山區(qū)骨干壩配套工程設(shè)計(jì)方案及要點(diǎn)

閆維恒

（寧夏固原市原州區(qū)水務(wù)局，寧夏固原756000）

山區(qū)骨干壩配套工程設(shè)計(jì)方案及要點(diǎn)

閆維恒

（寧夏固原市原州區(qū)水務(wù)局，寧夏固原756000）

偏遠(yuǎn)山區(qū)骨干壩配套工程規(guī)模小，投資低，其勘測設(shè)計(jì)往往不被一些設(shè)計(jì)院接受，而工程建設(shè)對(duì)改善山區(qū)農(nóng)村生產(chǎn)和生活十分必要，文中簡化并優(yōu)化了骨干壩配套小高抽及低壓管道節(jié)水灌溉技術(shù)設(shè)計(jì)，供山區(qū)水利設(shè)計(jì)工作者參考。

骨干壩；小高抽；低壓管道；節(jié)水灌溉

近年來隨著國家對(duì)西部地區(qū)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入力度加強(qiáng)，骨干壩在山區(qū)建設(shè)規(guī)模越來越大，在蓄水保水，防治水土流失，減少入黃泥沙，改變山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，促進(jìn)退耕還林還草和封山禁牧，改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著越來越大的作用。但是由于大部分骨干壩建在較偏遠(yuǎn)的山溝，地勢(shì)低洼，所蓄水量不能被周圍或下游田地利用，造成干旱山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)防御自然災(zāi)害的能力低，群眾生產(chǎn)生活條件差。因此實(shí)施骨干壩配套小高抽建設(shè)項(xiàng)目，在有條件的山地發(fā)展水澆地，充分提高水資源利用率，將實(shí)現(xiàn)水資源的合理開發(fā)利用和優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)山區(qū)退耕還林退得下，穩(wěn)得住，不反彈，退耕而不減產(chǎn)的目的，確保國家和地方糧食安全。要搞好骨干壩配套小高抽及微小型灌區(qū)建設(shè)，必須結(jié)合各骨干壩特點(diǎn)及山區(qū)地形地貌進(jìn)行合理的規(guī)劃布局和設(shè)計(jì)。由于山區(qū)骨干壩配套工程規(guī)模小，投資低，勘測設(shè)計(jì)任務(wù)往往不被有資質(zhì)的部門接受，本文以具有代表性的典型骨干壩即寧夏固原市原州區(qū)張洪3#骨干壩配套工程設(shè)計(jì)為例，介紹了骨干壩配套小高抽及低壓管道節(jié)水灌溉設(shè)計(jì)要點(diǎn)和相關(guān)技術(shù)，供山區(qū)水利設(shè)計(jì)工作者參考。

1 工程概況

張洪3#骨干壩配套工程位于寧夏固原市原州區(qū)清河鎮(zhèn)張洪村，屬黃土丘陵區(qū)，原州區(qū)境內(nèi)茹河流域。多年平均氣溫5.4℃，多年平均降水量450m m，主要集中在7～9三個(gè)月，約占全年總降水量的65%，多年平均水面蒸發(fā)量980m m，最大凍土層深度1.5m。當(dāng)?shù)馗珊?、風(fēng)沙等自然災(zāi)害頻繁，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件差。

張洪3#骨干壩2005年建成，控制流域面積3.3km2，最大壩高26.5m，總庫容50萬m3，有效庫容27萬m3。保證率為75%時(shí)，年徑流量為5.35萬m3。該壩左壩肩東面較高處有370畝可揚(yáng)水灌溉的規(guī)則的梯田（約30m一個(gè)層梯），其中小麥占種植總面積的60%以上，油料經(jīng)濟(jì)類作物占10%。秋糧作物（玉米、洋芋、糜谷等）占種植總面積的30%，本次規(guī)劃以現(xiàn)狀土地利用方式及作物種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行370畝耕地旱改水規(guī)劃設(shè)計(jì)。

