灌區改造中水渠工程設計及施工布置

饒宇豪

（梅州市水利水電勘測設計院有限公司，廣東 梅州 514000）

0 引言

灌區改造是水利基本建設項目，是水利建設項目的一種，是指對已建的灌區和現有灌溉工程進行加固、改建、擴建和配套，形成一個以水利建設為主體，水利生產為中心，灌溉、排水和排澇等為配套的農業生產體系。灌渠改造建設工程戰略性極強，設計到周圍城市鄉村在水利、農業和農村經濟的各個方面。灌區改造是國家水利建設計劃項目之一，是解決水資源短缺問題最有效的措施之一。目前現有的灌區，很多都修建于幾十年前，受到當時技術和整體的大環境的影響，導致灌區在使用過程中的問題不斷。隨著城市道路的擴建，灌區水渠也受到破壞，造成了綜合灌溉水利用系數較低，因此需要對灌區進行改造，并對其中的水渠進行重新設計，以提升水的綜合利用率。

1 工程概況

文章所選擇的灌區位于某河流的中下游，灌區的南北方向長為55 km，東西寬為18.50 km，中間貫穿多個鄉鎮。該灌區的主要引水方式為有閘控制自流，最大的引水量能夠達到83.20 m3/s。在該灌區所在的位置上，其地質主要為第四紀巖性，當地光照充足，屬于半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，平均年降水量在634.30 mm，年蒸發量平均為1 032 mm。當地光熱充足，但是降水量少，且多年來的降水時空分布不均勻。按照灌區以往的工作制度和灌水模數來進行計算，灌區的控制灌溉面積可以通過水渠的參數計算出來。對該灌區內的水渠情況進行統計，如表1 所示。想要對上述情況的灌區進行改造，對于水渠進行工程設計，并布置施工。

表1 灌區水渠情況統計表

2 水渠工程設計與施工布置

2.1 分析不同水渠用水需求

水渠工程設計的最終目的是滿足農業灌溉的同時，最大限度減少水資源的浪費。以灌區中的干渠為例分析農作物的年灌溉需水量，如表2所示。

表2 研究區干渠不同農作物年灌溉需水量表

根據水利方面的技術要求，水渠在高效節水的灌溉工程下，要求水利用系數需要高于0.95，在計算水渠流量的過程中，計算公式如下：

式中：Q表示水渠的設計流量，q表示設計的灌溉率，A表示設計的灌溉面積，η表示水利要求灌溉系數。根據當地的地質情況，計算田間的凈流量和水渠凈流量。計算公式為：

式中：Q1表示田間的凈流量，A1表示水渠控制面積，Q2表示水渠凈流量。

2.2 水渠斷面設計

水渠中的干渠全長1 320 m，設計流量為15.50 m3/s，其斷面為梯形圓弧，漿砌卵石襯砌。目前已經出現大面積破損，為了保證其功能正常，對原水渠進行拆除和重建。文章所選擇的梯形斷面相對于其他形狀的斷面來說，其占地面積大，渠道的邊坡穩定性更好，對于施工的襯砌材料要求不高，因此在施工過程中相對便捷。在襯砌結構中，選擇漿砌石底板+混凝土邊坡的襯砌方案，設計尺寸為底寬為1.50 m，坡比為1：1.5，水渠的深度為2.00 m，此方案具有良好的抗沖和防滲透性能，糙率相對于其他的方法更大，流速能夠減小，受到的流速摩擦力小，因此使用時間更長。斷面設計示意圖見圖1，結合以上設計的特點，進行水渠改造的施工布置。

圖1 水渠襯砌斷面圖

2.3 施工布置

首先分析灌區改造過程中，水渠工程的施工特點。改造水渠的導流隧洞由于進口處設計得比較寬，因此在施工過程中的邊坡開挖尺寸大，周圍的邊坡與原來的邊坡相比更高。在這樣的技術設計下，經過計算，工程在施工過程中大約需要10萬立方米的骨料和大壩填筑料，且要求這些施工料的級配必須要高，保證使用過程中不會出現大量的碎料。水渠下方的導流洞需要開挖一個尺寸為13 m × 14.5 m 的附砌后斷面，需要先進行爆破，在施工過程中需要控制爆破的震動對周圍環境的影響。此外，水渠的邊坡高度差比較大，在施工過程中需要考慮到降水造成的影響，及時進行邊坡支護。

