從新余市實際出發(fā)淺談灌溉渠道的襯砌斷面設(shè)計

■朱蓮花 ■新余市大江工程規(guī)劃設(shè)計院，江西 新余 338000

1 概述

小型農(nóng)田水利工程內(nèi)容豐富、涵蓋面廣，主要指灌溉面積1萬畝、除澇面積3萬畝、庫容10萬m3、渠道流量1 m3/s以下的水利工程。其中大中型灌區(qū)末級渠系及田間工程與小型灌區(qū)、小型灌溉片、小型排澇工程、小型泵站和包括雨水集蓄利用在內(nèi)的小型水源工程等都屬于其范疇。小型農(nóng)田灌溉工程是小型農(nóng)田水利工程的重要組成部分，主要指具有灌溉功能的，渠道流量在1m3/s以下的渠系工程。本文重點圍繞我市實施量大、涉及面廣的小型農(nóng)田灌溉渠道，以經(jīng)濟實用、先進(jìn)合理、方便施工為原則，倡導(dǎo)科學(xué)、經(jīng)濟、實用、生態(tài)的工程設(shè)計理念，根據(jù)當(dāng)前小型農(nóng)田灌溉渠系工程改造的建設(shè)需求，結(jié)合地方財力及建設(shè)資金落實情況，力求與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)，針對灌區(qū)普遍采用的梯形、U型及矩形斷面渠道，從渠道襯砌斷面尺寸、襯砌超高、襯砌厚度等方面進(jìn)行設(shè)計，提倡多方案比較、杜絕貪大求新、減少資金浪費。

2 灌溉渠道的襯砌斷面選擇

灌溉渠道常見的斷面形式有梯形、矩形、U型及復(fù)合型。其中梯形、矩形、U型常用于流速1m3/s以下的小型農(nóng)田水利灌溉渠道，復(fù)合型斷面一般適用于挖深較大的深挖渠段。在實際設(shè)計過程中，根據(jù)灌溉對象需求要求確定設(shè)計流量，通過水力計算，得出經(jīng)濟合理渠道斷面，結(jié)合渠道輸水要求、流速要求、水位要求選定斷面尺寸。

按照新余市相關(guān)工程經(jīng)驗，設(shè)計流量Q≥0．4m3/s的渠道，推薦采用梯形襯砌斷面;設(shè)計流量Q≤0．3m3/s的渠道推薦采用U型襯砌斷面;設(shè)計流量0．3m3/s＜Q＜0．4m3/s的渠道可采用梯形或U型襯砌斷面。一般情況下，襯砌斷面形式最好為梯形或U型，但考慮有些渠道兩岸為混凝土路面或已有房屋等其他建筑物，不便開挖，也可采用矩形斷面，以減少渠道占地。

3 灌溉渠道的襯砌材料選擇

渠道襯砌主要為減少滲漏損失，提高渠系水利用系數(shù)，控制地下水位上升，防止土壤沼澤化和鹽堿化，同時減少渠道糙率，加大流速，增加輸水能力，兼能固基護壁，防止渠道沖刷破壞。

目前工程實際中主要采用的襯砌材料有混凝土襯砌，磚、石襯砌，瀝青混凝土護面，塑料薄膜、油氈防滲，其他如水泥土防滲、粘土防滲等。由于混凝土襯砌具有防滲、抗沖性能好，耐久性強，且適用不同地形、氣候和運用條件，因此新余市灌溉渠道多采用混凝土襯砌，對于用磚比較方便的矩形斷面也采用磚襯砌。

4 梯形襯砌斷面設(shè)計

4．1 斷面設(shè)計

設(shè)計流量Q≥0．4m3/s的渠道，推薦采用梯形襯砌斷面(設(shè)計流量0．3m3/s＜Q＜0．4m3/s亦可采用)，過水?dāng)嗝姘此ψ顑?yōu)斷面設(shè)計。斷面襯砌(現(xiàn)澆)示意圖如下:

