龍云灌區節水改造輸水工程設計要點分析

胡德保，查恩堯

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510220)

灌區建設是現代化農業發展的方向之一，可以集中力量提高農業種植效率，同時可將灌溉、供水、防洪、發電、水產養殖等產業結合起來，對提高基礎設施利用率、改善環境和民生等均具有重大意義。廣西省位于我國西南邊陲，水資源豐富，且農產品熱銷全國及東南亞地區，這造就了廣西省境內灌區建設歷史悠久，但隨著集約化農業的發展，灌區的節水改造工程勢在必行。

1 工程概況

龍云灌區位于廣西省玉林市境內，該灌區工程涉及玉林市玉州區、福綿區、北流市、陸川縣等4縣(市、區)，行政區域面積達5268km2；下屬包含羅田、新橋、六洋、龍門等14個中小型灌區，原設計灌溉面積46.64萬畝，現有效灌溉面積32.38萬畝，且同時為11個鄉鎮、5個工業園區供水，地位十分重要。目前龍云灌區干渠總長222.85km，支渠長226.83km，渠系工程老化損壞嚴重，農田灌溉水利用系數僅0.45，供水基礎設施薄弱。為緩解這一局面，有關部門決定對龍云灌區尤其是輸水工程進行節水改造。

2 輸水渠道設計要點計算分析

2.1 輸水渠道縱坡及斷面參數設計

(1)渠道縱坡設計

龍云灌區東側有北流河自南向北流，西側有南流江自北往南流，南流江與北流河基本貫穿整個灌區。灌區地形總體上呈東高西低態勢。縱觀灌區地形特點與現有水源分布情況，本灌區干渠渠道縱坡設計應考慮以下幾個問題[1]。①灌區東面的民安灌片地形高程在110～140m之間，而水源地蟠龍水庫正常蓄水位為108.00m，所以需泵站提水后才能將其連通。②灌區北面的蘇六、龍門灌片地形高程在90～100m之間，而供水的九代干渠高程為95～90m，所以需泵站提水后才能將其連通。③灌區西南面羅田灌片地形高程在70～90m之間，而水源地云良水庫正常蓄水位為101.00m，輸水距離大于20km，水頭損失較大，且羅田灌片位于南流江右岸，所以需泵站提水。

綜合考慮上述因素，并根據各干渠沿線的地形特點，同時參考類似灌區工程的設計經驗，在滿足不沖不淤流速的前提下，從“盡量擴大自流灌溉面積”思路出發來擬定龍云灌區各干渠渠道縱坡，最終確定本改造工程的干渠縱坡為1/3000～1/2000，支渠縱坡為1/3000～1/1000[2]。

(2)渠道斷面設計

渠道斷面設計遵循以下原則：①同時滿足不沖和不淤流速的要求，保證輸水能力、邊坡穩定；②各級渠道、各分段之間水面平順銜接；③末級渠道放水口的水位高出平整后田面進水端不少于10cm；④占地少、工程量小，施工和管理方便[3]。

本項目新建明渠設計為梯形斷面，為平衡邊坡穩定性和降低工程量，設計巖質邊坡為1∶0.35，土質邊坡為1∶1.25。邊坡過水斷面均采用10cm厚現澆混凝土襯砌，過水斷面以上邊坡采用草皮護坡，其中土質邊坡干渠尺寸和結構示意圖如圖1所示。

圖1 土質邊坡干渠尺寸及結構示意圖

此外，本項目要求在干渠渠道岸頂一側布置交通道路，其設計標準按農村道路設計，路寬3.0m，采用瀝青碎石路面，并每隔500m設置一個6.5m寬的錯車道；支渠一側設計泥結石路面，路面寬2.5m；渡槽、暗涵、倒虹吸管采用鋼筋混凝土結構[4]。

有些地段開挖渠道不便，設計采用輸水混凝土管，管徑根據輸水量來確定，龍云灌區主要輸水干、支渠(管)設計見表1。

表1 龍云灌區主要輸水干、支渠(管)參數設計(部分)

2.2 水閘、閥門設計分析

2.2.1水閘分類及布置位置

(1)分水閘

龍云灌區各干渠及分干渠、支渠進口處設分水閘，以便控制分水流量。分水閘底檻與上級渠底齊平或稍高于上級渠底，采用單股分水，分水角設計為60°～90°。閘前設計水位要略低于上級渠道設計流量的相應水位[5]。

(2)節制閘

龍云灌區在臨近各個分水閘或泄水閘的渠道下游，根據需要設置節制閘，用于調節水位以控制分水或泄水流量。節制閘底檻高程設計與渠底平齊，閘孔設計過水斷面面積與渠道過水斷面面積相適應。

