清徐縣汾河生態(tài)修復(fù)段堤外節(jié)水灌溉工程設(shè)計(jì)

羅 玉

（清徐縣邊山水利管理站，山西 清徐 030400）

1 概況

1.1 自然地理

清徐縣位于太原市南端，晉中盆地中部，總面積609 km2。清徐縣屬暖溫帶半干旱大陸性氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季雨量集中，多年平均降雨量425 mm，多年平均蒸發(fā)量975 mm，多年平均氣溫為10.7℃，最大凍土深0.8 m，多年平均風(fēng)速2 m/s。

項(xiàng)目區(qū)地處呂梁山南段侵蝕構(gòu)造中山區(qū)。地形起伏，所處大地構(gòu)造單元為古交掀斜地塊。相應(yīng)地震基本烈度為7°。

區(qū)內(nèi)地下水類型主要為碳酸鹽巖類巖溶水、碎屑巖類裂隙水和松散巖類孔隙水。本項(xiàng)目按水源分為三部分，一是自敦化灌區(qū)引水的王答鄉(xiāng)；二是從汾河自流灌區(qū)汾河干渠引水的柳杜鄉(xiāng)和清源鎮(zhèn)；三是山區(qū)采用截潛流的方式攔蓄地下水。

項(xiàng)目涉及王答鄉(xiāng)、西谷鄉(xiāng)、柳杜鄉(xiāng)和清源鎮(zhèn)3鄉(xiāng)1鎮(zhèn)14個(gè)自然村。區(qū)域內(nèi)共有農(nóng)業(yè)人口2.33萬(wàn)，有效灌溉面積1 417.47 hm2。項(xiàng)目區(qū)土地集中，種植作物有大秋、蔬菜、葡果，區(qū)域內(nèi)人均收入9 200元。

1.2 存在的主要問題

項(xiàng)目區(qū)存在的問題：一是渠道老化嚴(yán)重，部分渠段坍塌。二是渠道輸水率低，滲水現(xiàn)象嚴(yán)重。三是節(jié)制閘、進(jìn)水閘、出水口等建筑物損壞、閘門丟失及堵塞等現(xiàn)象較普遍。四是末級(jí)渠系仍存在用水秩序混亂，糾紛不斷，搶水等現(xiàn)象。

1.3 項(xiàng)目建設(shè)的必要性

對(duì)渠道進(jìn)行防滲改造，采用節(jié)水灌溉方式是目前農(nóng)民的迫切要求，項(xiàng)目的實(shí)施可使農(nóng)業(yè)灌溉水量損失降到最低，水的利用率大幅度提高，緩解農(nóng)業(yè)用水的供需矛盾，適應(yīng)區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，達(dá)到增產(chǎn)增收的目的。

2 工程建設(shè)規(guī)模及總體布置

2.1 建設(shè)規(guī)模

項(xiàng)目受益面積1 420 hm2，其中改善灌溉面積1 220 hm2，新增灌溉面積200 hm2。共分3個(gè)工程區(qū)：王答鄉(xiāng)工程區(qū)，在該鄉(xiāng)8個(gè)村改善面積934.13 hm2，新增灌溉面積101.33 hm2。西谷鄉(xiāng)工程區(qū)，在西谷鄉(xiāng)的2個(gè)村、柳杜鄉(xiāng)的南青堆村改善面積283.33 hm2。邊山工程區(qū)，新增灌溉面積99 hm2。

主要建設(shè)內(nèi)容為：D100U型渠道防滲長(zhǎng)度25.2km，D 80U型渠道防滲長(zhǎng)度79.1 km，管道長(zhǎng)度8.1 km，截潛流壩6座，提水泵13臺(tái)，出水池14座，變壓器2臺(tái)。

渠道建筑物主要為：出水口4 135個(gè)、橋帶閘10座、橋涵65座、分水閘131座、丁字閘84座、十字閘3座、節(jié)制閘636座。

管道附屬建筑物及附屬設(shè)施主要為：鎮(zhèn)墩20個(gè)、低壓架空線2.7 km。

2.2 工程總體布置

2.2.1 水源工程

王答鄉(xiāng)、西谷鄉(xiāng)工程區(qū)，利用現(xiàn)有引水工程水源，僅斗渠以下進(jìn)行更新改造。邊山工程區(qū)的水源為新建截潛流提水工程，潛水泵自截潛流壩下游集水井提水、管道輸水至出水池。

2.2.2 輸配水工程

根據(jù)區(qū)域內(nèi)的水資源狀況，選擇渠道灌溉和管道灌溉。渠灌區(qū)分為敦化灌區(qū)（8個(gè)村）和汾河灌區(qū)（4個(gè)村）兩片。對(duì)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)斗渠和毛渠進(jìn)行防滲改造及附屬建筑物重建，相應(yīng)地布設(shè)閘門、出水口、橋涵等渠系建筑物。管灌區(qū)根據(jù)實(shí)際條件，輸配水主要采用提水泵加壓后，采用管道輸水至出水池。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 渠道設(shè)計(jì)

