北灘灌區(qū)支渠改造工程設(shè)計

許永

（蘭考縣水利局，河南 蘭考 475300）

1 灌區(qū)基本現(xiàn)狀

北灘灌區(qū)始建于1996年，灌區(qū)原渠首為引水閘，位于藍豐浮橋上游約15 m處。近年由于黃河河床下切，黃河水位下降，原有的渠首引水閘失去原有的引水功能，因此需要建設(shè)取水泵站引水。原渠首位置空間受限，距離下游的黃河藍豐浮橋較近，不能放置流量較大的浮船泵站。結(jié)合當?shù)攸S河沿線的岸坡現(xiàn)狀，擬選取位于原渠首閘上游300 m 處的東方紅灌區(qū)渠首（東方紅提灌站）處新建浮船泵站。

2 灌區(qū)水文地質(zhì)狀況

2.1 灌區(qū)自然經(jīng)濟狀況

北灘灌區(qū)總面積80 km2，耕地約0.76萬hm2，設(shè)計灌溉面積0.52萬hm2，分屬蘭考的東壩頭、谷營鎮(zhèn)（原谷營鄉(xiāng)和爪營鄉(xiāng)合并）、固陽三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的35個行政村。

北灘灌區(qū)現(xiàn)狀作物種植結(jié)構(gòu)為：灘區(qū)小麥85%，玉米85%，其他作物10%，復(fù)種指數(shù)180%?，F(xiàn)狀作物畝均產(chǎn)量約為：小麥6 240 kg/hm2、玉米6 900 kg/hm2。

2.2 地形地貌

北灘灌區(qū)屬黃河沖積平原，由于歷史上黃河泛濫，黃泛淤積使地形變化很大，地勢由西北向東南傾斜，比降平緩，一般在1/4 000～1/5 500。黃河決口處及黃河故道形成崗?fù)菹嚅g、波狀沙地地貌。沙崗大小不等，形狀各異，一般高度不超過3 m，坡度約30°，長數(shù)十米至數(shù)百米。

2.3 氣候

根據(jù)《中國自然區(qū)劃》氣候分類，北灘灌區(qū)屬暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，氣溫、日照、降水及蒸發(fā)在年內(nèi)隨季節(jié)變化而變化，四季分明，冬季氣溫干燥寒冷，夏季潮濕、雨量集中。多年平均氣溫為14.20℃，無霜期213 d，多年平均日照時數(shù)為2 391.60 h，日照率為54.60%，氣候溫和，光照和熱量資源充足，適宜各種作物生長。

2.4 巖土類型、分布及工程等特性

根據(jù)靜力觸探、鉆探、標貫及室內(nèi)土工試驗結(jié)果，在勘探深度范圍內(nèi)將地層共分為6層，現(xiàn)分別對本場地所揭露地層予以描述：

①粉土（Q4al+pl）：黃褐色，稍濕，稍密，局部有砂感。搖振反應(yīng)中等，切面無光澤，干強度低，韌性低。該層底部局部夾黏性土薄層，土質(zhì)偏軟。上部50 cm 為耕植土，含植物根系等。該層場地內(nèi)普遍分布。

②粉砂（Q4al+pl）：褐黃色，稍濕-飽和，中密，局部稍密。礦物成分主要為石英、長石、云母碎片，顆粒級配一般。局部夾粉土薄層，土質(zhì)偏軟。該層場地內(nèi)普遍分布。

③粉土夾粉砂（Q4al+pl）：褐黃色，濕，中密，局部有砂感。搖振反應(yīng)中等，切面無光澤，干強度低，韌性低。局部夾黏性土薄層。該層場地內(nèi)普遍分布。

④細砂（Q4al+pl）：灰褐色，中密，飽和，礦物成分主要為石英、長石、云母碎片。顆粒級配一般，局部夾黏性土薄層。該層場地內(nèi)普遍分布。

⑤粉土夾細砂（Q4al+pl）：褐黃色、灰褐色，稍濕，中密，局部為細砂。搖振反應(yīng)中等，切面無光澤，干強度低，韌性；局部夾黏性土薄層。該層場地內(nèi)普遍分布。

⑥細砂（Q4al+pl）：灰褐色，密實，飽和，礦物成分主要為石英、長石、云母碎片。顆粒級配一般，局部夾黏性土薄層。該層場地內(nèi)普遍分布。

(2)欽州石夾剖面硅質(zhì)巖主量元素各特征值及其比值與圖解顯示，研究區(qū)的硅質(zhì)巖在強烈的生物作用下形成，并有顯著的陸源物質(zhì)加入，沉積環(huán)境主要為大陸邊緣，且D-C界線處可能受過熱液活動的影響。

該層厚度未穿透，最大揭露深度為30 m。

3 灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程

北灘灌區(qū)自建成后為蘭考縣農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)民生活水平提高發(fā)揮了重要作用，但限于灌區(qū)建成時資金、技術(shù)等條件，灌區(qū)工程建設(shè)標準低、質(zhì)量差，渠道及渠系建筑物配套程度低。并且由于缺乏必要的資金投入，渠道及渠系建筑物得不到及時的維護和更新，導(dǎo)致工程老化失修、破損嚴重，致使?jié)B漏損失大，輸水效率低，灌溉水利用率和灌溉保證率低，造成灌區(qū)有效灌溉面積逐漸衰減，實際灌溉面積不斷萎縮，嚴重制約著灌區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展。為改善灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，提高農(nóng)業(yè)特別是糧食綜合生產(chǎn)能力，增加灌區(qū)農(nóng)民收入，提高農(nóng)民生活水平，亟須加強灌區(qū)農(nóng)業(yè)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

