常秀紅

(盤(pán)山縣農(nóng)業(yè)水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 盤(pán)山 124100)

0 引言

盤(pán)山縣水田灌區(qū)為大型灌區(qū)[1]，現(xiàn)有紅旗、八一、青年水庫(kù)平原中型水庫(kù)3 座，總庫(kù)容6910 萬(wàn)m3，興利庫(kù)容4097 萬(wàn)m3，供水能力為6290 萬(wàn)m3，配合上游大型水庫(kù)進(jìn)行供水。主要骨干工程為支渠以上配套建筑物包括提水工程(南塘站、南水北調(diào)站)、引水工程(攔河閘、攔河壩)以及倒虹吸、渡槽涵閘等共計(jì)3000 多座，支渠以上渠道705 條、長(zhǎng)度1032 km。盤(pán)山灌區(qū)建設(shè)運(yùn)行已有幾十余載，各種建筑物老化、滲漏及破損情況不同，運(yùn)行情況也不同，從2006 年開(kāi)始至今，通過(guò)大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水工程改造逐漸完善，預(yù)計(jì)到2020 年將基本改造完成。此次節(jié)水改造項(xiàng)目區(qū)主要渠道多為20 世紀(jì)70 年代規(guī)劃建設(shè)，修護(hù)不到位，干渠渠堤斷面小，現(xiàn)狀渠道多為土渠或者漿砌石斷面，渠道斷面破損、坍塌、滲漏嚴(yán)重，水量損失較大，堤土土系松動(dòng)，渠堤多處水土流失嚴(yán)重，甚至有決堤危險(xiǎn)，已經(jīng)危及農(nóng)田和村莊安全，因此應(yīng)對(duì)渠道進(jìn)行改造設(shè)計(jì)[2]。灌區(qū)內(nèi)典型干渠長(zhǎng)1.034 km(部分，上游已治理)，控制灌溉面積6265 畝，種植結(jié)構(gòu)主要為水稻?，F(xiàn)狀渠道為土渠斷面，渠道破損及滲漏嚴(yán)重，本次考慮將現(xiàn)狀渠道改造為C20 砼襯砌斷面，進(jìn)行渠道斷面設(shè)計(jì)研究。

1 設(shè)計(jì)流量確定

1.1 灌水率

灌水率與灌區(qū)內(nèi)的作物組成、種植比例、作物允許灌水延續(xù)時(shí)間、栽插進(jìn)度有關(guān)。根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50288-2018)[3]，萬(wàn)畝以上灌區(qū)灌水延續(xù)時(shí)間，水稻泡田期為5 d～15 d，生育期為3 d～5 d。萬(wàn)畝及萬(wàn)畝以下灌區(qū)可按表列數(shù)值適當(dāng)減小。故灌區(qū)擬定水稻泡田進(jìn)度：水稻泡田延續(xù)時(shí)間擬定為15 d，其中前5 d 完成30%，日均進(jìn)度6%，高峰期5 d完成40%，日均進(jìn)度8%，后5 d 完成30%，日均進(jìn)度6%。由此計(jì)算出規(guī)劃水平年灌水率，按相關(guān)的灌溉設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行修正，規(guī)劃水平年2030 年灌區(qū)修正后的灌水率見(jiàn)圖1，設(shè)計(jì)灌水率為0.47 m3/(s·萬(wàn)畝)。

圖1 灌區(qū)P=75%灌水率圖

1.2 灌溉水利用系數(shù)

灌溉水利用系數(shù)即為渠系水利用系數(shù)及田間水利用系數(shù)的乘積，渠系水利用系數(shù)為灌區(qū)各級(jí)渠道水利用系數(shù)的乘積，根據(jù)典型區(qū)布置情況，田間農(nóng)渠為末級(jí)固定渠道，在推求農(nóng)渠的凈毛流量時(shí)，取農(nóng)渠長(zhǎng)度的一半作為農(nóng)渠的工作長(zhǎng)度，求出農(nóng)渠的凈毛流量后，它們之間的比值即為農(nóng)渠水利用系數(shù)。推求支渠水利用系數(shù)時(shí)，采取對(duì)應(yīng)支渠下50%～70%農(nóng)渠的毛流量作為支渠的凈流量推求毛流量，推出支渠凈毛流量后，將干渠下所屬支渠毛流量作為干渠凈流量推求干渠毛流量(典型區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)支渠采用續(xù)灌工作制度)。干渠凈毛流量比值即為干渠水利用系數(shù)。本文農(nóng)渠毛流量通過(guò)測(cè)量得到，斗渠、支渠及干渠以次推求得到。

