“豎曲線”施工技術(shù)在農(nóng)田末級渠系中的應用

賈文龍

（山丹縣馬營河流域管理處，甘肅 山丹 734100）

1 山丹縣農(nóng)田水利工程發(fā)展史

自中華人民共和國成立以來，甘肅省張掖市山丹縣干、支渠道建筑材料主要以干砌石和預制磚襯砌為主，施工隊伍以鄉(xiāng)村社為單位，由受益區(qū)群眾義務投工、投勞完成，末級渠系工程未曾涉及。進入20 世紀70 年代末，隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，山丹縣干、支渠道建筑材料逐步開始以塊石和料石襯砌為主，施工隊伍以鄉(xiāng)村社為單位，由受益區(qū)農(nóng)戶義務投工、投勞完成，末級渠系工程開始涉及。進入2000 年以來，山丹縣經(jīng)濟得到了長足發(fā)展，國家對農(nóng)田水利工程建設(shè)的資金投入力度加大，山丹縣水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到了翻天覆地的變化，干、支渠道建筑材料以砼現(xiàn)澆和低壓鋼筋砼管道襯砌為主，并且干、支渠道基本得到了改造，斗渠以下的渠系工程逐年有計劃地安排實施，施工通過招投標后由有資質(zhì)、有技術(shù)保障且資金雄厚的施工單位來承擔，工程質(zhì)量得到了飛躍式提升，灌區(qū)呈現(xiàn)“行水有渠，量水有堰；分水有閘，過路有閘”的和諧局面。2010 年以來，山丹縣一部分區(qū)域末級渠系開始管網(wǎng)化實踐，水資源利用率得到進一步提高[1]。

2 山丹縣農(nóng)田水利工程建設(shè)存在的問題

山丹縣有效灌溉面積為4.439 萬hm2，現(xiàn)狀實灌面積2.448 萬hm2，基本農(nóng)田地處沖、洪積扇傾斜平原區(qū)，相鄰地塊間落差一般在0.3～0.9 m。渠道修建基本依據(jù)地形自然坡降建設(shè)，導致末級渠系工程修建后，由于渠道坡降較大，地頭閘向地塊分水時使渠中水流不進地塊而溢出渠頂，影響農(nóng)田正常灌溉。通過近2 a 的實踐和探討，引入“一閘一跌法”的設(shè)計施工理論，即在地頭閘后設(shè)計成跌水，將力消減后利用緩坡渠道與下一個地頭閘連接，依次形成“地頭閘—跌水—緩坡連接段—地頭閘—跌水—緩坡連接段—地頭閘—……”灌溉運行模式。通過運行實踐，農(nóng)田得到了正常灌溉，但工程造價較高，且冬灌后消力池內(nèi)的積水無法排除，導致來年跌水側(cè)墻凍融破壞現(xiàn)象明顯，大大縮短了工程的使用壽命[2]。為此，基層技術(shù)人員把這一問題作為一個課題進行認真研究，盡快提交成果，以便為工程的下一步實施提供理論依據(jù)。近年來，隨著山丹縣末級渠系配套工程的全面實施，地頭閘前按照自然坡降設(shè)計，當?shù)仡^閘分水時，急速水流在閘前躍出水槽，導致農(nóng)田得不到正常灌溉。對此，采取“一閘一陡法”的設(shè)計施工理論，但在閘后陡坡終點處，也是緩坡段的起點處易形成水躍，致使水流從該點處滿溢。最終，基于在實踐中一次次總結(jié)的經(jīng)驗、在一次次失敗中堆積起來的專業(yè)理論知識，尤其是公路測量中“豎曲線”的放樣，觸發(fā)了基層技術(shù)人員的靈感，道路工程中有陡坡、緩坡甚至平坡，只要不出現(xiàn)跌水，道路依舊是暢通的。就此成功引入了“一閘一曲一緩一閘法”的設(shè)計施工理論，即在地頭閘后設(shè)計成豎曲線，將力消減后與緩坡段銜接下一個地頭閘，依次形成“地頭閘—豎曲線—緩坡連接段—地頭閘—豎曲線—緩坡連接段—地頭閘—……”灌溉運行模式。通過運行實踐，水流從急流轉(zhuǎn)化成緩流的瞬間，水面是平緩的，農(nóng)田得到了正常灌溉，工程造價大大降低，而且工程設(shè)施凍漲問題得到了有效解決。

