■朱蓮花 ■新余市大江工程規(guī)劃設(shè)計院,江西 新余 338000
小型農(nóng)田水利工程內(nèi)容豐富、涵蓋面廣,主要指灌溉面積1萬畝、除澇面積3萬畝、庫容10萬m3、渠道流量1 m3/s以下的水利工程。其中大中型灌區(qū)末級渠系及田間工程與小型灌區(qū)、小型灌溉片、小型排澇工程、小型泵站和包括雨水集蓄利用在內(nèi)的小型水源工程等都屬于其范疇。小型農(nóng)田灌溉工程是小型農(nóng)田水利工程的重要組成部分,主要指具有灌溉功能的,渠道流量在1m3/s以下的渠系工程。本文重點圍繞我市實施量大、涉及面廣的小型農(nóng)田灌溉渠道,以經(jīng)濟實用、先進合理、方便施工為原則,倡導(dǎo)科學(xué)、經(jīng)濟、實用、生態(tài)的工程設(shè)計理念,根據(jù)當(dāng)前小型農(nóng)田灌溉渠系工程改造的建設(shè)需求,結(jié)合地方財力及建設(shè)資金落實情況,力求與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào),針對灌區(qū)普遍采用的梯形、U型及矩形斷面渠道,從渠道襯砌斷面尺寸、襯砌超高、襯砌厚度等方面進行設(shè)計,提倡多方案比較、杜絕貪大求新、減少資金浪費。
灌溉渠道常見的斷面形式有梯形、矩形、U型及復(fù)合型。其中梯形、矩形、U型常用于流速1m3/s以下的小型農(nóng)田水利灌溉渠道,復(fù)合型斷面一般適用于挖深較大的深挖渠段。在實際設(shè)計過程中,根據(jù)灌溉對象需求要求確定設(shè)計流量,通過水力計算,得出經(jīng)濟合理渠道斷面,結(jié)合渠道輸水要求、流速要求、水位要求選定斷面尺寸。
按照新余市相關(guān)工程經(jīng)驗,設(shè)計流量Q≥0.4m3/s的渠道,推薦采用梯形襯砌斷面;設(shè)計流量Q≤0.3m3/s的渠道推薦采用U型襯砌斷面;設(shè)計流量0.3m3/s<Q<0.4m3/s的渠道可采用梯形或U型襯砌斷面。一般情況下,襯砌斷面形式最好為梯形或U型,但考慮有些渠道兩岸為混凝土路面或已有房屋等其他建筑物,不便開挖,也可采用矩形斷面,以減少渠道占地。
渠道襯砌主要為減少滲漏損失,提高渠系水利用系數(shù),控制地下水位上升,防止土壤沼澤化和鹽堿化,同時減少渠道糙率,加大流速,增加輸水能力,兼能固基護壁,防止渠道沖刷破壞。
目前工程實際中主要采用的襯砌材料有混凝土襯砌,磚、石襯砌,瀝青混凝土護面,塑料薄膜、油氈防滲,其他如水泥土防滲、粘土防滲等。由于混凝土襯砌具有防滲、抗沖性能好,耐久性強,且適用不同地形、氣候和運用條件,因此新余市灌溉渠道多采用混凝土襯砌,對于用磚比較方便的矩形斷面也采用磚襯砌。
設(shè)計流量Q≥0.4m3/s的渠道,推薦采用梯形襯砌斷面(設(shè)計流量0.3m3/s<Q<0.4m3/s亦可采用),過水?dāng)嗝姘此ψ顑?yōu)斷面設(shè)計。斷面襯砌(現(xiàn)澆)示意圖如下:
其中:B-襯砌渠底寬(m);h1-設(shè)計水深(m);h2-襯砌渠深度(m);H-渠深(m);δ-襯砌厚度;m-邊坡系數(shù);b-現(xiàn)澆混凝土壓頂寬,根據(jù)我省工程實際,一般取寬10~30cm,厚10cm,如襯砌后渠岸邊坡土質(zhì)較好,又比較平整的,可不設(shè)壓頂;a,a1-渠堤和襯砌超高(m),按規(guī)范及新余市實際經(jīng)驗,取值參考下表1。
渠堤超高a值及襯砌超高a1值表(表1)
水力最優(yōu)斷面過水面積最小,濕周最短,能節(jié)省襯砌工程量。對于小型渠道,襯砌斷面按水力最優(yōu)斷面設(shè)計是比較合理的。梯形渠道水力最優(yōu)斷面的水力要素計算公式如下(《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》附錄H):
式中:h0-水力最優(yōu)斷面水深(m);n-渠床糙率;Q-渠道設(shè)計流量(m3/s);m-渠道內(nèi)坡系數(shù);i-渠底比降;b0-水力最優(yōu)斷面底寬(m);A0-水力最優(yōu)斷面的過水?dāng)嗝婷娣e(m2);x0-水力最優(yōu)斷面濕周(m);R0-水力最優(yōu)斷面的水力半徑(m);V0-水力最優(yōu)斷面流速(m/s)。
按水力最優(yōu)斷面計算方法,不同流量Q、比降i、邊坡系數(shù)m可求得不同渠底寬b及水深h,可以列表并繪制成果曲線,以方便設(shè)計過程中查找和比較。
