桃曲坡灌區(qū)渠道節(jié)水改造典型設(shè)計研究
——以灌區(qū)西干五支渠和七支渠為例

杜 鋒

(陜西省桃曲坡水庫灌溉中心，陜西 銅川 727031)

桃曲坡水庫灌溉工程在多年的抗旱中發(fā)揮了巨大的作用，但由于長期運行，灌區(qū)工程存在老化失修、渠道水利用率低、水量損失大等問題，嚴重影響了工程效益的正常發(fā)揮，制約了灌區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展。因此，對灌區(qū)實施有效的節(jié)水改造，改善灌區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施條件，對于充分挖掘灌區(qū)潛力，提高渠道的有效利用系數(shù)，擴大灌區(qū)灌溉面積，實現(xiàn)灌區(qū)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)，農(nóng)民增收，增強水管單位自身效益，促進灌區(qū)良性發(fā)展很有必要。本文以桃曲坡水庫灌區(qū)2020年節(jié)水改造實施的2個單項工程西干五支渠和西干七支渠改造為具體研究對象，對灌區(qū)渠道節(jié)水改造工程設(shè)計進行詳細闡述，通過節(jié)水改造工程的合理設(shè)計，對減小農(nóng)業(yè)灌溉水量損失，有效節(jié)約水資源，保障灌區(qū)所轄區(qū)縣廣大地區(qū)增收增產(chǎn)和糧食安全具有重要意義。

1 桃曲坡灌區(qū)概況

桃曲坡水庫灌區(qū)地處關(guān)中北部，北臨銅川，西接三原，東南與東雷二期抽黃灌區(qū)接壤，是一個以水庫供水為主，兼有引清、引洪，跨流域調(diào)水，蓄、引、提結(jié)合多渠首多水源的灌溉系統(tǒng)。灌區(qū)地形復雜，自然地形地貌分為石川河階地和塬區(qū)兩個部分；地勢西高東低，高程在850～490 m之間，石川河、沮河、趙氏河三條河流將灌區(qū)分成五個自然部分，形成川道和塬區(qū)相間的灌區(qū)。灌區(qū)所轄富平、三原、耀州區(qū)、銅川新區(qū)二縣二區(qū)，共15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，198個行政村，916個村民小組，總?cè)丝?6.7萬人，其中農(nóng)業(yè)人口37.9萬人。灌區(qū)設(shè)施灌溉面積31.83萬畝，有效灌溉面積25.5萬畝，灌溉保證率50%。灌區(qū)共有干支渠41條，總長235.36 km，其中干渠5條，總長93 km，支渠36條，總長142.36 km。干支渠建筑物1283座，其中干渠建筑物389座，支渠建筑物894座。

2 西干五支渠和七支渠運行現(xiàn)狀及改造內(nèi)容

西干五支、七支渠是桃曲坡水庫灌區(qū)的重要支渠，渠道承擔著西干灌區(qū)1.4萬畝的農(nóng)業(yè)灌溉任務(wù)，有著十分重要的意義。西干五支、七支渠均是清洪雙引灌溉渠道，砼襯砌梯形斷面，均襯砌于上世紀80年代后期，受當時條件限制，設(shè)計標準低、施工質(zhì)量不高，加之經(jīng)過多年運行行水，目前襯砌板凍脹損毀嚴重、渠道淤積變形、建筑物損毀、渠道過流能力降低，嚴重影響著項目區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展和當?shù)剞r(nóng)民收入，為保證糧食安全，增加農(nóng)民收入，對西干五支、七支渠進行改造是十分必要的。

從其實施改造的具體內(nèi)容來看，西干五支渠全長2.67 km，全線改造，樁號0+000～2+670；西干七支渠全長2.5 km，已列入改造長度0.62 km，樁號0+000～0+620，本次改造剩余的部分長度1.88 km，樁號0+620～2+500。

(2)西干七支渠：七支渠位于西干渠12+187樁號處，控制富平縣莊里鎮(zhèn)2個村組0.7萬畝灌溉面積，設(shè)計流量為1.0 m3/s。渠道全長2.5 km，已全部襯砌，比降1/800，梯形斷面，邊坡比為1:1，現(xiàn)有建筑物25座。

3 西干五支和七支渠道主體設(shè)計

3.1 工程平面布置

西干五支渠全長2.67 km，進行了全線改造，改造長度2.67 km，樁號0+000～2+670；西干七支渠全長2.5 km，其中0+000～0+620段的0.62 km渠道及建筑物改造后期單獨列入改造計劃，本次改造剩余的1.88 km渠道，樁號0+620～2+500；改造的2條支渠平面上維持原渠道走向不變。

3.2 設(shè)計流量確定

西干五支、七支渠設(shè)計流量均保持原設(shè)計流量1.0 m3/s，加大流量1.2 m3/s不變。

3.3 渠道縱斷面設(shè)計

改造襯砌渠道設(shè)計比降采用原設(shè)計比降1/800。

3.4 渠道橫斷面設(shè)計

3.4.1 抗凍脹設(shè)計

桃曲坡水庫灌區(qū)位于關(guān)中北部渭北旱塬區(qū)，屬暖溫帶干旱與半干旱氣候區(qū)，四季冷暖分明，多年平均氣溫12.8℃，灌區(qū)最冷月平均氣溫-3℃，灌區(qū)最大凍土深度58 cm。根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》，標準凍深大于0.1 m，應進行防凍脹設(shè)計。

