輸水管道設(shè)計(jì)在灌區(qū)節(jié)水改造中的應(yīng)用

董 鵬

（晉中市水利發(fā)展中心,山西 晉中 030600）

灌區(qū)對(duì)糧食作物的生產(chǎn)有支撐作用,乃至在工農(nóng)業(yè)的發(fā)展中具有突出貢獻(xiàn)。灌區(qū)用水量大,在綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)下,積極推行節(jié)水改造策略勢(shì)在必行。項(xiàng)目區(qū)灌溉以龐莊水庫(kù)和地下水為主水源,明渠和管線自流灌溉,地下水用水泵抽取后依托低壓管道進(jìn)行灌溉。流域內(nèi)的天然徑流量屬于龐莊水庫(kù)關(guān)鍵的來(lái)水途徑。

1 低壓輸水管道灌溉設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 取水工程的設(shè)計(jì)

現(xiàn)狀管網(wǎng)灌溉系統(tǒng)普遍采用三級(jí)干渠的部分水閘和節(jié)制閘,重點(diǎn)建設(shè)部分為三級(jí)干渠30 km左右范圍,具體以灌區(qū)的規(guī)模特征和實(shí)際用水需求為準(zhǔn),對(duì)布局做靈活的調(diào)整,為農(nóng)田灌溉提供水源支持。

1.2 渠首工程的設(shè)計(jì)

渠首包含引水渠和沉砂池。引水渠具有連接沉砂池和節(jié)制閘的作用,以矩形截面形式為主,施工材料采用C20 混凝土,深度在1.5 m以內(nèi),具體視實(shí)際情況做靈活調(diào)整。沉砂池常采用開(kāi)敞式矩形單箱結(jié)構(gòu),以澆筑C20 混凝土的方法施工成型。沉砂池施工中,增設(shè)擋土墻,目的在于提高沉砂池的強(qiáng)度,保障結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。沉砂池與引水渠間設(shè)長(zhǎng)約3 m的漸變段,用于連通兩部分。根據(jù)沉砂池的規(guī)劃,在其右側(cè)設(shè)集水坑,配套使用。日常應(yīng)用中,加強(qiáng)對(duì)沉砂池底部淤沙的清理,以防淤沙堆積過(guò)厚。

2 灌溉輸水管道設(shè)計(jì)

2.1 管道平面布置

本次龐莊灌區(qū)骨干渠系改造后全部采用管道輸水,改造后的管道埋設(shè)于灌區(qū)原有渠道內(nèi)。其中,北干管控制灌區(qū)內(nèi)共鋪設(shè)1 條干線、2 條支線和1 條分支線；南干管控制灌區(qū)內(nèi)共鋪設(shè)1條干線、3條支線和2條分支線[1]。

改造后管道總長(zhǎng)60.496 km。干管、支管及分支管分布情況：北干管總長(zhǎng)2.391 km、南干管總長(zhǎng)13.734 km；北干北支長(zhǎng)4.505 km、北干中支管長(zhǎng)23.730 km、南干北支管長(zhǎng)6.402 km、南干中支4.755 km、南干新南支2.891 km；北干中支北分支長(zhǎng)0.618 km、南干中支東分支1.470 km。

2.2 管道設(shè)計(jì)流量計(jì)算

根據(jù)灌區(qū)灌溉制度,在P=50%保證率情況下,北干管片區(qū)最大凈灌水率為0.186 m3/（s·萬(wàn)畝）。本次龐莊灌區(qū)灌溉續(xù)建配套與節(jié)水改造實(shí)施后骨干渠系輸配水方式全部采用管道輸水,灌溉水利用系數(shù)0.85[2]。

