摘 要：隨著社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出。在此背景下，加大灌區(qū)渠道改造工程的投入，對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。開(kāi)展渠道改造治理可以提高灌區(qū)的水資源利用效率和促進(jìn)項(xiàng)目區(qū)水生態(tài)恢復(fù)，還可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田水利工程的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。以長(zhǎng)沙市開(kāi)福區(qū)某灌排渠道改造工程為研究對(duì)象，針對(duì)灌區(qū)灌排渠道護(hù)岸護(hù)坡工程進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行了灌排渠道改造施工時(shí)設(shè)計(jì)洪水量計(jì)算和施工導(dǎo)流與度汛設(shè)計(jì)，以期為類似的渠道改造治理提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田水利；灌排渠道；設(shè)計(jì)洪水；改造

中圖分類號(hào)：S277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-7909（2024）13-155-3

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.13.035

0 引言

灌排渠道工程是農(nóng)田水利工程的重要組成部分，灌排渠道的改造對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［1-3］。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)用水量較大［4］，但我國(guó)灌區(qū)水利設(shè)施大多建造時(shí)間較為久遠(yuǎn)，灌排工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低［5-6］，加之工程運(yùn)行維護(hù)投入不足，造成灌區(qū)渠道工程運(yùn)行效率低下［7-8］。因此，保障渠道工程完好，改善渠道運(yùn)行管理?xiàng)l件，提高渠道輸水效率是灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造的主要任務(wù)［9-10］。該研究項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀渠道絕大多數(shù)是土渠，渠道水土流失嚴(yán)重，且年久失修，出現(xiàn)積水塘及半數(shù)渠道無(wú)水的現(xiàn)象，導(dǎo)致行洪排澇能力減弱。隨著當(dāng)?shù)丶?zhèn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，因洪澇災(zāi)害造成的損失也愈來(lái)愈大，而這又嚴(yán)重制約了集鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，加快該渠道的改造以提高該干渠防洪及行洪能力勢(shì)在必行。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目渠道絕大多數(shù)是土渠，由于年久失修、淤塞嚴(yán)重，防洪標(biāo)準(zhǔn)約為1 a一遇。每逢上游出現(xiàn)較大強(qiáng)度暴雨，水位就會(huì)暴漲，使大面積農(nóng)作物受災(zāi)?，F(xiàn)有渠道防洪能力不能滿足當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。該項(xiàng)目所在地主要河流為撈刀河。撈刀河為湘江一級(jí)支流，流經(jīng)長(zhǎng)沙縣及長(zhǎng)沙市開(kāi)福區(qū)，最后在郊區(qū)望城、肖家洲之間入湘江。撈刀河河道全長(zhǎng)約51 km，集雨面積為1 204.8 km2。項(xiàng)目區(qū)渠道現(xiàn)狀如圖1所示。

2 護(hù)岸護(hù)坡工程設(shè)計(jì)

2.1 護(hù)坡形式選擇

本著“因地制宜，就地取材，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，便于施工，滿足防汛和管理要求”的原則，護(hù)岸護(hù)坡工程堤型結(jié)構(gòu)采用漿砌石擋墻。

2.2 護(hù)坡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

漿砌石擋墻堤型：堤腳采用M7.5漿砌石擋墻，迎水面坡比為1∶0.5，頂部寬度為0.5 m，墻高度為1.8 m，其中基礎(chǔ)深度為0.4～0.5 m，內(nèi)外沿深度均為0.4 m。擋土墻內(nèi)設(shè)置D50 PVC排水管，間距為2.0 m，其對(duì)渠道具有抗沖刷、保護(hù)渠線的作用。

2.3 擋墻基礎(chǔ)埋深計(jì)算

分布在渠道平直段和斜沖段的堤段，其防護(hù)形式要視該處具體沖刷情況而定。對(duì)于平直堤段，采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286—2013）中水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷公式，見(jiàn)式（1）和式（2）。

