胡德保，查恩堯

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510220)

灌區(qū)建設(shè)是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向之一，可以集中力量提高農(nóng)業(yè)種植效率，同時(shí)可將灌溉、供水、防洪、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)結(jié)合起來(lái)，對(duì)提高基礎(chǔ)設(shè)施利用率、改善環(huán)境和民生等均具有重大意義。廣西省位于我國(guó)西南邊陲，水資源豐富，且農(nóng)產(chǎn)品熱銷全國(guó)及東南亞地區(qū)，這造就了廣西省境內(nèi)灌區(qū)建設(shè)歷史悠久，但隨著集約化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，灌區(qū)的節(jié)水改造工程勢(shì)在必行。

1 工程概況

龍?jiān)乒鄥^(qū)位于廣西省玉林市境內(nèi)，該灌區(qū)工程涉及玉林市玉州區(qū)、福綿區(qū)、北流市、陸川縣等4縣(市、區(qū))，行政區(qū)域面積達(dá)5268km2；下屬包含羅田、新橋、六洋、龍門等14個(gè)中小型灌區(qū)，原設(shè)計(jì)灌溉面積46.64萬(wàn)畝，現(xiàn)有效灌溉面積32.38萬(wàn)畝，且同時(shí)為11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、5個(gè)工業(yè)園區(qū)供水，地位十分重要。目前龍?jiān)乒鄥^(qū)干渠總長(zhǎng)222.85km，支渠長(zhǎng)226.83km，渠系工程老化損壞嚴(yán)重，農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)僅0.45，供水基礎(chǔ)設(shè)施薄弱。為緩解這一局面，有關(guān)部門決定對(duì)龍?jiān)乒鄥^(qū)尤其是輸水工程進(jìn)行節(jié)水改造。

2 輸水渠道設(shè)計(jì)要點(diǎn)計(jì)算分析

2.1 輸水渠道縱坡及斷面參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)渠道縱坡設(shè)計(jì)

龍?jiān)乒鄥^(qū)東側(cè)有北流河自南向北流，西側(cè)有南流江自北往南流，南流江與北流河基本貫穿整個(gè)灌區(qū)。灌區(qū)地形總體上呈東高西低態(tài)勢(shì)?？v觀灌區(qū)地形特點(diǎn)與現(xiàn)有水源分布情況，本灌區(qū)干渠渠道縱坡設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾個(gè)問(wèn)題[1]。①灌區(qū)東面的民安灌片地形高程在110～140m之間，而水源地蟠龍水庫(kù)正常蓄水位為108.00m，所以需泵站提水后才能將其連通。②灌區(qū)北面的蘇六、龍門灌片地形高程在90～100m之間，而供水的九代干渠高程為95～90m，所以需泵站提水后才能將其連通。③灌區(qū)西南面羅田灌片地形高程在70～90m之間，而水源地云良水庫(kù)正常蓄水位為101.00m，輸水距離大于20km，水頭損失較大，且羅田灌片位于南流江右岸，所以需泵站提水。

綜合考慮上述因素，并根據(jù)各干渠沿線的地形特點(diǎn)，同時(shí)參考類似灌區(qū)工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在滿足不沖不淤流速的前提下，從“盡量擴(kuò)大自流灌溉面積”思路出發(fā)來(lái)擬定龍?jiān)乒鄥^(qū)各干渠渠道縱坡，最終確定本改造工程的干渠縱坡為1/3000～1/2000，支渠縱坡為1/3000～1/1000[2]。

(2)渠道斷面設(shè)計(jì)

渠道斷面設(shè)計(jì)遵循以下原則：①同時(shí)滿足不沖和不淤流速的要求，保證輸水能力、邊坡穩(wěn)定；②各級(jí)渠道、各分段之間水面平順銜接；③末級(jí)渠道放水口的水位高出平整后田面進(jìn)水端不少于10cm；④占地少、工程量小，施工和管理方便[3]。