2.3 水力計(jì)算

工程管線以灌區(qū)最不利控制點(diǎn)進(jìn)行水力計(jì)算,末端給水裝置工作水頭取0.02 MPa,水庫(kù)水位按最低取水位（死水位）924 m計(jì)算。南干管片區(qū)最不利控制點(diǎn)位于南干新南支控制范圍的王誨莊村南,地面高程867 m。北干管片區(qū)最不利控制點(diǎn)位于北干中支北分支控制范圍的上莊河西,地面高程844 m。斗、農(nóng)級(jí)管徑根據(jù)控制面積結(jié)合灌區(qū)現(xiàn)狀井灌區(qū)末級(jí)管線建設(shè)情況確定。斗、農(nóng)級(jí)管線采用輪灌,斗級(jí)管線dn160,設(shè)計(jì)流量分別為90 m3/h；農(nóng)級(jí)管線dn90,設(shè)計(jì)流量為30 m3/h[3]。

涂塑防腐鋼管內(nèi)涂層為環(huán)氧樹(shù)脂,糙率與PE管接近,可取相同系數(shù)。

式中：hf為沿程水頭損失,m；f為管材摩阻系數(shù),取9.48×104；L為管長(zhǎng),m；Q為流量,m3/h；d為管道內(nèi)徑,mm；m為流量指數(shù),取1.77；b為管徑指數(shù),取4.77。

管線局部水頭損失按沿程水頭損失的10%考慮。

灌區(qū)新建管線以已改造段末端為起點(diǎn),經(jīng)2140 m鋼筋混凝土管道至樁號(hào)總2+140南北干管分叉點(diǎn),管線最大靜水壓力0.74 MPa,分叉點(diǎn)動(dòng)水剩余水頭43.48 m。北干管自分叉點(diǎn)北0+000經(jīng)1390 m鋼筋混凝土管和1700 m鋼管至已改造段末端北3+090,剩余水頭8.22 m,管線最大靜水壓力0.77 MPa。南干管自分叉點(diǎn)南0+000經(jīng)1935 m鋼筋混凝土管和1409 m鋼管至已改造段末端南3+344,剩余水頭46.72 m,管線最大靜水壓力0.77 MPa。

2.4 管道鋪設(shè)設(shè)計(jì)

根據(jù)氣象資料及調(diào)查項(xiàng)目區(qū)當(dāng)?shù)厍闆r,項(xiàng)目區(qū)最大凍土深0.94 m,本次設(shè)計(jì)一般段管頂埋深不小于1.0 m；穿越水域（河、溝、庫(kù)區(qū)）段根據(jù)沖刷深加安全埋深值,確定穿石河段管頂埋深不小于2.0 m,其他2 處不小于1 m。

2.5 管道穿越水域（河、溝）段設(shè)計(jì)

1）管道穿越水域（河、溝、庫(kù)區(qū)）處防洪標(biāo)準(zhǔn)。本次龐莊灌區(qū)鋪設(shè)南干時(shí),需穿越四卦河、石河,兩處穿越分別位于四卦水庫(kù)大下游坡腳下游4m和石河出山口；鋪設(shè)北干北支時(shí),需穿越小河庫(kù)區(qū)。根據(jù)本工程建筑物級(jí)別和《防洪標(biāo)準(zhǔn)》要求,本次管線穿四卦河和石河處防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇；穿小河庫(kù)區(qū)內(nèi)時(shí)按水庫(kù)設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇。

2）管道穿越水域（河、溝、庫(kù)區(qū)）處設(shè)計(jì)洪水。根據(jù)水文計(jì)算可知,本次管線穿四卦河處20 年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為115 m3/s,穿石河處20 年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為192 m3/s,穿小河水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)30 年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為220 m3/s。

2.6 管道穿越水域（河、溝、庫(kù)區(qū)）處沖刷分析計(jì)算

1）管道穿四卦河處沖刷分析。本次南干輸水管道從四卦水庫(kù)溢洪道底部穿過(guò),溢洪道底高程為863 m,溢洪道底寬10 m,溢洪道由引水渠、緩坡段、陡坡段、消能段和尾水渠等組成。溢洪道結(jié)構(gòu)為兩側(cè)邊墻為漿砌石擋墻與內(nèi)襯20 cm厚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),底板為40 cm厚的鋼筋混凝土襯砌,底板下部為60 cm厚粗砂透水墊層。

