淺析土地整治項目渠道工程的設(shè)計

楊 波

(四川省土地統(tǒng)征整理事務(wù)中心，成都，610041)

1 概述

土地整治是指在一定區(qū)域內(nèi)，根據(jù)土地利用總體規(guī)劃與土地整治專項規(guī)劃，對田、水、路、林、村等實(shí)行綜合整治，調(diào)整土地關(guān)系，改善土地利用機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)生活條件，增加可利用土地面積和有效耕地面積，提高土地利用率和產(chǎn)出率的活動。根據(jù)我國國情，我國現(xiàn)階段以農(nóng)用土地整治為主，重點(diǎn)放在農(nóng)村地區(qū)，而保證及促進(jìn)項目區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展自然成為土地整治項目工作的契機(jī)和目標(biāo)。

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)中最重要的產(chǎn)業(yè)部門，是支撐國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。而農(nóng)業(yè)用水的供給是整個農(nóng)業(yè)發(fā)展的命脈。2001年，中國農(nóng)業(yè)年用水約 3826億 m3，其中灌溉用水約占91.1%。隨著水資源的日趨緊張，作為農(nóng)業(yè)大國和缺水大國，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為我國21世紀(jì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向，因此在土地整治項目中，灌溉和排水工程設(shè)計以及實(shí)施的好壞就起到了很大的作用。

渠道工程作為土地整治灌溉與排水工程的重要組成部分，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件、灌區(qū)規(guī)模、水資源豐缺情況以及社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等諸多因素綜合考慮，經(jīng)論證確定，優(yōu)選符合當(dāng)?shù)鼐唧w條件的渠道結(jié)構(gòu)形式。渠道材料的運(yùn)用也應(yīng)堅持因地制宜、就地取材、量力而行和符合生態(tài)環(huán)境保護(hù)的原則，同時實(shí)現(xiàn)在滿足功能和安全的前提下節(jié)約耕地的目標(biāo)。

2 渠道的斷面設(shè)計

2.1 渠道斷面形式

渠道斷面形式有很多種，明渠可選用矩形、梯形(包括弧形底梯形、弧形坡腳梯形)和復(fù)合形;無壓暗渠可選用城門洞形、箱形、正反拱形和圓形。梯形橫斷面施工簡便、邊坡穩(wěn)定，在地形、地質(zhì)無特殊問題的地區(qū)，可普遍采用。弧形底梯形、弧形坡腳梯形、U形渠道等，由于適應(yīng)凍脹變形的能力強(qiáng)，能在一定程度上減輕凍脹變形的不均勻性，在北方地區(qū)得到了推廣應(yīng)用。其中，U形渠道自20世紀(jì)70年代在我國開始應(yīng)用，目前已得到了廣泛的采用。其主要優(yōu)點(diǎn)是:水力條件好，近似最佳水力斷面，可減少襯砌工程量，輸沙能力強(qiáng)，有利于高含沙引水;在凍脹性和濕陷性地基上有一定的適應(yīng)地基不均勻變形的能力;渠口窄，節(jié)省土地，減少挖填方量;整體性強(qiáng)，防滲效果優(yōu)于梯形渠道;便于機(jī)械化施工，可加快施工進(jìn)度。

2.2 安全超高

襯砌護(hù)面應(yīng)有一定的超高，以防風(fēng)浪對渠床的沖刷。襯砌超高指加大水位到襯砌層頂端的垂直距離，小型渠道可采用20cm～30cm，大型渠道可采用30cm～60cm。襯砌層頂端到渠道的堤頂或岸邊也應(yīng)有一定的垂直距離，以防襯砌層外露于地面，受到交通車輛等的機(jī)械損壞;也可防止地面徑流直接進(jìn)入襯砌層下面，威脅渠床和襯砌層的穩(wěn)定。這個安全高度一般為20cm～30cm。

2.3 渠道的設(shè)計原則

選擇渠道結(jié)構(gòu)(斷面)形式要遵循以下幾個原則:

(1)因地制宜，合理布局，根據(jù)地形、坡度、地勢走向確定結(jié)構(gòu)形成;

(2)保持水土，發(fā)揮最佳的綜合功能和綜合效益;

(3)以增加耕地面積為目標(biāo)，提高耕地質(zhì)量，形成土地規(guī)模化經(jīng)營，保持土地資源可持續(xù)利用;

(4)農(nóng)作物用水時間上受外界影響最小，雨、風(fēng)、雪、冰雹、蒸發(fā)、滲漏一般不影響它的正常運(yùn)轉(zhuǎn);

