某大型灌区续建改造工程中灌排渠改造设计研究

李瑞英

(盘锦市大洼区水利服务中心，辽宁 盘锦 124200)

0 引 言

灌区内配套与节水改造是进一步提高灌区项目区农作物产量和调整农业种植结构的有效方法，灌区内干渠由于多年渠道修缮投入不足，工程老化失修、加之项目区内的渠系普遍不配套，骨干输水渠道又多为土渠，坍塌、淤积堵塞严重，L加上土质疏松，渗漏严重，输水损失大，灌溉水利用系数偏小，无效耗水大，有限的可供水量不能很好地发挥作用，加剧了水资源的供需矛盾。因此，进行灌区改造配套渠道工作，大力推广节水技术措施，提高水利用率，使有限的水资源充分发挥其应有的效益，从根本上解决灌区缺水问题，是促进整个灌区经济发展和社会进步的必由之路，不仅是十分必要的，同时也是非常迫切的。灌区内种植结构为小麦、玉米、棉花、蔬菜和水稻，现状灌排渠渠道行洪断面不满足5a一遇的洪水标准，部分渠段破损及渗漏严重，本次考虑将现状渠道改造为直斜复合式衬砌断面，进行灌排渠道断面设计研究[2]。

1 灌排渠工程设计

1.1 设计洪水

本次灌排渠治理段为 0+000-1+495，治理河段长1.495km。灌排渠治理设计洪水标准为10a一遇，其中：里程0+000-1+041段5a一遇洪水为38.7m3/s，10a一遇洪水为54.5 m3/s；里程1+041-1+495段5a一遇洪水为40.5m3/s，10a一遇洪水为56.8m3/s。。

1.2 治理方案选择

本次灌排渠治理中横断面有矩形断面、梯形断面、复式断面三种断面型式选择[2-3]。方案一矩形断面占地面积小，砌体工程量较大，投资高，断面安全、休闲、亲水性、美观性差；方案三梯形断面护坡，占地面积多，砌体工程量小，水面宽度大，美观性差，休闲、亲水性稍差；方案二复式断面占地面积、砌体工程量居中，休闲、亲水性强，美观性好。由于矩形断面砌体工程量大，投资高，而梯形断面占地多，综合考虑到灌排渠两岸土地资源珍贵，最终选择横断面采用以复式断面为主的方案二，5a洪水位以下采用浆砌石护脚，5a一遇洪水位至堤顶采用土堤回填，内、外侧堤坡设计坡比为1∶1.5，局部段采用M7.5浆砌石防洪墙防洪，治理方案比选见图1[1]。

图1 治理方案断面比选

1.3 分段治理方案

根据治理原则为在保证河道行洪断面的前提下，少占不占耕地、节约投资，就地取材，分段确定治理方案。根据地形地质及沿河滩地耕地分布情况，本次治理河段分段情况见表1和表2。

表1 灌排渠工程左、右岸分段治理表

表2 灌排渠治理后水面线成果表

1.4 水面线计算

设计起始水深采用治理段末端下游河道处控制水深作为水面线计算起始水深。鉴于本次治理段河道断面无实测水位流量关系，起始水深采用曼宁公式计算，其中水力要素根据实际纵横剖面图计算[4]，糙率根据河床组成及岸边情况选择主槽糙率为0.030，河道断面、底坡采用实测地形纵横剖面图计算，设计流量通过工程实测得到。

1)计算原理

本次对现状河流水面线计算采用水面线计算程序《MIKE 11》进行分析计算，该软件是由丹麦水利研究所(DHI)研发，是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流圣维南(Saint-Venant)方程组来模拟河流或河口的水流状态。其方程组的具体形式如下[5]：

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

方程(1)为连续方程，反映了河道中的水量平衡。方程(2)为动量方程，其中第一项反映某固定点的局地加速度，第二项反映由于流速的空间不均匀引起的对流加速度。前两场合称为惯性项。第三项反映了水深的影响，为压力项。第四项反映了摩阻和底坡的影响。对治理后河道水面线复核成果见表2。

图2 灌排渠治理后水面线示意图

1.5 河堤堤顶超高

根据《堤防工程设计规范》GB50286-2013，堤顶高程为设计水深加堤顶超高确定。本工程为10a一遇设计洪峰流量，按天然河道水面曲线计算方法，推求整治河段沿程设计水面线。考虑到河道宽度较小，本次不在计算波浪爬高与风壅高，取河堤超高为0.3m。

图3 浆砌石挡墙计算简图

2 挡土墙稳定分析

设计灌排渠0+900-1+050段采用M7.5 浆砌石防洪墙防洪，本段防洪墙墙高最高(3.0m)，故取此段防洪墙进行计算。采用理正岩土挡土墙设计程序，对重式挡墙进行了抗滑、抗倾及地基应力计算。

计算采用M7.5浆砌石挡墙，墙后回填土的内摩擦角φ=24°，土壤天然容重1.8T/m3，饱和容重1.95T/m3，基础与地基间的磨擦系数U=0.4，浆砌石容重2.2T/m3(浮容重1.2 T/m3)。

2.1 计算简图

根据水工设计断面形式，采用朗肯土压力进行计算，根据 GB50286-2013《堤防工程设计规范》[6]确定边坡稳定允许安全系数。

2.2 计算原理

1)计算原理

文章进行挡土墙所受土压力大小时，按照库仑理论计算，计算公式如下。

(3)

h0=q/γ

(4)

(5)

(6)

式中：γ为土壤容重，T/m3；δ为土壤与墙背间的摩擦角，°；φ为土壤内摩擦角，°。

2)稳定计算

挡土墙稳定计算包括挡土墙抗滑稳定验算、抗倾覆稳定验算以及基底应力验算，三者的计算公式如下。

滑动稳定验算

(7)

滑动稳定验算

(8)

基底应力验算

(9)

式中：WN为挡土墙重量，kN/m；EN为主动土压力的竖向分力，kN/m；EX为主动土压力的水平分力，kN/m；f为基地摩擦系数，参考规范取值；ZW、ZEV、ZEX分别为W、EN、EX对O点的力臂，m；B为挡土墙宽度，m。

3)计算成果分析

采用理正岩土挡土墙设计程序，得到的挡土墙计算结果见表3。

表3 挡土墙稳定计算结果

经计算浆砌石挡墙在完建工况下，抗滑稳定系数和抗倾稳定计算最小安全系数均满足规范要求[2]。

3 结论及建议

灌区内水资源供需矛盾突出，灌排渠道、管道及配套设施陈旧、老化及损坏严重，渠道渗漏严重，水资源利用率较低，若新建水源工程需要投入的资金较大，历史较长，所以中型灌区内进行灌溉配套设施续建及改造是行之有效的方法，急需配套、改造渠道以缓解供需水矛盾。该工程于2018年10月进行配套改造施工，2019年2月完工，改造后灌排渠道满足防洪要求，减少水量渗漏，取得了较好的结果。