胡德保，查恩堯

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510220)

灌區(qū)建設是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向之一，可以集中力量提高農(nóng)業(yè)種植效率，同時可將灌溉、供水、防洪、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)結(jié)合起來，對提高基礎設施利用率、改善環(huán)境和民生等均具有重大意義。廣西省位于我國西南邊陲，水資源豐富，且農(nóng)產(chǎn)品熱銷全國及東南亞地區(qū)，這造就了廣西省境內(nèi)灌區(qū)建設歷史悠久，但隨著集約化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，灌區(qū)的節(jié)水改造工程勢在必行。

1 工程概況

龍云灌區(qū)位于廣西省玉林市境內(nèi)，該灌區(qū)工程涉及玉林市玉州區(qū)、福綿區(qū)、北流市、陸川縣等4縣(市、區(qū))，行政區(qū)域面積達5268km2；下屬包含羅田、新橋、六洋、龍門等14個中小型灌區(qū)，原設計灌溉面積46.64萬畝，現(xiàn)有效灌溉面積32.38萬畝，且同時為11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、5個工業(yè)園區(qū)供水，地位十分重要。目前龍云灌區(qū)干渠總長222.85km，支渠長226.83km，渠系工程老化損壞嚴重，農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)僅0.45，供水基礎設施薄弱。為緩解這一局面，有關部門決定對龍云灌區(qū)尤其是輸水工程進行節(jié)水改造。

2 輸水渠道設計要點計算分析

2.1 輸水渠道縱坡及斷面參數(shù)設計

(1)渠道縱坡設計

龍云灌區(qū)東側(cè)有北流河自南向北流，西側(cè)有南流江自北往南流，南流江與北流河基本貫穿整個灌區(qū)。灌區(qū)地形總體上呈東高西低態(tài)勢。縱觀灌區(qū)地形特點與現(xiàn)有水源分布情況，本灌區(qū)干渠渠道縱坡設計應考慮以下幾個問題[1]。①灌區(qū)東面的民安灌片地形高程在110～140m之間，而水源地蟠龍水庫正常蓄水位為108.00m，所以需泵站提水后才能將其連通。②灌區(qū)北面的蘇六、龍門灌片地形高程在90～100m之間，而供水的九代干渠高程為95～90m，所以需泵站提水后才能將其連通。③灌區(qū)西南面羅田灌片地形高程在70～90m之間，而水源地云良水庫正常蓄水位為101.00m，輸水距離大于20km，水頭損失較大，且羅田灌片位于南流江右岸，所以需泵站提水。

綜合考慮上述因素，并根據(jù)各干渠沿線的地形特點，同時參考類似灌區(qū)工程的設計經(jīng)驗，在滿足不沖不淤流速的前提下，從“盡量擴大自流灌溉面積”思路出發(fā)來擬定龍云灌區(qū)各干渠渠道縱坡，最終確定本改造工程的干渠縱坡為1/3000～1/2000，支渠縱坡為1/3000～1/1000[2]。

(2)渠道斷面設計

渠道斷面設計遵循以下原則：①同時滿足不沖和不淤流速的要求，保證輸水能力、邊坡穩(wěn)定；②各級渠道、各分段之間水面平順銜接；③末級渠道放水口的水位高出平整后田面進水端不少于10cm；④占地少、工程量小，施工和管理方便[3]。

本項目新建明渠設計為梯形斷面，為平衡邊坡穩(wěn)定性和降低工程量，設計巖質(zhì)邊坡為1∶0.35，土質(zhì)邊坡為1∶1.25。邊坡過水斷面均采用10cm厚現(xiàn)澆混凝土襯砌，過水斷面以上邊坡采用草皮護坡，其中土質(zhì)邊坡干渠尺寸和結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 土質(zhì)邊坡干渠尺寸及結(jié)構(gòu)示意圖

此外，本項目要求在干渠渠道岸頂一側(cè)布置交通道路，其設計標準按農(nóng)村道路設計，路寬3.0m，采用瀝青碎石路面，并每隔500m設置一個6.5m寬的錯車道；支渠一側(cè)設計泥結(jié)石路面，路面寬2.5m；渡槽、暗涵、倒虹吸管采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[4]。

有些地段開挖渠道不便，設計采用輸水混凝土管，管徑根據(jù)輸水量來確定，龍云灌區(qū)主要輸水干、支渠(管)設計見表1。

表1 龍云灌區(qū)主要輸水干、支渠(管)參數(shù)設計(部分)

2.2 水閘、閥門設計分析

2.2.1水閘分類及布置位置

(1)分水閘

龍云灌區(qū)各干渠及分干渠、支渠進口處設分水閘，以便控制分水流量。分水閘底檻與上級渠底齊平或稍高于上級渠底，采用單股分水，分水角設計為60°～90°。閘前設計水位要略低于上級渠道設計流量的相應水位[5]。

(2)節(jié)制閘

龍云灌區(qū)在臨近各個分水閘或泄水閘的渠道下游，根據(jù)需要設置節(jié)制閘，用于調(diào)節(jié)水位以控制分水或泄水流量。節(jié)制閘底檻高程設計與渠底平齊，閘孔設計過水斷面面積與渠道過水斷面面積相適應。