2 工程規(guī)劃設(shè)計(jì)方案及布局

通過初步勘察，規(guī)劃灌溉區(qū)在骨干壩左岸東面，主溝道北面，地勢(shì)北高南低，最大地面高程1711.4m。左岸地質(zhì)條件相對(duì)較好，規(guī)劃在左岸一緩坡地建小型泵房1座，內(nèi)安裝水泵機(jī)電設(shè)備，并配有居住設(shè)施。在左岸較高處（地面高程為1720m）地勢(shì)相對(duì)較平緩的地方建高位調(diào)蓄池1座。在骨干壩水表面設(shè)浮筒式取水裝置（偏左岸），水泵綁扎在浮筒下面，便于取水，水泵通過防水電纜與泵房機(jī)電設(shè)施相連，在泵房控制操作水泵運(yùn)行，水泵進(jìn)水口設(shè)攔污柵，出水管用塑膠軟管，軟管靠岸端與固定預(yù)埋鋼管連接，鋼管另一端與地埋P V C揚(yáng)水管道連接，鋼管與P V C揚(yáng)水管相接處設(shè)閘閥井，內(nèi)安裝控制閥和逆止閥。水通過水泵和揚(yáng)水管道將水揚(yáng)至高位調(diào)蓄池，再利用自由水壓，通過低壓管道輸水管網(wǎng)將水輸送至田間灌溉。

低壓管道灌溉系統(tǒng)規(guī)劃布置：灌溉系統(tǒng)選擇占用耕地少，實(shí)施簡單，運(yùn)行操作及管理方便的低壓管道節(jié)水灌溉技術(shù)。低壓管道按干支兩級(jí)管道布設(shè)，干支管均為地埋固定P V C管道，輸水干管基本平行等高線由西向東布置，支管沿干管基本垂直等高線布置，干支管接合處設(shè)閘閥井。根據(jù)地形情況，除第一、二支管間距較大外，其余支管間距約150m，共設(shè)6條支管，沿支管每隔30m左右設(shè)垂直地面豎管，豎管部分設(shè)給水裝置，豎管出露地面部分通過管口給水栓及出水口進(jìn)行灌溉。干支管道采用0.6MP a的P V C塑料管，與之配套的三通等管材管件也用P V C。支管尾端設(shè)退水管等附屬設(shè)施以防管道積水凍壞。

灌溉結(jié)束后，可將浮筒、水泵及出水軟管、電纜等拆卸，一并放入泵房管理。

工程總體規(guī)劃布置見圖1。

3 工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 灌溉制度設(shè)計(jì)

3.1.1 灌溉設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（G B 50288-99），灌溉設(shè)計(jì)保證率取75%，以此作為灌溉設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.2 田間灌溉技術(shù)

項(xiàng)目區(qū)的農(nóng)田為較規(guī)則的梯田，為了充分利用水資源，保證灌水均勻度，田間灌水方式規(guī)劃采用較先進(jìn)的小畦節(jié)水灌溉，小畦田塊面積0.2畝左右；畦長20～30m，畦寬4～5m；畦田坡度在1/200～1/500；入畦單寬流量2～3L/s·m，實(shí)行淺澆快輪，以滿足作物不同生育期的需水要求，降低田間滲漏損失。

3.1.3 設(shè)計(jì)灌溉定額

理論設(shè)計(jì)灌溉定額M凈=作物總需水量-有效降水量

作物總需水量E采用以規(guī)劃作物產(chǎn)量為參數(shù)的需水系數(shù)法（即K值法）計(jì)算，計(jì)算公式為：E =K·Y（m3/畝），Y為規(guī)劃作物產(chǎn)量（kg/畝），K為作物需水系數(shù)。

有效降水量：P0=σ·P，P為75%保證率時(shí)降水量（m m），σ為降水有效利用系數(shù)，折合單位面積降水量為P0=σ×P×666.7/1000（m3/畝）。

