農(nóng)田水利灌排渠道工程改造設計

摘 要：隨著社會進步和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出。在此背景下，加大灌區(qū)渠道改造工程的投入，對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。開展渠道改造治理可以提高灌區(qū)的水資源利用效率和促進項目區(qū)水生態(tài)恢復，還可以實現(xiàn)農(nóng)田水利工程的長遠發(fā)展。以長沙市開福區(qū)某灌排渠道改造工程為研究對象，針對灌區(qū)灌排渠道護岸護坡工程進行改造設計，同時進行了灌排渠道改造施工時設計洪水量計算和施工導流與度汛設計，以期為類似的渠道改造治理提供一定的參考。

關鍵詞：農(nóng)田水利；灌排渠道；設計洪水；改造

中圖分類號：S277 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）13-155-3

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.13.035

0 引言

灌排渠道工程是農(nóng)田水利工程的重要組成部分，灌排渠道的改造對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［1-3］。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)用水量較大［4］，但我國灌區(qū)水利設施大多建造時間較為久遠，灌排工程設計標準較低［5-6］，加之工程運行維護投入不足，造成灌區(qū)渠道工程運行效率低下［7-8］。因此，保障渠道工程完好，改善渠道運行管理條件，提高渠道輸水效率是灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造的主要任務［9-10］。該研究項目區(qū)現(xiàn)狀渠道絕大多數(shù)是土渠，渠道水土流失嚴重，且年久失修，出現(xiàn)積水塘及半數(shù)渠道無水的現(xiàn)象，導致行洪排澇能力減弱。隨著當?shù)丶?zhèn)規(guī)模的不斷擴大，因洪澇災害造成的損失也愈來愈大，而這又嚴重制約了集鎮(zhèn)經(jīng)濟的發(fā)展。因此，加快該渠道的改造以提高該干渠防洪及行洪能力勢在必行。

1 項目概況

該項目渠道絕大多數(shù)是土渠，由于年久失修、淤塞嚴重，防洪標準約為1 a一遇。每逢上游出現(xiàn)較大強度暴雨，水位就會暴漲，使大面積農(nóng)作物受災?，F(xiàn)有渠道防洪能力不能滿足當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展的需要。該項目所在地主要河流為撈刀河。撈刀河為湘江一級支流，流經(jīng)長沙縣及長沙市開福區(qū)，最后在郊區(qū)望城、肖家洲之間入湘江。撈刀河河道全長約51 km，集雨面積為1 204.8 km2。項目區(qū)渠道現(xiàn)狀如圖1所示。

2 護岸護坡工程設計

2.1 護坡形式選擇

本著“因地制宜，就地取材，經(jīng)濟實用，便于施工，滿足防汛和管理要求”的原則，護岸護坡工程堤型結(jié)構(gòu)采用漿砌石擋墻。

2.2 護坡結(jié)構(gòu)設計

漿砌石擋墻堤型：堤腳采用M7.5漿砌石擋墻，迎水面坡比為1∶0.5，頂部寬度為0.5 m，墻高度為1.8 m，其中基礎深度為0.4～0.5 m，內(nèi)外沿深度均為0.4 m。擋土墻內(nèi)設置D50 PVC排水管，間距為2.0 m，其對渠道具有抗沖刷、保護渠線的作用。

2.3 擋墻基礎埋深計算

分布在渠道平直段和斜沖段的堤段，其防護形式要視該處具體沖刷情況而定。對于平直堤段，采用《堤防工程設計規(guī)范》（GB 50286—2013）中水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷公式，見式（1）和式（2）。

[hs=H0UcpUcn-1]" " " " " " " " " " " " " " "（1）

[Ucp=U2η1+η]" " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

式（1）和式（2）中，hs為局部沖刷深度（從水面起算），m；[H0]為沖刷處的水深，m；[Ucp]為近岸垂線平均流速，m/s；U為行近流速，m/s；Uc為最大允許不沖流速，m/s；n為與防護岸坡在平面上的形狀有關，一般取1/4；η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α查表1可得。

計算得出各河段墻前最大可能沖刷深度為0.10～0.35 m。根據(jù)《城市防洪工程設計規(guī)范》（GB/T 50805—2012），防洪墻基礎埋深就在沖帽線以下0.4～0.6 m處。

2.4 仰斜式漿砌石擋墻穩(wěn)定及應力計算

工程采用仰斜式漿砌石擋墻。為了節(jié)省工程投資，該次設計根據(jù)擋墻的高度采用同種斷面形式，擋墻每隔10 m設置一道沉降縫，縫寬度為20 mm，縫內(nèi)填塞瀝青杉板。擋墻設Φ50PVC排水孔，孔距為2 m。墻后回填砂礫料。擋墻設計計算內(nèi)容包括抗滑、抗傾穩(wěn)定、應力計算及基礎的承載能力驗算。由于該階段防洪墻推薦方案為仰斜式擋墻，在該階段應對防洪墻按高度及地基土層情況分類進行穩(wěn)定和應力計算。

2.4.1 計算斷面選取和物理力學參數(shù)

在防洪墻工程范圍內(nèi)，仰斜式擋墻高度為1.8 m。防滑凸榫的尺寸為0.5 m×0.5 m（寬×高）。該階段按擋墻高度及地基持力土層情況，應力計算所采用的物理力學指標如下：根據(jù)工程地質(zhì)勘查成果及有關規(guī)范，漿砌石容重為23.0 kN/m3。以強風化砂礫石作為持力層時，基底滑動摩擦系數(shù)取0.50。根據(jù)地勘資料，該工程各河段基礎及回填土力學指標基本一致，具體物理力學指標見表2。

