□郭宏亮

依據(jù)《大型灌區(qū)續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造實(shí)施方案編制技術(shù)指南》，輸配水工程改造與提升建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)劃分為3個(gè)等級。一級標(biāo)準(zhǔn)：即工程設(shè)施改造與提升后達(dá)到的最低標(biāo)準(zhǔn)，工程設(shè)施的功能、過流能力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，處于完好狀態(tài)。二級標(biāo)準(zhǔn)：在一級標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行達(dá)標(biāo)改造，即工程設(shè)施的結(jié)構(gòu)和耐久性達(dá)到可靠和合理使用年限，維養(yǎng)道路通達(dá)、安全防護(hù)設(shè)施齊全。三級標(biāo)準(zhǔn)：在二級標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，在生態(tài)、景觀、水文化建設(shè)方面加以提檔升級，采取生態(tài)工程法、生態(tài)化配套建設(shè)。

灌區(qū)改造時(shí)應(yīng)遵循以上原則，確定合理建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，灌區(qū)渠道設(shè)計(jì)有著與河道、新建輸水渠道等不同的特點(diǎn)，本文總結(jié)了以下幾點(diǎn)灌區(qū)渠道的設(shè)計(jì)心得。

1.渠道流量設(shè)計(jì)

渠道流量的設(shè)計(jì)，要根據(jù)灌區(qū)系統(tǒng)規(guī)劃，結(jié)合灌溉面積及近年完成的相關(guān)渠道上段或中上段續(xù)建配套工程設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，結(jié)合渠道運(yùn)行現(xiàn)狀，對設(shè)計(jì)流量進(jìn)行復(fù)核。

渠道工作制度：結(jié)合灌區(qū)歷年管理運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析渠道工作制度，比如分干渠以上渠道按續(xù)灌設(shè)計(jì)，支渠及其以下渠道按輪灌設(shè)計(jì)。渠道流量計(jì)算分續(xù)灌和輪灌兩種情況。

支渠流量計(jì)算按以下程序進(jìn)行：支渠為輪灌渠道，由上級渠道集中供水，其設(shè)計(jì)流量不直接決定于本身控制面積的大小，而取決于上級渠道供水流量的大小及同時(shí)工作的輪灌渠道數(shù)目。根據(jù)支渠供給的田間凈流量大小，考慮田間及沿渠損失，向上逐級推求渠道毛流量。

輪灌渠道的設(shè)計(jì)流量按下式計(jì)算：

式中：

Q設(shè)—渠道設(shè)計(jì)流量(m3/s)；

Q設(shè)—渠道毛流量(m3/s)；

Q田凈—田間凈流量(m3/s)；

q—設(shè)計(jì)灌水率(m3/s/萬畝)；

w—計(jì)算渠道的設(shè)計(jì)灌溉面積(萬畝)；

η系—計(jì)算渠道至田間的渠系水利用系數(shù)；

η田—田間水利用系數(shù)。

干(分干)渠流量計(jì)算按以下程序進(jìn)行：干(分干)渠為續(xù)灌渠道，在求得各支渠取水口的毛流量后，可從最遠(yuǎn)一條支渠的取水口依次向上推算各干(分)渠各段設(shè)計(jì)流量。

續(xù)灌渠道的設(shè)計(jì)流量按下式計(jì)算：

式中：

T—設(shè)計(jì)的灌水周期(天)；

t—輪灌組灌水時(shí)間(天)。

2.渠道縱橫斷面設(shè)計(jì)

2.1 渠道縱斷面設(shè)計(jì)

大部分灌區(qū)的渠道均已運(yùn)行多年，部分渠段存在沖刷、淤積現(xiàn)象，但各級渠道現(xiàn)狀縱坡基本合理，設(shè)計(jì)渠道縱坡時(shí)應(yīng)在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，在滿足改造段內(nèi)橋梁、節(jié)制閘等建筑物底板高程銜接要求的前提下，根據(jù)各段灌溉流量綜合確定。同時(shí)支渠依據(jù)田間灌溉需要水位和進(jìn)口渠道可提供水位，結(jié)合實(shí)測現(xiàn)狀地形，以能滿足灌溉要求為原則，在渠道滿足不淤流速的前提下，確定渠道縱坡。

2.2 橫斷面設(shè)計(jì)

輸水明渠斷面型式主要有梯形斷面、U形斷面、拋物線形斷面等。梯形斷面渠道施工方便、邊坡穩(wěn)定，U形斷面、拋物線形斷面防凍脹效果較好。斷面選取經(jīng)對現(xiàn)有渠道進(jìn)行調(diào)查，了解歷年改造渠道施工及運(yùn)行情況，一般情況下梯形渠道及U形、拋物線形渠道，運(yùn)行情況均良好。考慮施工方便，既有渠道在滿足設(shè)計(jì)過流能力的前提下，盡量保持現(xiàn)狀斷面不變，同時(shí)考慮斷面規(guī)整對局部沖、淤渠段，進(jìn)行削、填處理后進(jìn)行梯形斷面防滲襯砌。

2.2.1 邊坡系數(shù)

根據(jù)《渠道防滲襯砌工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50600-2020)，結(jié)合工程現(xiàn)狀情況及邊坡穩(wěn)定計(jì)算確定，并綜合考慮占地等影響，采取合理的工程措施，從而確定渠道的邊坡系數(shù)。

2.2.2 渠道糙率

根據(jù)水力計(jì)算手冊第二版，結(jié)合工程多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并適當(dāng)考慮運(yùn)行期渠道的變化情況，綜合選取渠道糙率，一般明渠現(xiàn)澆混凝土襯砌渠道糙率可采用0.014～0.017。

