北滩灌区支渠改造工程设计

许永

（兰考县水利局，河南 兰考 475300）

1 灌区基本现状

北滩灌区始建于1996年，灌区原渠首为引水闸，位于蓝丰浮桥上游约15 m处。近年由于黄河河床下切，黄河水位下降，原有的渠首引水闸失去原有的引水功能，因此需要建设取水泵站引水。原渠首位置空间受限，距离下游的黄河蓝丰浮桥较近，不能放置流量较大的浮船泵站。结合当地黄河沿线的岸坡现状，拟选取位于原渠首闸上游300 m 处的东方红灌区渠首（东方红提灌站）处新建浮船泵站。

2 灌区水文地质状况

2.1 灌区自然经济状况

北滩灌区总面积80 km2，耕地约0.76万hm2，设计灌溉面积0.52万hm2，分属兰考的东坝头、谷营镇（原谷营乡和爪营乡合并）、固阳三个乡镇的35个行政村。

北滩灌区现状作物种植结构为：滩区小麦85%，玉米85%，其他作物10%，复种指数180%。现状作物亩均产量约为：小麦6 240 kg/hm2、玉米6 900 kg/hm2。

2.2 地形地貌

北滩灌区属黄河冲积平原，由于历史上黄河泛滥，黄泛淤积使地形变化很大，地势由西北向东南倾斜，比降平缓，一般在1/4 000～1/5 500。黄河决口处及黄河故道形成岗洼相间、波状沙地地貌。沙岗大小不等，形状各异，一般高度不超过3 m，坡度约30°，长数十米至数百米。

2.3 气候

根据《中国自然区划》气候分类，北滩灌区属暖温带半干旱半湿润大陆性季风气候，气温、日照、降水及蒸发在年内随季节变化而变化，四季分明，冬季气温干燥寒冷，夏季潮湿、雨量集中。多年平均气温为14.20℃，无霜期213 d，多年平均日照时数为2 391.60 h，日照率为54.60%，气候温和，光照和热量资源充足，适宜各种作物生长。

2.4 岩土类型、分布及工程等特性

根据静力触探、钻探、标贯及室内土工试验结果，在勘探深度范围内将地层共分为6层，现分别对本场地所揭露地层予以描述：

①粉土（Q4al+pl）：黄褐色，稍湿，稍密，局部有砂感。摇振反应中等，切面无光泽，干强度低，韧性低。该层底部局部夹黏性土薄层，土质偏软。上部50 cm 为耕植土，含植物根系等。该层场地内普遍分布。

②粉砂（Q4al+pl）：褐黄色，稍湿-饱和，中密，局部稍密。矿物成分主要为石英、长石、云母碎片，颗粒级配一般。局部夹粉土薄层，土质偏软。该层场地内普遍分布。

③粉土夹粉砂（Q4al+pl）：褐黄色，湿，中密，局部有砂感。摇振反应中等，切面无光泽，干强度低，韧性低。局部夹黏性土薄层。该层场地内普遍分布。

④细砂（Q4al+pl）：灰褐色，中密，饱和，矿物成分主要为石英、长石、云母碎片。颗粒级配一般，局部夹黏性土薄层。该层场地内普遍分布。

⑤粉土夹细砂（Q4al+pl）：褐黄色、灰褐色，稍湿，中密，局部为细砂。摇振反应中等，切面无光泽，干强度低，韧性；局部夹黏性土薄层。该层场地内普遍分布。

⑥细砂（Q4al+pl）：灰褐色，密实，饱和，矿物成分主要为石英、长石、云母碎片。颗粒级配一般，局部夹黏性土薄层。该层场地内普遍分布。

(2)钦州石夹剖面硅质岩主量元素各特征值及其比值与图解显示，研究区的硅质岩在强烈的生物作用下形成，并有显著的陆源物质加入，沉积环境主要为大陆边缘，且D-C界线处可能受过热液活动的影响。

该层厚度未穿透，最大揭露深度为30 m。

3 灌区续建配套与节水改造工程

北滩灌区自建成后为兰考县农业经济发展和农民生活水平提高发挥了重要作用，但限于灌区建成时资金、技术等条件，灌区工程建设标准低、质量差，渠道及渠系建筑物配套程度低。并且由于缺乏必要的资金投入，渠道及渠系建筑物得不到及时的维护和更新，导致工程老化失修、破损严重，致使渗漏损失大，输水效率低，灌溉水利用率和灌溉保证率低，造成灌区有效灌溉面积逐渐衰减，实际灌溉面积不断萎缩，严重制约着灌区农业经济的发展。为改善灌区农业生产条件，提高农业特别是粮食综合生产能力，增加灌区农民收入，提高农民生活水平，亟须加强灌区农业水利基础设施建设。

