陽西縣陂底水庫灌區續建配套與節水改造工程方案設計研究

羅李強

（佛山市順德區水利水電勘測設計院有限公司陽江分公司,廣東 陽江 529500）

1 工程概述

陂底水庫灌區位于陽西縣,建成后已經持續工作了40多年,在當地農業生產中發揮著重要作用。但由于灌區現有水利工程破損、老化,已不能充分發揮作用。且為保證灌區在農業生產中繼續發揮水利工程的作用,對于灌區水利工程的改造便顯得十分必要。陂底水庫灌區的降水量較多,年平均降水量為2104.35 mm,但由于灌區管理和節水技術落后,存在較為嚴重的工程不配套、灌溉渠系滲漏問題,導致水資源的浪費比較嚴重,雖然當地水資源雖然豐富,但依然會出現農業生產的缺水問題。因此本項目針對實際情況,通過對工程建設的強化、用水管理的優化、以及非工程措施建設等多項舉措,對灌溉渠道及用水設施損失予以升級改造控制。陂底水庫灌區總設計灌溉面積5.84 萬畝、改造渠道共計分別為5.84 萬畝與59.90 km,規劃新建水閘、跌水分別為19座、4座。圖1所示為陽西縣陂底水庫部分景貌。

圖1 陽西縣陂底水庫示意圖

2 渠道設計

灌區改造渠道共59.90 km,包括東干渠24.88 km,西干渠6.35 km,南干渠18.2 km、北支渠8.55 km以及古井支渠1.92 km。通過對現場地質進行勘察,可以發現渠道較為突出的問題包括填土松散、沖淤嚴重、抗沖能力及防滲能力較弱,對此,決定采用混凝土防滲處理方式對渠道進行優化改造。

2.1 渠道縱斷面設計

對于渠道縱斷面,在設計過程中,需針對實際情況,采取合理的設計方法。在斷面設計過程中,采取“只挖不填”的原則,對邊坡較低的一側優先開挖,可以減少挖方量。為減少土方挖填,需要利用好原有建筑物。控制點確定為原有控制性建筑物,渠底縱坡需分段進行設計,并銜接好渠道上下游水面,防止上下游有大面積的水面變化出現[1]。

2.2 渠道橫斷面設計

在本項目中,通過地質勘探以及對渠道問題的深入了解分析,發現存在渠道存在填土松散、滲漏損失大等各種問題,所以在設計時,需做好全線混凝土防滲處理,從而起到有效的節水效果。防滲斷面擬采用梯形斷面,這樣能便于施工工作的開展[2]。

不沖不淤流速：要求將V不淤、V不沖合理控制在0.3 m/s以內、8 m/s。

邊坡系數選擇及渠道穩定計算：結合相關標準與規定,填方渠道的渠堤填方高度≤3 m時,按照土質確定內、外邊坡系數,不同渠段的邊坡適宜范圍需以土質勘察結果為標準,可將其確定為1∶0.5～1∶1.2之間,在地質與斷面情況結合下,渠道在保證穩定性的基礎上,邊坡可以不同。設計選用邊坡內坡、外坡分別為1∶1.0、1∶1.0[3]。水深≤3 m,挖方渠道、渠堤填方高度≤3 m時,可按照檢驗選取渠道邊坡。在本項目中由于水深和填高都在3 m以內,所以對穩定性不進行計算。

橫斷面尺寸計算：采用梯形斷面為橫斷面,計算時以明渠均勻流為標準,可確定計算公式如下：

式中：V、Q、W、R、i、C、n分別為平均流速、設計流量、過水斷面、水力半徑、水面坡降、謝才系數、糙率。

渠頂高程：設計渠頂高程為加大水面線加安全超高,岸頂超高在計算時,可使用下面的公式：

式中：Fb、hb分別為渠道岸頂超高、渠道通過加大流量時的水深。

按照《灌溉與排水工程設計規范》中標準,填方渠道渠堤填方的高度為3 m以內時,可結合土質來對內邊坡和外邊坡的系數進行確定,邊坡內坡可為1∶1.0,外坡為1∶1.0。而在水深為3 m以內的挖方渠道中,可結合實際情況、經驗來設定渠道邊坡,無需實施穩定計算。

2.3 渠道結構計算

填方渠道和挖方渠道是本次引水渠道的兩種結構設計方式,在設計時針對流量、渠道尺寸,確定填方渠道型式及選取典型斷面,并計算好邊坡穩定[4]。渠道建筑物等級、允許的最小安全系數分別為5級、1.10。填方渠道在正常運用條件下與非常運用條件Ⅰ滑動安全系數K分別為1.66、1.35。挖方渠道在正常運用條件與非常運用條件Ⅰ滑動安全系數K分別為2.00、2.20。

3 防滲型式方案比選

結合本項目實際情況,為實現節水需求,要求設計好渠道防滲水平。為對土層的透水性能進行了解,需在現場進行注水試驗,將土樣從鉆孔內取出并進行滲透試驗。素填土土層是渠道的基礎,素填土的滲透系數為1.21×10-3cm/s。為減少在輸水期間產生的損失,要求渠道能科學地發揮實施防滲能力措施。另針對當地氣候、地質等各項條件,采用定性和定量對渠道防滲襯砌形式進行分析[5]。常用的襯砌形式比較見表1。