1)抗凍脹計算

本次抗凍脹設(shè)計選擇改造渠道中相對不利走向東西走向的西干五支渠上段作為典型進行抗凍脹設(shè)計，以此為依據(jù)確定本次改造渠道襯砌結(jié)構(gòu)的抗凍脹措施。

選取東支渠內(nèi)坡中點偏下、底面中點兩點進行凍脹量計算，按照《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》(SL23—2006)中的式(1)進行計算：

Zd=ΨdΨwZm

(1)

式中：Zd為渠系工程設(shè)計凍深(cm)；Zm為歷年最大凍深(cm)，取58 cm；Ψd為考慮日照及遮陰程度的修正系數(shù)Ψd=a+(1-a)Ψi計算；Ψw為地下水影響系數(shù)，取1.28 m；Zwi為計算點的凍前地下水位深度，取4.5 m(m)；Zwo為臨近氣象站凍前地下水位埋深(m)；經(jīng)調(diào)查氣象站凍前地下水位埋深取Zwo=3.0 m；β為系數(shù)，查規(guī)范取0.79。

具體參數(shù)取值及不同位置設(shè)計凍深計算結(jié)果見表1。

表1 設(shè)計凍深計算表 m

2)凍脹量計算及凍脹等級確定

根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》(SL 23—2006)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下凍土層產(chǎn)生的凍脹量hf可按式(2)計算。具體見表2。

表2 渠道底板、邊板凍脹量及凍脹性級別表 cm

hf=h*Zf/Zd

(2)

式中：hf為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下凍土層產(chǎn)生的凍脹量(cm)；h為工程地點天然凍土層產(chǎn)生的凍脹量(cm)；Zf為基礎(chǔ)設(shè)計凍深(cm)，Zf=Zd-0.35δc-1.6δw，其中δc為基礎(chǔ)板厚度，δc=10 cm。δw為底板之上冰層厚度，δw=0。

3)抗凍脹措施確定

經(jīng)計算本項目混凝土襯砌渠道陰坡板、底部凍脹量為2.14 cm、2.04 cm，其凍脹級別為II級，根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》P18表4.2.2渠道襯砌結(jié)構(gòu)允許法向位移值，整體式U形斷面混凝土襯砌結(jié)構(gòu)允許法相位移值為2～5 cm，由于本項目混凝土板襯砌渠道要滿足灌區(qū)的冬灌，為工程運行安全考慮，本設(shè)計渠道襯砌結(jié)構(gòu)需采取抗凍脹措施。

該渠渠基土的凍脹級別為II級凍脹類別，根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》P24第5.1.2條規(guī)定，抗凍脹措施具體為：渠道斷面形式采用整體式U形斷面；

為提高渠道砼抗凍等級及板厚，砼標號采用C15、F100、W4，襯砌厚度10 cm。

3.4.2 橫斷面及襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計根據(jù)改造工程地形地貌、工程現(xiàn)狀，地質(zhì)條件、抗凍脹措施以及盡量減少永久占地等因素，經(jīng)過對梯形、矩形、弧底梯形、U型斷面進行比較分析后，認為“U”型斷面具有水力條件好，施工方便、造價較低的優(yōu)點，綜合確定西干五支、七支渠的設(shè)計橫斷面采用U型，渠道襯砌采用現(xiàn)澆砼結(jié)構(gòu)。

渠道橫斷面水力計算采用明渠均勻流計算公式：

Q=1/n×ω×R2/3×i1/2

(3)

式中：Q為渠道計流量(m3/s)；w為過水斷面(m2)；c為謝才系數(shù)；R為水力半徑(m)；J為比降。

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計標準》(GB50288-2018)中6.1.23條規(guī)定，岸頂超高可按下式進行計算：

Fb=1/4hb+0.2

(4)

式中：Fb為渠道岸頂超高(m)；hb為渠道通過加大流量時的水深(m)。

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計標準》(GB50288-2018)中6.1.23條規(guī)定，渠道襯砌超高值可采用0.3～0.8 m，5級渠道可適當減小，但不應小于0.1 m。經(jīng)水力計算，各渠段橫斷面幾何尺寸、水力要素成果詳見表3。

表3 西干五支、七支渠改造段水力要素表

經(jīng)過綜合計算分析，西干五支渠、七支渠渠道襯砌設(shè)計均采用C15現(xiàn)澆砼“U”型斷面，弧半徑0.6 m，圓心角148°，襯高1.2 m，砼板厚10 cm，砼板標號為C15，防滲等級為W4，抗凍脹等級為F100。渠道橫向每隔4 m設(shè)一條橫向伸縮縫，不設(shè)縱向伸縮縫；伸縮縫采用梯形縫，尺寸為：上口寬3 cm、下口寬2 cm，縫內(nèi)采用聚笨乙烯泡沫板填塞，M10水泥砂漿封口。

