瓠杓嶺引榕灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造設(shè)計(jì)分析

杜成祥

（廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510610）

1 工程概況

瓠杓嶺引榕灌區(qū)是揭西縣一宗重點(diǎn)中型灌溉截洪工程,位于廣東省東部、榕江南河中上游,利用瓠杓嶺攔河閘壩攔蓄榕江南河水引水灌溉,其興建于二十世紀(jì)五十年代,距今已運(yùn)行六十余年,灌溉區(qū)域涵蓋錢坑鎮(zhèn)、鳳江鎮(zhèn)以及金和鎮(zhèn)三個(gè)行政鎮(zhèn),灌區(qū)干渠部分包括總干渠、北干渠、東干渠以及和南支渠。由于工程運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng),原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低,現(xiàn)各渠系輸水困難,已不能滿足灌區(qū)農(nóng)業(yè)和人們生活用水要求,嚴(yán)重影響了灌區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活水平提高,為解決這個(gè)問(wèn)題,亟需對(duì)瓠杓嶺引榕灌區(qū)進(jìn)行續(xù)建配套與節(jié)水改造[1]。

瓠杓嶺引榕灌區(qū)由渠首攔河閘壩和引水渠道及其渠系建筑物組成,設(shè)計(jì)灌溉面積5.03 萬(wàn)畝,總受益人口約20 萬(wàn)人,灌區(qū)工程主要包括灌溉渠道以及泄洪閘、節(jié)制閘、橋梁、過(guò)水涵等渠系建筑物。主要灌溉渠道由總干渠、北干渠、東干渠以及和南支渠組成,其中總干渠已完成渠道整治,北干渠長(zhǎng)10.87 km、東干渠長(zhǎng)4.79 km、和南支渠長(zhǎng)6.06 km,渠道總長(zhǎng)21.72 km,渠系建筑物共102 座。

2 灌區(qū)工程建設(shè)的必要性

揭西縣瓠杓嶺引榕灌區(qū)是揭西縣農(nóng)產(chǎn)品的主要生產(chǎn)基地,也是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。灌區(qū)工程距今已運(yùn)行六十余年,由于工程運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng),原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低,渠道崩塌、淤積,渠系建筑物老化、破損嚴(yán)重,致使水資源利用率偏低,“卡脖子旱”頻繁發(fā)生?，F(xiàn)干渠輸水困難,已不能滿足灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水要求,農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)不到0.5,嚴(yán)重影響了灌區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,同時(shí)因灌區(qū)年久失修,灌溉水利用系數(shù)逐年減小,灌溉效益逐年降低。

因此,根據(jù)新時(shí)期經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)灌區(qū)工程的要求,灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè),是促進(jìn)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,促進(jìn)水資源合理開(kāi)發(fā)和高效利用的重要措施,也是實(shí)現(xiàn)二十一世紀(jì)農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用和國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。

3 灌區(qū)工程設(shè)計(jì)分析

瓠杓嶺引榕灌區(qū)干渠部分主要包括北干渠、東干渠、和南支渠以及泄洪閘、節(jié)制閘、分水閘、橋梁、過(guò)水涵等渠系建筑物。渠道改造總長(zhǎng)為21.72 km,其中北干渠長(zhǎng)10.87 km、東干渠長(zhǎng)4.79 km、和南支渠長(zhǎng)6.06 km。改造渠系建筑物共102 座,其中進(jìn)水閘3 座、節(jié)制閘13 座、泄洪閘2 座、分水閘19 座、渡槽1 座、過(guò)路涵8 座、反虹涵4 座、放水涵37座以及交通橋15 座。

3.1 渠道平面布置

瓠杓嶺引榕灌區(qū)現(xiàn)狀渠系布置較為合理。渠系經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行和改造,證明能合理的調(diào)節(jié)水資源利用。通過(guò)工程的布置,灌區(qū)內(nèi)高程不等的耕地均能灌溉,說(shuō)明現(xiàn)有渠系布置比較合理。同時(shí)為了減少征地拆遷,降低投資,避免引起不必要的社會(huì)問(wèn)題,灌區(qū)基本按照原渠線布置,不作較大的改動(dòng)。

3.2 渠道縱斷面設(shè)計(jì)

瓠杓嶺引榕灌區(qū)干渠部分渠道水面線采用明渠非恒定均勻流水面線推求方法計(jì)算。考慮到節(jié)制閘有控制水位的要求,自各渠道渠尾推起,根據(jù)復(fù)核后的設(shè)計(jì)流量推算水面線。水面線推求分段原則：每一計(jì)算段底坡一致,流量一致,有水閘、渡槽等渠系建筑物的位置必須分段。

3.3 渠道橫斷面設(shè)計(jì)