利用上式計(jì)算灌溉區(qū)各種作物每畝凈需水量，再通過面積加權(quán)平均值計(jì)算綜合凈灌溉定額，計(jì)算結(jié)果為M凈=175m3/畝。

灌溉區(qū)采用兩級(jí)低壓管道輸水，灌溉水利用系數(shù)取0.80，則毛需水量（毛灌溉定額）為：M毛=M凈/η=175/0.80=219（m3/畝）

為簡化計(jì)算，直接利用寧夏水利廳制定的“寧夏不同灌區(qū)各種作物田間灌溉定額表”中南部山區(qū)各種作物灌溉定額，利用面積加權(quán)平均值，計(jì)算出灌區(qū)綜合凈灌溉定額為173m3/畝，與理論計(jì)算值基本相等。

3.1.4 灌溉工作制度

干管續(xù)灌，支管分組輪灌，共分3個(gè)輪灌組，各輪灌組面積基本接近，各輪灌組為2個(gè)支管，每次同時(shí)開啟2條支管上2個(gè)給水栓進(jìn)行灌溉（同一層梯田2個(gè)給水栓盡量同時(shí)開啟）。田間灌溉方式全部為小畦灌溉。由于山區(qū)農(nóng)戶每年換地倒茬和氣候變化等因素，作物灌溉工作制度表不適合多變的種植情況，忽略。

3.2 水量平衡計(jì)算

張洪3#骨干壩控制流域面積3.3km2，根據(jù)寧夏《地表水資源》查得，該流域平均徑流深37m m，年徑流量為12.21萬m3。流域重心處CV=0.62，由《水文手冊(cè)》查得CS=3.5CV時(shí)KP=0.54，故在P=75%保證率的年徑流量為：WP=KP·W=0.54×12.21=6.59萬m3，扣除15%的蒸發(fā)滲漏損失，年可供灌溉水量為5.6萬m3。項(xiàng)目區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積370畝，作物灌溉定額219m3/畝，則灌區(qū)年需水量為5.67萬m3，與年可供灌溉水量基本接近，因此灌溉區(qū)灌溉水源水量有保證。

圖1 工程布置平面圖

3.3 機(jī)泵選型及配套

3.3.1 設(shè)計(jì)流量

機(jī)泵設(shè)計(jì)流量按公式Q=m A α/T t η確定。

式中：Q—設(shè)計(jì)流量（m3/h）；m—凈灌水定額（m3/畝），本設(shè)計(jì)取45m3/畝；A—灌溉面積（畝），本設(shè)計(jì)為370畝；α—主要作物種植比例，取α= 0.7；T—輪灌周期（d），取10d；t—機(jī)泵每天工作時(shí)間（h），本設(shè)計(jì)取18h；η—管灌系統(tǒng)水的利用系數(shù)，本設(shè)計(jì)取0.8。

3.3.2 設(shè)計(jì)揚(yáng)程

（1）管徑的確定

管徑計(jì)算根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速公式d=1.13（Q/V）1/2進(jìn)行計(jì)算，按相關(guān)技術(shù)規(guī)定：塑料管道經(jīng)濟(jì)流速V =1.2m3/s，通過計(jì)算，初步選定水泵出水管及輸水干管管徑為Φ180m m，支管管徑為Φ110m m，垂直地面豎管管徑為Φ90m m。

（2）管道水頭損失計(jì)算

管道水頭損失包括管段的沿程水頭損失和局部水頭損失，沿程水頭損失按下式計(jì)算：

式中：Q—流量（m3/s），d—管徑（m），L—管長（m）。

在管道水力計(jì)算時(shí)局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計(jì)，同時(shí)管徑應(yīng)按照所選管材內(nèi)徑計(jì)算，實(shí)際流速由流量和內(nèi)徑確定。

