瓠杓嶺引榕灌區續建配套與節水改造設計分析

杜成祥

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司,廣東 廣州 510610）

1 工程概況

瓠杓嶺引榕灌區是揭西縣一宗重點中型灌溉截洪工程,位于廣東省東部、榕江南河中上游,利用瓠杓嶺攔河閘壩攔蓄榕江南河水引水灌溉,其興建于二十世紀五十年代,距今已運行六十余年,灌溉區域涵蓋錢坑鎮、鳳江鎮以及金和鎮三個行政鎮,灌區干渠部分包括總干渠、北干渠、東干渠以及和南支渠。由于工程運行時間長,原設計標準低,現各渠系輸水困難,已不能滿足灌區農業和人們生活用水要求,嚴重影響了灌區農業經濟發展和人們生活水平提高,為解決這個問題,亟需對瓠杓嶺引榕灌區進行續建配套與節水改造[1]。

瓠杓嶺引榕灌區由渠首攔河閘壩和引水渠道及其渠系建筑物組成,設計灌溉面積5.03 萬畝,總受益人口約20 萬人,灌區工程主要包括灌溉渠道以及泄洪閘、節制閘、橋梁、過水涵等渠系建筑物。主要灌溉渠道由總干渠、北干渠、東干渠以及和南支渠組成,其中總干渠已完成渠道整治,北干渠長10.87 km、東干渠長4.79 km、和南支渠長6.06 km,渠道總長21.72 km,渠系建筑物共102 座。

2 灌區工程建設的必要性

揭西縣瓠杓嶺引榕灌區是揭西縣農產品的主要生產基地,也是當地農業和農村經濟發展的重要基礎。灌區工程距今已運行六十余年,由于工程運行時間長,原設計標準低,渠道崩塌、淤積,渠系建筑物老化、破損嚴重,致使水資源利用率偏低,“卡脖子旱”頻繁發生。現干渠輸水困難,已不能滿足灌區農業用水要求,農田灌溉水有效利用系數不到0.5,嚴重影響了灌區農業經濟發展,同時因灌區年久失修,灌溉水利用系數逐年減小,灌溉效益逐年降低。

因此,根據新時期經濟社會發展對灌區工程的要求,灌區現代化建設,是促進農業結構調整,促進水資源合理開發和高效利用的重要措施,也是實現二十一世紀農業水資源可持續利用和國民經濟可持續發展的重要舉措。

3 灌區工程設計分析

瓠杓嶺引榕灌區干渠部分主要包括北干渠、東干渠、和南支渠以及泄洪閘、節制閘、分水閘、橋梁、過水涵等渠系建筑物。渠道改造總長為21.72 km,其中北干渠長10.87 km、東干渠長4.79 km、和南支渠長6.06 km。改造渠系建筑物共102 座,其中進水閘3 座、節制閘13 座、泄洪閘2 座、分水閘19 座、渡槽1 座、過路涵8 座、反虹涵4 座、放水涵37座以及交通橋15 座。

3.1 渠道平面布置

瓠杓嶺引榕灌區現狀渠系布置較為合理。渠系經過多年的運行和改造,證明能合理的調節水資源利用。通過工程的布置,灌區內高程不等的耕地均能灌溉,說明現有渠系布置比較合理。同時為了減少征地拆遷,降低投資,避免引起不必要的社會問題,灌區基本按照原渠線布置,不作較大的改動。

3.2 渠道縱斷面設計

瓠杓嶺引榕灌區干渠部分渠道水面線采用明渠非恒定均勻流水面線推求方法計算。考慮到節制閘有控制水位的要求,自各渠道渠尾推起,根據復核后的設計流量推算水面線。水面線推求分段原則：每一計算段底坡一致,流量一致,有水閘、渡槽等渠系建筑物的位置必須分段。