4 渠道主要建筑物設(shè)計

西干五支渠計劃改造各類渠道建筑物28座，其中：量水堰1座，農(nóng)橋10座，陡坡5座，節(jié)制閘2座，斗門10座。西干七支渠計劃改造各類渠道建筑物19座，其中：農(nóng)橋9座、陡坡4座、節(jié)制閘1座、斗門5座。

4.1 量水堰

西干五支渠量水堰設(shè)計采用巴歇爾量水堰，C15現(xiàn)澆砼結(jié)構(gòu)，喉道寬度為0.90 m，喉道長度為0.6 m，進口段長度1.65 m，出口段長度0.92 m，上游擴散段長1.0 m，下游擴散段長1.043 m。

4.2 斗門改造

4.3 節(jié)制閘改造

4.3.1 閘孔尺寸確定

節(jié)制閘孔尺寸按照平底寬頂堰公式進行計算，公式如下：

B=Q/[εm(2g)1/2H03/2]

(5)

經(jīng)計算，節(jié)制閘閘孔寬度為0.87 m，經(jīng)綜合考慮本次設(shè)計閘孔寬度取1.0 m、閘孔高度與渠道襯砌高度相同為1.2 m。

4.3.2 節(jié)制閘設(shè)計

4.4 農(nóng)橋改造

4.5 陡坡改造

4.5.1 缺口寬度bc

西干2條支渠拆除重建陡坡缺口采用梯形缺口，根據(jù)以下公式用試算法計算梯形缺口底寬bc：

Q=M梯b平均h3/2

(6)

其中，M梯=2.25-0.15b平均/h

村小組代表大會應該制定并通過章程(村規(guī)民約)，這是村自治的基礎(chǔ)，關(guān)系到全體村民利益。因此在制定的時候，應最大限度聽取村民意見，并保證順利實施。村民小組代表大會還可以聘請一名專業(yè)的法律顧問，為其提供法律指導和幫助，進一步規(guī)范權(quán)力行使。

b平均=bc+0.8nch

式中：Q為渠道設(shè)計流量，1.0 m3/s；bc為梯形缺口底寬度，m；nc為缺口邊坡系數(shù)，取0.75；h為不計行近流速的堰上水頭，0.83 m；b平均為梯形缺口平均寬度，m。

經(jīng)計算：梯形缺口底寬取0.40 m。

4.5.2 進口扭面長度L1

進口段長度一般采用下式計算：L1=(2.5-3.25)h

本次設(shè)計采用L1=3h=3×0.83=2.49 m，取3.0 m。

4.5.3 陡坡段的確定

4.5.4 消力池水力計算

消力池池深d計算根據(jù)以下公式計算：

d=hc＂-ht

E0=P+h+v2/2g

式中：hc＂為陡坡末端收縮水深hc的共軛水深(m)；ht為下游明渠正常水深(m)；q為陡坡末端收縮斷面上的單寬流量，m3/(s*m)；hc為陡坡末端收縮水深m；E0為進口控制斷面對消力池底的總能頭，m；P為陡坡與消力池池底之間的高差m；φc為陡坡段的流速系數(shù),按公式計算；m0為消力池邊坡系數(shù)，取1；V為上游渠道斷面平均流速，m/s

根據(jù)計算結(jié)果，本次設(shè)計取0.4～0.7 m。

消力池池長L3：LS=6.5H＂C，根據(jù)計算結(jié)果，本次取池長6.0～8.0 m。

消力池寬度主要依據(jù)陡槽平面擴散寬及下游渠道底寬等條件確定，且取以5 cm為尾數(shù)的整數(shù)。本次消力池寬度取1.0 m。

4.5.5 出口段長度L4

出口段長度L4采用：L4=3.0h下=3.0×0.83=2.49 m。根據(jù)計算結(jié)果，出口段長度L4最終取3.0 m。

5 結(jié)語

桃曲坡水庫灌區(qū)屬資源性缺水與工程性缺水并存的地區(qū)，只有通過節(jié)水改造，，才能有效節(jié)約水資源，逐步緩解當?shù)毓まr(nóng)業(yè)發(fā)展需水量的增加與水資源總量不足的矛盾。本文通過對渠道節(jié)水工程進行合理設(shè)計，確定了各個主要設(shè)計數(shù)據(jù)、參數(shù)和施工要點，為渠道節(jié)水改造施工提供了準確的設(shè)計依據(jù)，從工程實施后的效果看，隨著灌區(qū)節(jié)水工程逐年實施，水利工程中的各項設(shè)施逐步得到改造、更新和配套完善，為灌區(qū)管理體制改革創(chuàng)造出良好的硬件條件，有力地推動了灌區(qū)正在進行的水管體制改革、水費按量計費和農(nóng)民用水者協(xié)會等改革的深入開展，促進了灌區(qū)管理的良性循環(huán)和不斷發(fā)展。