农田水利灌排渠道工程改造设计

摘 要：随着社会进步和经济的不断发展，水资源供需矛盾日益突出。在此背景下，加大灌区渠道改造工程的投入，对农业可持续发展具有重要意义。开展渠道改造治理可以提高灌区的水资源利用效率和促进项目区水生态恢复，还可以实现农田水利工程的长远发展。以长沙市开福区某灌排渠道改造工程为研究对象，针对灌区灌排渠道护岸护坡工程进行改造设计，同时进行了灌排渠道改造施工时设计洪水量计算和施工导流与度汛设计，以期为类似的渠道改造治理提供一定的参考。

关键词：农田水利；灌排渠道；设计洪水；改造

中图分类号：S277 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2024）13-155-3

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.13.035

0 引言

灌排渠道工程是农田水利工程的重要组成部分，灌排渠道的改造对农业的可持续发展具有重要意义［1-3］。我国是一个农业大国，农业用水量较大［4］，但我国灌区水利设施大多建造时间较为久远，灌排工程设计标准较低［5-6］，加之工程运行维护投入不足，造成灌区渠道工程运行效率低下［7-8］。因此，保障渠道工程完好，改善渠道运行管理条件，提高渠道输水效率是灌区续建配套与节水改造的主要任务［9-10］。该研究项目区现状渠道绝大多数是土渠，渠道水土流失严重，且年久失修，出现积水塘及半数渠道无水的现象，导致行洪排涝能力减弱。随着当地集镇规模的不断扩大，因洪涝灾害造成的损失也愈来愈大，而这又严重制约了集镇经济的发展。因此，加快该渠道的改造以提高该干渠防洪及行洪能力势在必行。

1 项目概况

该项目渠道绝大多数是土渠，由于年久失修、淤塞严重，防洪标准约为1 a一遇。每逢上游出现较大强度暴雨，水位就会暴涨，使大面积农作物受灾。现有渠道防洪能力不能满足当地社会经济发展的需要。该项目所在地主要河流为捞刀河。捞刀河为湘江一级支流，流经长沙县及长沙市开福区，最后在郊区望城、肖家洲之间入湘江。捞刀河河道全长约51 km，集雨面积为1 204.8 km2。项目区渠道现状如图1所示。

2 护岸护坡工程设计

2.1 护坡形式选择

本着“因地制宜，就地取材，经济实用，便于施工，满足防汛和管理要求”的原则，护岸护坡工程堤型结构采用浆砌石挡墙。

2.2 护坡结构设计

浆砌石挡墙堤型：堤脚采用M7.5浆砌石挡墙，迎水面坡比为1∶0.5，顶部宽度为0.5 m，墙高度为1.8 m，其中基础深度为0.4～0.5 m，内外沿深度均为0.4 m。挡土墙内设置D50 PVC排水管，间距为2.0 m，其对渠道具有抗冲刷、保护渠线的作用。

2.3 挡墙基础埋深计算

分布在渠道平直段和斜冲段的堤段，其防护形式要视该处具体冲刷情况而定。对于平直堤段，采用《堤防工程设计规范》（GB 50286—2013）中水流平行于岸坡产生的冲刷公式，见式（1）和式（2）。

[hs=H0UcpUcn-1]                             （1）

[Ucp=U2η1+η]                                 （2）

式（1）和式（2）中，hs为局部冲刷深度（从水面起算），m；[H0]为冲刷处的水深，m；[Ucp]为近岸垂线平均流速，m/s；U为行近流速，m/s；Uc为最大允许不冲流速，m/s；n为与防护岸坡在平面上的形状有关，一般取1/4；η为水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角α查表1可得。

计算得出各河段墙前最大可能冲刷深度为0.10～0.35 m。根据《城市防洪工程设计规范》（GB/T 50805—2012），防洪墙基础埋深就在冲帽线以下0.4～0.6 m处。

2.4 仰斜式浆砌石挡墙稳定及应力计算

工程采用仰斜式浆砌石挡墙。为了节省工程投资，该次设计根据挡墙的高度采用同种断面形式，挡墙每隔10 m设置一道沉降缝，缝宽度为20 mm，缝内填塞沥青杉板。挡墙设Φ50PVC排水孔，孔距为2 m。墙后回填砂砾料。挡墙设计计算内容包括抗滑、抗倾稳定、应力计算及基础的承载能力验算。由于该阶段防洪墙推荐方案为仰斜式挡墙，在该阶段应对防洪墙按高度及地基土层情况分类进行稳定和应力计算。

2.4.1 计算断面选取和物理力学参数

在防洪墙工程范围内，仰斜式挡墙高度为1.8 m。防滑凸榫的尺寸为0.5 m×0.5 m（宽×高）。该阶段按挡墙高度及地基持力土层情况，应力计算所采用的物理力学指标如下：根据工程地质勘查成果及有关规范，浆砌石容重为23.0 kN/m3。以强风化砂砾石作为持力层时，基底滑动摩擦系数取0.50。根据地勘资料，该工程各河段基础及回填土力学指标基本一致，具体物理力学指标见表2。

