“竖曲线”施工技术在农田末级渠系中的应用

贾文龙

（山丹县马营河流域管理处，甘肃 山丹 734100）

1 山丹县农田水利工程发展史

自中华人民共和国成立以来，甘肃省张掖市山丹县干、支渠道建筑材料主要以干砌石和预制砖衬砌为主，施工队伍以乡村社为单位，由受益区群众义务投工、投劳完成，末级渠系工程未曾涉及。进入20 世纪70 年代末，随着农业经济的发展，山丹县干、支渠道建筑材料逐步开始以块石和料石衬砌为主，施工队伍以乡村社为单位，由受益区农户义务投工、投劳完成，末级渠系工程开始涉及。进入2000 年以来，山丹县经济得到了长足发展，国家对农田水利工程建设的资金投入力度加大，山丹县水利基础设施建设得到了翻天覆地的变化，干、支渠道建筑材料以砼现浇和低压钢筋砼管道衬砌为主，并且干、支渠道基本得到了改造，斗渠以下的渠系工程逐年有计划地安排实施，施工通过招投标后由有资质、有技术保障且资金雄厚的施工单位来承担，工程质量得到了飞跃式提升，灌区呈现“行水有渠，量水有堰；分水有闸，过路有闸”的和谐局面。2010 年以来，山丹县一部分区域末级渠系开始管网化实践，水资源利用率得到进一步提高[1]。

2 山丹县农田水利工程建设存在的问题

山丹县有效灌溉面积为4.439 万hm2，现状实灌面积2.448 万hm2，基本农田地处冲、洪积扇倾斜平原区，相邻地块间落差一般在0.3～0.9 m。渠道修建基本依据地形自然坡降建设，导致末级渠系工程修建后，由于渠道坡降较大，地头闸向地块分水时使渠中水流不进地块而溢出渠顶，影响农田正常灌溉。通过近2 a 的实践和探讨，引入“一闸一跌法”的设计施工理论，即在地头闸后设计成跌水，将力消减后利用缓坡渠道与下一个地头闸连接，依次形成“地头闸—跌水—缓坡连接段—地头闸—跌水—缓坡连接段—地头闸—……”灌溉运行模式。通过运行实践，农田得到了正常灌溉，但工程造价较高，且冬灌后消力池内的积水无法排除，导致来年跌水侧墙冻融破坏现象明显，大大缩短了工程的使用寿命[2]。为此，基层技术人员把这一问题作为一个课题进行认真研究，尽快提交成果，以便为工程的下一步实施提供理论依据。近年来，随着山丹县末级渠系配套工程的全面实施，地头闸前按照自然坡降设计，当地头闸分水时，急速水流在闸前跃出水槽，导致农田得不到正常灌溉。对此，采取“一闸一陡法”的设计施工理论，但在闸后陡坡终点处，也是缓坡段的起点处易形成水跃，致使水流从该点处满溢。最终，基于在实践中一次次总结的经验、在一次次失败中堆积起来的专业理论知识，尤其是公路测量中“竖曲线”的放样，触发了基层技术人员的灵感，道路工程中有陡坡、缓坡甚至平坡，只要不出现跌水，道路依旧是畅通的。就此成功引入了“一闸一曲一缓一闸法”的设计施工理论，即在地头闸后设计成竖曲线，将力消减后与缓坡段衔接下一个地头闸，依次形成“地头闸—竖曲线—缓坡连接段—地头闸—竖曲线—缓坡连接段—地头闸—……”灌溉运行模式。通过运行实践，水流从急流转化成缓流的瞬间，水面是平缓的，农田得到了正常灌溉，工程造价大大降低，而且工程设施冻涨问题得到了有效解决。

3 “一闸一曲一缓一闸”设计施工法

该方法是在“一闸一跌”法和“一闸一陡”法相结合的基础上进一步改进的设计施工法，其特点是适应水流从急流转化为缓流瞬间变化能力，工程造价低，设计施工便于掌握，灌溉结束后渠道和闸室内不存积水，冻涨问题能得到有效解决。该施工方法在山丹县已得到群众的普遍认可。