根據(jù)《灌溉與排水工程的設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)合清徐縣的實(shí)際情況，確定灌溉設(shè)計(jì)保證率為75%，灌溉水利用系數(shù)取0.65。

3.1.1 渠道設(shè)計(jì)流量

根據(jù)實(shí)際情況及當(dāng)?shù)囟嗄赀\(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，斗渠采用續(xù)灌方式，農(nóng)渠采用輪灌方式。農(nóng)渠輪灌組的設(shè)計(jì)流量計(jì)算公式：

式中：Qn——灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量，m3/h；

An——輪灌組平均控制面積，取52.8 hm2；

ηn——灌溉水利用系數(shù)，0.65；

qs——設(shè)計(jì)灌水率，根據(jù)灌溉制度，大秋作物為控制性作物，取293.33 m3/（s·hm2）。

3.1.2 渠道水力學(xué)計(jì)算

由設(shè)計(jì)流量在圖集《山西省小型U型渠道防滲工程標(biāo)準(zhǔn)圖集》中選出相對(duì)應(yīng)的渠道類型。每次灌水為2條農(nóng)渠工作，斗渠流量0.40 m3/s，農(nóng)渠流量0.20 m3/s。

渠道采用U型斷面，水力計(jì)算采用明渠均勻流公式：

式中：Q——流量，m3/s；

ω——過水?dāng)嗝娴拿娣e，m2；

C——謝才系數(shù)，C＝R1/6，n為糙率；

R——水力半徑，X為濕周；

i——渠道縱坡。

混凝土U型渠糙率n取0.015，根據(jù)項(xiàng)目區(qū)自然坡降確定比降i，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定U型渠超高為0.1 m。

3.1.3 渠道斷面設(shè)計(jì)

渠道縱斷設(shè)計(jì)。各斗渠從支渠上直接取水，采用續(xù)灌方式；農(nóng)渠從斗渠上取水，采用輪灌方式。根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，末級(jí)渠道放水口的水位高出平整后田面進(jìn)水端不少于10 cm，斗渠和農(nóng)渠布設(shè)均以填方為主，渠道設(shè)計(jì)縱坡分別為1/2 500和1/4 000。

渠道橫斷面設(shè)計(jì)。斷面形式采用U形渠，按照《山西省小型U型渠道防滲工程標(biāo)準(zhǔn)圖集》，U型渠采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C 20，抗凍等級(jí)F 50，抗?jié)B等級(jí)為W 4。

斗渠采用D 100混凝土U型渠道，深1.0 m，渠口寬1.28 m，板厚0.08 m，沿水流方向每安裝15節(jié)預(yù)制U型槽后（混凝土U型槽按0.5 m一節(jié)進(jìn)行加工預(yù)制）設(shè)一伸縮縫，縫寬2 cm，采用水泥砂漿填縫。

農(nóng)渠采用D 80混凝土U型渠道，深0.8 m，渠口寬0.971 m，板厚0.06 m，沿水流方向每安裝15節(jié)預(yù)制U型槽后（混凝土U型槽按0.5 m一節(jié)進(jìn)行加工預(yù)制）設(shè)一伸縮縫，縫寬2 cm，采用水泥砂漿填縫。

3.2 渠系建筑物設(shè)計(jì)

各斗渠所經(jīng)地段，地形坡度起伏不大，按照灌區(qū)規(guī)劃原則，考慮灌區(qū)交通、機(jī)耕、配水管理等要求相應(yīng)地布設(shè)出水口、農(nóng)橋、節(jié)制閘等渠系建筑物。節(jié)制分水閘、節(jié)制閘、分水閘選用《山西省小型U型渠道防滲工程標(biāo)準(zhǔn)圖集》中“節(jié)制分水閘設(shè)計(jì)圖”。農(nóng)橋采用《山西省小型U型渠道防滲工程標(biāo)準(zhǔn)圖集》中“混凝土U型渠道車橋設(shè)計(jì)圖。出水口根據(jù)灌溉習(xí)慣，在D 80-U型槽渠道上間隔20 m設(shè)一個(gè)出水口。出水口寬0.5 m，高度0.54 m，長(zhǎng)0.65 m。采用M 10水泥砂漿砌磚，底板厚度0.12 m，側(cè)墻厚0.24 m，安裝簡(jiǎn)易木板閘門進(jìn)行灌溉。

3.3 管灌工程設(shè)計(jì)

管灌工程涉及大峪村、毛兒梁村，兩村均屬邊山灌區(qū)，其水源采用在附近溝谷內(nèi)設(shè)截潛流壩取水灌溉。

3.3.1 水源工程設(shè)計(jì)