3 “一閘一曲一緩一閘”設(shè)計施工法

該方法是在“一閘一跌”法和“一閘一陡”法相結(jié)合的基礎(chǔ)上進一步改進的設(shè)計施工法，其特點是適應水流從急流轉(zhuǎn)化為緩流瞬間變化能力，工程造價低，設(shè)計施工便于掌握，灌溉結(jié)束后渠道和閘室內(nèi)不存積水，凍漲問題能得到有效解決。該施工方法在山丹縣已得到群眾的普遍認可。

3.1 渠道斷面

近年來，隨著山丹縣末級渠系配套工程的實施，建筑材料基本以砼預制U 型槽為主，此次筆者將以實例做一詳細敘述，渠道設(shè)計流量Q=0.3 m3/s，設(shè)計斷面見圖1。

圖1 渠道橫斷面圖

3.2 渠道流態(tài)判別

通過近年來末級渠系配套工程的設(shè)計與施工，當?shù)仡^閘設(shè)置于急流渠段處，由于閘前行近流速大，地頭閘向地塊分水時，導致水流躍出水槽，影響農(nóng)田正常灌溉[3]，甚至造成農(nóng)田無法灌溉。為此，引入弗汝德數(shù)（Fr）判別流態(tài)，通過試算法推導出臨界斷面A和臨界水深h，最終導出臨界坡降i。

3.2.1 弗汝德數(shù)（Fr）。當弗汝德數(shù)Fr=1時，為臨界流；當弗汝德數(shù)Fr＞1 時，為急流；當弗汝德數(shù)Fr＜1 時，為緩流。

Fr2=，其中Q表示過水流量（m3/s），B表示過水斷面相應的水面寬度（m），g表示重力加速度（取9.81 m/s2），A表示過水斷面面積（m2）。當Fr2=1，過水流量Q=0.3 m3/s時，相應以上圖砼U型槽為例，經(jīng)試算，過水斷面面積A=0.176 3 m2，相應的水面寬度B=0.595 m，臨界水深h=0.385 m。

3.2.2 臨界坡降（i）。依據(jù)以上數(shù)據(jù)，過水流量Q=0.3 m3/s，斷面面積A=0.176 3 m2，臨界水深h=0.385 m，代入明渠均勻流公式其中，C表示謝才系數(shù)，，n表示渠道糙率，取0.017；R表示水力半徑，X表示過水斷面相應的濕周（m）。經(jīng)試算，渠道的臨界坡降i=1/110。

當渠道坡降i=1/110 時，為臨界流；當渠道坡降i＞1/110時，為急流；當渠道坡降i＜1/110時，為緩流。

3.3 臨界坡降在末級渠系工程中的操作

近年來，山丹縣通過實施馬營河大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目、寺溝中型灌區(qū)改造、重點縣項目、農(nóng)綜項目和土地整理項目，水利基礎(chǔ)設(shè)施得到了極大的改善，末級渠系配套工程隨之全面鋪開。但由于地形條件的限制，加之技術(shù)方面的困擾，一度使技術(shù)人員陷入盲區(qū)，通過理論與實踐的反復結(jié)合，最終實現(xiàn)了豎曲線在末級渠系工程中的應用[4]。

3.3.1 下級地頭閘前坡降控制。通過以上水力計算確定，該實例砼U 型渠渠道設(shè)計流量Q=0.3 m3/s，臨界坡降i=1/110。在實際操作中，將渠道坡降控制在i=1/120，渠水深0.4 m，F(xiàn)r2=0.87，閘前水流在緩坡狀態(tài)。

3.3.2 上級地頭閘后豎曲線與下級地頭閘前緩坡段的銜接。由于山丹縣基本農(nóng)田地處沖洪積扇傾斜平原區(qū)，相鄰地塊間落差一般在0.3～0.9 m，上、下游地頭閘之間的凈距在20.0 m 左右，按照自然地形進行設(shè)計，上、下游地頭閘間的渠道坡降（i）為1/67～1/22，流態(tài)屬急流，不易建閘。為此，筆者以上、下游地頭閘高差h=0.6 m、凈距L=20 m為例進行分析。

如2 圖所示，初始陡坡長度T1=5 m，起點高程A=100.00 m，終點高程G=99.525 m，高差h=0.475 m，坡降i=1/10.53；初始緩坡段長度GF=15 m，起點高程G=99.525 m，終點高程F=99.400 m，高差h=0.125 m，坡降i=1/120。則夾角4.975°；利用圓曲線公式計算，曲線半徑，外矢矩cos4.975-1）=0.22 m，矢高=57.44×（1-cos4.975）（1-cos 4.975）=0.22 m。