[hs=H0UcpUcn-1]" " " " " " " " " " " " " " "（1）

[Ucp=U2η1+η]" " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

式（1）和式（2）中，hs為局部沖刷深度（從水面起算），m；[H0]為沖刷處的水深，m；[Ucp]為近岸垂線平均流速，m/s；U為行近流速，m/s；Uc為最大允許不沖流速，m/s；n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，一般取1/4；η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α查表1可得。

計(jì)算得出各河段墻前最大可能沖刷深度為0.10～0.35 m。根據(jù)《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50805—2012），防洪墻基礎(chǔ)埋深就在沖帽線以下0.4～0.6 m處。

2.4 仰斜式漿砌石擋墻穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算

工程采用仰斜式漿砌石擋墻。為了節(jié)省工程投資，該次設(shè)計(jì)根據(jù)擋墻的高度采用同種斷面形式，擋墻每隔10 m設(shè)置一道沉降縫，縫寬度為20 mm，縫內(nèi)填塞瀝青杉板。擋墻設(shè)Φ50PVC排水孔，孔距為2 m。墻后回填砂礫料。擋墻設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括抗滑、抗傾穩(wěn)定、應(yīng)力計(jì)算及基礎(chǔ)的承載能力驗(yàn)算。由于該階段防洪墻推薦方案為仰斜式擋墻，在該階段應(yīng)對(duì)防洪墻按高度及地基土層情況分類進(jìn)行穩(wěn)定和應(yīng)力計(jì)算。

2.4.1 計(jì)算斷面選取和物理力學(xué)參數(shù)

在防洪墻工程范圍內(nèi)，仰斜式擋墻高度為1.8 m。防滑凸榫的尺寸為0.5 m×0.5 m（寬×高）。該階段按擋墻高度及地基持力土層情況，應(yīng)力計(jì)算所采用的物理力學(xué)指標(biāo)如下：根據(jù)工程地質(zhì)勘查成果及有關(guān)規(guī)范，漿砌石容重為23.0 kN/m3。以強(qiáng)風(fēng)化砂礫石作為持力層時(shí)，基底滑動(dòng)摩擦系數(shù)取0.50。根據(jù)地勘資料，該工程各河段基礎(chǔ)及回填土力學(xué)指標(biāo)基本一致，具體物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。

2.4.2 荷載和荷載組合

荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、水壓力、土壓力、基底揚(yáng)壓力、人群荷載等因素。結(jié)構(gòu)自重包括防洪墻自重、墻上回填土重，土壓力采用庫(kù)倫公式計(jì)算。

荷載組合采用非常運(yùn)用條件和正常運(yùn)用條件兩種工況。工況一：非常運(yùn)用條件，渠道無(wú)水，荷載為結(jié)構(gòu)自重、土壓力、施工荷載。工況二：正常運(yùn)用條件，渠道無(wú)水位，墻后水位為1/2墻高，荷載為結(jié)構(gòu)自重、土壓力、水壓力、基底揚(yáng)壓力、人群荷載。

2.4.3 穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 379—2007）進(jìn)行穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算。擋土墻的抗滑穩(wěn)定系數(shù)按式（3）計(jì)算。

[Kc=f·GH]" " " " " " " " " " " " " " " "（3）

式（3）中，[Kc]為擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；[G]為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載，kN；[H]為作用在擋土墻上全部平行于基底面的荷載，kN；[f]為擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，土質(zhì)地基與混凝土摩擦系數(shù)取0.5。

擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)按式（4）計(jì)算。

[K0=MVMH]" " " " " " " " " " " " " " " " （4）

式（4）中，[K0]為擋土墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；[MV]為對(duì)擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩，kN·m；[MH]為對(duì)擋土墻基底前趾的傾覆力矩，kN·m。

擋土墻的基底應(yīng)力按式（5）計(jì)算。

[Pmax.min=GA±MW]" " " " " " " " " " " " （5）

式（5）中，[Pmax.min]為擋土墻基底應(yīng)力的最大值或最小值，kPa；[G]為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載，kN；[M]為作用在擋土墻上的全部荷載對(duì)水平面平行前墻墻面方向形心軸的力矩之和，kN·m；A為擋土墻基底面的面積，m2；W為擋土墻基底面對(duì)基底面平行前墻面方向形心軸的截面矩，m3。