(5)與農(nóng)業(yè)調(diào)整種植品種生產(chǎn)工藝相適應(yīng)，且在一個水平上。渠道絕不能影響農(nóng)業(yè)調(diào)整種植品種生產(chǎn)能力的發(fā)揮，工程標(biāo)準(zhǔn)也沒必要作過高的要求，應(yīng)隨其他配套單項(單體)工程標(biāo)準(zhǔn)提高而逐步提高［1］。

此外還應(yīng)從投資、功效和綜合利用上進(jìn)行考慮。

2.4 渠道的設(shè)計參數(shù)

渠道的設(shè)計參數(shù)除渠道的設(shè)計流量外，還有邊坡系數(shù)、糙率、超高、不沖不淤流速、伸縮縫間距及填縫材料、砌筑縫及其填筑縫材料、渠底比降、穩(wěn)定渠床的寬深比、堤頂寬度和封頂板等。設(shè)計參數(shù)選擇是否正確，關(guān)系到渠道的工程量大小、輸水能力、防滲效果、渠床的穩(wěn)固和安全運(yùn)用，以及工程效益的發(fā)揮等。因此，設(shè)計參數(shù)必須謹(jǐn)慎設(shè)計，認(rèn)真選擇。

2.5 渠道的水力計算

2.5.1 基本計算

渠道的橫斷面尺寸要根據(jù)渠道設(shè)計流量通過水力計算加以確定，一般情況下采取明渠均勻流公式計算［2］:

式中:Q——渠道設(shè)計流量;

A——渠道過水?dāng)嗝婷娣e;

R——水力半徑;

i——渠底比降;

C——謝才系數(shù)。

謝才系數(shù)一般采用曼寧公式計算:

由v=Q/A，與上兩式可導(dǎo)出:

式中:v——渠道水流流速;

n——渠床糙率。

梯形、矩形渠道的水力計算，主要是試算確定過水?dāng)嗝娴乃頷和底寬b。試算步驟如下［3］:

(1)假設(shè)b、h值。為施工方便，底寬b應(yīng)取整數(shù)，因此一般先假設(shè)b的一個整數(shù)值，再選擇適當(dāng)?shù)膶捝畋萢，用公式h=b/a計算相應(yīng)的水深值。

(2)計算渠道過水?dāng)嗝娴乃σ亍８鶕?jù)假設(shè)的b、h值，計算相應(yīng)的過水?dāng)嗝婷娣eA、濕周x、水力半徑R和謝才系數(shù)C。計算公式如下:

(3)計算渠道流量Q，可按公式(1)計算。

(4)校核渠道流量。上面計算出來的渠道流量(Q)是與假設(shè)的b、h值相應(yīng)的輸水能力，一般不等于渠道的設(shè)計流量(Qd)。通過試算，反復(fù)修改b、h值，直至渠道計算流量等于或接近渠道設(shè)計流量為止，要求誤差不超過5%。即設(shè)計渠道斷面應(yīng)滿足的校核條件是:

(5)校核渠道流速。設(shè)計斷面尺寸不僅滿足設(shè)計流量的要求，還要滿足穩(wěn)定渠道的流速要求。用式(8)計算經(jīng)流量校核選擇的渠道斷面通過設(shè)計流量時所具有的流速。

然后按不沖流速(vcs)和不淤流速(vcd)校核，計算出來的流速應(yīng)滿足式(9)條件。

2.5.2 水力最佳斷面計算

設(shè)計渠道時要求投資少，效率高，即在設(shè)計流量Q、比降i、糙率n值相同的條件下，使渠道斷面最小;或在相同斷面條件下通過的流量最大。符合這些條件的斷面稱為水力最佳斷面。由式(1)、(3)可看出，當(dāng)A、n、i一定時，水力半徑最大或濕周最小的斷面就是水力最佳斷面。半圓形斷面就是水力最佳斷面，天然土渠修成半圓形是很困難的，也是不穩(wěn)定的，只能修成接近半圓的梯形斷面［4］。

梯形、矩形渠道的水力計算主要是試算確定過水?dāng)嗝娴乃頷和底寬b的數(shù)值。試算步驟如下:

(1)計算渠道的設(shè)計水深。由梯形(矩形)渠道水力最佳斷面的寬深比計算公式(a0=根據(jù)渠道斷面水力要素計算公式(2)、(4)、(5)、(6)，通過計算公式(3)，可求得水力最佳斷面的渠道設(shè)計水深hd為

(2)計算渠道的設(shè)計底寬

(3)校核渠道流速。流速計算和校核方法與采用一般斷面時相同，如果設(shè)計流速不滿足校核條件，說明不宜采用最優(yōu)斷面形式，就要按采用一般斷面時的試算步驟設(shè)計渠道的斷面尺寸［5］。

