閔志華

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402106)

山區(qū)小型灌溉渠道橫斷面的寬深比分析

閔志華

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402106)

以重慶三峽庫區(qū)山區(qū)小型灌溉渠道為例，對可能影響渠道工程造價的各種修建及維護(hù)費(fèi)用進(jìn)行逐次分析.在保證輸水效率的前提下，利用公式推導(dǎo)比較兩種不同寬深比條件下，即傳統(tǒng)的寬深比2 ∶1寬淺式灌溉水渠和文中設(shè)計的寬深比1 ∶1灌溉水渠，對各項費(fèi)用進(jìn)行比較.發(fā)現(xiàn)對于山區(qū)小型灌溉渠道，采用寬深比1 ∶1的寬淺式灌溉渠道，在影響比傳統(tǒng)的水力學(xué)最優(yōu)斷面在修建使用過程中投入更少.

灌溉渠道；寬深比；最優(yōu)水力學(xué)斷面

經(jīng)典水力學(xué)認(rèn)為，寬淺式灌溉渠道采用寬深比2 ∶1的橫斷面形式最為經(jīng)濟(jì).但是，由于經(jīng)典水力學(xué)只考慮了單純的水力學(xué)因素，并沒有考慮到水渠開挖及維護(hù)過程中產(chǎn)生的各種費(fèi)用，因而忽視了寬淺式灌溉渠道普遍存在的過水?dāng)嗝媲垒^寬，占地面積大，開挖支護(hù)的工作量大等問題.這些問題也造成了灌溉渠道在經(jīng)濟(jì)上的許多不必要浪費(fèi)[1].本文論述一種針對重慶三峽庫區(qū)山區(qū)小型灌溉渠道的橫斷面設(shè)計，即寬深比為1 ∶1的梯形斷面灌溉渠道，其可以在保證水力因素的條件下，最大程度地減少建設(shè)使用費(fèi)，是比經(jīng)典水力學(xué)斷面更為經(jīng)濟(jì)合理的斷面形式，具有很好的實(shí)用價值.

1 山區(qū)小型灌溉渠道相關(guān)參數(shù)定義

圖1為目前普遍采用的寬淺式灌溉渠道橫斷面示意圖，其中渠道底部寬度為b，設(shè)計深度超高值為h0，渠頂馬道寬度為b′，即開挖土體向兩邊的運(yùn)輸距離.灌溉設(shè)計水深為h，河道坡度系數(shù)為m.

同時，為便于計算，假定渠道各段的設(shè)計流量Q一定，且設(shè)定渠道各段流速V恒定.即假定區(qū)內(nèi)流水為恒定流體.整體豎向坡度一致[2-4].

圖1 渠道橫斷面示意圖

2 水力因素

灌溉渠道的首要作用就是對沿岸土地進(jìn)行灌溉，因此，首先需要考慮的是橫斷面不同對灌溉渠道輸送水源的影響，即考慮其水力因素[5].

由圖1的渠道橫斷面示意圖，得到橫斷面的面積計算公式：

(1)

設(shè)h0=0，即假定水面平齊于地面.

(2)

由渠道過水?dāng)嗝娴母拍羁芍涸谇栏鞫蔚脑O(shè)計流量Q以及渠道各段流速V均設(shè)定為恒定的條件下，灌溉渠道在單位時間內(nèi)能輸送的水體體積，即渠道的設(shè)計流量，等于在單位時間內(nèi)流經(jīng)灌溉渠道全部過水全斷面面積內(nèi)的水體宏觀運(yùn)動距離.用公式表達(dá)為：

(3)

3 經(jīng)濟(jì)因素

前文考慮了灌溉渠道的水力因素，即考慮在滿足灌溉運(yùn)水過程中，是否最不利狀態(tài)情況下(運(yùn)輸水面與岸面齊平，即水面超高h(yuǎn)0=0)，對兩種不同比例的寬深比，求得渠道的底部寬度與過水高度各有不同.

在滿足水力因素的前提下，繼續(xù)考慮經(jīng)濟(jì)因素.由灌溉渠道的修建及后續(xù)使用直接產(chǎn)生的有關(guān)費(fèi)用指標(biāo)主要有以下幾點(diǎn)[5-7]：

(1)開挖費(fèi)用

灌溉渠道開挖所產(chǎn)生的費(fèi)用主要包括開挖完整土體或巖體所需的人工費(fèi)用，以及將開挖巖土體運(yùn)送至指定棄土點(diǎn)所需要的運(yùn)費(fèi).為了計算方便，將單位長度內(nèi)灌溉渠道開挖巖土體所需費(fèi)用設(shè)為C挖.C挖與所開挖巖土體的性質(zhì)以及開挖機(jī)械有很大關(guān)系，對其取值有很大影響，本文討論的應(yīng)是一般條件下的平均值.

