清徐县汾河生态修复段堤外节水灌溉工程设计

罗 玉

（清徐县边山水利管理站，山西 清徐 030400）

1 概况

1.1 自然地理

清徐县位于太原市南端，晋中盆地中部，总面积609 km2。清徐县属暖温带半干旱大陆性气候，春季干旱多风，夏季雨量集中，多年平均降雨量425 mm，多年平均蒸发量975 mm，多年平均气温为10.7℃，最大冻土深0.8 m，多年平均风速2 m/s。

项目区地处吕梁山南段侵蚀构造中山区。地形起伏，所处大地构造单元为古交掀斜地块。相应地震基本烈度为7°。

区内地下水类型主要为碳酸盐岩类岩溶水、碎屑岩类裂隙水和松散岩类孔隙水。本项目按水源分为三部分，一是自敦化灌区引水的王答乡；二是从汾河自流灌区汾河干渠引水的柳杜乡和清源镇；三是山区采用截潜流的方式拦蓄地下水。

项目涉及王答乡、西谷乡、柳杜乡和清源镇3乡1镇14个自然村。区域内共有农业人口2.33万，有效灌溉面积1 417.47 hm2。项目区土地集中，种植作物有大秋、蔬菜、葡果，区域内人均收入9 200元。

1.2 存在的主要问题

项目区存在的问题：一是渠道老化严重，部分渠段坍塌。二是渠道输水率低，渗水现象严重。三是节制闸、进水闸、出水口等建筑物损坏、闸门丢失及堵塞等现象较普遍。四是末级渠系仍存在用水秩序混乱，纠纷不断，抢水等现象。

1.3 项目建设的必要性

对渠道进行防渗改造，采用节水灌溉方式是目前农民的迫切要求，项目的实施可使农业灌溉水量损失降到最低，水的利用率大幅度提高，缓解农业用水的供需矛盾，适应区域内农业种植结构的调整，推进农业现代化的发展，达到增产增收的目的。

2 工程建设规模及总体布置

2.1 建设规模

项目受益面积1 420 hm2，其中改善灌溉面积1 220 hm2，新增灌溉面积200 hm2。共分3个工程区：王答乡工程区，在该乡8个村改善面积934.13 hm2，新增灌溉面积101.33 hm2。西谷乡工程区，在西谷乡的2个村、柳杜乡的南青堆村改善面积283.33 hm2。边山工程区，新增灌溉面积99 hm2。

主要建设内容为：D100U型渠道防渗长度25.2km，D 80U型渠道防渗长度79.1 km，管道长度8.1 km，截潜流坝6座，提水泵13台，出水池14座，变压器2台。

渠道建筑物主要为：出水口4 135个、桥带闸10座、桥涵65座、分水闸131座、丁字闸84座、十字闸3座、节制闸636座。

管道附属建筑物及附属设施主要为：镇墩20个、低压架空线2.7 km。

2.2 工程总体布置

2.2.1 水源工程

王答乡、西谷乡工程区，利用现有引水工程水源，仅斗渠以下进行更新改造。边山工程区的水源为新建截潜流提水工程，潜水泵自截潜流坝下游集水井提水、管道输水至出水池。

2.2.2 输配水工程

根据区域内的水资源状况，选择渠道灌溉和管道灌溉。渠灌区分为敦化灌区（8个村）和汾河灌区（4个村）两片。对项目区内斗渠和毛渠进行防渗改造及附属建筑物重建，相应地布设闸门、出水口、桥涵等渠系建筑物。管灌区根据实际条件，输配水主要采用提水泵加压后，采用管道输水至出水池。

3 工程设计

3.1 渠道设计

根据《灌溉与排水工程的设计规范》，结合清徐县的实际情况，确定灌溉设计保证率为75%，灌溉水利用系数取0.65。

3.1.1 渠道设计流量

根据实际情况及当地多年运行经验，斗渠采用续灌方式，农渠采用轮灌方式。农渠轮灌组的设计流量计算公式：

式中：Qn——灌溉系统设计流量，m3/h；

An——轮灌组平均控制面积，取52.8 hm2；

ηn——灌溉水利用系数，0.65；

qs——设计灌水率，根据灌溉制度，大秋作物为控制性作物，取293.33 m3/（s·hm2）。

3.1.2 渠道水力学计算

由设计流量在图集《山西省小型U型渠道防渗工程标准图集》中选出相对应的渠道类型。每次灌水为2条农渠工作，斗渠流量0.40 m3/s，农渠流量0.20 m3/s。

渠道采用U型断面，水力计算采用明渠均匀流公式：

式中：Q——流量，m3/s；

ω——过水断面的面积，m2；

C——谢才系数，C＝R1/6，n为糙率；

R——水力半径，X为湿周；

i——渠道纵坡。

混凝土U型渠糙率n取0.015，根据项目区自然坡降确定比降i，根据经验确定U型渠超高为0.1 m。

3.1.3 渠道断面设计

渠道纵断设计。各斗渠从支渠上直接取水，采用续灌方式；农渠从斗渠上取水，采用轮灌方式。根据《灌溉与排水工程设计规范》的规定，末级渠道放水口的水位高出平整后田面进水端不少于10 cm，斗渠和农渠布设均以填方为主，渠道设计纵坡分别为1/2 500和1/4 000。

