水库灌区渠系及渠系建筑物优化设计要点

水库灌区渠系及渠系建筑物优化设计要点

张练和孙春敏黄永奇

广东省水利水电科学研究院广东广州510610

摘要：针对黄铜降水库灌区地形地貌、地质条件较复杂，沿线部分渠段边坡稳定性较差、易形成高陡边坡等问题，经现场踏勘结合河渠交叉建筑物方案比选原则，综合考虑工程占地、施工难度及工程投资等因素，优选渠系整体布置方案和渠系建筑物结构形式。经水力计算、应力计算等论证分析，结果表明渠系建筑物结构、型式、过流能力和防洪特性等，均满足SL482-2011等规范要求，优化设计方案具有较高的技术可行性和经济合理性。

关键词：水库灌区；渠系；渠系建筑物

0概况

黄铜降水库灌区位于德庆县莫村镇，距德庆县城66.5km，设计灌溉面积1.10万亩，属一般中型灌区，工程等别为Ⅲ等。灌溉范围主要涉及莫村镇，包括前锋村、曙光村，古有村、光明村、益村村和双栋村等行政村。灌区境内属丘陵地带，地势北高南低。

灌区位于悦城河上游，清水河、浊水河及悦城河干流的两岸，灌溉主要水源为黄铜降水库、黄惊坑水、悦城河、清水河、浊水河及区间集水。灌区农田为冲陇田、狭长形，主要种植水稻、柑橘、桑树、蔬菜等农作物。根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99），渠道及灌排建筑物级别为5级，防洪标准为10年一遇。

黄铜降水库是中型水库，坝址位于悦城河上游清水河，集水面积25.8km2，总库容1542万m3，正常库容1020万m3，死库容96万m3，灌溉农田面积6500亩。大坝为均质土坝，最大坝高42.00m，坝顶高程486.50m，电站装机共9台机组，总容量5220kW。

1渠道及建筑物工程设计

1.1渠（沟）道纵断面设计

根据工程现有渠道的现状，本次设计，渠线布置基本保持原有渠线，对于现有渠道弯窄，需要拓宽渠道的渠段，或渠道急转或渠道突然收窄或扩宽的渠段，为保证灌溉水流条件，减少水流的阻力以及水头损失影响，适当调整渠道的走向，顺沿现有渠道的走势，以确保灌溉用水。

1.2渠（沟）道横断面设计

根据可研成果批复，黄铜降水库灌区改造工程对原有渠道进行防渗加固处理，全长13.886km，渠道沿悦城河两侧进行布置，根据各段渠道运行情况，结合渠道纵横断面，尽量少挖少填，适当清淤修整边坡，过水断面基本采用矩形和梯形断面，分段确定渠道的横断面。

（1）渠（沟）道改造措施及横断面形式

本设计以渠道节水防渗改造为重点，在保持现有断面形式的基础上，对渠道进行清淤及提高渠道衬砌率，提高灌排水利用系数和输水环节的水利用系数，改造后渠系水利用系数提高至0.65。

针对渠道现状及存在的问题，本次设计主要提出以下工程措施：渠道全段清淤、防渗衬砌。防渗结构应根据当地的气候、地形、土质、地下水等自然条件，渠道大小、输水方式、防渗标准、耐久性等工程要求，水资源条件、地表水和地下水结合运用情况，土地利用、材料来源、劳力、能源和机械设备供应情况等社会经济和生态环境因素，进行技术经济论证选定。

选定防渗结构应贯彻因地制宜、就地取材的原则。并应满足下列条件：（1）防渗效果好，最大渗漏量不超过规范允许值。（2）经久耐用，使用寿命长。（3）输水能力和防淤抗冲能力高。（4）施工简易，质量容易保证。（5）管理维修方便，价格合理。

本次设计拟在干渠沿程结合路缘石设置百米桩，百米桩尺寸为（长×宽×高）0.15m×0.12m×0.55m，埋入土深0.3m。

（2）渠道边坡

外坡为1：1，渠道边坡内坡基本为1：0.5，局部地段因倒塌等原因造成变形，应作适当修整。挖、填方渠道边坡系数根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99）“6.1.19～6.1.22”中的规定确定；排水沟边坡系数根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-1999）“7.1.10～7.1.11”中的规定确定。