通過對渠道斷面的幾何分析，可以得到開挖費(fèi)用C挖的計算公式為：

(4)

(2)占地費(fèi)用

開挖渠道需要占用一定的土地面積，與工程開挖相匹配的工程設(shè)施安置等也需要消耗一定的土地資源，可以假設(shè)所需消耗的必要的土地資源，單位面積占地費(fèi)用為C地，其取值決定于當(dāng)?shù)氐耐恋卣?

C地={b+2m(h+h0)+2b’}

(5)

(3)襯砌費(fèi)用

為避免運(yùn)輸水體在水下對兩坡岸的持續(xù)沖刷，在灌溉渠道設(shè)計水面以下部分，應(yīng)添加噴射混凝土襯砌，保護(hù)水底土體.在工程中，一般采用C25混凝土進(jìn)行噴射襯砌.可設(shè)單位面積的襯砌費(fèi)用為C襯.

(6)

(4)滲透損失費(fèi)用

由于自然條件以及施工情況的不同，灌溉渠道的襯砌不可能做到滴水不漏，因為水力滲透產(chǎn)生的損失，即為滲透損失費(fèi)用，用C滲表示.滲透損失費(fèi)用與灌溉渠道所處的自然環(huán)境、渠道的襯砌質(zhì)量有關(guān).

(5)蒸發(fā)損失費(fèi)用

灌溉渠道中運(yùn)輸水體，不可避免的要受到蒸發(fā)損失影響.灌溉渠道的年蒸發(fā)損失費(fèi)用可用C蒸表示.C蒸與灌溉渠道所處位置的年平均降雨及年平均蒸發(fā)量、水面蒸發(fā)面積有關(guān).

(6)維修管理費(fèi)用

渠道建成之后，需要定期對渠道進(jìn)行疏通、維修，所產(chǎn)生的費(fèi)用可用C修表示.

在以上介紹的6種費(fèi)用中，開挖費(fèi)用和占地費(fèi)用以及襯砌費(fèi)用屬于一次費(fèi)用，都是在灌溉渠道開始使用之前產(chǎn)生的費(fèi)用，渠道開挖完成后，無此項費(fèi)用.而后3項費(fèi)用，是伴隨著渠道整個使用過程中的，是以“a”為時間單位所產(chǎn)生的持續(xù)性費(fèi)用.

4 兩種寬深比渠道的比較

4.1 橫斷面尺寸

前面討論了灌溉水渠的過水橫斷面面積A與設(shè)計流量Q以及設(shè)定流速V之間的數(shù)學(xué)關(guān)系.下面將要結(jié)合上文所述內(nèi)容，通過公式計算，來論證在過水?dāng)嗝婷娣e、流量和流速都相同的情況下，兩種不同寬深比條件下灌溉水渠的經(jīng)濟(jì)耗費(fèi).

在考慮最大設(shè)計流量的最不利狀態(tài)下，為保證水渠的水力條件，取水渠的水面以上超高值h0為0，則考慮寬深比為1 ∶1時，有b=h，代入式(2)，得過水?dāng)嗝娣e：

A1=(1+m)h2

結(jié)合式(3)，此時有：

同樣，當(dāng)考慮傳統(tǒng)水力學(xué)寬深比為2 ∶1時，有b=2h，代入有式(2)，得過水?dāng)嗝娣e：

A2=(2+m)h2

4.2 經(jīng)濟(jì)性比較

依次代入并比較兩者的經(jīng)濟(jì)耗費(fèi)，所得結(jié)果如下：

(1)開挖費(fèi)用

寬深比1 ∶1時，由式(4)，開挖費(fèi)用C挖1取值如下：

寬深比2 ∶1時，由式(4)，開挖費(fèi)用C挖2取值為：

(2)占地費(fèi)用

寬深比1 ∶1時，由式(5)，占地費(fèi)用C地1取值如下：

寬深比2 ∶1時，由式(5)，占地費(fèi)用C地2取值如下：

(3)襯砌費(fèi)用

寬深比1 ∶1時，由式(6)，襯砌費(fèi)用C襯1取值如下：

寬深比2 ∶1時，由式(6)，襯砌費(fèi)用C襯2取值如下：

綜合以上，寬深比1 ∶1時的灌溉水渠總費(fèi)用C1=C挖1+C地1+C襯1，寬深比2 ∶1時的灌溉水渠總費(fèi)用C2=C挖2+C地2+C襯2，有C1

5 施工作業(yè)技術(shù)

