汭河灌区南干渠维修改造渠道设计分析

张海燕

（崇信县水利服务站，甘肃 平凉 744200）

汭河灌区位于崇信县中部［1］，分布在汭河左右两岸，覆盖县城东西30km区域。建国以来该灌区经过多次改建，形成了控制灌溉面积1166.67hm2的中型灌区。为了合理利用水资源，进一步改善农业生产条件，提高抗旱减灾能力，大力发展节水灌溉，崇信县2008年实施了汭河灌区续建配套与节水改造项目。但由于当时资金有限，仅对灌区设施严重老化失修，渠道及渠系建筑物严重淤积破坏的部分进行了处理。近几年，由于维修和管理经费不足，灌区设施不能及时得到维修，老化失修及人为破坏严重，南干渠内杂草丛生，居民区渠道破坏严重，灌溉水很难到达下游灌溉地区，渠道接近报废，不能正常通水运行，严重影响渠道输水效率。因此南干渠维修改造迫在眉睫。

1 渠道横断面衬砌方案比选

南干渠现状断面型式为梯弧形断面，分为浆砌石断面和预制板断面。由于现状渠道的破坏及淤积，需要对这两种断面的渠道进行清淤维修，初步设定如下的3种渠道横断面的衬砌方案［2-4］。

方案1：为梯弧形断面，采用M10砂浆砌混凝土预制板衬砌。明渠下铺设0.2～0.3m厚砂砾垫层，再采用混凝土预制板衬砌，以防渗漏冻胀。明渠每隔5m设一横向伸缩缝，缝宽2cm，缝内背水面填M10砂浆，迎水面填1∶4水泥沥青砂浆，每隔100m设一道截水墙，厚度0.3m，采用C20混凝土现浇。

方案2：为梯弧形断面，同样采用M10砂浆砌混凝土预制板衬砌。明渠下铺设0.2～0.3m厚砂砾垫层，铺设土工膜，再采用混凝土预制板衬砌，以防渗漏冻胀。明渠每隔5m设一横向伸缩缝，缝宽2cm，缝内背水面填M10砂浆，迎水面填1∶4水泥沥青砂浆，每隔100m设一道截水墙，厚度0.3m，采用C20混凝土现浇。

方案3：为浆砌石U型断面，采用M10砂浆砌块石衬砌。下铺设土工膜，然后用C15混凝土现浇0.03m厚的垫层，再采用0.3m厚的M10浆砌块石衬砌，以防渗漏冻胀。明渠每隔10m留一横向伸缩缝，缝宽2cm，缝内背水面填M10砂浆，迎水面填1∶4水泥沥青砂浆，每隔100m设一截水墙，厚度0.3m，采用C20混凝土现浇。

3种渠道横断面初设方案经济比较如表1。

表1 渠道横断面初设方案经济比较

从水力要素角度讲，渠道横断面采用梯弧形断面和U型断面形式，近似于最佳水力断面，流速分布比较均匀，不易淤积，两种断面形式均可采用。对于方案1，渠底有一定的反拱作用，在渠底下铺设砂砾垫层，透水性好，能增加砌体抵抗冻胀的能力，可减少渠道的裂缝和位移；对于方案2，在方案1基础上铺设了土工膜，同样可防渗防冻胀；对于方案3，渠底下铺设土工膜，然后用C15混凝土现浇5cm厚的垫层，再采用0.3m厚的M10浆砌块石衬砌，同样防渗防冻胀。从技术角度讲，3种方案均可采用。但从表1中经济比较可知，方案1投资较小，方案3最大。而从引水安全和防渗技术上来讲，方案2最好，故采用方案2。

2 渠道断面设计

2.1 渠道有关技术参数设计

2.1.1 边坡系数选择

渠道边坡系数m的选择，主要取决于渠床的地质条件及渠道挖填的高度，根据渠道沿线工程地质条件并参照汭河灌区工程建设的经验，渠道边坡系数选择为：填方渠段外边坡系数m=1.0，挖方渠段渠堤以上边坡系数m=0.75。

2.1.2 渠道糙率系数选择

参照已建工程实测资料和经验并考虑到目前施工单位的施工技术水平［5］，预制混凝土衬砌渠道糙率系数取n=0.017。

2.1.3 渠道安全超高

渠道安全超高（Δh）与渠道的级别、流量等因素有关，根据有关技术规范及已建工程实际资料，并结合本次南干渠道整治的规模，选定Δh=0.2～0.3m。

2.1.4 渠堤顶宽设计

各级渠道岸顶宽度基于渠道设计流量的大小及有无交通要求而确定。本次南干渠道维修规模较小，渠堤宽度仅考虑通行三轮车以便维修管理渠道。因此渠道的岸顶宽度为：挖方段和填方段均采用采用1.5m。

