大洼灌區(qū)渠道防滲抗凍脹設(shè)計(jì)技術(shù)分析

(遼寧省盤山縣農(nóng)業(yè)水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 盤錦 124100)

大洼灌區(qū)位于遼寧盤錦市的南部，地處大遼河最下游右岸，灌區(qū)東鄰大遼河，南與營口市隔河相望，西臨遼河，北與盤錦市興隆臺(tái)區(qū)相接壤。大洼灌區(qū)始建于1942年，經(jīng)過70多年的開發(fā)建設(shè)，灌區(qū)基本上初具規(guī)模，水利化標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)提高。特別是近幾年來灌區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)與節(jié)水改造項(xiàng)目的實(shí)施有一部分干、支、斗渠進(jìn)行了襯砌，但由于該地區(qū)渠道襯砌結(jié)構(gòu)存在易凍脹破壞，原襯砌渠道結(jié)構(gòu)形式單一，襯砌質(zhì)量參差不齊[1]，渠道襯砌普遍采用的結(jié)構(gòu)為渠基土上鋪設(shè)混凝土，抗凍脹能力不足，運(yùn)行1～2 a便發(fā)生凍脹破壞等問題。

1 渠道防滲抗凍脹技術(shù)

本次水稻節(jié)水新技術(shù)推廣技術(shù)方案：斗渠采取苯板防滲抗凍脹鋼筋混 凝土板襯砌結(jié)構(gòu)形式。按灌溉面積確定工程規(guī)模為小型，其主要灌溉工程根據(jù)過流量劃分級(jí)別[1]，其劃分標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](GB50288-99)。

1.1 渠道典型設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用王家七干老三支二分支渠及所屬斗渠、為水稻節(jié)水新技術(shù)推廣典型地塊。該渠道為三級(jí)渠道典型斗渠所控制的灌溉面積為43畝，田塊短邊長143 m，田塊長邊(即斗渠長度)為200 m，田間水利用水系數(shù)為0.96，灌溉作物為水稻。

1.1.1 灌溉設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合本項(xiàng)目區(qū)種植水稻的實(shí)際情況，取設(shè)計(jì)灌溉保證率為75%。

1.1.2 灌溉定額

水稻凈灌溉定額根據(jù)規(guī)范及當(dāng)?shù)貙?shí)際經(jīng)驗(yàn)采用550 m3/畝，其中包括育苗用水10 m3/畝，泡插期用水130 m3/畝，生育期補(bǔ)水410 m3/畝。

1.1.3 灌水率計(jì)算

本項(xiàng)目區(qū)渠道灌溉方式采用輪灌，以七干老三支二分支渠為典型，二分支渠10條斗渠，灌水率以泡插期最大用水量為計(jì)算依據(jù)，農(nóng)渠輪灌周期為3天，以此確定支渠最大灌水率為：

q支=αm/(8.64T)=5.0 (m3/s/萬畝)

1.2 渠道設(shè)計(jì)流量推求

1.2.1 確定渠道配水方式

支、斗渠實(shí)行輪灌，二分支渠同時(shí)灌水的斗渠有5條(n=5)

1.2.2 推求二分支渠及其所屬斗渠的設(shè)計(jì)流量

(1)計(jì)算二分支渠及所屬斗渠應(yīng)送到田間的凈流量,二分支渠配到田間的凈流量為

Q干田凈=A支q

式中：Q干田凈為田間凈流量(m3/s)；A干為灌溉面積(0.40萬畝)；q為凈灌水模數(shù)[(m3/s)/萬畝] q=5.0;

Q干田凈=2.0 m3/s

Q干田凈= Q干田凈/n×k0.08m3/s

考慮田間水量損失,取田間水利用系數(shù)η田=0.96則農(nóng)渠凈流量為

Q斗凈= Q斗田凈/η田=0.083m3/s

(2)計(jì)算二分支渠及所屬斗渠的設(shè)計(jì)流量

斗渠的設(shè)計(jì)流量(Q斗毛)

式中：A、m為土壤透水性參數(shù); A=1.9 m=0.4；L為斗渠工作長度，等于斗渠總長度一半;

即480/2=240 m=0.24 km

Q斗毛=0.083(1+1.9/(0.083)0.4×0.24/100)=0.1m3/s

其中渠道水力要素見表1。

1.3 渠道防滲斷面流量計(jì)算

1.3.1 渠道防滲斷面流量計(jì)算

式中：Q為渠道設(shè)計(jì)流量，m3/s；ω為過水?dāng)嗝?m2)；m為渠道糙率；R為渠道水力半徑(m)；i為渠道比降。

式中：θ為渠底圓孤的圓心角，rad；H為斷面水深(m)；r為渠底圓弧半徑；b為弧形底的弦長；m為邊坡系數(shù)。

表1 渠道斷面水力要素表

1.3.2 混凝土板渠道防滲斷面流量計(jì)算

式中：Q設(shè)計(jì)為河道設(shè)計(jì)過水流量(m3/s)；ω為過水?dāng)嗝婷娣e(m2)；χ為濕周(m)；R為水力半徑(ω/χm)；C為謝才系數(shù)1/n R1/6(m1/2/s)；i為設(shè)計(jì)河道比降1/8 000；n為糙率0.017。

計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 襯砌渠道水力計(jì)算成果表

2 防凍脹設(shè)計(jì)