5.1 開挖作業(yè)

為了更好的增加灌溉水渠輸水能力，提高水渠利用率，同時考慮到施工的難易程度，一般會將水渠選取在地勢較高或地形分界線位置.在開挖之前，需要對開挖現(xiàn)場及周邊地形環(huán)境進(jìn)行考察測量.開挖時需要注意開挖順序，采用由淺入深、自上而下的開挖順序.其目的是為了保證施工過程中的排水通暢.為了確保排水效果，通常在開挖時還要預(yù)留一定厚度的保護(hù)層.開挖過程中如果發(fā)現(xiàn)有地質(zhì)裂縫或出現(xiàn)地下水滲流的情況，應(yīng)立即停止開挖，制定好相應(yīng)處理措施后再行施工.

5.2 襯砌作業(yè)

灌溉水渠襯砌在水渠通水運(yùn)用過程中，起到保護(hù)水渠過水?dāng)嗝娌皇芰魉疀_刷侵蝕的作用，對提高水渠使用效率及使用壽命有很大作用.從方便施工及經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，一般采用素混凝土襯砌.混凝土襯砌澆筑過程中，應(yīng)注意混凝土攪拌的均勻性，防止出現(xiàn)混凝土泥水分離.同時，注意保持混凝土在養(yǎng)護(hù)齡期時間內(nèi)表面濕潤.混凝土澆筑之后6 h之內(nèi)必須對其采取養(yǎng)護(hù)工作，這樣才能滿足其強(qiáng)度要求.

5.3 防滲作業(yè)

在水渠施工技術(shù)中，要做好防滲處理工作，必要時建立具有抗?jié)B基巖層的防滲墻.如果水渠底部出現(xiàn)沙礫巖層，為了增加防滲效果，采用在兩側(cè)墻壁進(jìn)行帷幕灌漿的施工技術(shù)進(jìn)行.如果水渠修筑工程經(jīng)過陡峭的山坡，采用帷幕灌漿法進(jìn)行防滲處理.按照提前規(guī)劃好的防滲墻施工流程，首先對頂部軸線進(jìn)行布局，然后增強(qiáng)防滲墻的硬度，再采用挖槽連接或多段連接的方式將混凝土防滲墻連接，要注意盡可能控制好接縫節(jié)的數(shù)量，提高防滲墻的防滲效果，確保水渠工程建設(shè)的施工質(zhì)量.

6 結(jié) 論

針對重慶三峽庫區(qū)灌溉渠道以及其他以山區(qū)為主的該類型灌溉渠道，采用傳統(tǒng)水力學(xué)的“最優(yōu)水力學(xué)斷面”(即寬深比為2 ∶1的寬淺式灌溉渠道)，其過水?dāng)嗝媲垒^寬，占地面積大，且開挖支護(hù)的工作量也較大，因而造成許多不必要的浪費(fèi)，使其經(jīng)濟(jì)效益與使用效率并不能達(dá)到最大化.考慮到以上問題，設(shè)計采用寬深比為1 ∶1的寬淺式灌溉渠道，在同樣的輸水流量以及流動速度情況下，通過公式運(yùn)算比較得出：其在修建和使用過程的投入費(fèi)用較傳統(tǒng)水力學(xué)斷面更為優(yōu)異，有很好的實(shí)用價值.

[1] 李 銳.東河塘干渠梯形渠道實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面設(shè)計分析[J].水利技術(shù)監(jiān)督,2017,25(2):111-113.

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OnWidthDepthRatioofCrossSectionofSmallIrrigationChannelinMountainAreas

MIN Zhi-hua

(Chongqing Water Resources and Electric Engineering College, Chongqing 402106, China)

In order to ensure good water efficiency of irrigation canals as well as the engineering cost and economic benefit, this paper takes the mountainous small irrigation channel in Chongqing as an example, and analyzes the project cost and maintenance cost of various channels. On the premise of ensuring successive water efficiency, the cost is compared by using the comparative formula for two different aspect ratio conditions, namely the traditional design of wide shallow irrigation canals with width to depth ratio 2 ∶1 and that of the ratio of acequias with width to depth 1 ∶1. For small mountain irrigation channels, wide and shallow irrigation channels with the ratio of width to depth 1 ∶1 are less input than traditional optimal hydraulics section in construction.

irrigation channel; width depth ratio; optimum hydraulic section

10.3969/j.issn.2095-7092.2017.04.006

TV131

B

1008-536X(2017)04-0032-04

2017-05-26

2017年重慶市教委科研資助項目(KJ1735447)

閔志華(1980-)，重慶永川人，碩士，副教授，主要研究方向為水利工程設(shè)計、施工及教學(xué).