水泥土、砌石、混凝土都有各自的適用的條件。水泥土可就地取材,在施工期間難度較小,且成本較低,但抗凍性較差,適用的條件或者區域為壤土或沙壤土地,要求的渠道級別襯砌為3 級～5 級[6]。灌溉渠道。砌石雖然克服了水泥土的其他問題,且具有良好的耐磨和耐用性,但防滲效果難以保證。該類別適用于石料來源豐富、有抗凍、抗沖、耐磨要求的各級渠道的渠道襯砌基本都可以。混凝土具有良好的防滲性能,且抗沖性和耐久性較好,能在各類渠道襯砌中使用[7]。通過綜合分析與對比可以發現,水泥土不合適本項目,主要是使用年限太少。砌石也同樣不適合本項目,主要是由于因為防滲效果較差,難以滿足節水效果。現澆混凝土整體效果更好,且防滲效果能滿足要求,綜合考慮后選用現澆混凝土進行防滲,將澆筑厚度確定為10 cm[8]。

4 水閘設計

通過對勘測現場勘察,發現在各干支渠上并未都設置有節制閘,為對渠道水位進行控制,滿足灌溉與排水需求,節制閘在本項目中共設置8座節制閘。水閘過流能力計算十分重要,可按照按寬頂堰流公式計算：

式中：B、Q、H0、g、m、σ、ε分別為總凈寬、節制閘設計流量、計入行近流速水頭的閘上游水深、重力加速度、流量系數、淹沒系數、側收縮系數。

在消力池設計時,可采用U型槽結構,對于池深進行確定時,可使采用下面的公式：σ0分別為下游水深、消力池出口處水面落差、相應于收縮斷面水深hc的第二共軛水深、淹沒安全系數。

在對池長確定進行確定時,可采使用下面的公式：

式中：

式中：Lsj、Ls、、L j分別為消力池長度、消力池斜坡段水平投影長度、水躍長度校正系數、水躍長度。

對于海漫設計可按照下面的公式進行：

式中：q、Δh、Ks分別為消力池末端的單寬流量、上下游水位差、海漫長度計算系數。

在本設計方案下,本工程分水閘的過流能力見表2。

5 渡槽設計

改造渠道范圍內共有現狀渡槽26 座,經復核只有3 座已無維修價值,需重建,其他23 座渡槽經檢測基本滿足灌溉,只是槽身有裂痕、止水破壞、漏水、擋土傾斜、中間節槽身斷裂等問題,經過維修均可以正常使用[9]。

5.1 結構計算

槽身按設計流量設計,加大流量校核需加大。渠道的斷面、渡槽的斷面分為梯形與矩形,這樣在槽身水流進出時能保持平順,水頭損失可有效減少,也能避免發生沖刷作用,漸變段需在渡槽進出口設置采用砼八字墻設置在渡槽進出口。鋼筋砼梁式結構為渡槽的槽身結構,采用砼一字墻為渡槽邊墩[10]。采用砼一字墻。槽水力設計期間,需對槽身的過水斷面尺寸進行確定,可使采用下面的公式進行計算：

式中：Q、A、R、i分別為渡槽設計流量、渡槽過水斷面面積、水力半徑、槽底比降。渡槽過流能力計算結果見表3。

5.2 渡槽維修方案

對于渡槽的維修與處理,采取的施工工藝為：首先在混凝土基面、伸縮縫及安裝縫槽內等需結構進行鑿毛處理,將環氧基液涂刷在上面,然后將軟木膠泥填充在內,填充需飽滿充實,封口可以使用環氧砂漿。對于大面積滲水面,防滲處理措施采用環氧砂漿,在混凝土基面處理好之后,將環氧基液涂刷在上面,在0.5 h～1.5 h之后,將環氧砂漿抹在上面,這樣能對混凝土面進行找平。砂漿平均厚度需控制在0.5 cm以內,初凝后再將基液涂刷在上面,在0.5 h～1.5 h之后,開始涂抹第二次層環氧砂漿,將厚度控制為1 cm。最后將一道基液涂在封口砂漿面,最后收面養護7 d～14 d。處理安裝縫時,用清水及丙酮將鑿開的槽內清洗干凈,將環氧基液涂刷在上面,使用軟木膠泥填充,封口使用環氧砂漿。伸縮縫處理期間,需將槽內清洗干凈,將環氧基液涂刷在上面,填充使用軟木膠泥,封口使用環氧基液,粘貼使用APP防水油氈粘貼,寬度為40 cm,錨固時使用外用鍍鋅鐵皮錨固,在最后再使用環氧砂漿封口。

6 設計節能效果分析

為使陂底灌區工程投產后能夠安全、經濟的運行,結合工程特點及實際情況,采取節水改造方案。本工程能耗主要發生在施工期。項目施工期的能耗種類以油、電為主。主要材料消耗量為：人工142337.87 工日；42.5#水泥19557.76 t；汽油97.62 t；塊石2996.34 m3；砂44596.58 m3；碎石69625.09 m3；鋼筋861.19 t；電106358.82 kW·h；水398823.22 m3。

項目運行期的能耗種類以水能為主,灌區年用水量約為4276.04 萬m3,采用重力自流供水灌溉,用能環保合理。節能效果綜合評價本項目所在地的電、水供應量充裕,有可靠保障,能源供應對項目有長久支持力。工程建設期采用的節能措施合理,運行期用能合理,項目建成后更不會對當地能源造成破壞和不良影響。工程項目符合國家、地方、行業節能設計的要求,從節能角度,項目是合理可行的。

7 結語

陂底水庫灌區對當地農業發展意義重大,針對灌區內現有水利工程破損、老化現狀,此次結合其實際情況,提出了科學的改造設計方案。從縱斷面設計、橫斷面設計考慮,結合渠道結構計算來確定渠道最佳設計方案；同時,綜合比較多種防滲型式方案,最終選擇現澆混凝土方式進行防滲；另設置8座節制閘以控制渠道水位,通過計算確定合理的水閘過流能力；最后針對可維修使用的渡槽提出維修方案。結果表明,陂底水庫灌區改造后,可滿足當地農業發展需求,且具有顯著的節能效果。