3.3.1 渠道改造措施

工程運(yùn)行近幾十年來(lái),沒(méi)有發(fā)生過(guò)較大規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害及破壞性地震,灌區(qū)部分區(qū)域處于低丘、丘陵,農(nóng)田相對(duì)集中在低洼及平原區(qū)域。部分渠道依山而建,渠道附近邊坡多為低邊坡,由全風(fēng)化狀的砂巖、粉砂巖和混合巖等組成,為土質(zhì)邊坡,在自然條件下穩(wěn)定性較好。各渠道渠堤填土主要為粉質(zhì)粘土、粘土等,由砂巖、粉砂巖和混合巖等風(fēng)化而成,抗沖刷能力較強(qiáng),堤身基本穩(wěn)定。各渠道渠基多為全風(fēng)化帶或沖積粘性土,渠基基本不存在抗?jié)B穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定等問(wèn)題,大部分渠基工程地質(zhì)條件較好。渠道大部分內(nèi)坡未進(jìn)行襯砌防護(hù),局部渠段在水流長(zhǎng)期沖刷作用下,發(fā)生坍塌,渠水主要通過(guò)渠堤身和渠基向外滲漏。所以瓠杓嶺引榕灌區(qū)主要為渠道節(jié)水防滲改造工程,提升渠道節(jié)水防滲、防沖能力,提高渠道的襯砌率,提高渠系水利用系數(shù)和輸水環(huán)節(jié)的水利用系數(shù),并對(duì)渠道淤積段進(jìn)行清淤[2]。

3.3.2 渠道斷面形式比選

渠道斷面型式一般分為三大類：直墻式斷面、斜坡式斷面及直斜復(fù)合式斷面,根據(jù)工程實(shí)際及地形情況每一類可派生出多種、多級(jí)型式斷面。其優(yōu)缺點(diǎn)為：直墻式斷面具有堤身斷面小,工程占地少,但立面單調(diào)生硬、親水性差,地基應(yīng)力大,工程費(fèi)用高等缺點(diǎn)；斜坡式斷面則較為自然生態(tài),親水性好,地基應(yīng)力小,工程費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),但堤身斷面大,工程占地較多；直斜復(fù)合式斷面優(yōu)缺點(diǎn)則介于上述兩者之間。

瓠杓嶺引榕灌區(qū)渠道現(xiàn)狀為明渠,渠道現(xiàn)狀大部分為土渠。橫斷面型式主要以梯形為主,在個(gè)別渠道的局部渠段橫斷面為矩形,為了減少開(kāi)挖回填量及占地面積,并保持原斷面的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,盡量利用現(xiàn)有渠道及渠堤斷面,故基本維持現(xiàn)有渠道斷面形式采用梯形斷面和矩形斷面。

3.3.3 渠道護(hù)岸結(jié)構(gòu)及襯砌比選

渠道襯砌既經(jīng)濟(jì)又便于施工的一般有砼襯砌和漿砌石襯砌兩種型式。經(jīng)比較,漿砌石襯砌厚度較大,而砼襯砌不僅具有渠道斷面小,同時(shí)還具有工程投資小,質(zhì)量好控制等優(yōu)點(diǎn)。因此,本次干渠部分渠道橫斷面設(shè)計(jì)采用現(xiàn)澆C25 砼“三面光”襯砌。襯砌厚度為100 mm,渠底設(shè)100 mm 厚砂石墊層。渠道砼襯砌縱向每5 m 設(shè)一道橫向伸縮縫,橫向在渠底兩側(cè)設(shè)兩條縱向伸縮縫,縫寬20 mm,縫內(nèi)塞聚乙烯閉孔泡沫板。

北干渠B0+000～B5+530 段為避免岸坡腳受淘刷破壞,在河道坡腳位置進(jìn)行固腳。護(hù)腳擋墻常用型式主要為混凝土擋墻方案以及M7.5 漿砌石方案,綜合對(duì)比兩種方案,斷面尺寸相同情況下,兩種方案造價(jià)相當(dāng),但混凝土方案耐久性高于漿砌石方案,綜合考慮本工程推薦采用混凝土方案。

矩形渠道斷面常用襯砌形式一般選擇現(xiàn)澆混凝土襯砌、混凝土預(yù)制槽、砌石襯砌以及砌磚等。從經(jīng)濟(jì)方面比較,矩形斷面型式中砌磚方案經(jīng)濟(jì)最優(yōu),混凝土預(yù)制槽方案經(jīng)濟(jì)優(yōu)于現(xiàn)澆混凝土襯砌方案,但混凝土預(yù)制槽及砌磚側(cè)墻耐久性較差,后期運(yùn)行管理過(guò)程中極易損壞。因此,基于經(jīng)濟(jì)性以及方案耐久性等方面綜合考慮,本工程矩形斷面型式采用現(xiàn)澆混凝土襯砌方案。

3.3.4 橫斷面尺寸

渠道橫斷面以灌溉加大流量復(fù)核過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,當(dāng)復(fù)核所需的斷面面積比現(xiàn)狀渠道斷面面積大時(shí),則適當(dāng)加大渠道斷面；當(dāng)復(fù)核所需的斷面面積比現(xiàn)狀渠道斷面面積小時(shí),則斷面基本維持現(xiàn)狀斷面面積大小。