3 渠道的防滲技術(shù)

渠道防滲措施包括管理措施和工程措施兩大方面［6］。渠道防滲的管理措施主要是:加強(qiáng)灌溉管理，實(shí)行計劃用水，合理調(diào)配水量，組織安排輪灌，改建、改善不合理的渠系布置，搞好田間工程配套，加強(qiáng)渠道和建筑物的養(yǎng)護(hù)、維修等。渠道防滲工程措施的種類比較多，但就其防滲特點(diǎn)而言，可以分為三大類:第一類是在渠床上加做防滲層;第二類是改變渠床土壤滲漏性能;第三類是采用防滲渠槽的結(jié)構(gòu)形式。第一類中采用較多的有黏土類防滲層、灰土類防滲層、砌石砌磚類防滲層、混凝土防滲層、瀝青材料類防滲層、塑料薄膜類防滲層等。第二類措施主要有兩種，即夯實(shí)土壤和利用水中含有的粘性顆料，淤填渠床土壤孔隙，以減少渠道滲漏［7］。第三類是明渠，可選用矩形、梯形、U形和復(fù)合形;無壓暗渠可選用城門洞形、箱形、正反拱形和圓形。

4 渠道的防凍害技術(shù)

目前，我國采取的一些渠道防滲防凍脹措施可歸納為兩個方面:(1)減少基礎(chǔ)土體的含水量。比如在下部鋪設(shè)土工膜料，隔斷渠道滲水和大氣降水對渠基的補(bǔ)給，或者對特種土基渠道，進(jìn)行土的置換或強(qiáng)夯處理;(2)在防滲襯砌的結(jié)構(gòu)形式上，選擇合理的斷面形式和襯砌結(jié)構(gòu)。如采用圓弧形底的梯形斷面及中小型U形斷面渠道。弧形底梯形斷面和U形斷面，不僅接近最佳水力斷面，而且防凍脹變形能力強(qiáng)。其原因是底部有一定的反拱作用，受力條件好，可以抵抗來自外部的凍脹力［8］。

5 當(dāng)前渠道設(shè)計存在的問題

當(dāng)前渠道設(shè)計主要存在以下幾個問題:

(1)一味追求固化，人為提高不必要的造價;

(2)忽略渠道連接部分的設(shè)計。如斗渠與農(nóng)渠連接處的防滲問題;

(3)追求新增耕地率的提高，最大限度壓縮渠頂寬度、渠坡坡比，致使個別渠道滲漏嚴(yán)重;

(4)沒有考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的計量問題。

6 結(jié)語

渠道工程是一套復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有專業(yè)跨度大、學(xué)科交叉多的特點(diǎn)。而土地整治項目的灌溉和排水工程，對投資對象和投資強(qiáng)度又有明確的政策要求。因此，在進(jìn)行渠道設(shè)計時，必須加強(qiáng)跨專業(yè)的合作，以提高渠道防滲性、抗凍性和耐久性為重點(diǎn)，同時提高施工質(zhì)量和降低施工造價，盡量少占耕地。只有結(jié)合土地整治項目的特點(diǎn)和目標(biāo)任務(wù)，才能切實(shí)地發(fā)揮渠道工程在農(nóng)村建設(shè)中的功效，也才能為廣大農(nóng)村的建設(shè)起到應(yīng)有的保障和促進(jìn)作用。

〔1〕馬春寧，徐翠蘭，汪松林.土地開發(fā)整理渠道結(jié)構(gòu)形式的探討［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，(1):454 ～456.

〔2〕魏新平.項目區(qū)農(nóng)田水利規(guī)劃設(shè)計［R］.四川大學(xué)水利水電學(xué)院.2011.11.

〔3〕李 煒主編.水力學(xué)計算手冊.北京:中國水利水電出版社，2006.6.

〔4〕辛英華，王正中.U型襯砌渠道結(jié)構(gòu)及水力最佳斷面的分析［J］.節(jié)水灌溉，2008，(2):36 ～38，45.

〔5〕李安國，建 功，曲 強(qiáng).渠道防滲工程技術(shù)［M］.北京:中國水利水電出版社，1997.12.

〔6〕李春雨.渠道防滲工程技術(shù)比較［J］.山西建筑，2010，36(16):367 ～368.

〔7〕水利部農(nóng)村水利司等.渠道防滲工程技術(shù)［M］.北京:中國水利水電出版社，1998.

〔8〕何武全.我國渠道防滲工程技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與研究方向［J］.防滲技術(shù)，2002.3.