本項(xiàng)目新建明渠設(shè)計(jì)為梯形斷面，為平衡邊坡穩(wěn)定性和降低工程量，設(shè)計(jì)巖質(zhì)邊坡為1∶0.35，土質(zhì)邊坡為1∶1.25。邊坡過(guò)水?dāng)嗝婢捎?0cm厚現(xiàn)澆混凝土襯砌，過(guò)水?dāng)嗝嬉陨线吰虏捎貌萜ぷo(hù)坡，其中土質(zhì)邊坡干渠尺寸和結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 土質(zhì)邊坡干渠尺寸及結(jié)構(gòu)示意圖

此外，本項(xiàng)目要求在干渠渠道岸頂一側(cè)布置交通道路，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按農(nóng)村道路設(shè)計(jì)，路寬3.0m，采用瀝青碎石路面，并每隔500m設(shè)置一個(gè)6.5m寬的錯(cuò)車道；支渠一側(cè)設(shè)計(jì)泥結(jié)石路面，路面寬2.5m；渡槽、暗涵、倒虹吸管采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[4]。

有些地段開(kāi)挖渠道不便，設(shè)計(jì)采用輸水混凝土管，管徑根據(jù)輸水量來(lái)確定，龍?jiān)乒鄥^(qū)主要輸水干、支渠(管)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 龍?jiān)乒鄥^(qū)主要輸水干、支渠(管)參數(shù)設(shè)計(jì)(部分)

2.2 水閘、閥門設(shè)計(jì)分析

2.2.1水閘分類及布置位置

(1)分水閘

龍?jiān)乒鄥^(qū)各干渠及分干渠、支渠進(jìn)口處設(shè)分水閘，以便控制分水流量。分水閘底檻與上級(jí)渠底齊平或稍高于上級(jí)渠底，采用單股分水，分水角設(shè)計(jì)為60°～90°。閘前設(shè)計(jì)水位要略低于上級(jí)渠道設(shè)計(jì)流量的相應(yīng)水位[5]。

(2)節(jié)制閘

龍?jiān)乒鄥^(qū)在臨近各個(gè)分水閘或泄水閘的渠道下游，根據(jù)需要設(shè)置節(jié)制閘，用于調(diào)節(jié)水位以控制分水或泄水流量。節(jié)制閘底檻高程設(shè)計(jì)與渠底平齊，閘孔設(shè)計(jì)過(guò)水?dāng)嗝婷娣e與渠道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e相適應(yīng)。

(3)泄(退)水閘

本項(xiàng)目要求在重要城鎮(zhèn)、工礦區(qū)的上游附近設(shè)泄水閘，并在干渠上每隔一定距離靠近河流、山溪、河道等地方設(shè)置一座泄水閘或溢洪側(cè)堰，以便將入渠洪水泄入承泄區(qū)，保證渠道的安全；并且在干渠和支渠末端設(shè)置退水閘。退水閘中心線與渠道中心線夾角設(shè)計(jì)為60°～90°，泄水閘和退水閘底檻與渠底齊平或稍低于渠底。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)各類水閘閘室均采用開(kāi)敞式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘孔孔口尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)流量采用寬頂堰公式確定，閘下游側(cè)布置消能防沖設(shè)施。工作閘門均采用平面鋼閘門，啟閉力不大于5t的采用手動(dòng)葫蘆啟閉，啟閉力大于5t的采用固定式手電兩用螺桿機(jī)啟閉[6]。

2.2.2水閘過(guò)流能力計(jì)算分析

根據(jù)水流過(guò)閘形式的不同，在此分別按“寬頂堰流”和“閘孔出流”進(jìn)行水力計(jì)算，計(jì)算公式分別如式(1)、(2)所示[7]。通過(guò)計(jì)算，龍?jiān)乒鄥^(qū)新建閘門每孔凈寬設(shè)計(jì)1.0～1.5m，干渠孔數(shù)為2個(gè)，支渠1個(gè)，滿足輸水流量的需要。

(1)

式中，Q—輸水流量，m3/s；σ—堰流淹沒(méi)系數(shù)；ε—側(cè)收縮系數(shù)；m—流量系數(shù)；b—每孔凈寬；n—閘孔孔數(shù)；H0—包括行近流速的堰前水頭，m。

(2)

