某大型灌區續建改造工程中灌排渠改造設計研究

李瑞英

(盤錦市大洼區水利服務中心，遼寧 盤錦 124200)

0 引 言

灌區內配套與節水改造是進一步提高灌區項目區農作物產量和調整農業種植結構的有效方法，灌區內干渠由于多年渠道修繕投入不足，工程老化失修、加之項目區內的渠系普遍不配套，骨干輸水渠道又多為土渠，坍塌、淤積堵塞嚴重，L加上土質疏松，滲漏嚴重，輸水損失大，灌溉水利用系數偏小，無效耗水大，有限的可供水量不能很好地發揮作用，加劇了水資源的供需矛盾。因此，進行灌區改造配套渠道工作，大力推廣節水技術措施，提高水利用率，使有限的水資源充分發揮其應有的效益，從根本上解決灌區缺水問題，是促進整個灌區經濟發展和社會進步的必由之路，不僅是十分必要的，同時也是非常迫切的。灌區內種植結構為小麥、玉米、棉花、蔬菜和水稻，現狀灌排渠渠道行洪斷面不滿足5a一遇的洪水標準，部分渠段破損及滲漏嚴重，本次考慮將現狀渠道改造為直斜復合式襯砌斷面，進行灌排渠道斷面設計研究[2]。

1 灌排渠工程設計

1.1 設計洪水

本次灌排渠治理段為 0+000-1+495，治理河段長1.495km。灌排渠治理設計洪水標準為10a一遇，其中：里程0+000-1+041段5a一遇洪水為38.7m3/s，10a一遇洪水為54.5 m3/s；里程1+041-1+495段5a一遇洪水為40.5m3/s，10a一遇洪水為56.8m3/s。。

1.2 治理方案選擇

本次灌排渠治理中橫斷面有矩形斷面、梯形斷面、復式斷面三種斷面型式選擇[2-3]。方案一矩形斷面占地面積小，砌體工程量較大，投資高，斷面安全、休閑、親水性、美觀性差；方案三梯形斷面護坡，占地面積多，砌體工程量小，水面寬度大，美觀性差，休閑、親水性稍差；方案二復式斷面占地面積、砌體工程量居中，休閑、親水性強，美觀性好。由于矩形斷面砌體工程量大，投資高，而梯形斷面占地多，綜合考慮到灌排渠兩岸土地資源珍貴，最終選擇橫斷面采用以復式斷面為主的方案二，5a洪水位以下采用漿砌石護腳，5a一遇洪水位至堤頂采用土堤回填，內、外側堤坡設計坡比為1∶1.5，局部段采用M7.5漿砌石防洪墻防洪，治理方案比選見圖1[1]。

圖1 治理方案斷面比選

1.3 分段治理方案

根據治理原則為在保證河道行洪斷面的前提下，少占不占耕地、節約投資，就地取材，分段確定治理方案。根據地形地質及沿河灘地耕地分布情況，本次治理河段分段情況見表1和表2。

表1 灌排渠工程左、右岸分段治理表

表2 灌排渠治理后水面線成果表

1.4 水面線計算

設計起始水深采用治理段末端下游河道處控制水深作為水面線計算起始水深。鑒于本次治理段河道斷面無實測水位流量關系，起始水深采用曼寧公式計算，其中水力要素根據實際縱橫剖面圖計算[4]，糙率根據河床組成及岸邊情況選擇主槽糙率為0.030，河道斷面、底坡采用實測地形縱橫剖面圖計算，設計流量通過工程實測得到。

1)計算原理

本次對現狀河流水面線計算采用水面線計算程序《MIKE 11》進行分析計算，該軟件是由丹麥水利研究所(DHI)研發，是基于垂向積分的物質和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南(Saint-Venant)方程組來模擬河流或河口的水流狀態。其方程組的具體形式如下[5]：

連續方程：

(1)

動量方程：

(2)

方程(1)為連續方程，反映了河道中的水量平衡。方程(2)為動量方程，其中第一項反映某固定點的局地加速度，第二項反映由于流速的空間不均勻引起的對流加速度。前兩場合稱為慣性項。第三項反映了水深的影響，為壓力項。第四項反映了摩阻和底坡的影響。對治理后河道水面線復核成果見表2。

圖2 灌排渠治理后水面線示意圖

1.5 河堤堤頂超高

根據《堤防工程設計規范》GB50286-2013，堤頂高程為設計水深加堤頂超高確定。本工程為10a一遇設計洪峰流量，按天然河道水面曲線計算方法，推求整治河段沿程設計水面線。考慮到河道寬度較小，本次不在計算波浪爬高與風壅高，取河堤超高為0.3m。

圖3 漿砌石擋墻計算簡圖

2 擋土墻穩定分析

設計灌排渠0+900-1+050段采用M7.5 漿砌石防洪墻防洪，本段防洪墻墻高最高(3.0m)，故取此段防洪墻進行計算。采用理正巖土擋土墻設計程序，對重式擋墻進行了抗滑、抗傾及地基應力計算。

計算采用M7.5漿砌石擋墻，墻后回填土的內摩擦角φ=24°，土壤天然容重1.8T/m3，飽和容重1.95T/m3，基礎與地基間的磨擦系數U=0.4，漿砌石容重2.2T/m3(浮容重1.2 T/m3)。

2.1 計算簡圖

根據水工設計斷面形式，采用朗肯土壓力進行計算，根據 GB50286-2013《堤防工程設計規范》[6]確定邊坡穩定允許安全系數。

2.2 計算原理

1)計算原理

文章進行擋土墻所受土壓力大小時，按照庫侖理論計算，計算公式如下。

(3)

h0=q/γ

(4)

(5)

(6)

式中：γ為土壤容重，T/m3；δ為土壤與墻背間的摩擦角，°；φ為土壤內摩擦角，°。

2)穩定計算

擋土墻穩定計算包括擋土墻抗滑穩定驗算、抗傾覆穩定驗算以及基底應力驗算，三者的計算公式如下。

滑動穩定驗算

(7)

滑動穩定驗算

(8)

基底應力驗算

(9)

式中：WN為擋土墻重量，kN/m；EN為主動土壓力的豎向分力，kN/m；EX為主動土壓力的水平分力，kN/m；f為基地摩擦系數，參考規范取值；ZW、ZEV、ZEX分別為W、EN、EX對O點的力臂，m；B為擋土墻寬度，m。

3)計算成果分析

采用理正巖土擋土墻設計程序，得到的擋土墻計算結果見表3。

表3 擋土墻穩定計算結果

經計算漿砌石擋墻在完建工況下，抗滑穩定系數和抗傾穩定計算最小安全系數均滿足規范要求[2]。

3 結論及建議

灌區內水資源供需矛盾突出，灌排渠道、管道及配套設施陳舊、老化及損壞嚴重，渠道滲漏嚴重，水資源利用率較低，若新建水源工程需要投入的資金較大，歷史較長，所以中型灌區內進行灌溉配套設施續建及改造是行之有效的方法，急需配套、改造渠道以緩解供需水矛盾。該工程于2018年10月進行配套改造施工，2019年2月完工，改造后灌排渠道滿足防洪要求，減少水量滲漏，取得了較好的結果。