淺析人民勝利渠灌區渠道襯砌斷面設計

□王菊霞（河南省人民勝利渠管理局）

0 引言

人民勝利渠灌區是新中國成立后在黃河下游興建的第一個大型引黃自流灌溉工程。灌區灌溉系統由總干渠、干(分干)渠、支渠、斗渠、農渠五級固定渠道組成，主要承擔新鄉、焦作、安陽三市12個縣（市、區）57個鄉（鎮）的農業、工業、城市生活、生態補源、防汛除澇等任務。灌區現有總干渠1條，干渠（分干渠）13條，支渠77條，斗渠391條，農渠1651條，渠道總長2042.60 km。

灌區地處豫北平原半濕潤缺水區，多年平均降雨量630mm，地下水和當地水資源不能滿足農業生產發展的需要，主要靠引進黃河水補充。目前灌區骨干渠道襯砌率不足30%，滲漏水量占渠首引水量的50%～60%。灌區渠系水利用系數僅為0.50，灌溉保證率還達不到50%。渠系水量損失不僅降低了渠系水利用系數，減少了灌溉面積，浪費了寶貴的水資源，而且會引起地下水位上升，招致農田漬害。在有鹽堿化威脅地區會引起土壤次生鹽堿化。水量損失還會增加灌溉成本和農民的水費負擔，降低灌溉效益。為了減少渠道輸水損失，提高水利用系數，防止渠道沖刷、淤積及坍塌,保證輸水安全，一方面要加強渠系工程配套和維修養護；另一方面要采取防滲工程措施，減少渠道滲漏水量。

1 灌區選擇渠道襯砌類型的原則

根據當地氣候、地形、土質、地下水位等自然條件，渠道大小、輸水方式、防滲標準、耐久性等工程要求，水資源條件、地表水和地下水結合運用情況，土地利用、材料來源、勞力、能源及機械設備供應情況等社會經濟和生態環境因素，進行技術經濟論證后選定渠道襯砌的類型。選定后的渠道襯砌類型還應滿足以下要求：防滲效果好,最大滲漏量能滿足工程要求；經久耐用，使用壽命較長；輸水能力和防淤抗沖能力高；施工簡易，質量容易保證；減少渠道斷面尺寸，造價低廉；管理維修方便，價格合理。

2 灌區渠道斷面型式及防滲襯砌類型

灌區的渠道斷面型式有：矩形、梯形、弧形底梯形、弧形坡腳梯形、復合形、U形等。防滲襯砌類型有：混凝土防滲、砌石防滲、塑料薄膜防滲以及灰土防滲等。

3 渠道襯砌斷面設計

渠道斷面由橫斷面與縱斷面組成。渠道縱橫斷面應滿足：保證設計輸水能力、邊坡穩定和水流安全通暢；各級渠道之間和渠道各分段之間以及重要建筑物上下游水面平順銜接；末級渠道放水口的水位高出平整后田面進水端≥10 cm；滲漏損失量較小；⑤占地較少，工程量較小；施工、運用和管理方便。

渠道的縱橫斷面設計是相互聯系的，設計時往往需交叉進行，反復計算和比較。渠道設計方法是按不同流量和不同地形、地質條件的各段先分別經驗性地選擇渠道比降，在此基礎上進行縱橫斷面設計，然后校核渠道的流速是否滿足不沖不淤要求，最后校核上下游水位的銜接情況。

3.1 合理確定渠道參數

3.1.1 渠道橫斷面尺寸

渠道橫斷面尺寸一般依據渠道設計流量采用明渠均勻流公式確定：

式中:Q-設計流量(m3/s)；A-過水斷面面積(m2)，A=(b+mh)h；c-謝才系數，一般采用曼寧公式C=R1/6/n進行計算，其中：n為糙率；R-水力半徑渠底比降；m-邊坡系數；h-設計水深(m)；b-渠道底寬(m)。

3.1.2 渠道比降

渠道比降的選擇關系著渠道輸水能力的大小及沖淤問題，也關系著控制面積的大小和工程造價。在選擇比降時以灌區地形、土壤條件、渠道設計流量和滿足田間水位要求為依據，盡可能與地面坡度相一致，同時，還應兼顧渠道輸沙要求。

3.1.3 糙率

渠床糙率與渠道土壤性質、地質條件、施工質量、管理狀況、渠道流量以及所采用的襯砌材料等因素有關。如果選定的糙率小于實際值，渠道的實際輸水能力及挾沙能力會下降，滿足不了灌溉要求并產生淤積。如果選定的糙率大于實際值，不僅增加了工程量，而且可能引起渠床沖刷及渠水位降低，減少自流灌溉面積。

當渠坡由幾種不同材料護砌且最大糙率與最小糙率的比值<1.50時，則按濕周加權平均計算綜合糙率。

式中：n-糙率(混凝土護面n=1.30×10-2～1.70×10-2；漿砌塊石護面n=2.50×10-2；干砌塊石護面n=2.75×10-2～3.00×10-2；平整順直，養護良好的土渠n=2.25×10-2);x-濕周（m）。

