河套灌區土地整治項目灌溉工程模式研究

蘇磊　王晶

摘要：灌溉工程設計，應保證適時適量滿足項目區作物不同時期生長發育階段需要的人工補充水量，同時滿足作物除澇的要求。

關鍵詞：河套灌區；灌溉工程；模式；研究

河套灌區地表水資源豐富，原有灌溉渠系較多，灌溉建筑物較多，易選取黃灌渠自流灌溉。灌溉與排水工程設計主要有三項內容，一是水源（供水）工程。二是輸（配）水工程和田間工程。三是農田防洪除澇工程設計。

1.灌溉制度設計

1.1灌溉設計標準

根據《灌溉與排水工程設計規范》GB5028-99，以及項目區采用渠灌的特點，灌溉設計保證率采用75%。

1.2地下水利用量（Wk）的確定

地下水利用量是指地下水借土壤毛細管作用上升至作物根系吸水層內而被利用的水量。參照《水工設計手冊（第八卷）》確定。

1.3主要作物需水量

作物需水量以內蒙古水科院編制的《內蒙古自治區主要作物灌溉制度與需水量等值線圖》為依據確定，主要作物需水量見表1-1。

1.4 設計灌溉定額

M=E-P_o-（W_o-W）-W_k

式中：M-作物生育期灌溉定額（m³/畝）；

E-作物需水量（m³/畝）；

p_o-有效降雨量（m³廟）；

（W_o-W）-播前及生育期末土層內的儲水量（m³/畝）；

W_k-地下水補給量（m³/畝）。

1.5 秋澆灌溉制度

為使作物根系層土壤中鹽分處于平衡狀態，需通過一年一度的秋澆的淋洗，維持鹽分平衡，達到逐步淡化的目的，秋澆與播前儲水灌溉，按灌區耕地土壤為非鹽化考慮，選定本項目區秋澆定額為100m³/畝，秋澆面積比例為95%的耕地。

