某大型灌區(qū)續(xù)建改造工程中灌排渠改造設(shè)計(jì)研究

李瑞英

(盤錦市大洼區(qū)水利服務(wù)中心，遼寧 盤錦 124200)

0 引 言

灌區(qū)內(nèi)配套與節(jié)水改造是進(jìn)一步提高灌區(qū)項(xiàng)目區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量和調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的有效方法，灌區(qū)內(nèi)干渠由于多年渠道修繕投入不足，工程老化失修、加之項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的渠系普遍不配套，骨干輸水渠道又多為土渠，坍塌、淤積堵塞嚴(yán)重，L加上土質(zhì)疏松，滲漏嚴(yán)重，輸水損失大，灌溉水利用系數(shù)偏小，無效耗水大，有限的可供水量不能很好地發(fā)揮作用，加劇了水資源的供需矛盾。因此，進(jìn)行灌區(qū)改造配套渠道工作，大力推廣節(jié)水技術(shù)措施，提高水利用率，使有限的水資源充分發(fā)揮其應(yīng)有的效益，從根本上解決灌區(qū)缺水問題，是促進(jìn)整個(gè)灌區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的必由之路，不僅是十分必要的，同時(shí)也是非常迫切的。灌區(qū)內(nèi)種植結(jié)構(gòu)為小麥、玉米、棉花、蔬菜和水稻，現(xiàn)狀灌排渠渠道行洪斷面不滿足5a一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)，部分渠段破損及滲漏嚴(yán)重，本次考慮將現(xiàn)狀渠道改造為直斜復(fù)合式襯砌斷面，進(jìn)行灌排渠道斷面設(shè)計(jì)研究[2]。

1 灌排渠工程設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)洪水

本次灌排渠治理段為 0+000-1+495，治理河段長1.495km。灌排渠治理設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10a一遇，其中：里程0+000-1+041段5a一遇洪水為38.7m3/s，10a一遇洪水為54.5 m3/s；里程1+041-1+495段5a一遇洪水為40.5m3/s，10a一遇洪水為56.8m3/s。。

1.2 治理方案選擇

本次灌排渠治理中橫斷面有矩形斷面、梯形斷面、復(fù)式斷面三種斷面型式選擇[2-3]。方案一矩形斷面占地面積小，砌體工程量較大，投資高，斷面安全、休閑、親水性、美觀性差；方案三梯形斷面護(hù)坡，占地面積多，砌體工程量小，水面寬度大，美觀性差，休閑、親水性稍差；方案二復(fù)式斷面占地面積、砌體工程量居中，休閑、親水性強(qiáng)，美觀性好。由于矩形斷面砌體工程量大，投資高，而梯形斷面占地多，綜合考慮到灌排渠兩岸土地資源珍貴，最終選擇橫斷面采用以復(fù)式斷面為主的方案二，5a洪水位以下采用漿砌石護(hù)腳，5a一遇洪水位至堤頂采用土堤回填，內(nèi)、外側(cè)堤坡設(shè)計(jì)坡比為1∶1.5，局部段采用M7.5漿砌石防洪墻防洪，治理方案比選見圖1[1]。

圖1 治理方案斷面比選

1.3 分段治理方案

根據(jù)治理原則為在保證河道行洪斷面的前提下，少占不占耕地、節(jié)約投資，就地取材，分段確定治理方案。根據(jù)地形地質(zhì)及沿河灘地耕地分布情況，本次治理河段分段情況見表1和表2。

表1 灌排渠工程左、右岸分段治理表

表2 灌排渠治理后水面線成果表

1.4 水面線計(jì)算

設(shè)計(jì)起始水深采用治理段末端下游河道處控制水深作為水面線計(jì)算起始水深。鑒于本次治理段河道斷面無實(shí)測水位流量關(guān)系，起始水深采用曼寧公式計(jì)算，其中水力要素根據(jù)實(shí)際縱橫剖面圖計(jì)算[4]，糙率根據(jù)河床組成及岸邊情況選擇主槽糙率為0.030，河道斷面、底坡采用實(shí)測地形縱橫剖面圖計(jì)算，設(shè)計(jì)流量通過工程實(shí)測得到。

1)計(jì)算原理

本次對現(xiàn)狀河流水面線計(jì)算采用水面線計(jì)算程序《MIKE 11》進(jìn)行分析計(jì)算，該軟件是由丹麥水利研究所(DHI)研發(fā)，是基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程，即一維非恒定流圣維南(Saint-Venant)方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)。其方程組的具體形式如下[5]：