2.4.2 荷载和荷载组合

荷载考虑结构自重、水压力、土压力、基底扬压力、人群荷载等因素。结构自重包括防洪墙自重、墙上回填土重，土压力采用库伦公式计算。

荷载组合采用非常运用条件和正常运用条件两种工况。工况一：非常运用条件，渠道无水，荷载为结构自重、土压力、施工荷载。工况二：正常运用条件，渠道无水位，墙后水位为1/2墙高，荷载为结构自重、土压力、水压力、基底扬压力、人群荷载。

2.4.3 稳定及应力计算

根据《水工挡土墙设计规范》（SL 379—2007）进行稳定及应力计算。挡土墙的抗滑稳定系数按式（3）计算。

[Kc=f·GH]                               （3）

式（3）中，[Kc]为挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数；[G]为作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载，kN；[H]为作用在挡土墙上全部平行于基底面的荷载，kN；[f]为挡土墙基底面与地基之间的摩擦系数，土质地基与混凝土摩擦系数取0.5。

挡土墙的抗倾覆稳定安全系数按式（4）计算。

[K0=MVMH]                                （4）

式（4）中，[K0]为挡土墙抗倾覆稳定安全系数；[MV]为对挡土墙基底前趾的抗倾覆力矩，kN·m；[MH]为对挡土墙基底前趾的倾覆力矩，kN·m。

挡土墙的基底应力按式（5）计算。

[Pmax.min=GA±MW]                        （5）

式（5）中，[Pmax.min]为挡土墙基底应力的最大值或最小值，kPa；[G]为作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载，kN；[M]为作用在挡土墙上的全部荷载对水平面平行前墙墙面方向形心轴的力矩之和，kN·m；A为挡土墙基底面的面积，m2；W为挡土墙基底面对基底面平行前墙面方向形心轴的截面矩，m3。

渠道护脚挡墙稳定计算成果见表3。从表3中可以看出，防洪墙的抗滑、抗倾均满足规范要求，地基应力满足地基允许承载力要求。

3 设计洪水

从万分之一地形图上量得境内灌排渠桩号K0+000段面以上流域集雨面积为0.56 km2，采用《湖南省暴雨洪水查算手册》查算的方法。桩号K0+900以上渠道干流长度为0.92 km，渠道平均坡降为0.25‰。查《湖南省暴雨洪水查算手册》，该项目所在区域属于湖南省暴雨分区第一区，最大24 h点雨量均值为105 mm，最大24 h点雨量变差系数CV为0.45，偏态系数CS=3.5CV，产流分区属第Ⅰ区，I0=30 mm。根据上述有关参数，求得灌排渠治理河段5 a一遇24 h点暴雨量为132.30 mm，3 a一遇24 h点暴雨量为116.84 mm。根据地形参数、汇流系数及Rt—t关系曲线，推求各频率洪峰流量及汇流时间，地形参数为63.07，汇流参数为1.1，计算得到灌排渠5 a一遇洪峰流量为1.87 m3/s，3 a一遇洪峰流量为1.56 m3/s。

4 施工导流与渡汛

4.1 导流及渡汛标准

根据《水利水电工程施工组织设计规范》（SL 303—2017）和《水利水电工程等级划分与洪水标准》（SL 252—2017）规定，导流建筑物级别为5级。为节约工程投资，根据工程实际情况（工程量相对较小，施工期限短），工程土堤各分段安排在一个枯水期内完成，施工均在9月至次年3月，可在干地施工，不需要进行导流设计。由于穿堤建筑物的进、出口底板高程均较低，需进行施工导流设计。

4.2 导流建筑物设计

护坡堤脚施工时间短，施工围堰仅需保护堤脚段满足在干地施工要求。围堰堰顶高程按3—4月平均水位加0.5 m超高，即2.5 m设计。临时围堰采用黏土麻袋或草袋填筑，围堰顶宽度为1.5 m，平均高度为2.5 m，内外坡比均为1∶1.0。考虑施工实际情况，分段进行围水，共计围堰土方2 500 m3。围堰基坑内初期排水选择2台5.5 kW水泵，1 d排干；经常性排水设备利用初期排水设备。护坡堤脚施工后要立即拆除围堰，采用人工拆除，挑运上堤后装汽车运输至弃料场。

5 结束语

农田水利灌排渠道与农业生产关系密切，是促进我国农业经济发展的重要保障。此次灌排渠道的改造可解决淤积问题，极大提高渠道的行洪排涝能力；可保护沿岸居民的生命和财产安全，促进集镇经济的发展；可与附近的泵站形成配套，充分发挥灌排渠道在农业生产中的作用。

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［10］左令中.小型灌区农田水利渠道设计与施工分析［J］.农技服务，2014（7）：139.

（栏目编辑：李 菡）

作者简介：谈聪（1986—），男，工程师，研究方向：水利水电工程建设施工管理。