2.4.2 荷載和荷載組合

荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、水壓力、土壓力、基底揚壓力、人群荷載等因素。結(jié)構(gòu)自重包括防洪墻自重、墻上回填土重，土壓力采用庫倫公式計算。

荷載組合采用非常運用條件和正常運用條件兩種工況。工況一：非常運用條件，渠道無水，荷載為結(jié)構(gòu)自重、土壓力、施工荷載。工況二：正常運用條件，渠道無水位，墻后水位為1/2墻高，荷載為結(jié)構(gòu)自重、土壓力、水壓力、基底揚壓力、人群荷載。

2.4.3 穩(wěn)定及應力計算

根據(jù)《水工擋土墻設計規(guī)范》（SL 379—2007）進行穩(wěn)定及應力計算。擋土墻的抗滑穩(wěn)定系數(shù)按式（3）計算。

[Kc=f·GH]" " " " " " " " " " " " " " " "（3）

式（3）中，[Kc]為擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；[G]為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載，kN；[H]為作用在擋土墻上全部平行于基底面的荷載，kN；[f]為擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，土質(zhì)地基與混凝土摩擦系數(shù)取0.5。

擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)按式（4）計算。

[K0=MVMH]" " " " " " " " " " " " " " " " （4）

式（4）中，[K0]為擋土墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；[MV]為對擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩，kN·m；[MH]為對擋土墻基底前趾的傾覆力矩，kN·m。

擋土墻的基底應力按式（5）計算。

[Pmax.min=GA±MW]" " " " " " " " " " " " （5）

式（5）中，[Pmax.min]為擋土墻基底應力的最大值或最小值，kPa；[G]為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載，kN；[M]為作用在擋土墻上的全部荷載對水平面平行前墻墻面方向形心軸的力矩之和，kN·m；A為擋土墻基底面的面積，m2；W為擋土墻基底面對基底面平行前墻面方向形心軸的截面矩，m3。

渠道護腳擋墻穩(wěn)定計算成果見表3。從表3中可以看出，防洪墻的抗滑、抗傾均滿足規(guī)范要求，地基應力滿足地基允許承載力要求。

3 設計洪水

從萬分之一地形圖上量得境內(nèi)灌排渠樁號K0+000段面以上流域集雨面積為0.56 km2，采用《湖南省暴雨洪水查算手冊》查算的方法。樁號K0+900以上渠道干流長度為0.92 km，渠道平均坡降為0.25‰。查《湖南省暴雨洪水查算手冊》，該項目所在區(qū)域?qū)儆诤鲜”┯攴謪^(qū)第一區(qū)，最大24 h點雨量均值為105 mm，最大24 h點雨量變差系數(shù)CV為0.45，偏態(tài)系數(shù)CS=3.5CV，產(chǎn)流分區(qū)屬第Ⅰ區(qū)，I0=30 mm。根據(jù)上述有關參數(shù)，求得灌排渠治理河段5 a一遇24 h點暴雨量為132.30 mm，3 a一遇24 h點暴雨量為116.84 mm。根據(jù)地形參數(shù)、匯流系數(shù)及Rt—t關系曲線，推求各頻率洪峰流量及匯流時間，地形參數(shù)為63.07，匯流參數(shù)為1.1，計算得到灌排渠5 a一遇洪峰流量為1.87 m3/s，3 a一遇洪峰流量為1.56 m3/s。

4 施工導流與渡汛

4.1 導流及渡汛標準

根據(jù)《水利水電工程施工組織設計規(guī)范》（SL 303—2017）和《水利水電工程等級劃分與洪水標準》（SL 252—2017）規(guī)定，導流建筑物級別為5級。為節(jié)約工程投資，根據(jù)工程實際情況（工程量相對較小，施工期限短），工程土堤各分段安排在一個枯水期內(nèi)完成，施工均在9月至次年3月，可在干地施工，不需要進行導流設計。由于穿堤建筑物的進、出口底板高程均較低，需進行施工導流設計。

4.2 導流建筑物設計

護坡堤腳施工時間短，施工圍堰僅需保護堤腳段滿足在干地施工要求。圍堰堰頂高程按3—4月平均水位加0.5 m超高，即2.5 m設計。臨時圍堰采用黏土麻袋或草袋填筑，圍堰頂寬度為1.5 m，平均高度為2.5 m，內(nèi)外坡比均為1∶1.0?？紤]施工實際情況，分段進行圍水，共計圍堰土方2 500 m3。圍堰基坑內(nèi)初期排水選擇2臺5.5 kW水泵，1 d排干；經(jīng)常性排水設備利用初期排水設備。護坡堤腳施工后要立即拆除圍堰，采用人工拆除，挑運上堤后裝汽車運輸至棄料場。

5 結(jié)束語

農(nóng)田水利灌排渠道與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關系密切，是促進我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的重要保障。此次灌排渠道的改造可解決淤積問題，極大提高渠道的行洪排澇能力；可保護沿岸居民的生命和財產(chǎn)安全，促進集鎮(zhèn)經(jīng)濟的發(fā)展；可與附近的泵站形成配套，充分發(fā)揮灌排渠道在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用。

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（欄目編輯：李 菡）

作者簡介：談聰（1986—），男，工程師，研究方向：水利水電工程建設施工管理。