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

方程(1)為連續(xù)方程，反映了河道中的水量平衡。方程(2)為動(dòng)量方程，其中第一項(xiàng)反映某固定點(diǎn)的局地加速度，第二項(xiàng)反映由于流速的空間不均勻引起的對流加速度。前兩場合稱為慣性項(xiàng)。第三項(xiàng)反映了水深的影響，為壓力項(xiàng)。第四項(xiàng)反映了摩阻和底坡的影響。對治理后河道水面線復(fù)核成果見表2。

圖2 灌排渠治理后水面線示意圖

1.5 河堤堤頂超高

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50286-2013，堤頂高程為設(shè)計(jì)水深加堤頂超高確定。本工程為10a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量，按天然河道水面曲線計(jì)算方法，推求整治河段沿程設(shè)計(jì)水面線。考慮到河道寬度較小，本次不在計(jì)算波浪爬高與風(fēng)壅高，取河堤超高為0.3m。

圖3 漿砌石擋墻計(jì)算簡圖

2 擋土墻穩(wěn)定分析

設(shè)計(jì)灌排渠0+900-1+050段采用M7.5 漿砌石防洪墻防洪，本段防洪墻墻高最高(3.0m)，故取此段防洪墻進(jìn)行計(jì)算。采用理正巖土擋土墻設(shè)計(jì)程序，對重式擋墻進(jìn)行了抗滑、抗傾及地基應(yīng)力計(jì)算。

計(jì)算采用M7.5漿砌石擋墻，墻后回填土的內(nèi)摩擦角φ=24°，土壤天然容重1.8T/m3，飽和容重1.95T/m3，基礎(chǔ)與地基間的磨擦系數(shù)U=0.4，漿砌石容重2.2T/m3(浮容重1.2 T/m3)。

2.1 計(jì)算簡圖

根據(jù)水工設(shè)計(jì)斷面形式，采用朗肯土壓力進(jìn)行計(jì)算，根據(jù) GB50286-2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]確定邊坡穩(wěn)定允許安全系數(shù)。

2.2 計(jì)算原理

1)計(jì)算原理

文章進(jìn)行擋土墻所受土壓力大小時(shí)，按照庫侖理論計(jì)算，計(jì)算公式如下。

(3)

h0=q/γ

(4)

(5)

(6)

式中：γ為土壤容重，T/m3；δ為土壤與墻背間的摩擦角，°；φ為土壤內(nèi)摩擦角，°。

2)穩(wěn)定計(jì)算

擋土墻穩(wěn)定計(jì)算包括擋土墻抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算、抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算以及基底應(yīng)力驗(yàn)算，三者的計(jì)算公式如下。

滑動(dòng)穩(wěn)定驗(yàn)算

(7)

滑動(dòng)穩(wěn)定驗(yàn)算

(8)

基底應(yīng)力驗(yàn)算

(9)

式中：WN為擋土墻重量，kN/m；EN為主動(dòng)土壓力的豎向分力，kN/m；EX為主動(dòng)土壓力的水平分力，kN/m；f為基地摩擦系數(shù)，參考規(guī)范取值；ZW、ZEV、ZEX分別為W、EN、EX對O點(diǎn)的力臂，m；B為擋土墻寬度，m。

3)計(jì)算成果分析

采用理正巖土擋土墻設(shè)計(jì)程序，得到的擋土墻計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 擋土墻穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算漿砌石擋墻在完建工況下，抗滑穩(wěn)定系數(shù)和抗傾穩(wěn)定計(jì)算最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求[2]。

3 結(jié)論及建議

灌區(qū)內(nèi)水資源供需矛盾突出，灌排渠道、管道及配套設(shè)施陳舊、老化及損壞嚴(yán)重，渠道滲漏嚴(yán)重，水資源利用率較低，若新建水源工程需要投入的資金較大，歷史較長，所以中型灌區(qū)內(nèi)進(jìn)行灌溉配套設(shè)施續(xù)建及改造是行之有效的方法，急需配套、改造渠道以緩解供需水矛盾。該工程于2018年10月進(jìn)行配套改造施工，2019年2月完工，改造后灌排渠道滿足防洪要求，減少水量滲漏，取得了較好的結(jié)果。