3.1.4 邊坡系數

為了防止坍塌和保證輸水安全，根據渠道土質情況，結合灌區現有渠道邊坡實際，襯砌渠道內邊坡系數一般為：0.20(U型渠道)、0.75(弧形底梯形斷面)、1、1.50、1.75、2；渠堤外邊坡系數一般為1.75、2。

渠道堤頂超高應符合

式中：Fb-渠道堤頂超高(m)；hb-渠道通過加大流量時的水深(m)。

渠道超高值采用0.30～0.80m，5級渠道可適當減少，但≥0.10m。

3.1.6 渠道斷面寬深比

渠道斷面寬深比是渠道設計中的一個重要參數，對渠道輸水能力、工程量、施工難易及斷面的平面穩定都有影響，滿足渠道斷面相對穩定的寬深比與設計流量之間有著密切關系。流量愈大，寬深比愈大，所以大型渠道多為寬淺式。

渠道斷面寬深比：a=b/H

式中：a-渠道斷面寬深比；b-渠道底寬(m)；H-渠深(m)，H=h+Fb。詳見表1。

表1 渠道斷面寬深比與設計流量關系表

4 渠道斷面校核

4.1 渠道的不沖流速

渠道的不沖流速和渠床土壤性質、水流含沙量及其性質、過水斷面水力要素有關。

式中：Vt-渠道的不沖流速（m/s）；K-不沖流速系數，沙壤土0.53，黏土0.75;Q-設計流量（m3/s）。

4.2 渠道的不淤流速

根據人民勝利渠資料求出的不淤流速經驗公式：Vs=CQ0.5

式中：Vs-渠道的不淤流速（m/s）;C-不淤流速系數，當Q＞10m3/s時C=0.20；當Q=5～10m3/s時，C依渠道的寬深比而定，b/h＞20則C=0.20；b/h＜20則C=0.40；當Q＜5m3/s時C=0.40;Q-設計流量（m3/s）。

當滿足Vs

4 渠道襯砌結構設計

4.1 防凍脹

灌區接近溫和地區，凍土深28 cm左右，渠道走向多為西南東北向，左右岸均能受到陽光照射，凍脹的影響不大，設計時不需考慮。

4.2 襯砌規格

灌區渠道堤防多為砂壤土，質地疏松，經過受力試驗及穩定性分析，現澆混凝土板襯砌厚度(未配鋼筋)：干渠10 cm，坡腳20 cm；分干渠8 cm，坡腳16 cm；支渠7 cm，混凝土標號C20。斗農渠6 cm，混凝土標號C15。

混凝土預制塊厚度定為8 cm，混凝土標號采用C15；漿砌塊石30 cm，砂漿標號M7.50；干砌卵石(掛淤)15cm；灰土、三合土20 cm。

4.3 分縫及填縫材料

伸縮縫間距參照《渠道防滲工程技術規范》并結合渠道實際情況確定，現澆混凝土板縱橫縫每隔4m設置一道，預制混凝土板每隔6m設置一道，縫寬均為1.50 cm，填充材料為PE-低發閉孔泡沫板。縫下處理:因現澆混凝土具有較好的防滲性，其滲透系數可達到10-8cm/s，故只在伸縮縫下鋪設寬度40 cm，規格為600 g/m2的2布1膜防滲土工布。

砌石只設置沉陷縫，間距為12m，縫寬2 cm，內嵌端縫板。

5 上下游水位的銜接

灌溉渠道不僅要滿足輸送設計流量的要求,還要滿足水位控制的要求。縱斷面設計根據灌溉水位要求確定渠道的空間位置，即先確定不同樁號處的設計水位高程，再根據設計水位求渠底高程、堤頂高程等。

為了灌溉要求，各級渠道入口處都應具有足夠的水位，這個水位是根據灌溉面積上控制點的高程加上各種水頭損失，自下而上逐級推求的。

式中：H進-渠道進水口處的設計水位(m)；△h-控制點地面高程與附近末級固定渠道設計水位的高差，取值范圍0.10～0.20m；L-渠道的長度；i-渠道的比降；φ-水流通過渠系建筑物時的水頭損失。

6 結語

渠道襯砌可以防止渠道沖刷、淤積及坍塌,保證輸水安全;減少渠道滲漏損失,提高水利用系數;有利于控制地下水位,防止土壤鹽堿化及沼澤化;有利于節約工程投資,減少渠道占地面積,降低運行管理費等。但是渠道防滲在取得顯著節水效果的同時,對生態環境也產生了一定的影響。渠道襯砌后,切斷了地下水的補給途徑,往往造成渠道沿線地下水位下降,對井灌及當地居民生活用水產生不利影響,為了保證渠道沿線地下水補給，灌區部分渠道已經采用護坡不護底襯砌斷面。為了最大限度地提高渠系的水利用系數并同時滿足渠道沿線地下水的補給，需要相關研究人員以及設計人員更加深入廣泛地研究渠道的防滲類型。