3.1 渠道断面

近年来，随着山丹县末级渠系配套工程的实施，建筑材料基本以砼预制U 型槽为主，此次笔者将以实例做一详细叙述，渠道设计流量Q=0.3 m3/s，设计断面见图1。

图1 渠道横断面图

3.2 渠道流态判别

通过近年来末级渠系配套工程的设计与施工，当地头闸设置于急流渠段处，由于闸前行近流速大，地头闸向地块分水时，导致水流跃出水槽，影响农田正常灌溉[3]，甚至造成农田无法灌溉。为此，引入弗汝德数（Fr）判别流态，通过试算法推导出临界断面A和临界水深h，最终导出临界坡降i。

3.2.1 弗汝德数（Fr）。当弗汝德数Fr=1时，为临界流；当弗汝德数Fr＞1 时，为急流；当弗汝德数Fr＜1 时，为缓流。

Fr2=，其中Q表示过水流量（m3/s），B表示过水断面相应的水面宽度（m），g表示重力加速度（取9.81 m/s2），A表示过水断面面积（m2）。当Fr2=1，过水流量Q=0.3 m3/s时，相应以上图砼U型槽为例，经试算，过水断面面积A=0.176 3 m2，相应的水面宽度B=0.595 m，临界水深h=0.385 m。

3.2.2 临界坡降（i）。依据以上数据，过水流量Q=0.3 m3/s，断面面积A=0.176 3 m2，临界水深h=0.385 m，代入明渠均匀流公式其中，C表示谢才系数，，n表示渠道糙率，取0.017；R表示水力半径，X表示过水断面相应的湿周（m）。经试算，渠道的临界坡降i=1/110。

当渠道坡降i=1/110 时，为临界流；当渠道坡降i＞1/110时，为急流；当渠道坡降i＜1/110时，为缓流。

3.3 临界坡降在末级渠系工程中的操作

近年来，山丹县通过实施马营河大型灌区续建配套与节水改造项目、寺沟中型灌区改造、重点县项目、农综项目和土地整理项目，水利基础设施得到了极大的改善，末级渠系配套工程随之全面铺开。但由于地形条件的限制，加之技术方面的困扰，一度使技术人员陷入盲区，通过理论与实践的反复结合，最终实现了竖曲线在末级渠系工程中的应用[4]。

3.3.1 下级地头闸前坡降控制。通过以上水力计算确定，该实例砼U 型渠渠道设计流量Q=0.3 m3/s，临界坡降i=1/110。在实际操作中，将渠道坡降控制在i=1/120，渠水深0.4 m，Fr2=0.87，闸前水流在缓坡状态。

3.3.2 上级地头闸后竖曲线与下级地头闸前缓坡段的衔接。由于山丹县基本农田地处冲洪积扇倾斜平原区，相邻地块间落差一般在0.3～0.9 m，上、下游地头闸之间的净距在20.0 m 左右，按照自然地形进行设计，上、下游地头闸间的渠道坡降（i）为1/67～1/22，流态属急流，不易建闸。为此，笔者以上、下游地头闸高差h=0.6 m、净距L=20 m为例进行分析。

如2 图所示，初始陡坡长度T1=5 m，起点高程A=100.00 m，终点高程G=99.525 m，高差h=0.475 m，坡降i=1/10.53；初始缓坡段长度GF=15 m，起点高程G=99.525 m，终点高程F=99.400 m，高差h=0.125 m，坡降i=1/120。则夹角4.975°；利用圆曲线公式计算，曲线半径，外矢矩cos4.975-1）=0.22 m，矢高=57.44×（1-cos4.975）（1-cos 4.975）=0.22 m。

依据以上数据可确定C点高程等于G点高程加外矢矩E，则C（高程）=G+E（外矢距）=99.525+0.220=99.745 m，E（高程）=15×1/120+F=0.125+99.4=99.525 m。

