浅谈灌溉渠道改造设计要点_曾楚武
第7期2012年7月广东水利水电
GUANGDONGWATERRESOURCESANDHYDROPOWERNo.7Jul．2012
浅谈灌溉渠道改造设计要点
曾楚武
（广东省水利电力勘测设计研究院，广东广州510635）
摘
要：根据多个灌区改造设计经验，提炼出渠道规模的复核及确定、渠道布置设计、渠道剖面设计、渠道防渗设计和
细部结构设计等工作是渠道改造设计的几个要点，并就要点展开叙述，同时提出操作方法，可供同类工程参考。关键词：灌溉渠道；改造设计；要点；灌区；ZDMCAD中图分类号：TV91
文献标识码：B
文章编号：1008－0112（2012）07－0060－03
2011年中央一号文件明确提出，到2020年基本完成大型灌区、重点中型灌区续建配套与节水改造任
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务。至目前，我国2万hm以上的大型灌区有402处，0.333～2万hm2的中型灌区2157处。这些灌区大多建于20世纪50、60年代，经过多年运行，存在建设标准低、配套设施不全、老化失修、结构及设备不同程度损坏、渠道渗漏严重等问题。为了贯彻落实中央精神和要求，有效地解决上述存在问题，恢复和增加农田有效灌溉面积，并达到节约水源、改善农业生产条件、改善生态环境和提高农业综合生产能力的目标，开展灌区改造设计工作是非常必要和迫切的。
根据多个灌区改造设计经验，并通过了解，得出灌溉渠道改造设计的要点。这包括：渠道工程规模的复核及确定、渠道布置设计、渠道剖面设计、渠道防渗设计和细部结构设计。渡槽、节制闸和涵洞等建筑物属于灌排建筑物范畴，本文拟不进行叙述。1渠道工程规模的复核及确定
灌区改造设计类同于新灌区设计，又有其独有的特点。经过多年运行，灌溉范围的渠系水利用系数低，灌溉面积萎缩，但大多数灌区已形成完整的灌排体系；灌溉改造设计时应尽量维持主干渠系的布置不变，可采取工程措施提高渠系水利用系数，恢复有效灌溉面积。因此，渠道工程任务和规模的确定工作主要是对规模进行复核。渠道规模应根据灌溉规模而定，通过复核、论证灌溉规模，确定各灌溉渠道的规模。原则上原渠道设计规模大于现复核规模的，维持原渠道设计规模；原渠道设计规模小于现复核规模的，按现复核规模进行设计。
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渠道布置设计
旧灌区经过多年运行，对于能维持正常运行的渠道，应保持原渠道总体走向布置不变，设计的渠道中心线尽量与原设计中心线靠近或重合。因此，渠道布置设计的主要工作是设计中心线拟合。
渠道中心线是渠道长度丈量的依据，是结构施工放样和建筑物定位的准则，是工程平面布置的灵魂。由于现状渠道多不规则，设计中心线需要根据现有渠道的走向、前后段的宽度和两侧的地形，以及横剖面断面形式，经过反复调整，得到一条相对合理的中心线。
传统的方法是先初步确定渠道横剖面断面形式和渠道分段底坡，然后在平面布置图和横剖面图上人为调整前后断面位置，结合土石方挖填平衡要求，同时考虑方便施工和后期运行管理，再经过多次分段调整，最后拟合得到一条相对合理的设计中心线。但这方法耗时间、重复性大、效率低。而采用ZDMCAD辅助设计软件（ZDMCAD软件是一个由广东省水电设计院张冬明高级工程师在AutoCAD平台上开发出来的CAD辅助设计软件）在数字化地形图上通过一系列专用命令（如调整横剖面中心点位置再生成设计中心线、地形图切纵横断面等命令）操作和人为适当调整，可以快速完成设计中心线拟合工作。3渠道剖面设计
3.1渠道纵剖面设计及水面线推求3.1.1水面线推算的制约条件
原渠道沿线有些交叉建筑物是可以直接保留利用或通过简单维修沿用的，但这些建筑物往往是水面线推算的制约边界条件，例如沿用的渡槽或水闸（主要
收稿日期：2012－02－14；修回日期：2012－05－10
作者简介：曾楚武（1978－），男，硕士，从事水利水电工程结构设计工作。
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是节制闸、分水闸）。沿用的渡槽槽底或水闸底板是已经确定的高程，分段确定渠道底坡时，它们将影响渠道底坡的推算并直接地影响水面线；还有，阻水的桥墩会缩窄了渠道的过水断面，壅高了水位，影响了交通桥上游的水面线；另外，有些交通桥的梁底或板底距离渠道水面近，满足不了水面与桥底结构的净空要求。