式中，σ′—孔流淹沒(méi)系數(shù)；e—閘門開(kāi)度，m；H0—包括行近流速的閘前水頭，m。

2.2.3各類閥門設(shè)計(jì)

對(duì)于新建輸水管道，為了保證輸配水管道的正常工作，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)在管道上安裝必要的閘閥，主要有檢修閥門、放水閥、排氣閥、泄壓閥等，各類閘閥的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)檢修閥

在穿越大型河道、公路及安裝水力控制閥前均考慮設(shè)置檢修閥，本項(xiàng)目要求沿管線每隔5km布置不少于1座檢修閥[8]。

(2)排、進(jìn)氣閥

當(dāng)管道內(nèi)壓力變化時(shí)，水中溶解的氣體析出并聚集在管道最高點(diǎn)，進(jìn)而造成過(guò)水?dāng)嗝鏈p小而增加水頭損失。因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)在長(zhǎng)距離輸水管道的最高點(diǎn)安裝自動(dòng)排、進(jìn)氣閥。其中對(duì)長(zhǎng)距離無(wú)凸起點(diǎn)管段，每隔500m設(shè)自動(dòng)排(進(jìn))氣閥。設(shè)計(jì)采用大、小孔口合成一體的高速排氣閥，口徑為主管直徑的1/8。

(3)放水(排空)閥

為排除管內(nèi)沉積物，檢修放水、冬季事故排空防凍等，在管道低凹處設(shè)計(jì)排空閥，口徑為主管直徑的1/5。

(4)減壓閥、泄壓閥

當(dāng)輸水干管總水頭超過(guò)0.4MPa時(shí)，根據(jù)水錘防護(hù)需要設(shè)置減壓閥。超壓泄壓閥設(shè)在重力輸水管道末端的關(guān)閉閥上游，中間按需設(shè)置，口徑為主管直徑的1/5。

3 渠系水利用系數(shù)驗(yàn)算

在實(shí)施改造項(xiàng)目之前，龍門灌區(qū)農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)平均僅為0.45，對(duì)輸水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)水改造后，在此根據(jù)各級(jí)渠道采取的防滲措施，分別估算各級(jí)渠道的水利用系數(shù)，然后用各級(jí)渠道水利用系數(shù)連乘來(lái)求出整個(gè)灌區(qū)渠系的水利用系數(shù)η0，計(jì)算公式如下：

(3)

式中，K—土壤透水性系數(shù)，工程區(qū)主要為黏土、重壤土、硅質(zhì)土等，滲透系數(shù)一般在10-4m/s左右，屬中-弱透水，但土層較薄，且覆蓋層以下為強(qiáng)透水層石灰?guī)r，故按中等透水選用，取1.9；Q—渠道凈流量，在此取平均值作為計(jì)算流量；m—渠系平均透水性指數(shù)，取0.4；L—渠道長(zhǎng)度。

經(jīng)過(guò)綜合考慮防滲可靠性、蒸發(fā)損失等問(wèn)題，初步估算得到本項(xiàng)目節(jié)水改造完成后總干渠水利用系數(shù)可達(dá)0.95，總干管0.97，分干(當(dāng)?shù)厮丛汕?0.92，支渠0.91，斗渠0.88，農(nóng)渠0.92，綜合渠系水利用系數(shù)為0.65，比改造前提高了44.4%，效果顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

龍?jiān)乒鄥^(qū)的輸水工程經(jīng)過(guò)本次節(jié)水改造后，渠系水利用系數(shù)明顯提升，而且新增灌溉面積21萬(wàn)畝，改善灌溉面積25.4萬(wàn)畝，大大提高了灌區(qū)的灌溉品質(zhì)，也為灌區(qū)的健康可持續(xù)發(fā)展打下了物質(zhì)基礎(chǔ)。輸水工程是灌區(qū)的核心組成，直接決定了灌區(qū)的規(guī)模及綜合效益，因此在設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格遵循規(guī)劃目標(biāo)進(jìn)行，不得過(guò)于保守，要規(guī)劃好至少未來(lái)10年灌區(qū)的發(fā)展。