灌區(qū)節(jié)水改造中防滲渠道斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

羅科峰

（韶關(guān)市華源水電建設(shè)有限公司，廣東 韶關(guān) 512300）

近年來黨中央提出了“節(jié)水優(yōu)先”的治水新理念，緊跟農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化與打造節(jié)水型社會的步伐，各地區(qū)都陸續(xù)加強(qiáng)了對傳統(tǒng)灌區(qū)工程的改造優(yōu)化，以提高水資源的利用率[1]。目前，很多灌溉工程運(yùn)行時間較長，老化嚴(yán)重，很多渠道斷面大、襯砌率低，相關(guān)配套設(shè)施不完善，造成灌溉水調(diào)度難、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問題。為解決這一問題，實(shí)現(xiàn)水資源的有效利用，推動我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效發(fā)展，有必要對灌溉工程進(jìn)行升級優(yōu)化，全面發(fā)展高效節(jié)水灌溉技術(shù)，最大限度提高水資源的利用率。

1 對防滲渠道斷面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義

國內(nèi)很多灌溉工程修建時間比較早，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不高，施工工藝落后，渠系設(shè)施不完善，工程老化，損壞嚴(yán)重。灌溉面積遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通常僅為設(shè)計(jì)灌溉面積的70%左右，因此續(xù)建配套擴(kuò)大灌溉范圍的潛力非常大。隨著水資源緊張與生產(chǎn)生活用水矛盾越來越突出，國家提倡發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)。其中，對現(xiàn)有灌區(qū)實(shí)施技術(shù)改造是一個不錯的選擇，不僅用時短，而且成本低。在灌溉改造項(xiàng)目中使用最為普遍的一項(xiàng)節(jié)水工程技術(shù)就是渠道防滲技術(shù)。通過對渠道進(jìn)行防滲處理后可大幅提升水資源的利用率，從而有效緩解農(nóng)業(yè)用水的供需矛盾，省下來的水可作為灌溉用水，進(jìn)而增加灌溉范圍。同時，也能使地下水位下降，避免形成沼澤地與鹽堿地，讓農(nóng)業(yè)與生態(tài)更融洽地發(fā)展[2]。

2 防滲渠道斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容

2.1 選取防滲材料

防滲材料主要有三種，分別是土料、混凝土、膜料。選擇土料的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，費(fèi)用小，防滲效果明顯，但不足之處也有很多，使用年限短，允許流速不能過高，抗凍性不好。選擇混凝土的優(yōu)點(diǎn)在于可以將渠道滲流水量損失控制在10%以下；能減少淤積問題，從而減少渠道的日常管護(hù)與維修成本；若滿足一定條件，采用混凝土材料修建的渠道使用壽命不低于50年；允許流速大，能夠減小渠道斷面，從而節(jié)省土方用量，縮小占地面積[3]；另外，可按照渠道設(shè)計(jì)要求，將混凝土制作成為不同形狀大小的構(gòu)筑物。膜料這種材料的柔性、延伸性以及抗拉性能均非常好，可用于不同形狀的渠道中，也可用于存在位移、沉降風(fēng)險(xiǎn)的渠道中，膜料的施工技術(shù)簡單，能縮短渠道施工時間，同時，耐酸堿性、耐土壤微生物的侵蝕，耐腐蝕性都很好，將膜料應(yīng)用于渠道防滲建設(shè)中可以確保渠道使用時間不低于15年。

2.2 防滲渠道斷面形式的種類

當(dāng)前防滲渠道工程中所選用的渠道斷面形式主要包括三種：U形、梯形、弧形坡腳梯形等。在具體選取斷面形式時，必須綜合考慮下列因素：施工的難易性、抗凍脹性、水利條件、輸沙能力、建造費(fèi)用等[4]。表1為三種渠道斷面形式的優(yōu)劣點(diǎn)。其中，U形斷面多用于小型渠道，弧形坡腳梯形斷面則多用于改造大中型梯形的土渠，有助于消除原渠道行水與施工期之間的矛盾矛盾[5]。

表1 防滲渠道三種斷面形式的優(yōu)劣點(diǎn)

2.3 防滲渠道縱橫斷面的優(yōu)化要點(diǎn)

在設(shè)計(jì)渠道縱橫斷面的時候，通常會用到明渠均勻流公式，注意要反復(fù)計(jì)算、核算一些關(guān)鍵參數(shù)，如比降?，F(xiàn)在關(guān)于渠道斷面設(shè)計(jì)的方法有很多，也更加完善。其中，有一種新設(shè)計(jì)方法在近年來渠道防滲斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)中顯露出優(yōu)勢，得到大量的應(yīng)用，即動態(tài)規(guī)劃方法。運(yùn)用此法必然會考慮到一些關(guān)鍵性的參數(shù)，防止工作人員憑經(jīng)驗(yàn)隨意確定部分關(guān)鍵參數(shù)。待選擇好渠道防滲斷面類型后，通過對渠底縱坡等重點(diǎn)變量完成對渠道設(shè)計(jì)的描述。