4 灌區(qū)支渠改造工程設(shè)計

北灘灌區(qū)共有支渠五條，現(xiàn)狀均為土質(zhì)渠道，為灌排兩用渠道。其中一支渠長度為7.13 km，二支渠長度為3.97 km，三支渠長度為8.94 km，四支渠長度為6.65 km，五支渠長度為5.31 km；此次項目計劃安排支渠渠道硬化襯砌工程，詳細計算如下。

4.1 不沖流速

渠道的不沖流速根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》附錄C中表C.0.4 防滲襯砌渠道允許不沖流速（混凝土）取值：現(xiàn)場澆筑<8 m/s，預(yù)制鋪砌<5 m/s，噴射法施工<10 m/s。

4.2 渠道比降確定

由于渠道直接由黃河引水，黃土地區(qū)渾水渠道的渠底設(shè)計比降可按下式計算：

式（1）中：ρ——渾水渠道水流挾沙能力（kg/m3）；ω——泥沙沉降速度（mm/s）；Qh——渾水渠道設(shè)計流量（m3/s）。

估算渠底比降為1/5 500，為使工程量較小，盡量選擇渠底的比降與自然地面比降接近，初步選擇渠底比降為：一支渠1/5 000、二支渠1/2 500、三支渠1/2 500、四支渠1/2 500、五支渠1/3 333。

4.3 排澇計算

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》平原區(qū)旱地設(shè)計排澇模數(shù)按下式計算：

式（2）中：q——旱地設(shè)計排澇模數(shù)［m3/（s·km2）］；T——排澇歷時（d）；R——設(shè)計暴雨產(chǎn)生的徑流深（mm）。

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》排澇標準的設(shè)計暴雨重現(xiàn)期應(yīng)根據(jù)排水區(qū)的自然條件、澇災(zāi)嚴重程度及影響大小等因素，可采用5—10 a。根據(jù)調(diào)查，結(jié)合北灘灌區(qū)實際情況，設(shè)計暴雨重現(xiàn)期選5 a。北灘灌區(qū)主要種植為小麥、玉米等旱作物，設(shè)計暴雨歷時選24 h暴雨，排除時間選2 d排出。

查《河南省中小流域設(shè)計暴雨洪水圖集》（河南省水利勘測設(shè)計院1984年）中圖11《河南省最大24 h點雨量均值圖》及《河南省最大24 h 點雨量離差系數(shù)圖》得，最大24 h 點雨量均值H24=100，變差系數(shù)Cv=0.50，偏態(tài)系數(shù)Cs=3.50 Cv=1.75，按5年一遇暴雨重現(xiàn)期，查《皮爾遜Ⅲ型曲線模比系數(shù)Kp值表》得模比系數(shù)Kp=1.33，則5年一遇24 h雨量P=kp×H24=132.60 mm。

查《河南省水利工程水文計算常用圖》（73 圖集）中圖47《平原地區(qū)降雨徑流關(guān)系曲線圖》表，最大初損值Imax=100 mm，取前期影響雨量pa=0.60Imax=60 mm，則P+Pa=192.60 mm，以此查圖47《河南省平原地區(qū)降雨徑流關(guān)系曲線圖》曲線VI，得徑流深R=68.68 mm。

將參數(shù)R=68.68 mm，T=2 d，代入排澇模數(shù)計算公式得，q=0.40。

渠道排澇流量計算成果見表1。

表1 渠道排澇流量計算成果表

4.4 灌溉流量計算

北灘區(qū)選用灌水率0.02 m3/（s·萬hm2）作為設(shè)計凈灌水率，渠道渠系水利用系數(shù)為0.65，設(shè)計毛灌水率為0.04 m3/（s·萬hm2）。見表2。

表2 渠道灌溉流量計算成果表

4.5 渠道斷面設(shè)計

渠道的縱、橫斷面設(shè)計應(yīng)符合以下要求：①首先要保證渠道輸水能力、水流通暢和邊坡穩(wěn)定；②各級渠道和渠道各分段之間要銜接平順；③渠道滲漏損失量較??；④五條支渠為灌排兩用，承擔(dān)部分排澇功能，渠道設(shè)計流量取排澇和灌溉流量的較大值；⑤為減少渠道開挖、回填工程量，應(yīng)結(jié)合渠道現(xiàn)狀，確定渠道斷面尺寸。

渠道橫斷面尺寸應(yīng)根據(jù)渠道過水面積、設(shè)計流量和比降等通過水力計算確定，可按下式計算：

各支渠水力計算成果具體詳見表3。

表3 渠道設(shè)計成果表

4.6 渠道渠頂超高

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》（GB50288-2018）有關(guān)規(guī)定，4、5級渠道岸頂超高按下列公式計算：

式（4）中：Fb——渠道岸頂超高（m）；hb——渠道通過加大流量時的水深（m）。

根據(jù)各支渠水力計算成果，按上述公式計算超高為：0.48～0.54 m，此工程主要建筑物級別為4級，渠道襯砌超高可適當減少，確定為設(shè)計水位加0.50 m。

5 總結(jié)

項目實施完成后，灌溉水利用率顯著提高，渠道輸水滲漏問題得到改善，年增節(jié)水能力896.69 萬m3。大大改善了灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，可恢復(fù)灌溉面積0.09 萬hm2，改善灌溉面積0.30 萬hm2。新增糧食生產(chǎn)能力288.60 萬kg，新增其他農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)能力32.90 萬kg。按現(xiàn)行價格計算，新增產(chǎn)值695.63 萬元，灌溉效益313.03萬元。促進了灌區(qū)治安的穩(wěn)定，增加了農(nóng)民的收入，使農(nóng)村經(jīng)濟得到了發(fā)展，社會更加和諧。