在完成施工特點的設計后，對施工進行布置。水渠的邊坡是水渠工程設計開挖施工中的重要工序，也是灌區改造現場中最復雜、也是最易發生安全事故的部位。主要通過設置排水溝和防護、支撐或擋土墻進行保護，從而防止由于地表變形或塌陷而造成作業面坍塌事故的發生。施工布置主要包括支護結構及支撐系統布置、邊坡支護及其附屬設施布置以及圍巖安全監測工作等。邊坡一般采用開挖法進行，開挖時對被破壞的土體采取及時保護措施，使其盡可能不受雨水沖刷。在對文章研究區進行施工的過程中，分結構進行布置。邊坡在施工支護中，主要有以下幾個結構施工需要詳細布置。

擋土墻：主要起保護作用，但擋墻高度應大于作業面寬度和深度。排水溝：主要起排水作用，一般布置在開挖深度在20 m 以上的部位，排水溝一般設在開挖深度5 m以下，寬度在30 m以上。水平支撐：主要用于加固土體側力結構，一般布置在開挖深度3～5 m 處，沿坡腳設置一定長度的水平支撐，豎向支撐的間距一般不大于50 m，傾斜支撐和懸臂支撐根據坡腳開挖深度不同而有所區別。斜坡支護：主要起穩定作用，布置在開挖深度為30～50 m 的位置上，垂直支撐間距一般不大于2 m。斜坡支護系統根據坡腳開挖坡度來確定：一般情況下為1：2～1：3，即1個斜坡僅有一個支護結構面。

根據以上的施工位置，在施工過程中，擋土墻及排水溝布置如下：擋土墻的埋設可根據現場條件，按照一定的坡度將其設置在擋土墻外。擋土墻與坡面應平順、平直，一般在墻底或墻邊開洞時要注意開洞后形成整體，以免影響擋土墻的正常工作。擋土墻與排水溝應采用蓋板連接的方式，蓋板的寬度不應小于1 m，蓋板上每隔5 m 設一孔，孔徑不宜小于60 mm，孔深不宜小于100 mm，排水溝深度一般為30～50 cm，一般不宜小于40 cm。排水孔之間須用襯砌土或混凝土填充嚴實，不得用水泥砂漿封堵或使用鋼筋混凝土等封堵，嚴防雨水流失影響擋土墻的使用壽命。

在施工過程中，需要對圍巖的安全進行監測。施工單位應在施工作業面的醒目位置設置圍巖安全監測標志，使每一個作業面都能及時、準確地掌握圍巖的穩定狀況。一般情況下，施工單位在每個作業面設置一個圍巖安全監測點，每隔一段時間應進行一次監測，并在現場記錄或通過計算機分析處理后將監測結果記錄下來并存檔。監測資料必須與有關設計、規范和規程保持一致，并可根據實際需要進行適當修改或補充。施工單位還應定期進行圍巖的動態監測工作，監測內容主要包括：巖體強度、巖面變化、邊坡變形、地下水情況、地表沉降、裂縫等，并進行必要的觀測試驗，從而判斷監測結果的可靠性，從而及時地采取有效的安全措施及預防措施來保證施工作業面的安全與穩定，圍巖動態監測工作要做到每一個作業面的每一道工序的全過程監督檢查，對監測中出現問題的部位要及時予以處理，確保監測工作正常有效進行。

在錨桿與支護樁的安裝中，需要尤其注意錨桿與支護樁安裝方式。安裝方式很大程度上決定了錨桿在埋設過程中的深度，影響施工過程中的質量。文章所選擇的錨桿與支護樁安裝方式為單根安裝，主要是由于單支錨桿在支護線向兩端平行且間距為1 m，在這樣的形態下，使用單根安裝的方式不僅能夠節省工程成本，而且也能夠達到安全施工的要求。

3 水渠設計施工方法性能驗證

為了驗證文章的水渠工程設計與施工布置方案具有一定的有效性，選擇改造之后的灌區綜合灌溉水利用系數與2010年時的綜合灌溉水利用系數進行比較。得到的結果如表3所示。

表3 不同年份的下的灌區綜合灌溉水利用系數表

從圖1 可以看出，經過重新設計施工后，該研究區綜合灌溉水利用系數能夠達到0.95，符合水利工程要求的規范標準。

4 結語

灌區工程建設較早，因此在使用過程中存在較多的水資源浪費問題和安全隱患。灌區改造對水渠工程進行設計和施工布置，對于解決灌區灌溉面積不足問題，鞏固糧食生產能力，改善生態環境具有重要的意義，真正地實現“藏糧于地”“藏糧于技”，在水利建設中打造先進的農業生產體系。