（3）渠顶高程、安全超高及衬砌超高

渠道岸顶超高根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99）确定。4、5级渠道岸顶超高按下式计算确定。

现状渠顶超高不满足规范要求的，将渠堤进行加高，现状渠顶超高高于规范要求的，则维持现状渠提高程不变。为施工方便，在满足规范超高要求的基础上，根据渠道沿线地形情况采用统一超高值。

（5）渠顶宽度

由于灌区渠道两侧绝大部分为农田，征地难度很大，在征求业主及村民意见后，本次不进行检修道路设计。

（6）防渗衬砌形式及糙率n确定

灌区的渠道基本上为土渠，经过几十年的运行，已有不同程度的损坏，所有渠道均存在渗漏现象；部分渠段的渗漏量相当大，渠系水利用系数相当低。根据运用要求及现状，对需进行改造的渠道进行衬砌。

根据规范要求，对渠道衬砌须进行技术经济比较。根据运用要求及现状，拟初步提出如下衬砌方案，本次比较选取沙尾干渠K1+200处渠道衬砌形式进行方案比选：

方案一：浆砌石方案，即设浆砌石明渠厚40cm。由于该衬砌型式施工简便，耐久性好，具有一定优势。但其防渗效果不易保证，难于符合本工程对防渗提出的要求。且对石料需要量大，料场难于满足要求。

方案二：埋铺式塑料薄膜方案，用选用塑料防渗膜料做防渗底层，上设20cm砂粘土保护层。该衬砌型式防渗效果较好，重量轻，运输量小，造价相对低，但塑料薄膜对水体会造成污染，且土面层糙率大；且工程部分堤段鼠害较为严重，衬砌容易受破坏，使用年限较短，维修管理不便。

方案三：现浇混凝土方案，设C20混凝土衬砌厚15cm。该衬砌型式适用范围广，防冲防渗、耐久性好，使用年限较长（30~50年）。

现将各方案情况见表1。

由上表可知，方案一最不可取，故舍去。方案二造价方面具有较大优势，但本地区部分地段田鼠较为猖獗，对衬砌危害大，影响使用寿命。且施工前对基层要求较严格，相应会增加部分投资。方案三虽造价相对较高，但其施工简便，维修管理方便，应用范围广。所以本阶段选用混凝土衬砌方案。由于梯形断面工程占地较大，施工难度也较高，现状渠道多以矩形为主，结合德庆实际，渠道应尽量减少占地，避免出现新增用地。本次设计渠道主要采用矩形断面，因浆砌砖渠道施工较简单且造价较低，对于断面高度小于1m的渠道拟采用浆砌砖结构。当渠道高度大于或等于1m，浆砌砖因强度相对较小，结构稳定性较差，渠道耐用性差，而预制混凝土衬砌方案占地较大，且运输、安装难度大，占地较多，因此本方案也不采用预制混凝土衬砌方案。C20混凝土衬砌方案虽造价略高，但有整体性好，强度大，经久耐用，维修费用少，固当渠道高度大于或等于1m时，采用方案二进行设计。对于局部拓宽且现状为梯形断面的渠段，为避免大的开挖和回填及傍山渠道的稳定，采用方案三进行设计。

2水库灌区边坡稳定要求

以西干渠为例，K3+270~K3+700段和K4+700~K5+300段为傍山渠道，存在高边坡，边坡高度约2~5m，现状边坡没有坍塌现象，为确保边坡稳定，衬砌时避免对高边坡处进行开挖，先对西干渠K3+270桩号进行边坡稳定复核计算。由地质勘察资料可知，断面图层为素填土（C=23.7kp，ψ=15.1°），采用北京理正软件设计研究院有限公司开发的“理正边坡稳定分析软件”进行分析计算，考虑条块间作用力，强度计算采用有效应力法。经计算，西干渠K3+270桩号边坡稳定安全系数为2.182，大于1.20，渠道边坡满足稳定要求。2）受弯构件的抗弯抗剪计算

按《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）的规定，渠道侧墙为混凝土结构，暂按素混凝土构件（C20）进行计算，受弯构件正截面承载力公式为（7）渠道边坡稳定计算。