4 灌区支渠改造工程设计

北滩灌区共有支渠五条，现状均为土质渠道，为灌排两用渠道。其中一支渠长度为7.13 km，二支渠长度为3.97 km，三支渠长度为8.94 km，四支渠长度为6.65 km，五支渠长度为5.31 km；此次项目计划安排支渠渠道硬化衬砌工程，详细计算如下。

4.1 不冲流速

渠道的不冲流速根据《灌溉与排水工程设计规范》附录C中表C.0.4 防渗衬砌渠道允许不冲流速（混凝土）取值：现场浇筑<8 m/s，预制铺砌<5 m/s，喷射法施工<10 m/s。

4.2 渠道比降确定

由于渠道直接由黄河引水，黄土地区浑水渠道的渠底设计比降可按下式计算：

式（1）中：ρ——浑水渠道水流挟沙能力（kg/m3）；ω——泥沙沉降速度（mm/s）；Qh——浑水渠道设计流量（m3/s）。

估算渠底比降为1/5 500，为使工程量较小，尽量选择渠底的比降与自然地面比降接近，初步选择渠底比降为：一支渠1/5 000、二支渠1/2 500、三支渠1/2 500、四支渠1/2 500、五支渠1/3 333。

4.3 排涝计算

根据《灌溉与排水工程设计规范》平原区旱地设计排涝模数按下式计算：

式（2）中：q——旱地设计排涝模数［m3/（s·km2）］；T——排涝历时（d）；R——设计暴雨产生的径流深（mm）。

根据《灌溉与排水工程设计规范》排涝标准的设计暴雨重现期应根据排水区的自然条件、涝灾严重程度及影响大小等因素，可采用5—10 a。根据调查，结合北滩灌区实际情况，设计暴雨重现期选5 a。北滩灌区主要种植为小麦、玉米等旱作物，设计暴雨历时选24 h暴雨，排除时间选2 d排出。

查《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》（河南省水利勘测设计院1984年）中图11《河南省最大24 h点雨量均值图》及《河南省最大24 h 点雨量离差系数图》得，最大24 h 点雨量均值H24=100，变差系数Cv=0.50，偏态系数Cs=3.50 Cv=1.75，按5年一遇暴雨重现期，查《皮尔逊Ⅲ型曲线模比系数Kp值表》得模比系数Kp=1.33，则5年一遇24 h雨量P=kp×H24=132.60 mm。

查《河南省水利工程水文计算常用图》（73 图集）中图47《平原地区降雨径流关系曲线图》表，最大初损值Imax=100 mm，取前期影响雨量pa=0.60Imax=60 mm，则P+Pa=192.60 mm，以此查图47《河南省平原地区降雨径流关系曲线图》曲线VI，得径流深R=68.68 mm。

将参数R=68.68 mm，T=2 d，代入排涝模数计算公式得，q=0.40。

渠道排涝流量计算成果见表1。

表1 渠道排涝流量计算成果表

4.4 灌溉流量计算

北滩区选用灌水率0.02 m3/（s·万hm2）作为设计净灌水率，渠道渠系水利用系数为0.65，设计毛灌水率为0.04 m3/（s·万hm2）。见表2。

表2 渠道灌溉流量计算成果表

4.5 渠道断面设计

渠道的纵、横断面设计应符合以下要求：①首先要保证渠道输水能力、水流通畅和边坡稳定；②各级渠道和渠道各分段之间要衔接平顺；③渠道渗漏损失量较小；④五条支渠为灌排两用，承担部分排涝功能，渠道设计流量取排涝和灌溉流量的较大值；⑤为减少渠道开挖、回填工程量，应结合渠道现状，确定渠道断面尺寸。

渠道横断面尺寸应根据渠道过水面积、设计流量和比降等通过水力计算确定，可按下式计算：

各支渠水力计算成果具体详见表3。

表3 渠道设计成果表

4.6 渠道渠顶超高

根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-2018）有关规定，4、5级渠道岸顶超高按下列公式计算：

式（4）中：Fb——渠道岸顶超高（m）；hb——渠道通过加大流量时的水深（m）。

根据各支渠水力计算成果，按上述公式计算超高为：0.48～0.54 m，此工程主要建筑物级别为4级，渠道衬砌超高可适当减少，确定为设计水位加0.50 m。

5 总结

项目实施完成后，灌溉水利用率显著提高，渠道输水渗漏问题得到改善，年增节水能力896.69 万m3。大大改善了灌区农业生产条件，可恢复灌溉面积0.09 万hm2，改善灌溉面积0.30 万hm2。新增粮食生产能力288.60 万kg，新增其他农产品生产能力32.90 万kg。按现行价格计算，新增产值695.63 万元，灌溉效益313.03万元。促进了灌区治安的稳定，增加了农民的收入，使农村经济得到了发展，社会更加和谐。