2.1.5 渠道纵断面设计

南干渠道维修工程保持现状渠线不变，除崇大公路涵洞至蔺家沟涵洞段297m需将渠底降低0.463m外，其他段设计比降和现状渠道比降一致。为了确保供水通畅，设计以蔺家沟涵洞底板高程为基准，按1/2000的比降向上游缓调渠底，消除高差。

2.2 渠道过水横断面设计

2.2.1 渠道横断面尺寸计算

渠道横断面尺寸受渠道设计流量、设计纵断面及糙率系数等因素影响，通过水力学计算加以确定。一般情况下，灌溉渠道在一定长度段比降应尽量保持不变，断面应均匀，单位断面流量基本相等。渠道横断面设计采用明渠均匀流公式计算［6］，即

式中 Q为渠道设计流量（m3/s）；A为渠道过水面积（m2）；C为谢才系数；R为水力半径（m）；n为糙率系数；I为水力坡降，与渠道底坡比降一致。

2.2.2 渠道横断面垫层厚度计算

南干渠明渠工程由于渠基大都坐落在低液限粉土、低液限含砂砾粉土地基之上，该土层透水性较大，渠道需采用防渗措施，以减小渠道的渗漏和冻胀，确保渠基的稳定和渠道完好对砂砾垫层厚度设计如下：

2.2.2.1 标准冻深设计

根据崇信县城气象站多年各月最大冻深值，绘制频率曲线，相应于10%的最大冻深值为0.46m。

2.2.2.2 渠道断面上的冻深分布

南干渠均为由西向东走向，地下水位在6m以下，因此冻深值不作修正，渠道底部冻深为0.38m，沿渠道横断面的冻深分布如表2。

表2 渠道横断面上冻深分布

2.2.2.3 砂砾换填厚度及要求

根据渠道沿线取样的试验结果，渠道土壤属于砂壤土，可设换填比为40%～50%。渠道所在区域日照良好，换填比取平均值为45%。在确定冻土深和换填比的情况下，换填厚度计算结果如表3。

表3 渠道横断面换填厚度分布

3 渠道维修改造设计

3.1 浆砌石渠道维修设计

南干渠道约0.513km现状为浆砌石渠道，存在轻微淤积，砂浆抹面脱落，砌石勾缝破损等问题。宜采取清淤、挂网和加防渗面板措施。清淤采用人工挖除，架子车及三轮车拉运，倒于弃渣场。人工凿除砂浆抹面后，挂网采用人工植筋，φ12锚固钢筋间距1.0m，植入现状渠道0.18m，缝隙用M10水泥砂浆塞填。防渗面板厚0.1m，压顶宽0.4m，厚0.15m，均采用C25钢筋混凝土现浇。维修后渠道断面型式为梯弧形，渠口宽1.8m，深0.95m，边坡比为1∶1，相应反弧圆心角为90°，反弧半径为0.479m。

3.2 重新衬砌渠道设计

长度约有3.131km的南干渠道破损严重，需重新衬砌。重衬渠道前，应先人工清淤，人工拆除现状渠道预制板，清理干净，就近堆放，以便重新利用。根据损坏预制板的类型和数量，按照对应类型尺寸，补充预制板相应的数量。重新衬砌的渠道断面型式为梯弧形，渠口宽2.2m，深1.0m；边坡比为1∶1，相应反弧圆心角为90°，反弧半径为0.45m。为了减小渗漏，防止冻胀，渠底铺筑河床混合料垫层0.2～0.3m，铺设0.3mm厚土工膜后，再采用M10砂浆砌C20混凝土预制板衬砌，板厚0.08m；压顶宽0.2m，厚0.08m，采用C20混凝土现浇。渠道每隔5m设一横向伸缩缝，缝宽2cm，缝内背水面填M10砂浆，迎水面填1∶1∶4水泥沥青砂浆，每隔100m设一道截水墙，厚度0.3m，采用C20混凝土现浇。夯填土干容重rd≥1.65t/m3。

4 结语

汭河灌区是崇信县粮食和经济作物的主要种植区域之一，其中的南干渠道为粮食作物的生产提供重要水源保障。对现状南干渠道的维修改造，有助于先进水利设施进一步配套，有力提高现代水利化程度，有利于逐步运用技术，推广无公害农业；有利于提高了汭河灌区的抗旱保收能力，有助于当地调整农业产业结构，发展经济作物提高群众收入。在满足现状灌溉用水的基础上，能够恢复部分灌溉面积，同时使灌区的水资源得到合理配置，促进水资源的可持续利用。南干渠道的建设与发展，对崇信县农业综合利用开发和农村经济的可持续发展、保障社会经济的健康稳步发展都有十分重要的意义。