式中：

V—剪力设计值；

ft—混凝土轴心抗拉强度设计值，N/mm2；

b—截面宽度；

z—内力臂，当截面为矩形时取z=2h/3。

取不利断面（西干渠K2+500桩号）为例，素混凝土垂直挡墙选择最不利工况为渠内无水单侧受土压力的情况，贴坡式素混凝土最不利工况为渠内为设计水位单侧受土压力的情况，按以上公式复核侧墙底端的弯矩和剪力值分别为9.23kN?m和18.25kN?m。经计算，允许弯矩和剪力值分别为17.70kN?m和183.33kN?m，因此，需配置构造筋。

5.4.3渠系建筑物

（1）渡槽

两个渡槽均为原址上重建。1#渡槽跨越悦城河，引黄铜降三级站尾水对高阳干渠进行灌溉，总长107.4m，根据1：10000测量图和现场调查，高阳干渠灌溉面积500亩，灌溉设计流量0.067m3/s，加大流量为0.086m3/s，渡槽断面尺寸为（宽×高）0.4m×0.5m，坡度为6‰，槽身为C25钢筋混凝土矩形结构。糙率取0.018，相应设计水位为0.186m，加大水位为0.223m，满足过流能力。1#渡槽采用等跨间距9m的单排架共12跨，矩形渡槽采用简支。上游连接段3m，下游连接段2m，1#墩、2#墩和12#墩采用埋石混凝土结构，其他墩采用C25钢筋混凝土结构。

2#渡槽为东干渠跨越小河沟的过水渡槽，起始桩号为K4+491，长6m，共1跨。断面尺寸（宽×高）为1m×0.8m，灌溉设计流量为0.073m3/s，灌溉加大流量为0.095m3/s，坡降0.1‰，相应设计水位为0.366m，加大水位为0.446m。槽墩采用C20埋石混凝土，槽身采用C25钢筋混凝土结构。

因1#渡槽跨度长且墩高较大，设计难度大于2#渡槽，本设计以1#渡槽为例进行结构分析计算。详见《黄铜降水库灌区续建配套与节水改造工程水文水利及结构计算书》，经计算，渡槽结构设计满足要求。

（2）桥涵

灌区经过多年运行，很多涵洞淤积、堵塞严重，需要进行清淤处理。其中有10座老化塌方严重，影响过流能力，需要拆除重建。涵洞均采用C25钢筋混凝土结构，本工程共改造涵洞101m。

涵洞过流能力计算按《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99）附录P无压力流短管公式进行计算：

m——无压力流时流量系数；

B——涵洞底宽，；

H0——计及流速水头的涵洞进口水头，m；

Aj——进洞水流的过水断面面积，m；

Ah——相应于涵洞进口水深的过水断面面积，m2；

Ak——相应于临界水深的过水断面的面积，m2；

Hk——洞内临界水深，m；

Q——涵洞设计流量（m3/s）。

以涵洞1为例，管涵直径为φ1m，涵洞上游水深取0.132m，计算涵洞过流能力为0.858m3/s，大于西干渠加大流量0.131m3/s和排洪流量0.311m3/s。

（3）陡坡

本次灌区计划改造跌水3座、陡坡1座。跌水分别位于西干渠K4+700、K5+300和K5+700处，均为原址重建。地基基础为中粗砂层，3个跌水均采用单级跌水结构，落差均为2.6m，进口连接段、控制缺口、消力池和出口连接段均采用C20钢筋砼结构，跌水墙采用C20埋石砼。

本设计在西干渠K3+700处设置陡坡1座，总落差4.50m，采用单级陡坡，总长27.2m，横断面采用矩形结构，尺寸（宽×高）为2.0m×1.0m，陡槽纵坡1：2.5，陡坡的进口连接段、控制堰口、陡坡段、消力池和出口连接段均为C20钢筋混凝土结构。

本次灌区计划改造跌水3座。跌水分别位于西干渠K4+700、K5+300和K5+700处，均为原址上重建。地基基础为中粗砂层，3个跌水均采用单级跌水结构，落差均为2.6m，进口连接段、控制缺口、消力池和出口连接段均采用C20钢筋砼结构，跌水墙采用C20埋石砼。

结束语：通过本次对黄铜降水库灌区典型点对点对比设计，使本次灌区改造工程渠系及渠系建筑物设计更合理体现灌区地貌、地质及水文特点，并在经济效益方面与社会效益方面做到最优化。