1.6綜合灌溉定額

根據上述灌溉制度設計，計算出綜合灌溉定額，詳見表1-2。

2.渠道工程設計

2.1灌溉渠道設計

（1）灌溉水利用系數

根據土壤條件、渠道流量、襯砌情況、地下水位等因素，結合項目區灌溉實際，計算各級渠道的渠系水利用系數。

（2）渠道流量計算

根據渠道現狀運行情況和渠道的灌溉方式，本著滿足現狀灌溉要求，并考慮到渠道現狀灌溉引水流量、灌溉面積與灌溉制度。

以斗渠-1控制范圍座典型流量計算，斗渠-1控制面積約為1.56萬畝。斗渠1下設12條農渠，可分成4個輪灌組，同時工作的農渠為3條。

斗渠輸水至田間凈流量：

Q_凈=A×q

式中：A-為斗渠控制面積（萬畝）；

q-為設計灌水模數（m³/s·萬畝）；

Q_凈-為斗渠應送至田間的凈流量（m³/s）。

斗渠1控制面積為0.97萬畝，設計灌水模數為0.524m³/（s·萬畝）。

經過計算得：

Q斗1田凈=A×q=0.51m³/s

農渠凈流量計算：

Q_農田凈=Q_斗1田凈/（n×k）

Q_農凈=Q_農田凈/η

式中：Q_農田凈-為農渠的田間凈流量（m³/s）；

Q_農凈-為農渠凈流量（m³/s）；

Q_斗1田凈-為斗渠1應送至田間的凈流量（m³/s）；

n-為斗渠以下同時灌水的農渠數；

k-為農渠下同時灌水的毛渠數；

η-田間水利用系數。

Q_斗1田凈為0.51m³/s，因為農渠分組輪灌，同時工作的農渠有2條，同時工作的毛渠數有3條，所以農渠的田間凈流量為：

Q農田凈=Q斗1田凈/（n×k）=0.085（m³/s）

取田間水利用系數η=0.861，則農渠的凈流量為：

Q農凈=Q農田凈/η=0.099（m³/s）

灌區土壤屬中粘壤土，可以查出相應的土壤透水性參數：A=1.9，m=0.4。

農渠每公里輸水損失系數：

σ^'_農=ε₀×σ_農=ε0A/（100Q農凈m）

式中：σ^'_農-襯砌農渠的每公里輸水損失系數；

σ^'_農-土質農渠的每公里輸水損失系數；

ε₀-襯砌渠道滲水損失修正系數，取0.3；

A-渠床土壤透水系數，取1.9；

m-渠床土壤透水指數，取0.4；

Q_農凈-農渠的凈流量，（m³/s）。

計算得：σ^'_農=ε₀×σ_農=0.016

農渠毛流量（設計流量）計算：

Q農毛=Q農凈（1+σ^'_農L農）

式中：Q_農毛-農渠的設計流量，（m³/s）；

Q_農凈-農渠的凈流量，（m³/s）；

L_農-農渠的平均工作長度，（km）。

計算得：Q_農毛=Q_農凈（1+σ^'_農L_農）=0.099（m³/s）

農渠設計流量計算：

Q農凈=3×Q農毛=0.297（m³/s）

斗渠每公里輸水損失系數：

斗渠1設計流量計算：

斗渠每公里輸水損失系數：

經過計算得

斗渠1的灌溉水利用系數：

2.2渠道斷面設計

（1）梯形渠道斷面參數選擇

①比降。初步確定主干比降為1：6000和1：5000左右，農渠比降為1：3500左右，毛渠比降為1：2500左右。

②渠床糙率。混凝土襯砌防滲渠道渠床糙率系數襯砌渠采用0.016，土渠采用0.025。

③流速。根據渠道淤積流速公式：

[V]=C√（R）

式中：R為水力半徑，以m計；

C為系數，與懸浮泥沙粒徑和水力粗度有關，還與渠壁糙率有關。

近似計算時，對于砂土、粘壤土或粘土渠道，如取糙率n=0.016，懸浮泥沙不大于0.25mm時，C=0.50。

④超高。根據《渠道防滲工程技術規范》分析確定，渠道混凝土防滲層超高為0.10m～0.15m。

（2）渠道橫斷面設計：

渠道斷面水力要素計算：

根據渠道斷面水力要素計算公式，分別計算斗渠、農渠的水力要素。

式中：A-過水斷面面積（m²）-濕周（m）

R-水力半徑（m）C-謝才系數

Q_設計-設計流量（m³/s）V一渠道平均流速（m/s）

b-渠道底寬 h-渠道水深

m-邊坡比 i-渠道比降

n-粗糙率（襯砌渠0.016，土渠0.025）

（3）渠道縱斷面設計

田間各級渠道設計水位應相互銜接。農渠的水位應高出灌溉范圍內地面0.20m，斗渠的設計水位應高出農渠水位0.2m。

按照明渠均勻流的公式設計渠道水位，過程如下：

H_進=H₀+△h+∑Li+∑φ

式中：H_進-渠道進水口處的設計水位（m）；

H₀-渠道控制灌溉面積內參考點高程（m）；

△h-參考點與該處末級固定渠道水位的高差，取0.20m；

∑Li-沿程水頭損失之和；

i-渠道的比降；

I-渠道的長度（m）；

φ-水流通過各級渠道及建筑物的水頭損失（0.08m）。

（4）渠堤設計

為保證渠道的穩定性，本次設計對渠道填筑土方全部進行夯實，對堤頂高度、寬度和外傾度進行整修，堤頂寬度為0.4m～0.6m。

（5）渠道防凍、防滲結構設計

①防滲結構。弧形腳梯形斷面渠道底部鋪設0.3m厚的中粗砂防凍層，兩側鋪設0.04m厚的聚苯板（容重20kg/m³）；中粗砂和聚苯板上面鋪設0.2mm厚聚乙烯薄膜；薄膜上用0.03m厚M10砂漿墊層鋪裝0.06m厚混凝土預制板。

②結構縫、伸縮縫及填縫材料。

a.伸縮縫間距及填縫材料。根據《渠道防滲工程技術規范》SL18-2004，砼板護砌梯形斷面采用聚乙烯膜防滲、每隔6.25m設置一道縫寬2.5cm的橫向伸縮縫。

填縫材料：在伸縮縫內填充9cm深瀝青砂漿。

b.砌筑結構縫及填縫材料。砼板做保護層，防滲砌筑均采用矩形縫，結構縫縫寬2.5cm，填充材料為M15水泥砂漿。

③封頂板。本次設計襯砌渠道封頂板為600×400×60mm矩形C20砼預制板并與坡面頂層板預制為整體。

④渠道防凍脹設計

a.設計的原則和依據。依據《水工建筑物抗冰凍設計規范》SL211-98，工程地點的標準凍土深根據《內蒙古河套灌區利用自治區政府專項資金節水改造工程可行性研究》取1985年～1997年的多年平均值為0.98m，即Zk=0.98m。

b.設計凍深計算。設計凍深采用《水工建筑物抗冰凍設計規范》SL211-98公式：Z_d=φ_f·φ_d·φ_ω·Z_k

式中Z_d-設計凍深（cm）；

φ_f-凍深年際變化的頻率模比系數；

φ_d-日照及其遮蔭程度影響系數；

φ_ω-地下水位影響系數。

φ_k-標準凍深（cm）。

日照及遮蔭程度影響系數φ_d，依據公式φ_d=a+bφ_i計算。

地下水位影響系數φ_ω=（1+ae^-Zwo）/（1+ae^-Zwi）計算確定。

式中α-系數，分中壤土和砂壤土；

Zwo-氣象臺（站）的地下水位深度（m），取2.0m；

Zwi-計算點的地下水位深度（m）。

c.設計凍脹量（東西走向渠道）。針對灌區內渠道的走向均為東西走向分中壤土、砂壤土土質分別進行計算渠坡（陰、陽坡）、渠底的設計凍脹量。

根據《渠系工程抗凍脹設計規范》SL23-91中地基土的凍脹性工程分類，結合凍脹量計算成果，本次設計的渠道的渠坡及渠底屬于Ⅲ類。

防凍脹措施本著因地制宜、安全可靠、技術先進、經濟合理的原則。吸取近幾年河套灌區渠道防滲工程經驗，結合防凍試驗研究成果，襯砌渠道采取鋪設聚苯乙烯板防凍保溫措施。防凍效果比較理想且技術比較成熟。

渠道采取聚苯乙烯板保溫防凍措施。