龙云灌区节水改造输水工程设计要点分析

胡德保，查恩尧

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510220)

灌区建设是现代化农业发展的方向之一，可以集中力量提高农业种植效率，同时可将灌溉、供水、防洪、发电、水产养殖等产业结合起来，对提高基础设施利用率、改善环境和民生等均具有重大意义。广西省位于我国西南边陲，水资源丰富，且农产品热销全国及东南亚地区，这造就了广西省境内灌区建设历史悠久，但随着集约化农业的发展，灌区的节水改造工程势在必行。

1 工程概况

龙云灌区位于广西省玉林市境内，该灌区工程涉及玉林市玉州区、福绵区、北流市、陆川县等4县(市、区)，行政区域面积达5268km2；下属包含罗田、新桥、六洋、龙门等14个中小型灌区，原设计灌溉面积46.64万亩，现有效灌溉面积32.38万亩，且同时为11个乡镇、5个工业园区供水，地位十分重要。目前龙云灌区干渠总长222.85km，支渠长226.83km，渠系工程老化损坏严重，农田灌溉水利用系数仅0.45，供水基础设施薄弱。为缓解这一局面，有关部门决定对龙云灌区尤其是输水工程进行节水改造。

2 输水渠道设计要点计算分析

2.1 输水渠道纵坡及断面参数设计

(1)渠道纵坡设计

龙云灌区东侧有北流河自南向北流，西侧有南流江自北往南流，南流江与北流河基本贯穿整个灌区。灌区地形总体上呈东高西低态势。纵观灌区地形特点与现有水源分布情况，本灌区干渠渠道纵坡设计应考虑以下几个问题[1]。①灌区东面的民安灌片地形高程在110～140m之间，而水源地蟠龙水库正常蓄水位为108.00m，所以需泵站提水后才能将其连通。②灌区北面的苏六、龙门灌片地形高程在90～100m之间，而供水的九代干渠高程为95～90m，所以需泵站提水后才能将其连通。③灌区西南面罗田灌片地形高程在70～90m之间，而水源地云良水库正常蓄水位为101.00m，输水距离大于20km，水头损失较大，且罗田灌片位于南流江右岸，所以需泵站提水。

综合考虑上述因素，并根据各干渠沿线的地形特点，同时参考类似灌区工程的设计经验，在满足不冲不淤流速的前提下，从“尽量扩大自流灌溉面积”思路出发来拟定龙云灌区各干渠渠道纵坡，最终确定本改造工程的干渠纵坡为1/3000～1/2000，支渠纵坡为1/3000～1/1000[2]。

(2)渠道断面设计

渠道断面设计遵循以下原则：①同时满足不冲和不淤流速的要求，保证输水能力、边坡稳定；②各级渠道、各分段之间水面平顺衔接；③末级渠道放水口的水位高出平整后田面进水端不少于10cm；④占地少、工程量小，施工和管理方便[3]。

本项目新建明渠设计为梯形断面，为平衡边坡稳定性和降低工程量，设计岩质边坡为1∶0.35，土质边坡为1∶1.25。边坡过水断面均采用10cm厚现浇混凝土衬砌，过水断面以上边坡采用草皮护坡，其中土质边坡干渠尺寸和结构示意图如图1所示。

图1 土质边坡干渠尺寸及结构示意图

此外，本项目要求在干渠渠道岸顶一侧布置交通道路，其设计标准按农村道路设计，路宽3.0m，采用沥青碎石路面，并每隔500m设置一个6.5m宽的错车道；支渠一侧设计泥结石路面，路面宽2.5m；渡槽、暗涵、倒虹吸管采用钢筋混凝土结构[4]。

有些地段开挖渠道不便，设计采用输水混凝土管，管径根据输水量来确定，龙云灌区主要输水干、支渠(管)设计见表1。

表1 龙云灌区主要输水干、支渠(管)参数设计(部分)

2.2 水闸、阀门设计分析

2.2.1水闸分类及布置位置

(1)分水闸

龙云灌区各干渠及分干渠、支渠进口处设分水闸，以便控制分水流量。分水闸底槛与上级渠底齐平或稍高于上级渠底，采用单股分水，分水角设计为60°～90°。闸前设计水位要略低于上级渠道设计流量的相应水位[5]。

(2)节制闸

龙云灌区在临近各个分水闸或泄水闸的渠道下游，根据需要设置节制闸，用于调节水位以控制分水或泄水流量。节制闸底槛高程设计与渠底平齐，闸孔设计过水断面面积与渠道过水断面面积相适应。