B点高程等于A、C两点高程之和的1/2减去1/4倍的矢 高h，则B=（A+C）/2+h/4=（100+99.745）/2+0.055=99.93 m。

同理，可求得D=（C+E）/2+h/4=（99.745+99.525）+0.055=99.69 m。

至此，相邻两闸口间的点位高程依次为A=100 m，B=99.525 m，C=99.745 m，D=99.690 m，E=99.525 m，F=99.400 m。

图2 竖曲线与缓坡衔接示意图

3.3.3 竖曲线在我县渠道工程中的应用。竖曲线在山丹县水利过程中应用较为广泛，在山丹县马营河大型灌区续建配套与节水改造项目中就曾得到过应用。在大、中型渠道变坡点处，按照常规做法，在渠道运行过程中容易起浪花，水流不平稳。在变坡点处采用竖曲线衔接后，水流平稳了，浪花也消除了[5]。无论是陡坡与陡坡、陡坡与缓坡、缓坡与陡坡衔接，还是缓坡与缓坡衔接，效果均良好。

如图3 所示，渠道上段坡降i1=1/500，下段坡降i2=1/50，B点位变坡点，为进一步简化计算，取切线长T1=T2，则夹角

图3 竖曲线放样图

依据以上确定数据，由B点的高程数据减去外矢矩E的数据，可得到E点高程（或者A、C两点的高程数据平均后可得到F点的高程，再用F点的高程加矢高h的数据，可得到E点高程），G点高程由A、E两点的高程数据平均后可得到H点的高程，再用H点的高程加矢高h/4 的数据，可得到G点高程。依据此方法可得到其余点的高程数据，依次联结渠道竖曲线点A、W、G、K、E、O、M、Q、C，放样结束。

近年来，在党的富民政策指引下，山丹县末级渠系配套工程全面铺开，两闸口间的渠道衔接问题显得较为突出，在不违背自然地形条件的情况下，水流为急流，只满足渠道输水要求，在农田灌溉阶段，则水流跃出水槽，影响工程运行。通过推广两闸口间竖曲线衔接，目前工程运行良好。

4 竖曲线施工方法的适应范围

第一，针对于干、支渠道，在变坡点处，可采用竖曲线施工方法衔接上、下游渠段，衔接的渠段可以是陡坡与陡坡、陡坡与缓坡、缓坡与陡坡、缓坡与缓坡。

第二，在渠道变坡点上、下游处，采用竖曲线施工方法衔接，切线长不宜过长（小于或等于20 m），长了不易施工；也不宜过短（一般为10～20 m），过短不能平顺渠道水流。

第三，在末级渠系配套工程中，两闸口间，落差较小，渠道水流为缓流，则直接进行渠道联结，不采用竖曲线施工。

第四，在末级渠系配套工程中，两闸口间，距离较短（20 m）落差较大（大于1 m以上），则不易采用竖曲线施工。

第五，在末级渠系配套工程中，竖曲线施工法，主要适应于两闸口间自然坡降在1/100～1/20的渠段，缓与1/100的渠段，接近缓坡流态，两闸口间的渠道可直接联结；陡于1/20的渠段，渠道流速超出规范要求，两闸口间的渠道可采用陡坡、跌水或倒虹吸衔接。

5 结语

在基层农田水利工程设计与施工中，水力计算按明渠均匀流计算的约占95%，按明渠非均匀流计算的仅占5%。这就导致地头闸在运行过程中存在水流跃出水槽的现象。对此，建议在灌溉渠道设计中，将渠道分为输水渠道和灌溉渠道来进行设计，输水渠道长距离输水，按明渠均匀流计算；遇到闸口分水处，需在闸口上游段调整为缓坡，以利于分水；在末级渠系田间渠道设计中，为避免分水闸口在运行过程中水流跃出水槽，宜考虑明渠非均匀流计算，应用“竖曲线”法设计施工。