2.2.3 橫斷面

灌區(qū)工程渠道改造一般為既有渠道襯砌改造，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有渠道斷面情況，橫斷面在滿足過流能力、灌溉水位要求的前提下，基本維持現(xiàn)狀渠道底寬。

2.2.4 渠道岸頂超高

依據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，1～3級渠道岸頂超高按如下公式計(jì)算：

式中:

y—堤頂超高，m；

R—最大波浪在堤坡上的爬高，m；

e—最大風(fēng)壅水面高度，m；

A—安全加高，m；

依據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，4、5級渠道按規(guī)范中公式計(jì)算確定。公式如下：

式中:

Fb—渠道岸頂超高(m)；

hb—渠道通過加大流量時(shí)的水深(m)，一般輪灌渠道不考慮加大流量。

3.渠道水位設(shè)計(jì)

渠道水面線應(yīng)按照恒定非均勻流推算，并考慮渠道沿線各節(jié)制建筑物的水頭損失以及分水建筑物的分水流量，起推水位結(jié)合工程實(shí)際，由末端節(jié)制建筑物或末端渠道過流能力推算。

4.堤頂寬度設(shè)計(jì)

依據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，萬畝以上灌區(qū)干、支渠堤頂寬度不宜小于2m，斗、農(nóng)渠不宜小于1m。萬畝以下灌區(qū)可適當(dāng)減小。設(shè)計(jì)堤頂寬度應(yīng)結(jié)合堤頂交通要求及堤頂現(xiàn)狀情況確定。

5.防滲襯砌設(shè)計(jì)

渠道的防滲襯砌型式應(yīng)經(jīng)過方案比選，綜合考慮投資、施工、管理、使用年限等因素。例如某灌區(qū)防滲襯砌渠道經(jīng)比選后，采用等厚矩形混凝土板襯砌，襯砌板厚干渠10cm，分干渠8cm，支渠根據(jù)斷面規(guī)模采用8cm、6cm兩種。渠道橫向伸縮縫間距采用4m，邊坡與渠底相接處，各設(shè)置一道縱向伸縮縫。渠道伸縮縫采用2cm閉孔塑料板填充，臨水側(cè)填充2×2cm聚硫密封膠。根據(jù)《渠道防滲襯砌工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50600-2020），干渠襯砌設(shè)計(jì)使用年限為50年，混凝土采用強(qiáng)度等級C30，抗凍等級F200，抗?jié)B等級W6；分干渠及支渠防滲襯砌混凝土采用強(qiáng)度等級C25，抗凍等級F150，抗?jié)B等級W6。

6.抗凍脹設(shè)計(jì)

襯砌渠道的地基凍脹量大于允許位移值時(shí),主要從適應(yīng)凍脹、回避凍脹、削減或消除凍脹等3個(gè)方面采取措施，使襯砌渠道的凍脹位移值滿足抗凍脹要求。

例如某項(xiàng)目區(qū)地處淺層季節(jié)凍土區(qū)，冬季基土凍脹對渠道混凝土襯砌有一定的破壞作用。渠道防凍脹設(shè)計(jì)依據(jù)《渠道防滲襯砌工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50600-2020)、《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL211—2006）的要求，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，防凍脹保溫措施主要采取在渠道襯砌板下鋪設(shè)聚苯乙烯保溫板。聚苯乙烯泡沫保溫板的厚度可取地下水影響系數(shù)為1.0的設(shè)計(jì)凍深的1/10～1/15。

通過對渠道設(shè)計(jì)凍深進(jìn)行計(jì)算確定保溫板厚度。設(shè)計(jì)凍深根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL211-2006)附錄B進(jìn)行計(jì)算：

式中:

Zd—設(shè)計(jì)凍深(m)；

Ψd—日照及遮蔭程度影響系數(shù)；

Ψw—地下水修正系數(shù)，取1.0；

Zm—實(shí)測歷年最大凍深(m)，取0.44m；

Ψi—典型斷面某部位的日照及遮蔭程度修正系數(shù)；

α—系數(shù)，可由該規(guī)范附錄B中表格查得。

根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T50662-2011)圖B.1.1-1和圖B.1.1-2，確定陰、陽面中部與底面中部Ψi值，根據(jù)表B.1.1-1查得陰面、陽面、底面的α值，從而計(jì)算得陰面、陽面、底面設(shè)計(jì)凍深。保溫板厚度采用設(shè)計(jì)凍深的1/10～1/15，進(jìn)而確定陰面、陽面和底面聚苯乙烯泡沫保溫板的厚度。

7.邊坡穩(wěn)定計(jì)算

邊坡穩(wěn)定計(jì)算可采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所《水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)》(AutoBANK7.07)進(jìn)行計(jì)算。由該程序計(jì)算出浸潤線，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)中規(guī)定確定不同級別的堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。根據(jù)工程運(yùn)行情況，確定計(jì)算工況。

8.結(jié)語

既有灌區(qū)渠道的改造，應(yīng)充分考慮現(xiàn)狀渠道規(guī)模及縱橫段面，區(qū)別新開渠道的縱橫段設(shè)計(jì)。現(xiàn)有渠道改造要同時(shí)考慮過流要求、水位要求、斷面規(guī)整、施工及經(jīng)濟(jì)等因素，不宜做大的削、填處理。既有渠道斷面較大，流量較小，水位較低的渠道，應(yīng)結(jié)合節(jié)制閘的布置考慮節(jié)制運(yùn)行，不宜縮小渠道斷面進(jìn)行大的土方工程?！?/p>