其中:B－襯砌渠底寬(m);h1－設(shè)計水深(m);h2－襯砌渠深度(m);H－渠深(m);δ－襯砌厚度;m－邊坡系數(shù);b－現(xiàn)澆混凝土壓頂寬，根據(jù)我省工程實際，一般取寬10～30cm，厚10cm，如襯砌后渠岸邊坡土質(zhì)較好，又比較平整的，可不設(shè)壓頂;a，a1－渠堤和襯砌超高(m)，按規(guī)范及新余市實際經(jīng)驗，取值參考下表1。

渠堤超高a值及襯砌超高a1值表(表1)

水力最優(yōu)斷面過水面積最小，濕周最短，能節(jié)省襯砌工程量。對于小型渠道，襯砌斷面按水力最優(yōu)斷面設(shè)計是比較合理的。梯形渠道水力最優(yōu)斷面的水力要素計算公式如下(《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》附錄H):

式中:h0－水力最優(yōu)斷面水深(m);n－渠床糙率;Q－渠道設(shè)計流量(m3/s);m－渠道內(nèi)坡系數(shù);i－渠底比降;b0－水力最優(yōu)斷面底寬(m);A0－水力最優(yōu)斷面的過水?dāng)嗝婷娣e(m2);x0－水力最優(yōu)斷面濕周(m);R0－水力最優(yōu)斷面的水力半徑(m);V0－水力最優(yōu)斷面流速(m/s)。

按水力最優(yōu)斷面計算方法，不同流量Q、比降i、邊坡系數(shù)m可求得不同渠底寬b及水深h，可以列表并繪制成果曲線，以方便設(shè)計過程中查找和比較。

小型渠道沖刷嚴(yán)重、斷面增大是現(xiàn)有灌區(qū)普遍存在的現(xiàn)象。針對此現(xiàn)象，一般按以下兩種情況處理:一是斷面沖寬嚴(yán)重，按設(shè)計流量及渠道現(xiàn)有底寬、坡降推算的寬深比a=b(渠底寬)/h(水深)＞3時，如屬局部渠段(200m以內(nèi))，建議回填至設(shè)計斷面，否則維持原斷面的大小，進(jìn)行邊坡修整后襯砌，護坡不護底，以節(jié)省費用。對于渠段水面線不能滿足下級渠道取水或田間灌溉要求的，應(yīng)增設(shè)節(jié)制閘。二是斷面沖寬一般，按設(shè)計流量及渠道現(xiàn)有底寬、坡降推算的寬深比1≤a≤3時，如原渠道水位基本能滿足當(dāng)?shù)毓喔纫?，或在該區(qū)域內(nèi)屬提灌，則可維持原斷面大小進(jìn)行襯砌，否則應(yīng)縮小斷面寬度進(jìn)行加固襯砌，以提高水位滿足自流灌溉要求。

4．2 襯砌設(shè)計

梯形渠道混凝土等厚板襯砌分為現(xiàn)場澆筑與預(yù)制混凝土板兩種。根據(jù)新余市目前實際情況，考慮到預(yù)制混凝土板運輸、施工等相對便利，質(zhì)量易于保證，建議優(yōu)先采用。

(1)現(xiàn)場澆筑。具有襯砌接縫少，造價低等優(yōu)點。采用C15混凝土襯砌，襯砌厚度宜選用6～8cm，現(xiàn)場澆筑混凝土單板尺寸以3～5cm為宜，接縫采用瀝青混合物填充水泥砂漿抹面。

(2)預(yù)制混凝土板。具有受氣候條件影響小、混凝土質(zhì)量容易保證、可提前預(yù)制等優(yōu)點。采用C15混凝土預(yù)制，板厚宜選用4～6cm，預(yù)制混凝土板的尺寸根據(jù)安裝、搬運條件確定，人工施工時一般采用50×50cm或40×40cm以及同等大小正六邊形等。