依據(jù)以上數(shù)據(jù)可確定C點高程等于G點高程加外矢矩E，則C（高程）=G+E（外矢距）=99.525+0.220=99.745 m，E（高程）=15×1/120+F=0.125+99.4=99.525 m。

B點高程等于A、C兩點高程之和的1/2減去1/4倍的矢 高h，則B=（A+C）/2+h/4=（100+99.745）/2+0.055=99.93 m。

同理，可求得D=（C+E）/2+h/4=（99.745+99.525）+0.055=99.69 m。

至此，相鄰兩閘口間的點位高程依次為A=100 m，B=99.525 m，C=99.745 m，D=99.690 m，E=99.525 m，F(xiàn)=99.400 m。

圖2 豎曲線與緩坡銜接示意圖

3.3.3 豎曲線在我縣渠道工程中的應用。豎曲線在山丹縣水利過程中應用較為廣泛，在山丹縣馬營河大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目中就曾得到過應用。在大、中型渠道變坡點處，按照常規(guī)做法，在渠道運行過程中容易起浪花，水流不平穩(wěn)。在變坡點處采用豎曲線銜接后，水流平穩(wěn)了，浪花也消除了[5]。無論是陡坡與陡坡、陡坡與緩坡、緩坡與陡坡銜接，還是緩坡與緩坡銜接，效果均良好。

如圖3 所示，渠道上段坡降i1=1/500，下段坡降i2=1/50，B點位變坡點，為進一步簡化計算，取切線長T1=T2，則夾角

圖3 豎曲線放樣圖

依據(jù)以上確定數(shù)據(jù)，由B點的高程數(shù)據(jù)減去外矢矩E的數(shù)據(jù)，可得到E點高程（或者A、C兩點的高程數(shù)據(jù)平均后可得到F點的高程，再用F點的高程加矢高h的數(shù)據(jù)，可得到E點高程），G點高程由A、E兩點的高程數(shù)據(jù)平均后可得到H點的高程，再用H點的高程加矢高h/4 的數(shù)據(jù)，可得到G點高程。依據(jù)此方法可得到其余點的高程數(shù)據(jù)，依次聯(lián)結(jié)渠道豎曲線點A、W、G、K、E、O、M、Q、C，放樣結(jié)束。

近年來，在黨的富民政策指引下，山丹縣末級渠系配套工程全面鋪開，兩閘口間的渠道銜接問題顯得較為突出，在不違背自然地形條件的情況下，水流為急流，只滿足渠道輸水要求，在農(nóng)田灌溉階段，則水流躍出水槽，影響工程運行。通過推廣兩閘口間豎曲線銜接，目前工程運行良好。

4 豎曲線施工方法的適應范圍

第一，針對于干、支渠道，在變坡點處，可采用豎曲線施工方法銜接上、下游渠段，銜接的渠段可以是陡坡與陡坡、陡坡與緩坡、緩坡與陡坡、緩坡與緩坡。

第二，在渠道變坡點上、下游處，采用豎曲線施工方法銜接，切線長不宜過長（小于或等于20 m），長了不易施工；也不宜過短（一般為10～20 m），過短不能平順渠道水流。

第三，在末級渠系配套工程中，兩閘口間，落差較小，渠道水流為緩流，則直接進行渠道聯(lián)結(jié)，不采用豎曲線施工。

第四，在末級渠系配套工程中，兩閘口間，距離較短（20 m）落差較大（大于1 m以上），則不易采用豎曲線施工。

第五，在末級渠系配套工程中，豎曲線施工法，主要適應于兩閘口間自然坡降在1/100～1/20的渠段，緩與1/100的渠段，接近緩坡流態(tài)，兩閘口間的渠道可直接聯(lián)結(jié)；陡于1/20的渠段，渠道流速超出規(guī)范要求，兩閘口間的渠道可采用陡坡、跌水或倒虹吸銜接。

5 結(jié)語

在基層農(nóng)田水利工程設(shè)計與施工中，水力計算按明渠均勻流計算的約占95%，按明渠非均勻流計算的僅占5%。這就導致地頭閘在運行過程中存在水流躍出水槽的現(xiàn)象。對此，建議在灌溉渠道設(shè)計中，將渠道分為輸水渠道和灌溉渠道來進行設(shè)計，輸水渠道長距離輸水，按明渠均勻流計算；遇到閘口分水處，需在閘口上游段調(diào)整為緩坡，以利于分水；在末級渠系田間渠道設(shè)計中，為避免分水閘口在運行過程中水流躍出水槽，宜考慮明渠非均勻流計算，應用“豎曲線”法設(shè)計施工。