水泵設(shè)計(jì)流量為80.92m3/h，水泵接塑膠軟管及鋼管總長30m，鋼管后接的地埋P V C揚(yáng)水管長180m，為方便計(jì)算，水泵揚(yáng)水管線水頭損失按210m長Φ180m m P V C塑料管計(jì)算。

輸水管線水頭損失計(jì)算選擇最不利供水點(diǎn)計(jì)算，根據(jù)灌溉工作制度：干管續(xù)灌，設(shè)計(jì)流量為80.92m3/h，各支管設(shè)計(jì)流量約為40.46m3/h，豎管及給水栓流量為26.23m3/h。輸水干管長1200m，支管長150m，豎管太短水頭損失忽略不計(jì)算。

水泵揚(yáng)水管道及輸水干、支管道水力計(jì)算成果詳見表1。

（3）設(shè)計(jì)揚(yáng)程的確定

機(jī)泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程按公式H設(shè)=hf+hj+△h+0.2進(jìn)行計(jì)算

式中：揚(yáng)水管線沿程水頭損失hf=0.82m，局部水頭損失hj=0.08m，△h=1720-1682=38（m），計(jì)算得：H設(shè)=39.10m。

灌溉區(qū)最不利點(diǎn)為輸水干管末端支管第一個(gè)給水裝置處，地面高程為1711.4m，干管最大水頭損失5.17m，給水栓的工作水頭取2m，則滿足最不利點(diǎn)灌溉所需最小揚(yáng)程為1718.57m，設(shè)計(jì)蓄水池出水管中心高程1718.6m，池底高程1718m，蓄水池地面高程1720m。

3.3.3 機(jī)泵選型

根據(jù)設(shè)計(jì)流量Q=80.92m3/h和設(shè)計(jì)揚(yáng)程H設(shè)=39.10m，選用1臺(tái)SL W125-200B型水泵，水泵技術(shù)數(shù)據(jù)詳見表2。

表1 水泵揚(yáng)程管、輸水干、支管水力計(jì)算成果表

表2 80-50-250型離心泵參數(shù)表

3.4 灌溉管網(wǎng)和管道設(shè)計(jì)

灌溉管網(wǎng)設(shè)計(jì)結(jié)合管道布置平面圖，根據(jù)各級(jí)管道設(shè)計(jì)流量、管徑、管長和水頭損失逐級(jí)推算出管道各節(jié)點(diǎn)流量和水壓，從而規(guī)劃出整個(gè)管網(wǎng)設(shè)計(jì)圖。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，可以反饋管道布設(shè)不合理處，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，得出更合理的灌溉管網(wǎng)設(shè)計(jì)圖。

根據(jù)管道實(shí)測地面高程、管長、各測點(diǎn)水頭來設(shè)計(jì)管道縱斷面圖，包括設(shè)計(jì)水壓線，管道中心線，地面線。一般要求地面線高于管道中心線，水壓線高于管道中心線，這樣為合理設(shè)計(jì)。

P V C硬塑料管采用溶劑粘合承插連接法進(jìn)行連接，為了防止冬季管道凍裂，管道埋設(shè)在最大凍土層以下，設(shè)計(jì)管溝開挖深1.5m，底寬0.4m，口寬1.3m，邊坡1∶0.3，在管道的轉(zhuǎn)彎處或起伏變化較大處設(shè)80c m×80c m×80c m的混凝土鎮(zhèn)墩，要求管道以上填土必須夯實(shí)，以便穩(wěn)定管道。

3.5 建筑物及其附屬設(shè)施

（1）泵房

泵房選擇在左岸岸坡土質(zhì)堅(jiān)硬處，泵房建筑面積12m2，為磚混結(jié)構(gòu)，主要存放電機(jī)設(shè)備和其他設(shè)施，并居住管理人員。

（2）浮筒式取水裝置

為充分利用水源，并使水泵取水不受水位變化影響，在骨干壩水表面，將浮筒和水泵綁扎在一起組成取水裝置，取水裝置按其總重不大于其所受浮力來設(shè)計(jì)。與水泵相連的浸水部分的出水管采用塑膠軟管，其長度根據(jù)最低水位時(shí)灌溉取水所需長度設(shè)計(jì)。