2.4 襯砌厚度必須要合理

襯砌厚度在渠道斷面設(shè)計(jì)優(yōu)化中非常重要。若襯砌厚度較為合理能使渠道的抗凍脹性能得到明顯提升。渠道改造工程中的防滲厚度一定要合理，通常利用等厚板與肋梁板進(jìn)行確定。

其中，需計(jì)算出等厚板與肋梁板的相應(yīng)慣性矩以及抗彎模量的數(shù)值。如果材料運(yùn)行的抗拉應(yīng)力是一個定值時，它的抗彎模量與彎矩之間的關(guān)系為正比，當(dāng)受到正彎矩的作用，板面受到壓力，同時肋梁受拉，那么其抵抗彎矩的力量將明顯高出等厚板許多，不低于等厚板的兩倍[6]。

3 實(shí)例分析

3.1 工程改造背景

某水庫灌區(qū)為廣東省一個中型灌區(qū)工程。灌區(qū)灌溉干支渠總長為47.109 km，本次渠道改造長度為38.181 km，灌區(qū)設(shè)計(jì)總灌溉面積為2.509 9萬畝。該工程建于1956年，建成后東、西干渠只有渠首部分在運(yùn)行過程中進(jìn)行了“三面光”處理，為漿砌石砌筑。由于當(dāng)時設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，經(jīng)過幾十年的使用，工程老化嚴(yán)重，渠道垮方嚴(yán)重，安全隱患較多，涵洞淤積堵塞嚴(yán)重，渠道漏水、滲水現(xiàn)象嚴(yán)重。目前，該工程渠系水利用系數(shù)僅為0.4。原因在于渠道滲漏問題較為嚴(yán)重，灌區(qū)下游與上游引水渠水沒有完全達(dá)到，從而使灌溉面積大幅縮減，從原設(shè)計(jì)灌溉2.509 9萬畝萎縮到1.3萬畝，現(xiàn)灌溉面積的設(shè)計(jì)保證率從最初的90%縮小至50%左右，農(nóng)作物產(chǎn)量低。

3.2 設(shè)計(jì)水平年及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

本工程設(shè)計(jì)年限取10年，設(shè)計(jì)水平年為2030年。參照《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50288-2018）中的要求，濕潤地區(qū)以種植水稻為主，其設(shè)計(jì)灌溉保證率應(yīng)為85%～95%。本次灌區(qū)改造工程設(shè)計(jì)，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際取灌溉設(shè)計(jì)保證率為90%。該灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積大于0.5萬畝且小于5萬畝，參照《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）、《灌區(qū)改造技術(shù)規(guī)范》（GB 50599-2018）及《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-2014），本灌區(qū)屬于中型灌區(qū)。

3.3 該灌區(qū)工程渠道灌溉流量分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50288-2018）相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合該灌區(qū)各渠段設(shè)計(jì)面積計(jì)算出各渠道各渠段的設(shè)計(jì)流量、加大流量及最小流量，渠道的渠系水利用系數(shù)取0.75。渠道各渠段設(shè)計(jì)流量按其灌溉面積與千畝設(shè)計(jì)引用流量計(jì)算，加大流量的百分?jǐn)?shù)為25，最小流量不小于設(shè)計(jì)流量的40%。根據(jù)灌水率計(jì)算結(jié)果顯示，該灌區(qū)設(shè)計(jì)灌水率q=1.456 m3/s·萬畝。由于旱地作物類型較多，缺乏各作物、各生長期蒸發(fā)量的試驗(yàn)資料，因而無法做出各種旱作物的灌溉量，其灌溉定額根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按水田的1/3用水量計(jì)算。表2為渠道各渠段的灌溉流量。

表2 該灌區(qū)改造加固渠道灌溉面積與流量情況

渠道縱坡運(yùn)行取值范圍約在1/3 000—1/11 000區(qū)域內(nèi)。本工程選用預(yù)制混凝土U形渠道，防滲作用明顯，而且輸水能力強(qiáng)，渠系水利用系數(shù)較高，能起到較好的節(jié)水作用。

4 結(jié)語

總之，開展灌區(qū)節(jié)水改造工程建設(shè)是緩解農(nóng)業(yè)用水與水資源矛盾的重要措施。根據(jù)灌區(qū)節(jié)水改造工程特點(diǎn)，對渠道防滲斷面從防滲材料、渠道斷面形式、渠道防滲縱橫斷面等加以優(yōu)化設(shè)計(jì)，有利于降低渠道水量漏損率，提高水資源的利用率，進(jìn)一步提升灌區(qū)節(jié)水改造工程的綜合效益。