h＞20则C=0.20；b/h＜20则C=0.40；当Q＜5m3/s时C=0.40;Q-设计流量（m3/s）。

当满足Vs

4 渠道衬砌结构设计

4.1 防冻胀

灌区接近温和地区，冻土深28 cm左右，渠道走向多为西南东北向，左右岸均能受到阳光照射，冻胀的影响不大，设计时不需考虑。

4.2 衬砌规格

灌区渠道堤防多为砂壤土，质地疏松，经过受力试验及稳定性分析，现浇混凝土板衬砌厚度(未配钢筋)：干渠10 cm，坡脚20 cm；分干渠8 cm，坡脚16 cm；支渠7 cm，混凝土标号C20。斗农渠6 cm，混凝土标号C15。

混凝土预制块厚度定为8 cm，混凝土标号采用C15；浆砌块石30 cm，砂浆标号M7.50；干砌卵石(挂淤)15cm；灰土、三合土20 cm。

4.3 分缝及填缝材料

伸缩缝间距参照《渠道防渗工程技术规范》并结合渠道实际情况确定，现浇混凝土板纵横缝每隔4m设置一道，预制混凝土板每隔6m设置一道，缝宽均为1.50 cm，填充材料为PE-低发闭孔泡沫板。缝下处理:因现浇混凝土具有较好的防渗性，其渗透系数可达到10-8cm/s，故只在伸缩缝下铺设宽度40 cm，规格为600 g/m2的2布1膜防渗土工布。

砌石只设置沉陷缝，间距为12m，缝宽2 cm，内嵌端缝板。

5 上下游水位的衔接

灌溉渠道不仅要满足输送设计流量的要求,还要满足水位控制的要求。纵断面设计根据灌溉水位要求确定渠道的空间位置，即先确定不同桩号处的设计水位高程，再根据设计水位求渠底高程、堤顶高程等。

为了灌溉要求，各级渠道入口处都应具有足够的水位，这个水位是根据灌溉面积上控制点的高程加上各种水头损失，自下而上逐级推求的。

式中：H进-渠道进水口处的设计水位(m)；△h-控制点地面高程与附近末级固定渠道设计水位的高差，取值范围0.10～0.20m；L-渠道的长度；i-渠道的比降；φ-水流通过渠系建筑物时的水头损失。

6 结语

渠道衬砌可以防止渠道冲刷、淤积及坍塌,保证输水安全;减少渠道渗漏损失,提高水利用系数;有利于控制地下水位,防止土壤盐碱化及沼泽化;有利于节约工程投资,减少渠道占地面积,降低运行管理费等。但是渠道防渗在取得显著节水效果的同时,对生态环境也产生了一定的影响。渠道衬砌后,切断了地下水的补给途径,往往造成渠道沿线地下水位下降,对井灌及当地居民生活用水产生不利影响,为了保证渠道沿线地下水补给，灌区部分渠道已经采用护坡不护底衬砌断面。为了最大限度地提高渠系的水利用系数并同时满足渠道沿线地下水的补给，需要相关研究人员以及设计人员更加深入广泛地研究渠道的防渗类型。