渠道横断面设计。断面形式采用U形渠，按照《山西省小型U型渠道防渗工程标准图集》，U型渠采用混凝土强度等级为C 20，抗冻等级F 50，抗渗等级为W 4。

斗渠采用D 100混凝土U型渠道，深1.0 m，渠口宽1.28 m，板厚0.08 m，沿水流方向每安装15节预制U型槽后（混凝土U型槽按0.5 m一节进行加工预制）设一伸缩缝，缝宽2 cm，采用水泥砂浆填缝。

农渠采用D 80混凝土U型渠道，深0.8 m，渠口宽0.971 m，板厚0.06 m，沿水流方向每安装15节预制U型槽后（混凝土U型槽按0.5 m一节进行加工预制）设一伸缩缝，缝宽2 cm，采用水泥砂浆填缝。

3.2 渠系建筑物设计

各斗渠所经地段，地形坡度起伏不大，按照灌区规划原则，考虑灌区交通、机耕、配水管理等要求相应地布设出水口、农桥、节制闸等渠系建筑物。节制分水闸、节制闸、分水闸选用《山西省小型U型渠道防渗工程标准图集》中“节制分水闸设计图”。农桥采用《山西省小型U型渠道防渗工程标准图集》中“混凝土U型渠道车桥设计图。出水口根据灌溉习惯，在D 80-U型槽渠道上间隔20 m设一个出水口。出水口宽0.5 m，高度0.54 m，长0.65 m。采用M 10水泥砂浆砌砖，底板厚度0.12 m，侧墙厚0.24 m，安装简易木板闸门进行灌溉。

3.3 管灌工程设计

管灌工程涉及大峪村、毛儿梁村，两村均属边山灌区，其水源采用在附近沟谷内设截潜流坝取水灌溉。

3.3.1 水源工程设计

利用新建的截潜流坝截取浅层地下水。根据项目区及项目区周边岩性资料来看，截潜流坝出水量基本为40～60 m3/h，项目建成后出水量满足要求。

项目区新建截潜流坝6座，截潜流坝采用空心坝型式，坝建基面座落在基岩上，净断面尺寸（宽×高）为2.0 m×2.0 m，埋深5～6 m。坝上游面采用透水性大的格网石笼重力墙，墙顶宽1 m，底宽1.5 m，高2 m，顶部设厚度为0.5 m的预制混凝土压顶，外包反滤土工布和粗砂保护层。坝下游面为浆砌石重力墙，顶宽0.5 m，底宽2.75～2.97 m，高5～6 m，墙上游采用C 25挂网混凝土贴面。坝顶盖板为钢筋混凝土盖板，厚0.15 m，板顶覆土深度2.0 m。

根据所控制的地块数量，每座截潜流坝下游设有1～2座圆形钢筋混凝土集水井，井内配套潜水泵各1台，单泵设计流量13～35 m3/h不等。

3.3.2 输配水工程设计

根据地形条件，两村每片灌区各设一座出水池，共14座，采用从截潜流坝中提水，然后用加压管道输至各出水池进行灌溉。

管道工程。本次管道工程设计范围，仅为出水池前的加压输水管道，设计压力水头较高，为120～200 m，考虑到运行的安全可靠性和减少维护，优先选用安全性较高的钢管，根据经济流速公式来确定管径。

水泵选择。根据项目区农业灌溉的工作条件，项目区集水井内选用潜水泵。按照设计流量和设计扬程及截潜流出水流量，参考当地的实际经验，并避免空泵运行，查水泵性能表选择水泵。

水工建筑物工程。该片灌区主要涉及的水工建筑物包括镇墩和出水池，均属于小型水工建筑物设计。镇墩：输水管道采用明管敷设，每300～400 m设一镇墩，镇墩采用混凝土结构，尺寸为0.4 m×0.4 m×0.4 m，则单座镇墩工程量为0.064 m3。出水池：出水池布置在各地块最高处，以尽可能控制较大灌溉面积。采用《矩形钢筋混凝土蓄水池》中100 m3水池。出水池长、宽均为6.4 m，池深3.5 m，采用钢筋混凝土浇筑，底板和边墙均厚0.2 m，水池顶为现浇盖板，厚度为0.15 m。考虑冰冻要求，池顶埋深1 m。

3.3.3 电力工程设计

根据项目区内周围电力设施基础条件和对电力的需求，在保证供电能力的前提下，尽可能地减少输电距离，降低成本。项目区配套电气工程设计主要为机井设施服务，内容包括变压器设计及输电线设计。

变压器设计。项目截潜流坝位置基本分布在项目村附近，为方便管理，在项目村各设变压器一套。变压器的容量按其所供给的各水泵的型号及配套电机的有关参数而定，考虑到线路损失、变压器标准、市场型号等因素，两台变压器型号均为S 9-300/10。

输电线设计。新建变压器设置在项目村，现已有10 kV线路接入，不再考虑。低压线路主要布置于变压器至与潜水泵配套的电动机上。低压线采用架空，线路型号大峪村为LJ-150，长度为1.5 km；毛儿梁村为LJ-95，长度1.2 km。

4 效益分析

项目的实施提高了灌溉水利用率，挖掘了节水潜力，在保证农作物灌溉的基础上，年可节水58.9万m3，使水环境达到相对平稳状态，水资源实现采补平衡，保土保肥，保护耕地，减少水土流失，形成了良性循环的生态农业格局。