（3）調(diào)蓄池

蓄水池位置選擇除了考慮地形條件，還要使其高程能滿足全灌溉區(qū)灌溉所需高程。設(shè)計(jì)要求蓄水池出水管中心高程大于灌溉區(qū)最不利地面高程加上管道總水頭損失。為此，調(diào)蓄池選擇在地面高程1720m的緩坡處，容積為300m3。設(shè)計(jì)調(diào)蓄池為圓臺(tái)型，為半挖半填類型，設(shè)計(jì)池底高程1718m，池底內(nèi)半徑為2m，上口內(nèi)半徑9.5m，上頂寬2.0m，池深3.0m，正常水深2.7m，內(nèi)邊坡1∶2.5，外邊坡1∶2。在失陷性黃土地建蓄水池，池底地基用1∶9灰土換基0.5m處理，整個(gè)蓄水池土模成型后，鋪設(shè)土工布（規(guī)格400g/m2）防滲，其上用10c m厚砂濾料作墊層，然后池底現(xiàn)澆10c m厚C 15混凝土，池側(cè)壁襯砌C 15砼板。在池壁設(shè)踏步和溢流管，池子周圍設(shè)防護(hù)欄，池底埋設(shè)進(jìn)水管和出水管，設(shè)計(jì)出水管中心高程1718.6m。

（4）閘閥井設(shè)計(jì)

閘閥井主要設(shè)在干支管交接處，井內(nèi)安裝水表及支管控制閥和節(jié)制閥等設(shè)備。閘閥井為磚砌體圓形結(jié)構(gòu)，底部內(nèi)徑1.5m，中部到頂部內(nèi)徑漸變成0.7m，井深1.8m。

（5）給水裝置

給水裝置由三通、豎管、混凝土套管和給水栓四部分組成，三通連接支管和豎管，豎管外設(shè)混凝土套管，長1.8m，外徑40c m，內(nèi)徑28c m，豎管與套管內(nèi)壁之間填筑粗砂以穩(wěn)定套管，套管出露地面?zhèn)缺谔庨_出水口，頂部預(yù)留開啟給水栓鑰匙孔。

4 結(jié)語

山區(qū)骨干壩配套工程具有工程規(guī)模小，地形地貌復(fù)雜，小面積作物種植區(qū)種植結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變特點(diǎn)，結(jié)合這些特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了簡化和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1）在計(jì)算作物灌溉定額時(shí)采用規(guī)劃作物產(chǎn)量為參數(shù)的需水系數(shù)法（即K值法）和直接采用地方規(guī)定的各種作物灌溉定額，再利用面積加權(quán)平均值法進(jìn)行計(jì)算，相對(duì)簡單且合理；

（2）設(shè)計(jì)浮筒式取水裝置，實(shí)現(xiàn)取水不隨水位變化影響，充分利用壩體水資源；

（3）水泵和泵房分離擱置，克服了由于泵房距離水體遠(yuǎn)而取水不便問題；另外：田間采用固定低壓管道和給水裝置進(jìn)行節(jié)水灌溉，實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)山地灌溉管理方便，灌區(qū)持久運(yùn)行，發(fā)揮效益目的。

該工程設(shè)計(jì)方案合理可行，通過省、市級(jí)水利設(shè)計(jì)部門專家一致認(rèn)可，具有較強(qiáng)的科學(xué)性和實(shí)用性，可供山區(qū)縣級(jí)水務(wù)局設(shè)計(jì)和建設(shè)參考。

［1］G B 50288-99.《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》［S］.

［2］SL/T 153-95.《低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范（井灌區(qū)部分）》［S］.

T V 93

A

1672-2469（2015）06-0083-04

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.06.029

閆維恒（1969年—），男，高級(jí)工程師。