3.1.2渠道纵坡要求
渠道改造设计的纵坡除了考虑现有交叉建筑物的制约边界条件外，还要考虑设计流量、渠道糙率和引水含沙量等因素，并结合以下要求或原则，通过计算分析、适当调整确定。
①满足渠道的不冲不淤流速，在保证设计输水能力、边坡稳定和水流安全通畅的前提下，力求渠道断面最小；
②充分沿用现有的渠道底坡，尽量减小对渠底进行大方量开挖或回填；
③以保留利用、沿用的建筑物作为控制边界，分段进行渠底纵坡设计，尽可能满足渠道上下游水面衔接，避免上下游出现大的水面变化；
④工程量较省，造价经济合理。3.1.3水面线的推求
正如前文说到的，有些渡槽或水闸等渠系建筑物是水面线的控制边界，故需要先确定渠道各控制断面处的设计水位，明确各干支渠的分水流量，然后在满足各干支渠分水流量、分水水位、现有建筑物控制边
界等要求的情况下，按简化的稳定均匀流公式推算各渠段水面线。
［1］
简化的稳定均匀流公式：Hs=Hx+（Q/k）2×L
式中Hx、Hs为分别为下断面和上断面水位，m；Q
3
为设计流量，m/s；L为两断面间距，m；k为上、下断面平均流量模数。3.1.4渠堤顶高程确定
［2］
《灌溉与排水工程设计规范》要求，对于1按照
～3级渠道，渠道超高按土石坝设计要求进行论证确定，4、5级渠道的超高按0.25倍加大水深再加0.2m控制。根据这原则进行计算，对现状渠堤高度不满足此要求的，则将渠堤进行加高；现状渠堤高于此要求的，应尽量维持现状渠堤高度不变。3.2横剖面断面断面形式式选用
在渠道工程中，应用较广的断面是明渠横断面。明渠横断面一般有梯形、U形、矩形、半圆形及复合形。
标准梯形断面是渠道边坡呈倾斜的横断面（见图1），相比其他断面形式，梯形断面施工简单，边坡稳定，对地形、地质条件要求较低。梯形断面通常还包括弧形底梯形断面和弧形坡脚梯形断面2种（见图2和
［3］
图3），这2种断面形式适应冻胀变形能力强，可在一定程度上减轻冻胀变形所引起的不均匀性，在北方寒冷地区应用推广较好
。
U形渠道多采用底部为半圆或弧形，上部为一定倾角的直线段的断面形式。U形断面近似于最佳水力断面，渠道的渠口窄，节省土地，挖填方量和衬砌工程量小。U形断面混凝土渠道防渗效果好，渠槽厚度小，轻巧，适用于山区、丘陵地区及平原地区的小型渠道。
矩形断面其实就是边坡系数m=0的梯形断面，通常由于土地资源紧缺或地方狭小无法布置梯形断面而采用该断面形式，如渠道通过土地较为紧张的城区段或者渠道傍山腰布置段。
每一种断面形式都有其自身的优点和缺点。因此，在选择设计断面形式时，应根据不同的地形地质、施工条件和水流特性等因素，选择合适的断面形式，使渠道工程经济耐用，便于管理，运行合理。在实施过程中，干、支渠等大中型渠道，通常采用梯形断面，由于弧形坡脚梯形断面边坡稳定性较高，故亦适合于在上述渠道工程。U形断面由于具有水力条件好，输水损失小，易于机械化施工等一系列优点，适宜在支、
［3］
斗、农渠等小型渠道工程中采用。4渠道防渗设计
渠道防渗是我国目前应用最广泛的节水工程技术，也是提高农业灌溉用水有效利用率的关键技术。渠道防渗后，一方面可以提高水的利用率，缓解农业用水供需矛盾，节约的水可扩大灌溉面积，促进农业生产的迅速发展；第二方面可以减少渠道糙率，加大流速，增加输水能力，防止渠道淤积等；第三方面可以降低地下水位，防止和改良盐碱地和沼泽地，有利于生态环境和农业现代化建设。
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在渠道改造工程的投资组成中，渠道防渗可算是最大的一项，可占工程建安费的10%～25%，所以渠道防渗设计方案的确定至关重要。目前，我国常用混凝土或沥青混凝土、土料、水泥土、砌石和膜料等材料作为渠道防渗层，达到防止渠道渗漏的目的，其中，在渠道改造工程中应用较广的有混凝土和砌石防渗。