在推求各級(jí)渠道水利用系數(shù)時(shí)，根據(jù)灌區(qū)渠道土質(zhì)按《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50228—2018)取土壤透水性系數(shù)K=3.4，土壤透水性指數(shù)m=0.50，渠道采用漿砌石襯砌，水泥砂漿抹面，故襯砌渠道滲水損失修正系數(shù)ξ0=0.15。推得如下：

(1)現(xiàn)狀灌溉水利用系數(shù)

農(nóng)渠水利用系數(shù)：η渠農(nóng)=0.935；

斗渠水利用系數(shù)：η渠斗=0.913；

支渠水利用系數(shù)：η渠支=0.897；

干渠水利用系數(shù)：η渠干=0.876；

渠系水利用系數(shù)：η渠=η渠干×η渠支×η渠斗×η渠農(nóng)=0.671；

根據(jù)規(guī)范，現(xiàn)狀年田間水利用系數(shù)取ξ田=0.90；

灌溉水利用系數(shù)：ξ灌=0.671×0.90=0.604；

因此現(xiàn)狀年2018 年灌溉水利用系數(shù)取值0.60。

(2)規(guī)劃水平年為2030 年，灌溉水利用系數(shù)：

農(nóng)渠水利用系數(shù)：η渠農(nóng)=0.965；

斗渠水利用系數(shù)：η渠斗=0.952；

支渠水利用系數(shù)：η渠支=0.938；

干渠水利用系數(shù)：η渠干=0.928；

渠系水利用系數(shù)：η渠=η渠干×η渠支×η渠斗×η渠農(nóng)=0.80；

根據(jù)規(guī)范，規(guī)劃水平年田間水利用系數(shù)取ξ田=0.904；

灌溉水利用系數(shù)：ξ灌=0.800×0.904=0.723；

因此規(guī)劃水平年2030 年灌溉水利用系數(shù)取值0.72。

1.3 設(shè)計(jì)流量確定

灌區(qū)內(nèi)某干渠長(zhǎng)1.034 km，控制灌溉面積6265 畝，本次設(shè)計(jì)灌溉設(shè)計(jì)保證率為75%，設(shè)計(jì)灌水率為0.47 m3/（s·萬(wàn)畝），灌溉水利用系數(shù)0.72，通過(guò)灌溉面積、設(shè)計(jì)灌水率和灌溉水利用系數(shù)確定出設(shè)計(jì)流量。計(jì)算公式如下：

式中：Q設(shè)為設(shè)計(jì)流量，m3/s；F 為渠道控制灌溉面積，本次控制灌溉面積3250 畝；q 為設(shè)計(jì)灌水率，0.47 m3/（s·萬(wàn)畝）；ξ 為灌溉水利用系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算可得，灌溉渠道設(shè)計(jì)流量為0.212 m3/s。

2 灌溉溝水力計(jì)算

本工程灌溉渠道斷面尺寸根據(jù)《水利計(jì)算手冊(cè)》[4]和《水力學(xué)》(第四版)[5]中明渠均勻流計(jì)算公式，在渠道流量Q、設(shè)計(jì)底坡i、底寬b 和糙率系數(shù)n，已知的情況下求設(shè)計(jì)水深，從而求得渠道斷面尺寸。計(jì)算公式如下：

式中：Q 為渠道設(shè)計(jì)流量，m3/s；A 為渠道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；χ 為濕周，m；b 為渠道底寬，m；h 為渠道正常水深，m；m1，m2為渠道邊坡系數(shù)，矩形渠道為0；C 為謝才系數(shù)；n 為渠道糙率系數(shù)；R 為水力半徑，m；i 為渠道設(shè)計(jì)底坡。