渠道護(hù)腳擋墻穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表3。從表3中可以看出，防洪墻的抗滑、抗傾均滿足規(guī)范要求，地基應(yīng)力滿足地基允許承載力要求。

3 設(shè)計(jì)洪水

從萬(wàn)分之一地形圖上量得境內(nèi)灌排渠樁號(hào)K0+000段面以上流域集雨面積為0.56 km2，采用《湖南省暴雨洪水查算手冊(cè)》查算的方法。樁號(hào)K0+900以上渠道干流長(zhǎng)度為0.92 km，渠道平均坡降為0.25‰。查《湖南省暴雨洪水查算手冊(cè)》，該項(xiàng)目所在區(qū)域?qū)儆诤鲜”┯攴謪^(qū)第一區(qū)，最大24 h點(diǎn)雨量均值為105 mm，最大24 h點(diǎn)雨量變差系數(shù)CV為0.45，偏態(tài)系數(shù)CS=3.5CV，產(chǎn)流分區(qū)屬第Ⅰ區(qū)，I0=30 mm。根據(jù)上述有關(guān)參數(shù)，求得灌排渠治理河段5 a一遇24 h點(diǎn)暴雨量為132.30 mm，3 a一遇24 h點(diǎn)暴雨量為116.84 mm。根據(jù)地形參數(shù)、匯流系數(shù)及Rt—t關(guān)系曲線，推求各頻率洪峰流量及匯流時(shí)間，地形參數(shù)為63.07，匯流參數(shù)為1.1，計(jì)算得到灌排渠5 a一遇洪峰流量為1.87 m3/s，3 a一遇洪峰流量為1.56 m3/s。

4 施工導(dǎo)流與渡汛

4.1 導(dǎo)流及渡汛標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 303—2017）和《水利水電工程等級(jí)劃分與洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252—2017）規(guī)定，導(dǎo)流建筑物級(jí)別為5級(jí)。為節(jié)約工程投資，根據(jù)工程實(shí)際情況（工程量相對(duì)較小，施工期限短），工程土堤各分段安排在一個(gè)枯水期內(nèi)完成，施工均在9月至次年3月，可在干地施工，不需要進(jìn)行導(dǎo)流設(shè)計(jì)。由于穿堤建筑物的進(jìn)、出口底板高程均較低，需進(jìn)行施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)。

4.2 導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)

護(hù)坡堤腳施工時(shí)間短，施工圍堰僅需保護(hù)堤腳段滿足在干地施工要求。圍堰堰頂高程按3—4月平均水位加0.5 m超高，即2.5 m設(shè)計(jì)。臨時(shí)圍堰采用黏土麻袋或草袋填筑，圍堰頂寬度為1.5 m，平均高度為2.5 m，內(nèi)外坡比均為1∶1.0?？紤]施工實(shí)際情況，分段進(jìn)行圍水，共計(jì)圍堰土方2 500 m3。圍堰基坑內(nèi)初期排水選擇2臺(tái)5.5 kW水泵，1 d排干；經(jīng)常性排水設(shè)備利用初期排水設(shè)備。護(hù)坡堤腳施工后要立即拆除圍堰，采用人工拆除，挑運(yùn)上堤后裝汽車運(yùn)輸至棄料場(chǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

農(nóng)田水利灌排渠道與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)系密切，是促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障。此次灌排渠道的改造可解決淤積問(wèn)題，極大提高渠道的行洪排澇能力；可保護(hù)沿岸居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)集鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展；可與附近的泵站形成配套，充分發(fā)揮灌排渠道在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用。

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（欄目編輯：李 菡）

作者簡(jiǎn)介：談聰（1986—），男，工程師，研究方向：水利水電工程建設(shè)施工管理。