(3)泄(退)水閘

本項目要求在重要城鎮(zhèn)、工礦區(qū)的上游附近設泄水閘，并在干渠上每隔一定距離靠近河流、山溪、河道等地方設置一座泄水閘或溢洪側(cè)堰，以便將入渠洪水泄入承泄區(qū)，保證渠道的安全；并且在干渠和支渠末端設置退水閘。退水閘中心線與渠道中心線夾角設計為60°～90°，泄水閘和退水閘底檻與渠底齊平或稍低于渠底。

本項目設計各類水閘閘室均采用開敞式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘孔孔口尺寸根據(jù)設計流量采用寬頂堰公式確定，閘下游側(cè)布置消能防沖設施。工作閘門均采用平面鋼閘門，啟閉力不大于5t的采用手動葫蘆啟閉，啟閉力大于5t的采用固定式手電兩用螺桿機啟閉[6]。

2.2.2水閘過流能力計算分析

根據(jù)水流過閘形式的不同，在此分別按“寬頂堰流”和“閘孔出流”進行水力計算，計算公式分別如式(1)、(2)所示[7]。通過計算，龍云灌區(qū)新建閘門每孔凈寬設計1.0～1.5m，干渠孔數(shù)為2個，支渠1個，滿足輸水流量的需要。

(1)

式中，Q—輸水流量，m3/s；σ—堰流淹沒系數(shù)；ε—側(cè)收縮系數(shù)；m—流量系數(shù)；b—每孔凈寬；n—閘孔孔數(shù)；H0—包括行近流速的堰前水頭，m。

(2)

式中，σ′—孔流淹沒系數(shù)；e—閘門開度，m；H0—包括行近流速的閘前水頭，m。

2.2.3各類閥門設計

對于新建輸水管道，為了保證輸配水管道的正常工作，本項目設計在管道上安裝必要的閘閥，主要有檢修閥門、放水閥、排氣閥、泄壓閥等，各類閘閥的設計標準如下：

(1)檢修閥

在穿越大型河道、公路及安裝水力控制閥前均考慮設置檢修閥，本項目要求沿管線每隔5km布置不少于1座檢修閥[8]。

(2)排、進氣閥

當管道內(nèi)壓力變化時，水中溶解的氣體析出并聚集在管道最高點，進而造成過水斷面減小而增加水頭損失。因此本項目設計在長距離輸水管道的最高點安裝自動排、進氣閥。其中對長距離無凸起點管段，每隔500m設自動排(進)氣閥。設計采用大、小孔口合成一體的高速排氣閥，口徑為主管直徑的1/8。

(3)放水(排空)閥

為排除管內(nèi)沉積物，檢修放水、冬季事故排空防凍等，在管道低凹處設計排空閥，口徑為主管直徑的1/5。

(4)減壓閥、泄壓閥

當輸水干管總水頭超過0.4MPa時，根據(jù)水錘防護需要設置減壓閥。超壓泄壓閥設在重力輸水管道末端的關閉閥上游，中間按需設置，口徑為主管直徑的1/5。

3 渠系水利用系數(shù)驗算

在實施改造項目之前，龍門灌區(qū)農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)平均僅為0.45，對輸水系統(tǒng)進行節(jié)水改造后，在此根據(jù)各級渠道采取的防滲措施，分別估算各級渠道的水利用系數(shù)，然后用各級渠道水利用系數(shù)連乘來求出整個灌區(qū)渠系的水利用系數(shù)η0，計算公式如下：

(3)

式中，K—土壤透水性系數(shù)，工程區(qū)主要為黏土、重壤土、硅質(zhì)土等，滲透系數(shù)一般在10-4m/s左右，屬中-弱透水，但土層較薄，且覆蓋層以下為強透水層石灰?guī)r，故按中等透水選用，取1.9；Q—渠道凈流量，在此取平均值作為計算流量；m—渠系平均透水性指數(shù)，取0.4；L—渠道長度。

經(jīng)過綜合考慮防滲可靠性、蒸發(fā)損失等問題，初步估算得到本項目節(jié)水改造完成后總干渠水利用系數(shù)可達0.95，總干管0.97，分干(當?shù)厮丛汕?0.92，支渠0.91，斗渠0.88，農(nóng)渠0.92，綜合渠系水利用系數(shù)為0.65，比改造前提高了44.4%，效果顯著。

4 結(jié)語

龍云灌區(qū)的輸水工程經(jīng)過本次節(jié)水改造后，渠系水利用系數(shù)明顯提升，而且新增灌溉面積21萬畝，改善灌溉面積25.4萬畝，大大提高了灌區(qū)的灌溉品質(zhì)，也為灌區(qū)的健康可持續(xù)發(fā)展打下了物質(zhì)基礎。輸水工程是灌區(qū)的核心組成，直接決定了灌區(qū)的規(guī)模及綜合效益，因此在設計時嚴格遵循規(guī)劃目標進行，不得過于保守，要規(guī)劃好至少未來10年灌區(qū)的發(fā)展。