(3)泄(退)水閘

本項目要求在重要城鎮、工礦區的上游附近設泄水閘，并在干渠上每隔一定距離靠近河流、山溪、河道等地方設置一座泄水閘或溢洪側堰，以便將入渠洪水泄入承泄區，保證渠道的安全；并且在干渠和支渠末端設置退水閘。退水閘中心線與渠道中心線夾角設計為60°～90°，泄水閘和退水閘底檻與渠底齊平或稍低于渠底。

本項目設計各類水閘閘室均采用開敞式鋼筋混凝土結構，閘孔孔口尺寸根據設計流量采用寬頂堰公式確定，閘下游側布置消能防沖設施。工作閘門均采用平面鋼閘門，啟閉力不大于5t的采用手動葫蘆啟閉，啟閉力大于5t的采用固定式手電兩用螺桿機啟閉[6]。

2.2.2水閘過流能力計算分析

根據水流過閘形式的不同，在此分別按“寬頂堰流”和“閘孔出流”進行水力計算，計算公式分別如式(1)、(2)所示[7]。通過計算，龍云灌區新建閘門每孔凈寬設計1.0～1.5m，干渠孔數為2個，支渠1個，滿足輸水流量的需要。

(1)

式中，Q—輸水流量，m3/s；σ—堰流淹沒系數；ε—側收縮系數；m—流量系數；b—每孔凈寬；n—閘孔孔數；H0—包括行近流速的堰前水頭，m。

(2)

式中，σ′—孔流淹沒系數；e—閘門開度，m；H0—包括行近流速的閘前水頭，m。

2.2.3各類閥門設計

對于新建輸水管道，為了保證輸配水管道的正常工作，本項目設計在管道上安裝必要的閘閥，主要有檢修閥門、放水閥、排氣閥、泄壓閥等，各類閘閥的設計標準如下：

(1)檢修閥

在穿越大型河道、公路及安裝水力控制閥前均考慮設置檢修閥，本項目要求沿管線每隔5km布置不少于1座檢修閥[8]。

(2)排、進氣閥

當管道內壓力變化時，水中溶解的氣體析出并聚集在管道最高點，進而造成過水斷面減小而增加水頭損失。因此本項目設計在長距離輸水管道的最高點安裝自動排、進氣閥。其中對長距離無凸起點管段，每隔500m設自動排(進)氣閥。設計采用大、小孔口合成一體的高速排氣閥，口徑為主管直徑的1/8。

(3)放水(排空)閥

為排除管內沉積物，檢修放水、冬季事故排空防凍等，在管道低凹處設計排空閥，口徑為主管直徑的1/5。

(4)減壓閥、泄壓閥

當輸水干管總水頭超過0.4MPa時，根據水錘防護需要設置減壓閥。超壓泄壓閥設在重力輸水管道末端的關閉閥上游，中間按需設置，口徑為主管直徑的1/5。

3 渠系水利用系數驗算

在實施改造項目之前，龍門灌區農田灌溉水利用系數平均僅為0.45，對輸水系統進行節水改造后，在此根據各級渠道采取的防滲措施，分別估算各級渠道的水利用系數，然后用各級渠道水利用系數連乘來求出整個灌區渠系的水利用系數η0，計算公式如下：

(3)

式中，K—土壤透水性系數，工程區主要為黏土、重壤土、硅質土等，滲透系數一般在10-4m/s左右，屬中-弱透水，但土層較薄，且覆蓋層以下為強透水層石灰巖，故按中等透水選用，取1.9；Q—渠道凈流量，在此取平均值作為計算流量；m—渠系平均透水性指數，取0.4；L—渠道長度。

經過綜合考慮防滲可靠性、蒸發損失等問題，初步估算得到本項目節水改造完成后總干渠水利用系數可達0.95，總干管0.97，分干(當地水源原干渠)0.92，支渠0.91，斗渠0.88，農渠0.92，綜合渠系水利用系數為0.65，比改造前提高了44.4%，效果顯著。

4 結語

龍云灌區的輸水工程經過本次節水改造后，渠系水利用系數明顯提升，而且新增灌溉面積21萬畝，改善灌溉面積25.4萬畝，大大提高了灌區的灌溉品質，也為灌區的健康可持續發展打下了物質基礎。輸水工程是灌區的核心組成，直接決定了灌區的規模及綜合效益，因此在設計時嚴格遵循規劃目標進行，不得過于保守，要規劃好至少未來10年灌區的發展。