灌區節水改造中防滲渠道斷面的優化設計探討

羅科峰

（韶關市華源水電建設有限公司，廣東 韶關 512300）

近年來黨中央提出了“節水優先”的治水新理念，緊跟農業現代化與打造節水型社會的步伐，各地區都陸續加強了對傳統灌區工程的改造優化，以提高水資源的利用率[1]。目前，很多灌溉工程運行時間較長，老化嚴重，很多渠道斷面大、襯砌率低，相關配套設施不完善，造成灌溉水調度難、水資源浪費嚴重等問題。為解決這一問題，實現水資源的有效利用，推動我國農業生產的高效發展，有必要對灌溉工程進行升級優化，全面發展高效節水灌溉技術，最大限度提高水資源的利用率。

1 對防滲渠道斷面進行優化設計的意義

國內很多灌溉工程修建時間比較早，建設標準不高，施工工藝落后，渠系設施不完善，工程老化，損壞嚴重。灌溉面積遠低于設計標準，通常僅為設計灌溉面積的70%左右，因此續建配套擴大灌溉范圍的潛力非常大。隨著水資源緊張與生產生活用水矛盾越來越突出，國家提倡發展節水灌溉技術。其中，對現有灌區實施技術改造是一個不錯的選擇，不僅用時短，而且成本低。在灌溉改造項目中使用最為普遍的一項節水工程技術就是渠道防滲技術。通過對渠道進行防滲處理后可大幅提升水資源的利用率，從而有效緩解農業用水的供需矛盾，省下來的水可作為灌溉用水，進而增加灌溉范圍。同時，也能使地下水位下降，避免形成沼澤地與鹽堿地，讓農業與生態更融洽地發展[2]。

2 防滲渠道斷面優化設計的關鍵內容

2.1 選取防滲材料

防滲材料主要有三種，分別是土料、混凝土、膜料。選擇土料的優點是操作簡單，費用小，防滲效果明顯，但不足之處也有很多，使用年限短，允許流速不能過高，抗凍性不好。選擇混凝土的優點在于可以將渠道滲流水量損失控制在10%以下；能減少淤積問題，從而減少渠道的日常管護與維修成本；若滿足一定條件，采用混凝土材料修建的渠道使用壽命不低于50年；允許流速大，能夠減小渠道斷面，從而節省土方用量，縮小占地面積[3]；另外，可按照渠道設計要求，將混凝土制作成為不同形狀大小的構筑物。膜料這種材料的柔性、延伸性以及抗拉性能均非常好，可用于不同形狀的渠道中，也可用于存在位移、沉降風險的渠道中，膜料的施工技術簡單，能縮短渠道施工時間，同時，耐酸堿性、耐土壤微生物的侵蝕，耐腐蝕性都很好，將膜料應用于渠道防滲建設中可以確保渠道使用時間不低于15年。

2.2 防滲渠道斷面形式的種類

當前防滲渠道工程中所選用的渠道斷面形式主要包括三種：U形、梯形、弧形坡腳梯形等。在具體選取斷面形式時，必須綜合考慮下列因素：施工的難易性、抗凍脹性、水利條件、輸沙能力、建造費用等[4]。表1為三種渠道斷面形式的優劣點。其中，U形斷面多用于小型渠道，弧形坡腳梯形斷面則多用于改造大中型梯形的土渠，有助于消除原渠道行水與施工期之間的矛盾矛盾[5]。

表1 防滲渠道三種斷面形式的優劣點

2.3 防滲渠道縱橫斷面的優化要點

在設計渠道縱橫斷面的時候，通常會用到明渠均勻流公式，注意要反復計算、核算一些關鍵參數，如比降。現在關于渠道斷面設計的方法有很多，也更加完善。其中，有一種新設計方法在近年來渠道防滲斷面優化設計中顯露出優勢，得到大量的應用，即動態規劃方法。運用此法必然會考慮到一些關鍵性的參數，防止工作人員憑經驗隨意確定部分關鍵參數。待選擇好渠道防滲斷面類型后，通過對渠底縱坡等重點變量完成對渠道設計的描述。

2.4 襯砌厚度必須要合理

襯砌厚度在渠道斷面設計優化中非常重要。若襯砌厚度較為合理能使渠道的抗凍脹性能得到明顯提升。渠道改造工程中的防滲厚度一定要合理，通常利用等厚板與肋梁板進行確定。

其中，需計算出等厚板與肋梁板的相應慣性矩以及抗彎模量的數值。如果材料運行的抗拉應力是一個定值時，它的抗彎模量與彎矩之間的關系為正比，當受到正彎矩的作用，板面受到壓力，同時肋梁受拉，那么其抵抗彎矩的力量將明顯高出等厚板許多，不低于等厚板的兩倍[6]。

3 實例分析

3.1 工程改造背景

某水庫灌區為廣東省一個中型灌區工程。灌區灌溉干支渠總長為47.109 km，本次渠道改造長度為38.181 km，灌區設計總灌溉面積為2.509 9萬畝。該工程建于1956年，建成后東、西干渠只有渠首部分在運行過程中進行了“三面光”處理，為漿砌石砌筑。由于當時設計標準低，經過幾十年的使用，工程老化嚴重，渠道垮方嚴重，安全隱患較多，涵洞淤積堵塞嚴重，渠道漏水、滲水現象嚴重。目前，該工程渠系水利用系數僅為0.4。原因在于渠道滲漏問題較為嚴重，灌區下游與上游引水渠水沒有完全達到，從而使灌溉面積大幅縮減，從原設計灌溉2.509 9萬畝萎縮到1.3萬畝，現灌溉面積的設計保證率從最初的90%縮小至50%左右，農作物產量低。

3.2 設計水平年及設計標準

本工程設計年限取10年，設計水平年為2030年。參照《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288-2018）中的要求，濕潤地區以種植水稻為主，其設計灌溉保證率應為85%～95%。本次灌區改造工程設計，結合當地實際取灌溉設計保證率為90%。該灌區設計灌溉面積大于0.5萬畝且小于5萬畝，參照《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）、《灌區改造技術規范》（GB 50599-2018）及《防洪標準》（GB 50201-2014），本灌區屬于中型灌區。

3.3 該灌區工程渠道灌溉流量分析與優化設計

根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288-2018）相關規定，并結合該灌區各渠段設計面積計算出各渠道各渠段的設計流量、加大流量及最小流量，渠道的渠系水利用系數取0.75。渠道各渠段設計流量按其灌溉面積與千畝設計引用流量計算，加大流量的百分數為25，最小流量不小于設計流量的40%。根據灌水率計算結果顯示，該灌區設計灌水率q=1.456 m3/s·萬畝。由于旱地作物類型較多，缺乏各作物、各生長期蒸發量的試驗資料，因而無法做出各種旱作物的灌溉量，其灌溉定額根據經驗按水田的1/3用水量計算。表2為渠道各渠段的灌溉流量。

表2 該灌區改造加固渠道灌溉面積與流量情況

渠道縱坡運行取值范圍約在1/3 000—1/11 000區域內。本工程選用預制混凝土U形渠道，防滲作用明顯，而且輸水能力強，渠系水利用系數較高，能起到較好的節水作用。

4 結語

總之，開展灌區節水改造工程建設是緩解農業用水與水資源矛盾的重要措施。根據灌區節水改造工程特點，對渠道防滲斷面從防滲材料、渠道斷面形式、渠道防滲縱橫斷面等加以優化設計，有利于降低渠道水量漏損率，提高水資源的利用率，進一步提升灌區節水改造工程的綜合效益。