灌区续建配套与节水改造渠道设计方案优化
[摘要]简要介绍了龟石灌区续建配套与节水改造工程概况，并剖析渠道设计理论、原则及过程，总结经验，阐述在该工程上的应用。
[关键词]龟石灌区；优化；方案比较；断面；衬砌
1工程概况
龟石灌区位于广西东北部，地处广西贺州市钟山县、八步区境内。是以龟石水库为主，12个中小型水库、3处引水工程、16处提水工程为辅的“长藤结瓜”型灌区，设计灌溉面积为30.45万亩。渠道设计流量：0.2～22.0m3/s，渠道为4~5级建筑物，附属建筑物按过流流量分别定为4~5级。由于原设计标准低，渠系建筑物配套不全，工程老化，破损严重，1998年灌区实际灌溉面积仅为17.98万亩，灌区抗旱能力不高，灌溉保证率低，灌区效益未能充分发挥。经过四十多年的冲刷与渗漏，造成现渠道边坡不稳定、渗漏孔洞多，渠道水利用系数较低，已严重影响农田灌溉。为解决渠道渗漏及抗冲能力差的问题，必须采取防渗衬砌措施，以达到节水，提高渠道水利用系数，提高水资源的综合利用价值。工程任务是根据渠道现状，主要对现渠道断面进行清淤、放坡、衬砌，以满足过流能力。
2设计原则
在原有的渠系基础上进行续建配套与节水改造，依此，渠系工程布置按以下原则设计：⑴保持原渠线，局部过于弯曲处适当栽弯取直；⑵在弯道段，如弯道曲率小于5倍水面宽度时，采取顺凸岸渐变横向降坡的方法；⑶在不改变渠道过水断面的情况下，通过渠道防渗技术措施，提高渠道输水能力；⑷力求上下断面连接顺畅，水流流态好；⑸尽量节省工程投资，少占耕地；⑹确保工程安全，运行可靠。
3断面尺寸设计
3.1横断面设计
渠道断面设计的关键是确定符合要求的断面尺寸，即定出断面形状、底宽b及正常水深h。断面形状与湿周有关，在面积相等的几何图形中，周长短的湿周小，半圆形断面渠道比矩形断面渠道湿周小。在其它条件相同情况下，半圆形断面比矩形断面过流能力大，梯形断面湿周及过流能力介于半圆与矩形之间。梯形渠道对地质条件有很好的适性，边坡系数m可以根据地质条件及衬砌型式调整。在该工程设计中尽量采用梯形断面，渠道改造边坡系数保持同原渠道基本一致，因渠道经历长时间考验，不稳定部分逐步被冲刷、滑塌掉，现状渠道边坡趋于自稳状态。设计中小流量渠道及支渠尾部适当采用矩形断面，减小过水面积，抬高过水水深，以满足灌溉要求。
渠道宽深比a选择，原则上应按水力最优断面进行设计，使土石方量和衬砌工程量最小。水力最优断面具有比较窄深的特点，当用于较大渠道时，开挖超过一定深度，施工就很困难。所以像干渠这种大渠道尽量选取较为宽浅的断面，使宽深比a>a最优。但对山坡较陡的盘山渠道，为了避免过大的劈山土石方量，按水力最优断面进行设计，采用较为窄深式断面。
断面形状参数计算，渠道断面不变的渠道各水力要素按明渠均匀流公式计算，拟定几组断面尺寸进行试算，渐变段按明槽恒定渐变流公式计算，计算公式分别如下：
1）明渠均匀流公式
渠道超高分别按土石坝公式和《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288—99）中渠顶超高公式计算，选取狮洞干渠11+183断面（Q=1.730m3/s）计算，计算公式如下：
规范公式计算的渠道超高值大，且超高基面较高。根据龟石灌区多年的运行情况，避免渠道挖方或回填太多，并适当预留山区渠道行洪高度，拟定西田口引水渠、西干渠、狮洞干渠及黄田支渠超高0.6m，拟定东五支渠、东六支渠超高0.5m，拟定东二支渠、东四支渠超高0.4m，超高基面为渠道正常水面。这与按土石坝公式计算的渠道超高基本相同。
3.2纵断面设计
渠道断面设计关键在于确定渠道纵坡i。从明渠均匀流公式可知，当渠道设计流量一定时，如果选择较大的渠道纵坡，可以减小断面尺寸，但会引起控制面积减小，流速加快，可能引起渠道冲刷。反之，如果选择较小的纵坡，就要增加断面尺寸，控制面积可以增大，但要增加工程量，而且在地面坡度较陡的地段，需要修建较多的联接建筑物，增加工程投资。
影响渠道纵坡的因素很多，如灌区地形、地质和土壤条件，渠中水流含沙量，以及渠道设计流量大小等。因此应考虑主要问题，兼顾次要问题。如含沙量大时，应着重考虑泥沙淤积问题，选择较大纵坡，避免渠道淤积。又如，要求渠道能自流控制较大的面积时，应选小一些的纵坡。此外，为了避免修筑过多的建筑物，渠道纵坡还应与地形坡度相适应。
龟石灌区渠道含沙量不大，渠道断面采用砼或石料衬砌后，渠道的设计流速易满足不冲不淤条件，应着重考虑节省工程量问题。设计时尽量顺着原来的纵坡，并兼顾做到纵坡统一，干渠力求一坡到底，支渠纵坡种类宜少不宜多，地形急剧变化段修建必要的联接建筑物，如跌水或陡坡，避免出现大量深挖高填情况。当不同坡比之间优缺点比较困难，难于选择最优坡比时，应拟定几个纵坡坡比，进行工程量、投资比较，选出最优坡比。
4衬砌型式设计
根据龟石灌区的总体规划及《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288—99），龟石灌区渠系水利用系数必须达0.55以上，渠道的允许最大渗漏量约0.1m3/(m2•d)。根据渠道允许最大渗漏量及衬砌使用年限（按30年设计），对狮洞干渠11+183断面我们分别选择了M7.5浆砌石、M7.5浆砌砖衬砌与现浇C15砼衬砌方案比较。
通过选择方案比较，现浇混凝土防渗衬砌方案具有投资较省、施工工艺简单、速度快、施工质量易控制、使用寿命长等优点，因此推荐尽量采用C15混凝土对渠道底板、内边坡进行三面衬砌防渗。结合实际情况和经济比较，首先应考虑渠道安全稳定、施工保证上是否可行，若可行应优选选择投资省的衬砌方案。对坡比比较陡段和渠道比较宽的渠段、填方段均选择M7.5浆砌石衬砌型式；渠道水深较浅、渠底比较窄的支渠尾段及小渠道选用M7.5浆砌砖衬砌；对土渠、傍山渠段渠宽较窄部位及其它情况均采用现浇C15混凝土防渗衬砌。
2.质量好
缺点 1.投资大 1.只适用低坡段
2.投资大 1.养护时间长
5结语
灌区渠道设计是一个反复试算优化的过程，很多参数要靠设计人员自己拟定，而且参数之间又相互联系，一个参数改变就可能导致其它参数跟着改变。通过合理的选择参数及断面型式可以缩小试算范围，快速选出较优断面，减小设计人员工作量。以上理论经验的应用，在龟石灌区这样的大型灌区上取得了预期效果，多、快、好、省地完成了设计。
参考文献
[1]GB50288—99,灌溉与排水工程设计规范[P]