渠堤超高：渠堤超高是保證行水安全，考慮渠系建筑物的壅水高度和渠道運(yùn)用期間可能加大等因素對(duì)水位的影響，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50288－2018）按下式計(jì)算確定：

式中：△h 為渠堤堤頂超高,m；hf為渠道通過(guò)加大流量時(shí)的水深，m。

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50288-2018)，該工程加大流量取35%計(jì)算。水力計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 灌溉渠道水力計(jì)算表

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 襯砌形式的選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察情況灌溉渠渠線沿線附近無(wú)石料場(chǎng)，漿砌石材料緊缺，而混凝土襯砌具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)混凝土襯砌渠道具有防滲效果好、耐久、糙率小、強(qiáng)度高和適應(yīng)性強(qiáng)。(2)混凝土襯砌其襯砌厚度較薄，節(jié)省工程量等，通過(guò)對(duì)灌溉渠現(xiàn)狀情況的認(rèn)真分析研究，本著經(jīng)濟(jì)合理、便于施工、安全可靠、過(guò)流能力佳的原則，對(duì)灌溉渠選取混凝土襯砌及M7.5 漿砌石襯砌兩種方案進(jìn)行比較，斷面設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖2。每米造價(jià)比較結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 兩種方案斷面設(shè)計(jì)圖

表2 兩種方案每米造價(jià)比較表

由表2 可知，方案一，采用C20 砼矩形斷面襯砌，每米造價(jià)617.46 元。方案二，采用M7.5 漿砌石矩形斷面襯砌，每米造價(jià)702.66 元。從以上分析結(jié)果看，方案一投資費(fèi)用低，且從渠道、地質(zhì)、施工條件、防滲及長(zhǎng)期運(yùn)行管理等考慮，最終襯砌斷面采用C20 砼襯砌形式。

3.2 工程布置

現(xiàn)狀灌溉渠道為土渠，渠道坍塌、淤積及滲水嚴(yán)重，將現(xiàn)狀渠道斷面改造成C20 混凝土襯砌。灌溉渠設(shè)計(jì)灌溉面積6265 畝，灌溉設(shè)計(jì)流量0.212 m3/s，設(shè)計(jì)底坡1/300～1/2000。渠道采用C20 砼澆筑襯砌，邊墻及底板襯砌厚度均20 cm，斷面為0.8 m×0.9 m 矩形斷面。灌溉渠道設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖2(a)。

4 結(jié)論及建議

目前盤(pán)山縣節(jié)水灌溉工程面積僅有15.02 萬(wàn)畝，僅占全縣耕地面積的20.9%，加之生態(tài)建設(shè)、環(huán)境保護(hù)等觀念的加強(qiáng)，地下水的限量開(kāi)采，極端天氣、惡劣氣候的出現(xiàn)，使得旱情進(jìn)一步加重，水量也逐年匱乏。在水資源嚴(yán)重缺乏的情況下，改進(jìn)灌溉方式，提高灌溉技術(shù)水平，加大節(jié)水灌溉面積，改進(jìn)灌區(qū)的管理水平，利用現(xiàn)有可灌溉水資源量更好的發(fā)展農(nóng)田灌溉水平已成為當(dāng)務(wù)之急[6]，同時(shí)水利配套工程的建設(shè)，也是保證枯水年灌溉保證率的重中之重。工程2017 年11 月開(kāi)始設(shè)施，2018 年5 月已完成驗(yàn)收，通過(guò)灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目的實(shí)施，改善了灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，具體如下：

1)改善灌溉面積6.2 萬(wàn)畝，灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)由現(xiàn)狀的0.60 提高到0.72。

2)年增節(jié)水能力383.0 萬(wàn)m3，年節(jié)約水量316.0 萬(wàn)m3。

3)灌區(qū)續(xù)建配套工程及優(yōu)質(zhì)水稻節(jié)水改造項(xiàng)目，使水田區(qū)水利工程完好率達(dá)到70%以上，灌溉保證率達(dá)到75%、排水能力達(dá)到十年一遇。

4) 項(xiàng)目區(qū)常規(guī)灌區(qū)的復(fù)種指數(shù)由現(xiàn)狀178.0%提高到190.0%，充分挖掘潛在的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力。