淺談灌區節水改造中防滲渠道斷面的優化設計

江秀蘭

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶 401121)

1 實現防滲渠道斷面優化設計的意義

農業經濟呈現迅猛發展的同時，相應的對農業灌溉模式提出了新的要求，以建設節水型灌溉工程為主要目標，確保在節約水資源的同時，還能有效滿足農業灌溉的需求。目前，大部分灌區工程由于受到技術條件、資金投入等因素的影響，普遍存在渠系不配套、基礎設施老化嚴重、灌溉面積不達標等問題，因此，在推行節水灌溉的過程中，可優先考慮對原灌區進行技術改造。渠道防滲已成為灌區節水改造過程中應用最為廣泛的節水工程技術，渠道防滲工程建設一方面可實現水資源的充分利用，緩解農業在發展過程中面臨的首要問題—用水供需矛盾，同時所節省下的水可進一步擴大灌溉面積，進而增加農業生產效益；另一方面可降低地下水位，改善鹽堿地和沼澤地，是推動生態型農業發展的重要措施之一。

2 防滲渠道斷面優化設計的要點

2.1 防滲材料的選擇

1)土料防滲。土料應用優勢在于：成本低、技術操作簡單、防滲效果好；劣勢在于：允許流速較低、抗凍性差、使用周期短等。

2)混凝土防滲。混凝土防滲材料的應用優勢在于：能減少渠道滲流水量損失90%以上；在一定條件下，利用混凝土進行襯砌的渠道可運用至少50a，同時也可以減少淤積現象的出現，可有效節省渠道在維修與管理方面的費用；可根據渠道設計要求，將混凝土制成各種形狀、不同大小的結構或構筑物；允許流速大，可縮小渠道斷面，減少土方量和占地面積。

3)膜料防滲。膜料具有較強的柔性、延伸性和抗拉能力，可應用在形狀不同或可能會發生沉降、位移的渠道；膜料施工工藝簡單，可加快渠道施工進度；膜料在實際應用中不會受到酸堿性、土壤微生物等侵蝕，耐腐蝕性較強；膜料在渠道防滲工程中的應用具有至少15a的使用壽命。

2.2 防滲渠道斷面形式的選擇

在防滲渠道工程中，常見的渠道斷面形式有梯形(圖1)、U形、弧形坡腳梯形等。在斷面形式選擇過程中，需對投資成本、抗凍脹性、施工可操作性、輸沙能力、水利條件等因素進行考慮。梯形、U形、弧形坡腳梯形斷面形式的優缺點如表1所示。

圖1 梯形斷面形式

斷面形式優點缺點渠道等級弧形坡腳梯形水力條件、抗凍脹性及輸沙能力好;土方工程量小坡腳施工難度較大大型渠道梯形施工操作簡單,技術效益高水力條件差,輸沙能力小,抗凍脹性差,易出現淤積現象中型渠道U形水力條件、抗凍脹性及輸沙能力好施工操作復雜,機械施工水平不高小型渠道

從表1中可以看出，弧形坡腳梯形的斷面形式比較適用于大中型梯形土渠進行改造，可解決原渠道工程中普遍存在的行水與施工期相沖突的問題；U形的斷面形式比較適用于小型渠道。

2.3 防滲渠道縱橫斷面優化

一般在渠道縱橫斷面設計過程中，主要采用明渠均勻流公式進行設計，并在設計時需對比降等相關重要參數進行反復計算和核算。目前，隨著渠道斷面設計方法的不斷發展，動態規劃方法作為一種新型的設計方法在渠道防滲工程斷面優化設計中得以廣泛應用，該方法可實現對縱橫斷面設計參數的綜合考慮，進而避免出現設計人員結合自身經驗來主觀確定某些重要參數的現象。在確定渠道防滲斷面的形式后，渠道設計可由渠底縱坡等主要變量進行描述，以將其轉化成一個多階段決策的優化問題。

2.4 襯砌厚度的確定

合理的襯砌厚度可提高渠道的抗凍脹能力，針對渠道改造段防滲厚度的確定通常有等厚板和肋梁板這兩種結構形式。在確定襯砌厚度的過程中，可對等厚板和肋梁板這兩種結構形式的慣性矩和抗彎模量進行計算，若材料允許的抗拉應力為定值時，其抗彎模量與彎矩成正比關系，板在受正彎矩狀態下，板面受壓，肋梁受拉，其抵抗彎矩的能力會比等厚板高至少2倍。

3 工程實例

某灌區4支渠道實施節水改造，渠道總長11.4km，其它相關資料如表2所示。

表2 縱橫斷面的設計數據

1)渠道縱坡允許取值范圍：結合渠道設計流量與渠道縱坡之間的關系，得出各渠段縱坡允許的取值在1/30000-1/11000范圍內。

2)防滲方面：本工程采用預制混凝土U型渠道，具有防滲效果好、渠系水利用系數高、輸水能力強、灌水周期短等特點，在實際應用中可獲得顯著的節水效果。

3)抗凍脹方面：結合《渠道抗凍脹設計規范》及本工程現有的地質聊，渠道沿線為粉土和砂卵礫石，且表層覆蓋著一層砂質粉土和泥質粉土，渠道沿線地下水位埋藏較深，在冬季灌水，可提高粉土的含水量，進而增加凍脹現象發生的可能性。針對這種情況，主要采用碎石或礫石作為置換層進行防凍處理，這種抗凍脹處理方式雖在具體操作過程中涉及了較多的工序，施工進度緩慢，但考慮到其成本投入低、防凍脹效果好等因素，本工程決定采用碎石墊層換填作為渠道防凍保溫方案。

4)渠道優化設計：結合灌區節水改造工程的實際情況，利用計算機對表2中所的設計數據進行計算，得出最佳的設計方案為：第一段渠道比降為1/11000；第二段渠道必將為1/17500；第三段渠道比降為1/29000，堤頂高程為3.90m，土方用量18萬m3，C15混凝土用量0.6萬m3，總投資為324.31萬元，約減少了8%的投資成本。

4 結 語

綜上所述，農業發展的用水需求是推動灌區節水改造工程實施的主要動力，為了有效緩解水資源供需錨段，對提高灌區渠道用水效率的技術研究是極為必要的。結合灌區節水改造項目的主要特點，從防滲材料、渠道防滲斷面形式、渠道防滲縱橫斷面等方面對渠道防滲斷面進行優化設計，以減少灌區水量漏損率，真正實現水資源的充分利用，以實現灌區節水改造工程的效益最大化。

[1]劉東，胡宇祥，付強，等.北方灌區混凝土襯砌渠道斷面優化及參數分析[J].農業工程學報，2015，31(20)：107-114.