灌区提升改造渠道设计的几点心得

□郭宏亮

依据《大型灌区续建配套与现代化改造实施方案编制技术指南》，输配水工程改造与提升建设标准划分为3个等级。一级标准：即工程设施改造与提升后达到的最低标准，工程设施的功能、过流能力达到设计要求，基础、结构稳定，处于完好状态。二级标准：在一级标准的基础上，进行达标改造，即工程设施的结构和耐久性达到可靠和合理使用年限，维养道路通达、安全防护设施齐全。三级标准：在二级标准的基础上，在生态、景观、水文化建设方面加以提档升级，采取生态工程法、生态化配套建设。

灌区改造时应遵循以上原则，确定合理建设标准，进行工程设计，灌区渠道设计有着与河道、新建输水渠道等不同的特点，本文总结了以下几点灌区渠道的设计心得。

1.渠道流量设计

渠道流量的设计，要根据灌区系统规划，结合灌溉面积及近年完成的相关渠道上段或中上段续建配套工程设计为基础，结合渠道运行现状，对设计流量进行复核。

渠道工作制度：结合灌区历年管理运行经验进行分析渠道工作制度，比如分干渠以上渠道按续灌设计，支渠及其以下渠道按轮灌设计。渠道流量计算分续灌和轮灌两种情况。

支渠流量计算按以下程序进行：支渠为轮灌渠道，由上级渠道集中供水，其设计流量不直接决定于本身控制面积的大小，而取决于上级渠道供水流量的大小及同时工作的轮灌渠道数目。根据支渠供给的田间净流量大小，考虑田间及沿渠损失，向上逐级推求渠道毛流量。

轮灌渠道的设计流量按下式计算：

式中：

Q设—渠道设计流量(m3/s)；

Q设—渠道毛流量(m3/s)；

Q田净—田间净流量(m3/s)；

q—设计灌水率(m3/s/万亩)；

w—计算渠道的设计灌溉面积(万亩)；

η系—计算渠道至田间的渠系水利用系数；

η田—田间水利用系数。

干(分干)渠流量计算按以下程序进行：干(分干)渠为续灌渠道，在求得各支渠取水口的毛流量后，可从最远一条支渠的取水口依次向上推算各干(分)渠各段设计流量。

续灌渠道的设计流量按下式计算：

式中：

T—设计的灌水周期(天)；

t—轮灌组灌水时间(天)。

2.渠道纵横断面设计

2.1 渠道纵断面设计

大部分灌区的渠道均已运行多年，部分渠段存在冲刷、淤积现象，但各级渠道现状纵坡基本合理，设计渠道纵坡时应在现状基础上，在满足改造段内桥梁、节制闸等建筑物底板高程衔接要求的前提下，根据各段灌溉流量综合确定。同时支渠依据田间灌溉需要水位和进口渠道可提供水位，结合实测现状地形，以能满足灌溉要求为原则，在渠道满足不淤流速的前提下，确定渠道纵坡。

2.2 横断面设计

输水明渠断面型式主要有梯形断面、U形断面、抛物线形断面等。梯形断面渠道施工方便、边坡稳定，U形断面、抛物线形断面防冻胀效果较好。断面选取经对现有渠道进行调查，了解历年改造渠道施工及运行情况，一般情况下梯形渠道及U形、抛物线形渠道，运行情况均良好。考虑施工方便，既有渠道在满足设计过流能力的前提下，尽量保持现状断面不变，同时考虑断面规整对局部冲、淤渠段，进行削、填处理后进行梯形断面防渗衬砌。

2.2.1 边坡系数

根据《渠道防渗衬砌工程技术标准》(GB/T50600-2020)，结合工程现状情况及边坡稳定计算确定，并综合考虑占地等影响，采取合理的工程措施，从而确定渠道的边坡系数。

2.2.2 渠道糙率

根据水力计算手册第二版，结合工程多年运行经验，并适当考虑运行期渠道的变化情况，综合选取渠道糙率，一般明渠现浇混凝土衬砌渠道糙率可采用0.014～0.017。

2.2.3 横断面

灌区工程渠道改造一般为既有渠道衬砌改造，故设计时应结合现有渠道断面情况，横断面在满足过流能力、灌溉水位要求的前提下，基本维持现状渠道底宽。

2.2.4 渠道岸顶超高

依据《灌溉与排水工程设计标准》和《堤防工程设计规范》，1～3级渠道岸顶超高按如下公式计算：

式中:

y—堤顶超高，m；

R—最大波浪在堤坡上的爬高，m；

e—最大风壅水面高度，m；

A—安全加高，m；

依据《灌溉与排水工程设计标准》，4、5级渠道按规范中公式计算确定。公式如下：

式中:

Fb—渠道岸顶超高(m)；

hb—渠道通过加大流量时的水深(m)，一般轮灌渠道不考虑加大流量。

3.渠道水位设计

渠道水面线应按照恒定非均匀流推算，并考虑渠道沿线各节制建筑物的水头损失以及分水建筑物的分水流量，起推水位结合工程实际，由末端节制建筑物或末端渠道过流能力推算。

4.堤顶宽度设计

依据《灌溉与排水工程设计标准》，万亩以上灌区干、支渠堤顶宽度不宜小于2m，斗、农渠不宜小于1m。万亩以下灌区可适当减小。设计堤顶宽度应结合堤顶交通要求及堤顶现状情况确定。

5.防渗衬砌设计

渠道的防渗衬砌型式应经过方案比选，综合考虑投资、施工、管理、使用年限等因素。例如某灌区防渗衬砌渠道经比选后，采用等厚矩形混凝土板衬砌，衬砌板厚干渠10cm，分干渠8cm，支渠根据断面规模采用8cm、6cm两种。渠道横向伸缩缝间距采用4m，边坡与渠底相接处，各设置一道纵向伸缩缝。渠道伸缩缝采用2cm闭孔塑料板填充，临水侧填充2×2cm聚硫密封胶。根据《渠道防渗衬砌工程技术标准》（GB/T50600-2020），干渠衬砌设计使用年限为50年，混凝土采用强度等级C30，抗冻等级F200，抗渗等级W6；分干渠及支渠防渗衬砌混凝土采用强度等级C25，抗冻等级F150，抗渗等级W6。

6.抗冻胀设计

衬砌渠道的地基冻胀量大于允许位移值时,主要从适应冻胀、回避冻胀、削减或消除冻胀等3个方面采取措施，使衬砌渠道的冻胀位移值满足抗冻胀要求。

例如某项目区地处浅层季节冻土区，冬季基土冻胀对渠道混凝土衬砌有一定的破坏作用。渠道防冻胀设计依据《渠道防渗衬砌工程技术标准》(GB/T50600-2020)、《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211—2006）的要求，结合以往工程经验，防冻胀保温措施主要采取在渠道衬砌板下铺设聚苯乙烯保温板。聚苯乙烯泡沫保温板的厚度可取地下水影响系数为1.0的设计冻深的1/10～1/15。

通过对渠道设计冻深进行计算确定保温板厚度。设计冻深根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》(SL211-2006)附录B进行计算：

式中:

Zd—设计冻深(m)；

Ψd—日照及遮荫程度影响系数；

Ψw—地下水修正系数，取1.0；

Zm—实测历年最大冻深(m)，取0.44m；

Ψi—典型断面某部位的日照及遮荫程度修正系数；

α—系数，可由该规范附录B中表格查得。

根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》(GB/T50662-2011)图B.1.1-1和图B.1.1-2，确定阴、阳面中部与底面中部Ψi值，根据表B.1.1-1查得阴面、阳面、底面的α值，从而计算得阴面、阳面、底面设计冻深。保温板厚度采用设计冻深的1/10～1/15，进而确定阴面、阳面和底面聚苯乙烯泡沫保温板的厚度。

7.边坡稳定计算

边坡稳定计算可采用河海大学工程力学研究所《水工结构有限元分析系统》(AutoBANK7.07)进行计算。由该程序计算出浸润线，进行边坡稳定计算。根据《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)中规定确定不同级别的堤防抗滑稳定安全系数。根据工程运行情况，确定计算工况。

8.结语

既有灌区渠道的改造，应充分考虑现状渠道规模及纵横段面，区别新开渠道的纵横段设计。现有渠道改造要同时考虑过流要求、水位要求、断面规整、施工及经济等因素，不宜做大的削、填处理。既有渠道断面较大，流量较小，水位较低的渠道，应结合节制闸的布置考虑节制运行，不宜缩小渠道断面进行大的土方工程。□