爱河中型灌区渠道断面形式比选

杨洪宁

【摘 要】在传统的渠道设计中,人们往往只从水力学的角度考虑,由计算得到的最佳水力断面在4％的变化范围内选取一个宽浅式的断面,而忽略经济上的合理性和施工的便捷性.文章以修建费用为目标,运用水力学的方法对爱河中型灌区的渠道进行设计,说明断面设计的合理性,为爱河流域的灌区渠道设计提供了量化依据. 【期刊名称】《吉林水利》 【年(卷),期】2018(000)004 【总页数】3页(P20-22)

【关键词】中型灌区;渠道断面;修建费用 【作 者】杨洪宁

【作者单位】辽宁省江河流域管理局,辽宁 沈阳 110008 【正文语种】中 文 【中图分类】TV672+.9

爱河灌区位于丹东市凤城市，工程修建于二十世纪五、六十年代，由于当时工程建设标准偏低，后期资金投入又没有跟上，部分地区存在老化、年久失修，渠道坡度缓、不利于泥沙输送及渠道衬砌损坏严重甚至脱落、灌溉期渠道内水位降低、无法满足基本灌溉排水的问题层出不穷。

为了对灌区进行优化设计，不少学者做出了研究。谌洪烨[1]、刘媛[2]等分别阐述

了在小型农田水利建设中灌渠横、纵断面设计时应注意的问题及设计参数的取值范围，但仅考虑了水力学方面的因素。雷雨采用风积砂和苯板两种防冻材料的梯形渠道断面以总工程量和工程费用最小为目标对阿依巴克干渠渠道断面进行设计[3]；李锐以修建费用为指标分析了东河塘干渠梯形渠道的实用经济断面设计[4]；两者并未对多种断面形式进行比较分析。黄伟[5]针对小型渠道分析了多种U形渠道的水力最优断面及其适用条件，考虑了水力学因素及施工中的挖填量。本文综合考虑断面形式、尺寸及防冻设计，以费用最小为目标进行渠道断面设计，为爱河中型灌区渠道设计提供量化依据。 1 工程概况

爱河中型灌区以种植水稻为主，灌溉水源为爱河河水，水质良好，丰水期各项指标均满足地表Ⅱ类水水质标准，适宜农田灌溉。爱流流域土壤在全国属于东部湿润、半湿润地区森林封群第，灌溉保证率75%。

现状渠道为现浇钢筋混凝土板防渗，坡比1∶1.25。工程位于八道河（爱河的一条支流）的阶地上，阶地上现状广泛分布农田，设计灌溉面积5 000亩，为中型灌区。工程区标准冻深为1.0m。沟渠两侧槽壁的土层以耕土层为主，成份主要为粉土混粘土及少量的圆砾，其渗透等级为中等透水性，而沟渠的槽底土层多为砂卵石层，其密实度较好，强度较高，渗透性等级为强透水性，沟槽开挖坡比宜缓于1：1.0。根据勘测数据，现有渠道比降0.5‰。 2 渠道设计断面形式

在以往梯形渠道断面设计中，渠道参数往往运用最佳水力断面或实用经济断面进行计算[4]。这种方法忽略了灌区改造经济上的合理性和施工的便捷性，给后期的运行管理带来不便。本设计针对爱河中型灌区的实际情况，从渠道断面形式、尺寸及防冻胀三因素综合考虑，选择修建费用最小的方案。 2.1 渠道断面形式

中型灌区的输水渠道一般采用梯形断面，但渠道边坡的破坏主要在衬砌下部的1/3处，而U型渠道的U型部位抗冻胀能力和其他类型相比较强[5]，本次设计选用梯形断面和U型底梯形断面来进行对比分析，选定渠道断面形式。 2.2 渠道防冻胀设计

根据渠道的冻胀破坏机理，只要有足够厚度的防冻体，即可避免冻胀破坏。对于冻胀渠道，最简单有效的方法就是用非冻胀材料进行换填。置换深度Zt按下式计算：

式中：Zt为换填深度，m；ε为置换比，本工程取50%；Zd为设计冻深，与历年最大冻深、地下水影响系数及日照、遮阴程度有关，m；δ0为防渗层厚度，本工程为0.08m。

