灌區(qū)節(jié)水改造中防滲渠道斷面的優(yōu)化設(shè)計

喬永梅，趙健

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

0 引言

傳統(tǒng)的灌區(qū)防滲渠道，容易出現(xiàn)水資源的浪費情況，實際的灌溉效率也會因此而降低，不利于緩解當(dāng)前嚴(yán)峻的農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀。在這種情況下，就需要重視灌區(qū)節(jié)水改造工作，并且針對防滲渠道斷面設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化和完善，這對于國內(nèi)的農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域的發(fā)展都是十分重要的，這也是現(xiàn)階段灌區(qū)節(jié)水改造工作中的一個主要任務(wù)。針對灌區(qū)節(jié)水改造中防滲渠道斷面的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行詳盡闡述，提出具有針對性和建設(shè)性的意見，希望對具體的防滲渠道斷面設(shè)計工作起到一定的借鑒和引導(dǎo)作用。

1 灌區(qū)防滲渠道斷面現(xiàn)狀及改進(jìn)

國內(nèi)諸多灌區(qū)工程存在標(biāo)準(zhǔn)低、施工質(zhì)量差和渠系不配套等情況。其中部分灌區(qū)工程在灌溉面積設(shè)計方面比較保守，目前來看具有較強的擴大灌溉面積的潛力[1]。

而在發(fā)展節(jié)水灌溉的過程中，針對老舊灌區(qū)工程進(jìn)行改造是非常重要的一個策略，同時這一策略還具有很高的性價比，其中防滲渠道斷面優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)在老舊灌區(qū)改造工程中進(jìn)行運用，取得了良好的效果。一方面防滲渠道斷面優(yōu)化設(shè)計之后，能夠促使灌區(qū)的用水效率大大提升，從而緩解國內(nèi)存在的農(nóng)業(yè)用水矛盾現(xiàn)象，同時節(jié)約下來的水還能夠進(jìn)一步擴大灌溉面積，另一方面，防滲渠道斷面優(yōu)化設(shè)計還可以有效地降低地下水位[2]，防止沼澤地的出現(xiàn)。

2 防滲渠道斷面形式的選擇

2.1 改造防滲渠道斷面形式

在實際的灌區(qū)節(jié)水改造工作進(jìn)程中，防滲渠道斷面常用的形式主要有以下幾種，分別是矩形、梯形、弧形底梯形、弧形坡腳梯形和U型以及復(fù)合形等。相關(guān)設(shè)計工作人員在進(jìn)行形式選擇的過程中，需要綜合考量以下幾方面的重要要素，分別是水力條件情況、抗凍脹性和輸沙能力[3]。除此之外，在防滲渠道斷面的設(shè)計過程中，還需考慮投資情況、施工是否方便等。

綜合下來，在實際的灌區(qū)節(jié)水改造中防滲渠道斷面形式的選擇上，可以選擇以下幾個綜合表現(xiàn)比較好的斷面形式：弧形坡腳梯形斷面、梯形防滲斷面、U形斷面。其優(yōu)缺點如表1所示。

表1 幾種不同斷面形式的比較

2.2 防滲渠道斷面的具體優(yōu)化流程

在實際的灌區(qū)節(jié)水改造中防滲渠道斷面的優(yōu)化設(shè)計過程中，一般采取明渠均勻流公式，除卻需要實現(xiàn)給出比降等重要的參數(shù)以外，還需要設(shè)計工作者進(jìn)行反復(fù)的試驗和校核，這樣才能得到良好的灌區(qū)節(jié)水改造中防滲渠道斷面的優(yōu)化設(shè)計效果[4]。

2.2.1 動態(tài)規(guī)劃模型的設(shè)計

假設(shè)渠道的總長度為1，依據(jù)相關(guān)影響因素的加入（地質(zhì)條件、地形條件、流量等因素），可將渠道分為N。

針對上述假設(shè)的渠道，各個渠道段的設(shè)計為Qi，最大流量為Qmax，最小流量為Qmin，末水位所需高程為H末，地面坡降為Ji，因此各個渠道段落末地面的高程為：Δdi，其中i的值為：1，2，3，……，N。以此為基礎(chǔ)的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計，可以確定各個渠道段的最優(yōu)設(shè)計，從而有效控制投資成本。

2.2.2 約束條件

防滲渠道首的水位高度為狀態(tài)，以Hn表示，指的是渠道第n階段的狀態(tài)。

（1）水位銜接的約束條件，其中與下段渠道斷面設(shè)計相比，上段渠道斷面的設(shè)計水位應(yīng)高出一些，也就是Hn＞Hn+1。

（2）渠道水位高程的約束條件，其需要與渠道末尾水位高程和沿渠水頭的筍絲相等，并且任意一個階段水位高程，應(yīng)大于渠首水位高程。

（3）坡降約束條件，應(yīng)允許最大坡降與最小坡降之間存在渠道縱向坡降。

（4）流速約束條件，渠道中的水體流速需處于不沖流速與不淤流速之間。

（5）渠首填方高度約束條件，這一約束需要依據(jù)斷面形式、襯砌方式以及土質(zhì)等條件進(jìn)行確定。

3 灌區(qū)節(jié)水改造中防滲渠道斷面的優(yōu)化設(shè)計要點

3.1 防滲材料選擇

（1）在土料的選擇上，相關(guān)工作人員需要盡可能選擇成本較低，同時技術(shù)操作簡單又能夠得到良好防滲效果的材料，這是高質(zhì)量灌區(qū)節(jié)水改造中防滲渠道斷面形成的重要基礎(chǔ)條件。

（2）在混凝土材料的選擇上，所選用的混凝土材料需要能夠減少渠道滲水流量的損失，并且要求減少損失達(dá)到90%以上。另外，高質(zhì)量的混凝土材料的選用，能夠提升渠道襯砌施工的整體效果，同時相關(guān)企業(yè)和單位在渠道工程后續(xù)的維修和管理方面的費用也會降低，進(jìn)而促進(jìn)灌區(qū)節(jié)水改造工作整體的推進(jìn)。

（3）在膜料防滲上，膜料自身具有較強的柔性、延伸性和抗拉能力，可以在實際的渠道斷面優(yōu)化設(shè)計工作過程中進(jìn)行運用，同時膜料施工工藝比較簡單，能夠極大程度上促進(jìn)渠道施工進(jìn)度。最后，膜料在實際的應(yīng)用過程中不會受到酸堿性、土壤微生物等侵蝕，耐腐蝕性比較強，也可以促進(jìn)灌區(qū)節(jié)水工程整體耐腐蝕性的提升，進(jìn)而增強灌區(qū)工程整體的壽命。

3.2 襯砌厚度的合理確定

在實際的灌區(qū)節(jié)水改造防滲渠道斷面的優(yōu)化設(shè)計過程中，襯砌厚度的確定也是非常重要的一部分。高質(zhì)量、科學(xué)合理的襯砌厚度，能夠有效提升渠道自身的抗凍脹能力。

目前來看，在灌區(qū)節(jié)水改造中防滲渠道斷面襯砌厚度的確定上，主要使用等厚板形式和肋梁板形式。在具體的設(shè)計工作過程中，工作人員可以針對等厚板和肋梁板這兩種結(jié)構(gòu)形式的慣性矩和抗彎模量進(jìn)行計算。

4 結(jié)語

在未來發(fā)展過程中，需要給予灌區(qū)節(jié)水改造中防滲渠道斷面優(yōu)化設(shè)計高度重視，防滲渠道斷面優(yōu)化設(shè)計過程中，材料的選擇也是十分重要的一部分，其直接影響工程的質(zhì)量和使用壽命。