(3)泄(退)水闸

本项目要求在重要城镇、工矿区的上游附近设泄水闸，并在干渠上每隔一定距离靠近河流、山溪、河道等地方设置一座泄水闸或溢洪侧堰，以便将入渠洪水泄入承泄区，保证渠道的安全；并且在干渠和支渠末端设置退水闸。退水闸中心线与渠道中心线夹角设计为60°～90°，泄水闸和退水闸底槛与渠底齐平或稍低于渠底。

本项目设计各类水闸闸室均采用开敞式钢筋混凝土结构，闸孔孔口尺寸根据设计流量采用宽顶堰公式确定，闸下游侧布置消能防冲设施。工作闸门均采用平面钢闸门，启闭力不大于5t的采用手动葫芦启闭，启闭力大于5t的采用固定式手电两用螺杆机启闭[6]。

2.2.2水闸过流能力计算分析

根据水流过闸形式的不同，在此分别按“宽顶堰流”和“闸孔出流”进行水力计算，计算公式分别如式(1)、(2)所示[7]。通过计算，龙云灌区新建闸门每孔净宽设计1.0～1.5m，干渠孔数为2个，支渠1个，满足输水流量的需要。

(1)

式中，Q—输水流量，m3/s；σ—堰流淹没系数；ε—侧收缩系数；m—流量系数；b—每孔净宽；n—闸孔孔数；H0—包括行近流速的堰前水头，m。

(2)

式中，σ′—孔流淹没系数；e—闸门开度，m；H0—包括行近流速的闸前水头，m。

2.2.3各类阀门设计

对于新建输水管道，为了保证输配水管道的正常工作，本项目设计在管道上安装必要的闸阀，主要有检修阀门、放水阀、排气阀、泄压阀等，各类闸阀的设计标准如下：

(1)检修阀

在穿越大型河道、公路及安装水力控制阀前均考虑设置检修阀，本项目要求沿管线每隔5km布置不少于1座检修阀[8]。

(2)排、进气阀

当管道内压力变化时，水中溶解的气体析出并聚集在管道最高点，进而造成过水断面减小而增加水头损失。因此本项目设计在长距离输水管道的最高点安装自动排、进气阀。其中对长距离无凸起点管段，每隔500m设自动排(进)气阀。设计采用大、小孔口合成一体的高速排气阀，口径为主管直径的1/8。

(3)放水(排空)阀

为排除管内沉积物，检修放水、冬季事故排空防冻等，在管道低凹处设计排空阀，口径为主管直径的1/5。

(4)减压阀、泄压阀

当输水干管总水头超过0.4MPa时，根据水锤防护需要设置减压阀。超压泄压阀设在重力输水管道末端的关闭阀上游，中间按需设置，口径为主管直径的1/5。

3 渠系水利用系数验算

在实施改造项目之前，龙门灌区农田灌溉水利用系数平均仅为0.45，对输水系统进行节水改造后，在此根据各级渠道采取的防渗措施，分别估算各级渠道的水利用系数，然后用各级渠道水利用系数连乘来求出整个灌区渠系的水利用系数η0，计算公式如下：

(3)

式中，K—土壤透水性系数，工程区主要为黏土、重壤土、硅质土等，渗透系数一般在10-4m/s左右，属中-弱透水，但土层较薄，且覆盖层以下为强透水层石灰岩，故按中等透水选用，取1.9；Q—渠道净流量，在此取平均值作为计算流量；m—渠系平均透水性指数，取0.4；L—渠道长度。

经过综合考虑防渗可靠性、蒸发损失等问题，初步估算得到本项目节水改造完成后总干渠水利用系数可达0.95，总干管0.97，分干(当地水源原干渠)0.92，支渠0.91，斗渠0.88，农渠0.92，综合渠系水利用系数为0.65，比改造前提高了44.4%，效果显著。

4 结语

龙云灌区的输水工程经过本次节水改造后，渠系水利用系数明显提升，而且新增灌溉面积21万亩，改善灌溉面积25.4万亩，大大提高了灌区的灌溉品质，也为灌区的健康可持续发展打下了物质基础。输水工程是灌区的核心组成，直接决定了灌区的规模及综合效益，因此在设计时严格遵循规划目标进行，不得过于保守，要规划好至少未来10年灌区的发展。