2）管道穿石河處沖刷分析計(jì)算。本次南干輸水管道從石河河床以下穿過(guò),在河道內(nèi)不增加阻水建筑物,水流流態(tài)不會(huì)因?yàn)楣艿赖慕ㄔO(shè)而發(fā)生改變,河道沖刷主要為來(lái)洪水時(shí)的河床沖刷,而且破壞性較強(qiáng),為了管道的安全運(yùn)行,本次考慮該穿河處洪水沖刷影響。

3）平行岸坡沖刷計(jì)算

平行岸沖刷深度計(jì)算采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）附錄D.2.2計(jì)算公式。公式如下：

式中：hs為局部沖刷深度,m；H0為沖刷處的水深,m；Ucp為近岸垂線平均流速,m/s；Uc為泥沙啟動(dòng)流速,可采用張瑞瑾公式計(jì)算,m/s；n為與防護(hù)岸坡在平面上形狀有關(guān),一般取n=1/4~1/6；η為水流流速不均勻系數(shù)。

管道穿越石河沖刷計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 洪水沖刷計(jì)算成果（P=5%）

2.7 管道穿越公路段設(shè)計(jì)

對(duì)于管道穿三級(jí)及三級(jí)以上公路時(shí)采用定向鉆穿越,三級(jí)以下道路為大開(kāi)挖施工。若管槽開(kāi)挖回填后,應(yīng)按不低于原路面標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行恢復(fù)；若穿越公路處底部有原灌區(qū)渠道涵洞,且完好,本次管線采用洞穿管的方式從原有涵洞中穿過(guò)。

2.8 管道穿隧洞段設(shè)計(jì)

本次北干管鋪設(shè)時(shí)需穿過(guò)現(xiàn)狀“千米洞”長(zhǎng)960 m,隧洞內(nèi)管線明鋪,并隔36 m設(shè)混凝土固定墩,管道用扁鋼固定在混凝土礅上,隧洞兩端在管道施工完后進(jìn)行封堵。

3 實(shí)施低壓管道輸水灌溉技術(shù)效果分析

項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀灌溉水利用系數(shù)為0.46,灌區(qū)節(jié)水水平低于地區(qū)平均值,節(jié)水潛力較大。工程實(shí)施后項(xiàng)目區(qū)平均灌溉水利用系數(shù)可達(dá)0.85,節(jié)水效果顯著。

3.1 節(jié)約水資源

低壓管道灌溉系統(tǒng)具有突出的節(jié)水優(yōu)勢(shì),可有效減少滲漏量和蒸發(fā)量,依托有限的水資源創(chuàng)造可觀的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。相比土渠,節(jié)水約30%。

3.2 減少占地面積,提高效率

管道敷設(shè)至地下,有效規(guī)避管道建設(shè)占用耕地的問(wèn)題,相比明渠灌溉的方式減少占用耕地量約為2%,以便有效利用土地資源。此外,管道灌溉可實(shí)現(xiàn)規(guī)范化和系統(tǒng)化,以相對(duì)較高的效率進(jìn)行灌溉,輸水時(shí)間、輪灌期均縮短。

3.3 灌水及時(shí),增加農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)效益

管道輸水灌溉具有節(jié)水的特點(diǎn),以免由于農(nóng)作物灌溉而耗費(fèi)大量的水資源。田間灌水條件得到優(yōu)化,輪灌周期縮短,達(dá)到增產(chǎn)增收的效果,農(nóng)戶可因此而獲得更加豐厚的經(jīng)濟(jì)收益。

4 總結(jié)

在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展背景下,集約型的農(nóng)業(yè)模式成為主流,需在減少資源投入的同時(shí)滿足作物的用水需求。低壓管道輸水灌溉技術(shù)具有節(jié)約水資源的突出特點(diǎn),對(duì)自然資源較為友好,值得推廣與應(yīng)用。相關(guān)部門(mén)在后續(xù)仍需加強(qiáng)探索,持續(xù)提高低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用水平,為農(nóng)業(yè)事業(yè)的發(fā)展乃至社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展助力。