2.1 基本資料

項(xiàng)目區(qū)地理位置高程在2.0～2.4 m之間。二分支渠走向南北向。渠底寬2.0 m，渠深2.0 m，邊坡系數(shù)1：1.25。渠床土質(zhì)為壤土：氣象資料：項(xiàng)目區(qū)冰凍期為150 d，最早結(jié)凍期為10月23日，最晚解凍期為4月17日，最大結(jié)凍深度為1.1 m，年平均風(fēng)速為4.4 m/s。

項(xiàng)目區(qū)按灌溉面積確定工程規(guī)模為小型，其主要灌溉工程根據(jù)過流量劃分級(jí)別，其劃分標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](GB50288-99)。

2.2 確定基本參數(shù)

2.2.1 設(shè)計(jì)凍結(jié)深度

Hd=KpKdKzHo

式中：Hd為設(shè)計(jì)凍深(m)；Ho為標(biāo)準(zhǔn)凍深m，取62 cm；Kp為凍深年際變化的頻率模比系數(shù)，取1.2；Kd為日照及遮陰程度影響系數(shù)Kd=a+bψi；Kz為地下水位影響系數(shù)，Kz=(1+αe-zwo)/(1+αe-zwi)。

日照及遮陰程度影響系數(shù)Kd計(jì)算成果及地下水位影響系數(shù)Kz計(jì)算見表3和表4。

表3 日照及遮陰程度影響系數(shù)Kd計(jì)算成果表

表4 地下水位影響系數(shù)Kz計(jì)算成果表

則渠道各部位的設(shè)計(jì)凍深：

坡面：Hd=1.2×1.05×1.0×62=78.12 cm

底面：Hd=1.2×1.04×1.0×62=77.38 cm

2.2.2 凍脹量

項(xiàng)目區(qū)渠道屬4級(jí)渠道，按下式確定渠道各部位的凍脹量：

h=(αpf Hd)/100

式中：h為凍脹量m；αp為荷載修正系數(shù)，αp=e-βpi

荷載修正系數(shù)αp計(jì)算成果見表5。

表5 荷載修正系數(shù)αp計(jì)算成果表

式中：f為土的平均凍脹強(qiáng)度%，地下水淺埋(Zp≤Zo)時(shí)：

f=α1e-β1zp；Hd為設(shè)計(jì)凍深(m )；

則渠道各部位的凍脹量：

坡面：h=(1.0×4.52×78.12)/100=3.53 cm

底面：h=(1.0×4.52×77.38)/100=3.49 cm

土的平均凍脹強(qiáng)度f計(jì)算見表6。

表6 土的平均凍脹強(qiáng)度f計(jì)算成果表

2.2.3 判斷基土的凍脹性類別

設(shè)計(jì)渠道坡面、底面的凍脹量均大于2 cm ，小于5 cm，屬Ⅱ類凍脹》[4]。

2.3 防凍脹驗(yàn)算

選取渠道橫斷面上的凍脹量最大值[5](即坡面上的凍脹量3.53 cm，為該段襯砌渠道的最大凍脹位移值)。

項(xiàng)目區(qū)渠道采用鋼筋混凝土襯砌，渠深1.2 m、小于1.5 m。襯砌板塊尺寸小于2.5 m，渠底寬和坡長都小于2.5 m，允許位移值為1.0 cm。

渠道的最大凍脹位移值(3.53 cm)大于允許位移值(1.0 cm)，須采取防凍脹工程措施。

渠床土屬Ⅱ類凍脹類別，系中型渠道，按《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]有關(guān)要求，采用的渠道斷面和襯砌結(jié)構(gòu)形式如下：

(1)斗渠梯形斷面：采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，板厚80 mm；下設(shè)苯板80 mm(陰坡)，80 mm(陽坡)，渠底80 mm；基層為素土夯實(shí)。

(2)依據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》[5](SL211-98)，混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)為：強(qiáng)度標(biāo)號(hào)C25，抗凍F150，抗?jié)BW4。

3 渠道抗凍設(shè)計(jì)

3.1 渠道選線與渠系布置

在渠道選線時(shí)，要認(rèn)識(shí)到凍脹防治的重要關(guān)系。如果條件允許，應(yīng)盡量讓渠線盡可能通過粗粒土。當(dāng)?shù)叵滤惠^高的地方應(yīng)盡可能地修建填筑渠道，以提高渠底。在灌區(qū)渠系布置中，要注意防止田間水滲漏，從而導(dǎo)致造成凍脹。在地塊和下一條渠道之間設(shè)計(jì)一條林區(qū)道路，這樣就延長了滲漏通道。

3.2 設(shè)計(jì)措施

結(jié)構(gòu)抗凍性設(shè)計(jì)一般采用U形或圓弧底梯形渠道，以防凍脹。以U形渠道變形主要是將整體上抬為主，凍脹變形較為均勻?；⌒尾鄣子泻芎玫姆纼雒浶Ч?，在凍脹影響時(shí)因其變形較均勻，適用于寒冷地區(qū)的設(shè)計(jì)。因U形渠道主要由預(yù)制混凝土板組成。然而在施工過程中, 因?yàn)轭A(yù)制件的尺寸是有限的。而且，在大U形混凝土板的接縫過程中，存在著許多困難。U型通道一般用于小流量支渠及支渠以下的渠道, 而弧形底梯形斷面不受這些因素的影響,在干渠及其以下渠道會(huì)經(jīng)常被采用。

4 結(jié)語

農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣示范項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，從宏觀角度看：應(yīng)達(dá)到渠道的耐久性、防滲性[6]。從而減小渠基土凍脹量，提高渠道襯砌抗凍脹能力，延長工程使用年限。通過水稻田間斜發(fā)沸石生態(tài)控肥可提高水稻產(chǎn)量和水氮利用效率[7]。