3.3.5 渠道邊坡

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50288-2018）及《渠道防滲襯砌工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50600-2020）中最小邊坡系數(shù)的規(guī)定,本次設(shè)計(jì)干渠部分的渠道最大水深基本在0.6 m～1.2 m 之間,為避免過(guò)多的土方開(kāi)挖與回填,結(jié)合渠道護(hù)岸設(shè)計(jì)高度,按照不同渠段的地質(zhì)條件及現(xiàn)狀邊坡,北干渠B0+000～B5+530 段設(shè)計(jì)渠道斷面填筑內(nèi)坡坡比為1∶1.5,其余干渠部分渠道填筑內(nèi)坡坡比為1∶1,渠道橫斷面型式見(jiàn)表1。

表1 渠道橫斷面型式表

3.3.6 渠頂高程

北干渠B4+065～B5+530 段渠道為3 級(jí)建筑物,根據(jù)相關(guān)規(guī)范中的規(guī)定,3 級(jí)建筑物渠道岸頂超高按土石壩設(shè)計(jì)要求確定。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2020）規(guī)定：壩頂超高按下式計(jì)算：

式中：y 為壩頂超高,m；R 為最大波浪在壩坡上的爬高,m；e 為最大風(fēng)雍水高度,m；A 為安全加高,3 級(jí)壩正常運(yùn)用條件下為0.7 m。

由于本段渠道位于平原村鎮(zhèn)區(qū)域,設(shè)計(jì)渠底寬度為6 m,水面寬度僅為14 m,風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度較短,本次設(shè)計(jì)不考慮波浪爬高和風(fēng)雍水高度,渠頂超高采用0.7 m?，F(xiàn)狀渠頂高程不滿足處,采用加高堤頂以及增設(shè)防洪（浪）墻型式處理。

本灌區(qū)其余渠道均為4級(jí)、5級(jí)渠道,渠道岸頂超高按0.25倍加大水深再加0.2 m 控制,設(shè)計(jì)渠頂高程為加大水位和岸頂超高之和。現(xiàn)狀渠頂高程低于設(shè)計(jì)渠頂高程的,則將渠頂加高至設(shè)計(jì)渠頂高程,對(duì)渠堤進(jìn)行加高培厚；現(xiàn)狀渠頂高于設(shè)計(jì)渠頂高程的,則維持現(xiàn)狀渠頂高度不變。

3.3.7 渠頂寬度

本灌區(qū)干渠總灌溉面積為5.03 萬(wàn)畝。根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50288-2018）中的規(guī)定,1 萬(wàn)畝以上渠道渠頂寬度應(yīng)不小于2 m。結(jié)合本工程渠道兩側(cè)地形及各干渠實(shí)際灌溉面積,設(shè)計(jì)渠道考慮單側(cè)通行,干渠部分渠頂設(shè)計(jì)2 m 管理道路,管理道路采用200 mm 厚泥結(jié)石路面。

3.3.8 防滲襯砌超高

對(duì)于梯形渠道,根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50288-2018）中的規(guī)定,襯砌超高值在設(shè)計(jì)水位以上0.3 m～0.8 m,且滿足加大流量運(yùn)行要求?？紤]節(jié)制閘前側(cè)分水口高程較高,節(jié)制閘前需灌溉雍水等情況,本工程北干渠B0+000～B5+530 段灌溉運(yùn)行水深約為1.2 m～1.8 m,該段襯砌高度采用護(hù)腳擋墻頂上部1.0 m～1.2 m 控制；其余渠道等級(jí)為5 級(jí),設(shè)計(jì)灌溉水深約為0.5 m,渠道的襯砌高度統(tǒng)一取值為1.0 m,渠道襯砌高度以上坡面均采用草皮護(hù)坡。

4 灌區(qū)改造效益分析

通過(guò)本工程的實(shí)施,預(yù)計(jì)項(xiàng)目區(qū)灌溉水利用系數(shù)將從原來(lái)的不足0.5 提高到0.62,全部實(shí)施完成后按現(xiàn)狀多年平均農(nóng)業(yè)灌溉水量計(jì)算,則每年可節(jié)水1067 萬(wàn)m3。根據(jù)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)及灌區(qū)的實(shí)際情況,節(jié)省的水量可用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和環(huán)境的用水。用于農(nóng)業(yè)方面的節(jié)水量在恢復(fù)灌溉面積中已計(jì)算；用于環(huán)境方面的節(jié)水量只產(chǎn)生社會(huì)效益,目前尚無(wú)定量計(jì)算方法；用于工業(yè)和生活方面的節(jié)水量為簡(jiǎn)化計(jì)算,采用取用原水價(jià)格0.20 元/m3計(jì)算,則該部分產(chǎn)生的年節(jié)水效益約為213.4 萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)例,對(duì)中型灌區(qū)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)分析,結(jié)果表明,合理的設(shè)計(jì)能極大提高灌溉水利用系數(shù),產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[3]。灌區(qū)配套續(xù)建與節(jié)水改造工程的開(kāi)展,對(duì)于保障農(nóng)田用水、提高農(nóng)作物產(chǎn)量、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。