5 U型襯砌斷面設(shè)計

U型槽具有良好的防滲效果、水力性能好、抗外力條件性能佳等優(yōu)點，且省工省料、占地少、便于管理，在小型渠系工程改造中應(yīng)盡可能采用U型槽防滲。流量Q≤0．3m3/s的小型渠道，推薦采用C20整體式預(yù)制混凝土U型槽襯砌(設(shè)計流量0．3m3/s＜Q＜0．4m3/s亦可采用)。U型槽橫斷面示意圖如下:

其中:r－下圓弧半(cm);h1－圓弧段水深，h1=r(1－sinα)(cm);α－直立段外傾角度，根據(jù)相關(guān)研究成果及場現(xiàn)有U型槽模具規(guī)格，取α=14°;θ－圓弧段圓心角，θ=180°－2α;h2－圓弧段以上至水面深度(cm);h－總水深，h=h1+h2(cm);H－襯砌渠槽深度(cm);B－襯砌渠槽口寬(cm);a，a1－渠堤和襯砌超高，取值參考表1(m);δ－襯砌厚度(cm);b－兩翼伸出長度，一般采用(2－3) δ，其作用是增加渠槽剛度并防止地表水進(jìn)入襯砌體和基土的結(jié)合面(cm);i1－渠堤頂面向外的坡度，一般采用130～150。

按流量不同設(shè)計采用UD30～UD80混凝土U型槽，計算糙率n=0．014，渠堤超高a=0．2m，襯砌超高取 a1=0．1m。經(jīng)計算，不同直徑、水深、比降的對應(yīng)流量見表2。

不同直徑、水深、比降相對應(yīng)流量表(表2)

在以流量選擇U型槽型號時，優(yōu)先選用深窄式槽，也就是直徑小，水深深的U型槽，一是可以減少土地占用面積，二是有利于抬高水面線擴大灌溉面積。

6 矩形襯砌斷面設(shè)計

新余市內(nèi)灌區(qū)現(xiàn)有渠道斷面形式為矩形的渠道數(shù)量也不少，邊坡不便挖成斜坡且當(dāng)?shù)赜譄oU型槽預(yù)制設(shè)備，用磚較方便時，可采用矩形襯砌斷面。襯砌斷面示意圖如下圖:

其中:b－襯砌渠底寬(m);h1－設(shè)計水深(m);h2－襯砌渠深度(m);h3－底板厚度(m)，現(xiàn)澆或者磚砌抹面，厚8cm;H－邊墻高(m);δ－砂漿抹面厚度(cm)，取2cm;b1－邊墻厚(m)，取值見表3;a，a1－渠堤和襯砌超高(m)，取值參考表1。

由于邊墻需依靠自身重力維持穩(wěn)定，砌筑斷面較大，材料浪費嚴(yán)重，原則上不推薦采用矩形襯砌斷面。特殊情況必須采用矩形襯砌方式的，磚襯砌1．2m以下和混凝土襯砌0．8m以下渠道邊墻高度與厚度取值見表3與表4。

磚砌矩形斷面渠道邊墻高度與厚度值取值表(表3)

對于矩形斷面，其最優(yōu)水力斷面條件為b(底寬)=2h(水深)，矩形渠道多為村旁、路邊等流量較小的渠道，考濾到矩形斷面完全按“最優(yōu)水力斷面”設(shè)計，挖方或回填土方較大，特殊情況可依據(jù)設(shè)計流量按現(xiàn)有斷面稍作修整后進(jìn)行襯砌。

7 結(jié)語

按照“生態(tài)優(yōu)先”和“環(huán)境協(xié)調(diào)”的設(shè)計理念，對于一些滿足《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》(附錄J)“渠道防滲襯砌結(jié)構(gòu)適用條件”的土質(zhì)渠道，為了和當(dāng)?shù)丨h(huán)境相協(xié)調(diào)，保護當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)，節(jié)約工程資金，可不進(jìn)行混凝土襯砌，即當(dāng)渠基土壤為重粘土、粘土、重粘壤土且滲透系數(shù)K＜8．1×10－5cm/s時，可以不做混凝土防滲襯砌，但必須按設(shè)計要求修整斷面并夯實渠基。