3.3 渠道橫斷面設計

3.3.1 渠道改造措施

工程運行近幾十年來,沒有發生過較大規模地質災害及破壞性地震,灌區部分區域處于低丘、丘陵,農田相對集中在低洼及平原區域。部分渠道依山而建,渠道附近邊坡多為低邊坡,由全風化狀的砂巖、粉砂巖和混合巖等組成,為土質邊坡,在自然條件下穩定性較好。各渠道渠堤填土主要為粉質粘土、粘土等,由砂巖、粉砂巖和混合巖等風化而成,抗沖刷能力較強,堤身基本穩定。各渠道渠基多為全風化帶或沖積粘性土,渠基基本不存在抗滲穩定、抗滑穩定等問題,大部分渠基工程地質條件較好。渠道大部分內坡未進行襯砌防護,局部渠段在水流長期沖刷作用下,發生坍塌,渠水主要通過渠堤身和渠基向外滲漏。所以瓠杓嶺引榕灌區主要為渠道節水防滲改造工程,提升渠道節水防滲、防沖能力,提高渠道的襯砌率,提高渠系水利用系數和輸水環節的水利用系數,并對渠道淤積段進行清淤[2]。

3.3.2 渠道斷面形式比選

渠道斷面型式一般分為三大類：直墻式斷面、斜坡式斷面及直斜復合式斷面,根據工程實際及地形情況每一類可派生出多種、多級型式斷面。其優缺點為：直墻式斷面具有堤身斷面小,工程占地少,但立面單調生硬、親水性差,地基應力大,工程費用高等缺點；斜坡式斷面則較為自然生態,親水性好,地基應力小,工程費用低等優點,但堤身斷面大,工程占地較多；直斜復合式斷面優缺點則介于上述兩者之間。

瓠杓嶺引榕灌區渠道現狀為明渠,渠道現狀大部分為土渠。橫斷面型式主要以梯形為主,在個別渠道的局部渠段橫斷面為矩形,為了減少開挖回填量及占地面積,并保持原斷面的過水斷面面積,盡量利用現有渠道及渠堤斷面,故基本維持現有渠道斷面形式采用梯形斷面和矩形斷面。

3.3.3 渠道護岸結構及襯砌比選

渠道襯砌既經濟又便于施工的一般有砼襯砌和漿砌石襯砌兩種型式。經比較,漿砌石襯砌厚度較大,而砼襯砌不僅具有渠道斷面小,同時還具有工程投資小,質量好控制等優點。因此,本次干渠部分渠道橫斷面設計采用現澆C25 砼“三面光”襯砌。襯砌厚度為100 mm,渠底設100 mm 厚砂石墊層。渠道砼襯砌縱向每5 m 設一道橫向伸縮縫,橫向在渠底兩側設兩條縱向伸縮縫,縫寬20 mm,縫內塞聚乙烯閉孔泡沫板。

北干渠B0+000～B5+530 段為避免岸坡腳受淘刷破壞,在河道坡腳位置進行固腳。護腳擋墻常用型式主要為混凝土擋墻方案以及M7.5 漿砌石方案,綜合對比兩種方案,斷面尺寸相同情況下,兩種方案造價相當,但混凝土方案耐久性高于漿砌石方案,綜合考慮本工程推薦采用混凝土方案。

矩形渠道斷面常用襯砌形式一般選擇現澆混凝土襯砌、混凝土預制槽、砌石襯砌以及砌磚等。從經濟方面比較,矩形斷面型式中砌磚方案經濟最優,混凝土預制槽方案經濟優于現澆混凝土襯砌方案,但混凝土預制槽及砌磚側墻耐久性較差,后期運行管理過程中極易損壞。因此,基于經濟性以及方案耐久性等方面綜合考慮,本工程矩形斷面型式采用現澆混凝土襯砌方案。

3.3.4 橫斷面尺寸

渠道橫斷面以灌溉加大流量復核過水斷面面積,當復核所需的斷面面積比現狀渠道斷面面積大時,則適當加大渠道斷面；當復核所需的斷面面積比現狀渠道斷面面積小時,則斷面基本維持現狀斷面面積大小。