由 （式1）计算得知置换深度为 0.34m，取0.35m。中小型渠道，苯板厚度可为置换深度的1/10[6]，本设计取 3.5cm。 2.3 渠道断面尺寸

爱河干渠的设计流量1.22m3/s。根据工程实际情况并参考 《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99）确定渠道边坡系数m=1.25，渠道糙率n=0.017，混凝土衬砌厚度为8cm。利用明渠均匀流公式计算断面尺寸。

梯形断面：利用水力学的方法计算渠道的最佳水力断面，并在4%的变化范围内进行变化，得到渠道的实用经济断面：底宽0.8m，边坡系数1.25，相应的设计水深h0=0.85m、过水断面面积A=1.58m2、湿周 χ=3.52m、流速 v=0.77m/s、渠道岸顶超高Fb=0.44m。

U形底梯形断面：经过实际灌区的实践应用对比，外倾角为12°时，渠道比较稳定，可以有效改善水流条件，并减少淤积，同时冻胀破坏有所减轻，工程寿命比较长[5]。在流量Q=1.22m3/s时，圆弧半径r=0.86m，相应的水深h=1.05m、过水断面面积A=1.50m2、渠道过水断面湿周P=3.09m、渠顶超高Fb=0.45m、流速

v=0.81m/s。 3 渠道断面选择

根据防冻胀及断面尺寸计算，设计如下四种形式的断面：（1）梯形断面砂垫层保温；（2）梯形断面苯板保温层；（3）U形底梯形断面砂砾石保温层；（4）U形底梯形断面坡面苯板底部砂砾石保温层。具体渠道断面形式如图1。

对四种断面形式的过水断面面积、湿周、材料及工程费用进行比较，如表1。 从表中可以看出：（1）相同的流量条件下，U形底梯形断面的过水断面面积比梯形断面小5.1%，湿周比梯形断面小12.2%，相同的施工条件下土方开挖量相对较小；（2）相同流量条件下，U形底梯形断面的水深比梯形断面深23.5%，开挖深度较大；（3）在相同防渗厚度下，U形底梯形断面的混凝土用量比梯形渠道省15.9%；相同防冻胀条件下，U形底梯形渠道比梯形渠道的砂砾石用量省14.4%， 图1 渠道断面形式

表1 单位长度渠道各要素对比表断面形式 （1） （2） （3） （4）过水断面面积（m2） 1.58 1.58 1.5 1.5湿周（m） 3.52 3.52 3.09 3.09设计水深（m） 0.85 0.85 1.05 1.05材料混凝土（m3） 0.44 0.44 0.37 0.37钢筋（t） 0.016 0.016 0.014 0.014砂垫层（m3） 1.95 - 1.67 -苯板（kg） - 3.42 - 2.7造价（元） 645 1403 601 1203

苯板用量省21.1%，且U形部分可以直接从厂家定制，质量更容易保证；（4）工程造价方面，虽然砂料可从当地河道筛取，容易取得、造价低廉，而苯板需要外购，价格相对较高，但总体造价U形底梯形渠道低于梯形渠道、采用苯板防冻胀的成本低于砂垫层。 4 结语

1）相同流量及施工条件下，U形底梯形断面比梯形断面渠道的土方开挖量小、开挖深度大，在土地紧张、要求施工占地少的地方应优先选用U形底梯形断面；

2）相同防冻胀条件下，U形底梯形断面渠道比梯形断面渠道工程费用低，苯板防冻胀比砂垫层防冻胀成本小，且U形底梯形断面渠道可以选择厂家定制，新产品质量有保证，在灌渠的防冻设计上应优先考虑新型材料苯板防冻胀。

3）爱河中型灌区渠道采用U形底梯形断面和苯板防冻胀设计，满足水力学、防冻胀要求且施工成本较低，符合灌区优化设计要求。□ 参考文献：

[1]谌洪烨.基于小型农田水利工程的灌渠设计 [J].黑龙江水利科技， 2014 （2）： 152-153.

[2]刘媛.小型农田水利工程中灌渠设计问题研究 [J].工程技术，2016 （7）： 139. [3]雷雨.阿依巴克干渠工程渠道断面的设计 [J].陕西水利，2016（7）： 152-154. [4]李锐.东河塘干渠梯形渠道实用经济断面设计分析 [J].水利技术监督， 2017 （2）： 111-113.

[5]黄伟.多种U型渠道水力最优断面及应用 [D].扬州：扬州大学，2015. [6]何兴祖.谈渠道的防冻胀处理方法 [J].华东科技，2014（11）：106.