利用新建的截潛流壩截取淺層地下水。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)及項(xiàng)目區(qū)周邊巖性資料來(lái)看，截潛流壩出水量基本為40～60 m3/h，項(xiàng)目建成后出水量滿足要求。

項(xiàng)目區(qū)新建截潛流壩6座，截潛流壩采用空心壩型式，壩建基面座落在基巖上，凈斷面尺寸（寬×高）為2.0 m×2.0 m，埋深5～6 m。壩上游面采用透水性大的格網(wǎng)石籠重力墻，墻頂寬1 m，底寬1.5 m，高2 m，頂部設(shè)厚度為0.5 m的預(yù)制混凝土壓頂，外包反濾土工布和粗砂保護(hù)層。壩下游面為漿砌石重力墻，頂寬0.5 m，底寬2.75～2.97 m，高5～6 m，墻上游采用C 25掛網(wǎng)混凝土貼面。壩頂蓋板為鋼筋混凝土蓋板，厚0.15 m，板頂覆土深度2.0 m。

根據(jù)所控制的地塊數(shù)量，每座截潛流壩下游設(shè)有1～2座圓形鋼筋混凝土集水井，井內(nèi)配套潛水泵各1臺(tái)，單泵設(shè)計(jì)流量13～35 m3/h不等。

3.3.2 輸配水工程設(shè)計(jì)

根據(jù)地形條件，兩村每片灌區(qū)各設(shè)一座出水池，共14座，采用從截潛流壩中提水，然后用加壓管道輸至各出水池進(jìn)行灌溉。

管道工程。本次管道工程設(shè)計(jì)范圍，僅為出水池前的加壓輸水管道，設(shè)計(jì)壓力水頭較高，為120～200 m，考慮到運(yùn)行的安全可靠性和減少維護(hù)，優(yōu)先選用安全性較高的鋼管，根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速公式來(lái)確定管徑。

水泵選擇。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉的工作條件，項(xiàng)目區(qū)集水井內(nèi)選用潛水泵。按照設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)揚(yáng)程及截潛流出水流量，參考當(dāng)?shù)氐膶?shí)際經(jīng)驗(yàn)，并避免空泵運(yùn)行，查水泵性能表選擇水泵。

水工建筑物工程。該片灌區(qū)主要涉及的水工建筑物包括鎮(zhèn)墩和出水池，均屬于小型水工建筑物設(shè)計(jì)。鎮(zhèn)墩：輸水管道采用明管敷設(shè)，每300～400 m設(shè)一鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩采用混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為0.4 m×0.4 m×0.4 m，則單座鎮(zhèn)墩工程量為0.064 m3。出水池：出水池布置在各地塊最高處，以盡可能控制較大灌溉面積。采用《矩形鋼筋混凝土蓄水池》中100 m3水池。出水池長(zhǎng)、寬均為6.4 m，池深3.5 m，采用鋼筋混凝土澆筑，底板和邊墻均厚0.2 m，水池頂為現(xiàn)澆蓋板，厚度為0.15 m?？紤]冰凍要求，池頂埋深1 m。

3.3.3 電力工程設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)周圍電力設(shè)施基礎(chǔ)條件和對(duì)電力的需求，在保證供電能力的前提下，盡可能地減少輸電距離，降低成本。項(xiàng)目區(qū)配套電氣工程設(shè)計(jì)主要為機(jī)井設(shè)施服務(wù)，內(nèi)容包括變壓器設(shè)計(jì)及輸電線設(shè)計(jì)。

變壓器設(shè)計(jì)。項(xiàng)目截潛流壩位置基本分布在項(xiàng)目村附近，為方便管理，在項(xiàng)目村各設(shè)變壓器一套。變壓器的容量按其所供給的各水泵的型號(hào)及配套電機(jī)的有關(guān)參數(shù)而定，考慮到線路損失、變壓器標(biāo)準(zhǔn)、市場(chǎng)型號(hào)等因素，兩臺(tái)變壓器型號(hào)均為S 9-300/10。

輸電線設(shè)計(jì)。新建變壓器設(shè)置在項(xiàng)目村，現(xiàn)已有10 kV線路接入，不再考慮。低壓線路主要布置于變壓器至與潛水泵配套的電動(dòng)機(jī)上。低壓線采用架空，線路型號(hào)大峪村為L(zhǎng)J-150，長(zhǎng)度為1.5 km；毛兒梁村為L(zhǎng)J-95，長(zhǎng)度1.2 km。

4 效益分析

項(xiàng)目的實(shí)施提高了灌溉水利用率，挖掘了節(jié)水潛力，在保證農(nóng)作物灌溉的基礎(chǔ)上，年可節(jié)水58.9萬(wàn)m3，使水環(huán)境達(dá)到相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)，水資源實(shí)現(xiàn)采補(bǔ)平衡，保土保肥，保護(hù)耕地，減少水土流失，形成了良性循環(huán)的生態(tài)農(nóng)業(yè)格局。