混凝土防渗是目前广泛采用的一种渠道防渗技术措施，适应于大、中型渠道防渗工程。它具有防渗效果好、糙率小、允许流速大等特点，一般能减少渗漏损失90%～95%以上［4］。另外，混凝土防渗还具有强度高、耐久性好、抗冻抗腐蚀能力强、便于管理等特点。混凝土防渗衬砌可分为现浇混凝土衬砌和预制混凝土板衬砌，现浇的混凝土整体性能好，防渗效果高，可适应各种不同的断面形式；预制混凝土板衬砌适用于填方、松散的砂性土挖方渠道和梯形断面渠道，不受施工季节影响，但是接缝多、糙率大、防渗效果稍差。
砌石防渗按结构形式可分为护面式和挡土墙式（如仰斜式挡土墙）2种，砌筑方式主要为浆砌块石和浆砌料石。砌石防渗的优点是可就地取材、抗冲刷和耐磨性能强，一般渠内流速可达3.0～6.0m/s，大于混凝土防渗渠的抗冲流速，同时抗冻和抗渗能力也较强，适用于旧渠道改造或加固，在渠道与水闸或渡槽的连接渐变段（或扭面）中应用较多。为减小糙率，通常采用砂浆对临水侧进行抹面防护，并对顶面进行压顶处理，提高美观效果。缺点一是糙率较大，水头损失大，而且仅适用于石料来源丰富的地区；缺点二是该工艺较难实现机械化施工，施工质量难于控制。目前，随着环保意识的提高、采石审批手续的繁琐和政策的收紧，越来越少的地区可以提供石料；另外，建筑市场激烈的竞争和好手艺工匠的减少，砌石质量不尽人意，多数业主和设计人员对当今的砌石质量不放心，不同意或建议不采用该工艺，这种传统又曾经让世人骄傲的施工工艺会逐渐淡化在人们的视野中。5渠道细部结构设计5.1渠堤宽度设计
［5］
《渠道防渗工程技术规范》根据规定，防渗渠道
堤顶宽度按表1选用，渠堤兼顾做公路时，按道路要求确定，道路要求的单车道宽度为3.5m。
表1
渠道设计流量/（m3·s－1）堤顶宽度
/m
＜20.5～1.0
路面结构为泥结石或沥青砼，临近村庄或交通要求稍高的渠堤，常采用沥青砼路面。5.2深挖方渠段的地下水导排设计
根据规范要求，对于地下水位高于渠底的刚性材料防渗和埋铺式膜料防渗渠道，为防止地下水在停水期产生较大的浮托力，破坏渠道防渗材料，需要对渠基的地下水进行导排设计，并保证排水出口通畅。常用的渠基地下水导排结构有排水暗沟、排水管、透水体、排水暗沟与渠底集水井组成的排水系统和由排水管、排水暗沟与渠坡渠底排水阀组成的排水系统。采用哪种结构主要根据边坡高度（地形情况）、地下水位和地质条件综合考虑确定。5.3伸缩缝填充材料选择
如采用混凝土等刚性材料的渠道防渗结构应设置伸缩缝，伸缩缝分平行水流方向的纵缝和垂直水流方向的横缝。伸缩缝的嵌缝材料宜采用粘结力强、变化性能大、耐老化、在当地最高气温下不流淌、最低气温下仍具有柔性的弹塑性止水材料，如焦油塑料胶泥和石油沥青聚胺脂。海南省大广坝水电二期（灌区）昌江干渠的做法是缝下部填焦油塑料胶泥，上部采用沥青砂浆封口，而广东省湛江市雷州青年运河灌区（运河部分）则采用BW聚乙烯闭孔泡沫板嵌缝、石油沥青聚胺脂封口，两个工程的嵌缝止水效果均较好。6结语
通过对渠道规模进行复核和论证，确定设计标准，开展渠道中心线拟合工作，根据拟合结果确定布置设计的基准线；结构纵剖面设计明确了前后段之间的衔接关系，结构横剖面设计展现了结构的断面形式、轮廓和各分部建筑材料，而细部结构设计则进一步明确了重要结构的组成形式、材料规格和技术要求等。上述这些都是渠道改造设计的要点，完成了这些要点工作，也就完成了灌溉渠道改造设计的核心内容。
参考文献：［1］广东省水利电力勘测设计研究院．广东省湛江市雷州青
年运河灌区续建配套与节水改造工程初步设计报告（运河
．广州：广东省水利电力勘测设计研究院，部分）［R］
2010．［2］中华人民共和国水利部．GB50288－99灌溉与排水工程
S］．1999．设计规范［
［3］曹政权，齐广平，裴兵，等．几种防渗渠道断面的比较
J］．甘肃农业大学学报，2006，（5）：134－138．分析［
［4］何武全．我国渠道防渗工程技术的发展现状与研究方向
［J］．防渗技术，2002，8（1）：31－34．［5］中华人民共和国水利部．SL18－2004渠道防渗工程技术
S］．2004．规范［
防渗渠道的堤顶宽度
2～51.0～2.0
5～202.0～2.5
＞202.5～4.0
通常，为满足管理维护时的交通要求和防汛要求，
通车一侧宽度通常设计为3.5m，另一侧根据实际情况确定。为方便渠道运行管理和防汛抢险，渠道通车侧
（本文责任编辑王瑞兰）
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