3.3.5 渠道邊坡

根據《灌溉與排水工程設計規范》（GB 50288-2018）及《渠道防滲襯砌工程技術標準》（GB/T 50600-2020）中最小邊坡系數的規定,本次設計干渠部分的渠道最大水深基本在0.6 m～1.2 m 之間,為避免過多的土方開挖與回填,結合渠道護岸設計高度,按照不同渠段的地質條件及現狀邊坡,北干渠B0+000～B5+530 段設計渠道斷面填筑內坡坡比為1∶1.5,其余干渠部分渠道填筑內坡坡比為1∶1,渠道橫斷面型式見表1。

表1 渠道橫斷面型式表

3.3.6 渠頂高程

北干渠B4+065～B5+530 段渠道為3 級建筑物,根據相關規范中的規定,3 級建筑物渠道岸頂超高按土石壩設計要求確定。根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2020）規定：壩頂超高按下式計算：

式中：y 為壩頂超高,m；R 為最大波浪在壩坡上的爬高,m；e 為最大風雍水高度,m；A 為安全加高,3 級壩正常運用條件下為0.7 m。

由于本段渠道位于平原村鎮區域,設計渠底寬度為6 m,水面寬度僅為14 m,風區長度較短,本次設計不考慮波浪爬高和風雍水高度,渠頂超高采用0.7 m。現狀渠頂高程不滿足處,采用加高堤頂以及增設防洪（浪）墻型式處理。

本灌區其余渠道均為4級、5級渠道,渠道岸頂超高按0.25倍加大水深再加0.2 m 控制,設計渠頂高程為加大水位和岸頂超高之和。現狀渠頂高程低于設計渠頂高程的,則將渠頂加高至設計渠頂高程,對渠堤進行加高培厚；現狀渠頂高于設計渠頂高程的,則維持現狀渠頂高度不變。

3.3.7 渠頂寬度

本灌區干渠總灌溉面積為5.03 萬畝。根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288-2018）中的規定,1 萬畝以上渠道渠頂寬度應不小于2 m。結合本工程渠道兩側地形及各干渠實際灌溉面積,設計渠道考慮單側通行,干渠部分渠頂設計2 m 管理道路,管理道路采用200 mm 厚泥結石路面。

3.3.8 防滲襯砌超高

對于梯形渠道,根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288-2018）中的規定,襯砌超高值在設計水位以上0.3 m～0.8 m,且滿足加大流量運行要求。考慮節制閘前側分水口高程較高,節制閘前需灌溉雍水等情況,本工程北干渠B0+000～B5+530 段灌溉運行水深約為1.2 m～1.8 m,該段襯砌高度采用護腳擋墻頂上部1.0 m～1.2 m 控制；其余渠道等級為5 級,設計灌溉水深約為0.5 m,渠道的襯砌高度統一取值為1.0 m,渠道襯砌高度以上坡面均采用草皮護坡。

4 灌區改造效益分析

通過本工程的實施,預計項目區灌溉水利用系數將從原來的不足0.5 提高到0.62,全部實施完成后按現狀多年平均農業灌溉水量計算,則每年可節水1067 萬m3。根據當地社會經濟發展指標及灌區的實際情況,節省的水量可用于農業、工業、生活和環境的用水。用于農業方面的節水量在恢復灌溉面積中已計算；用于環境方面的節水量只產生社會效益,目前尚無定量計算方法；用于工業和生活方面的節水量為簡化計算,采用取用原水價格0.20 元/m3計算,則該部分產生的年節水效益約為213.4 萬元。

5 結語

本文結合工程實例,對中型灌區工程設計進行了系統分析,結果表明,合理的設計能極大提高灌溉水利用系數,產生經濟效益和社會效益[3]。灌區配套續建與節水改造工程的開展,對于保障農田用水、提高農作物產量、促進經濟發展和推動可持續發展具有重要意義。