小型渠道沖刷嚴重、斷面增大是現(xiàn)有灌區(qū)普遍存在的現(xiàn)象。針對此現(xiàn)象,一般按以下兩種情況處理:一是斷面沖寬嚴重,按設(shè)計流量及渠道現(xiàn)有底寬、坡降推算的寬深比a=b(渠底寬)/h(水深)>3時,如屬局部渠段(200m以內(nèi)),建議回填至設(shè)計斷面,否則維持原斷面的大小,進行邊坡修整后襯砌,護坡不護底,以節(jié)省費用。對于渠段水面線不能滿足下級渠道取水或田間灌溉要求的,應(yīng)增設(shè)節(jié)制閘。二是斷面沖寬一般,按設(shè)計流量及渠道現(xiàn)有底寬、坡降推算的寬深比1≤a≤3時,如原渠道水位基本能滿足當(dāng)?shù)毓喔纫?,或在該區(qū)域內(nèi)屬提灌,則可維持原斷面大小進行襯砌,否則應(yīng)縮小斷面寬度進行加固襯砌,以提高水位滿足自流灌溉要求。
梯形渠道混凝土等厚板襯砌分為現(xiàn)場澆筑與預(yù)制混凝土板兩種。根據(jù)新余市目前實際情況,考慮到預(yù)制混凝土板運輸、施工等相對便利,質(zhì)量易于保證,建議優(yōu)先采用。
(1)現(xiàn)場澆筑。具有襯砌接縫少,造價低等優(yōu)點。采用C15混凝土襯砌,襯砌厚度宜選用6~8cm,現(xiàn)場澆筑混凝土單板尺寸以3~5cm為宜,接縫采用瀝青混合物填充水泥砂漿抹面。
(2)預(yù)制混凝土板。具有受氣候條件影響小、混凝土質(zhì)量容易保證、可提前預(yù)制等優(yōu)點。采用C15混凝土預(yù)制,板厚宜選用4~6cm,預(yù)制混凝土板的尺寸根據(jù)安裝、搬運條件確定,人工施工時一般采用50×50cm或40×40cm以及同等大小正六邊形等。
U型槽具有良好的防滲效果、水力性能好、抗外力條件性能佳等優(yōu)點,且省工省料、占地少、便于管理,在小型渠系工程改造中應(yīng)盡可能采用U型槽防滲。流量Q≤0.3m3/s的小型渠道,推薦采用C20整體式預(yù)制混凝土U型槽襯砌(設(shè)計流量0.3m3/s<Q<0.4m3/s亦可采用)。U型槽橫斷面示意圖如下:
其中:r-下圓弧半(cm);h1-圓弧段水深,h1=r(1-sinα)(cm);α-直立段外傾角度,根據(jù)相關(guān)研究成果及場現(xiàn)有U型槽模具規(guī)格,取α=14°;θ-圓弧段圓心角,θ=180°-2α;h2-圓弧段以上至水面深度(cm);h-總水深,h=h1+h2(cm);H-襯砌渠槽深度(cm);B-襯砌渠槽口寬(cm);a,a1-渠堤和襯砌超高,取值參考表1(m);δ-襯砌厚度(cm);b-兩翼伸出長度,一般采用(2-3) δ,其作用是增加渠槽剛度并防止地表水進入襯砌體和基土的結(jié)合面(cm);i1-渠堤頂面向外的坡度,一般采用130~150。
按流量不同設(shè)計采用UD30~UD80混凝土U型槽,計算糙率n=0.014,渠堤超高a=0.2m,襯砌超高取 a1=0.1m。經(jīng)計算,不同直徑、水深、比降的對應(yīng)流量見表2。
不同直徑、水深、比降相對應(yīng)流量表(表2)
在以流量選擇U型槽型號時,優(yōu)先選用深窄式槽,也就是直徑小,水深深的U型槽,一是可以減少土地占用面積,二是有利于抬高水面線擴大灌溉面積。
新余市內(nèi)灌區(qū)現(xiàn)有渠道斷面形式為矩形的渠道數(shù)量也不少,邊坡不便挖成斜坡且當(dāng)?shù)赜譄oU型槽預(yù)制設(shè)備,用磚較方便時,可采用矩形襯砌斷面。襯砌斷面示意圖如下圖:
其中:b-襯砌渠底寬(m);h1-設(shè)計水深(m);h2-襯砌渠深度(m);h3-底板厚度(m),現(xiàn)澆或者磚砌抹面,厚8cm;H-邊墻高(m);δ-砂漿抹面厚度(cm),取2cm;b1-邊墻厚(m),取值見表3;a,a1-渠堤和襯砌超高(m),取值參考表1。
由于邊墻需依靠自身重力維持穩(wěn)定,砌筑斷面較大,材料浪費嚴重,原則上不推薦采用矩形襯砌斷面。特殊情況必須采用矩形襯砌方式的,磚襯砌1.2m以下和混凝土襯砌0.8m以下渠道邊墻高度與厚度取值見表3與表4。
磚砌矩形斷面渠道邊墻高度與厚度值取值表(表3)
對于矩形斷面,其最優(yōu)水力斷面條件為b(底寬)=2h(水深),矩形渠道多為村旁、路邊等流量較小的渠道,考濾到矩形斷面完全按“最優(yōu)水力斷面”設(shè)計,挖方或回填土方較大,特殊情況可依據(jù)設(shè)計流量按現(xiàn)有斷面稍作修整后進行襯砌。
按照“生態(tài)優(yōu)先”和“環(huán)境協(xié)調(diào)”的設(shè)計理念,對于一些滿足《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》(附錄J)“渠道防滲襯砌結(jié)構(gòu)適用條件”的土質(zhì)渠道,為了和當(dāng)?shù)丨h(huán)境相協(xié)調(diào),保護當(dāng)?shù)厣鷳B(tài),節(jié)約工程資金,可不進行混凝土襯砌,即當(dāng)渠基土壤為重粘土、粘土、重粘壤土且滲透系數(shù)K<8.1×10-5cm/s時,可以不做混凝土防滲襯砌,但必須按設(shè)計要求修整斷面并夯實渠基。