富宁县平耶水库工程建设管理局
摘要：灌溉渠道设计是农田水利和干支渠防渗工程中经常遇到的问题。文中结合工程实例对富宁县山区农田水利灌溉渠道设计的基本方法进行探讨，分析了各个要素之间的内在联系，并以数学解析方法，描述了各个要素之间的数学关系。
关键词：灌溉渠道；设计；基本方法
引言
随着经济社会的快速发展，国家对西部地区水利建设的投入逐渐加强，各类山区小型水利建设蓬勃开展，现代农田水利建设的设计要求科学、规范、合理，灌溉渠道是水利基本建设的主要组成部分，工程设计的优劣，直接关系到工程的质量、投资、效益。然而目前富宁县山区农田水利渠道建设情况却不容乐观，一些设计不合理、年久失修的传统水利渠道仍然占了绝大多数。因此我们应从设计入手，将科学、合理的水利渠道应用于农田水利建设中。
针对本县山区的特点，渠道过水断面设计通常采用明渠均匀流进行计算，同时结合本人几年的工作实践，总结出一些设计基本方法。
1、确定灌溉面积，求出灌溉净流量
灌溉面积的确定，是渠道设计的首要条件。确定了灌溉面积，再进行设计灌水率（灌水率与项目区内的作物组成、种植比例、作物允许灌水廷续时间、栽插进度有关。根据《灌溉与排水工程设计规范》GB50288-99）中提供的方法计算灌水率时，求得某一时期渠道应通过的净流量。公式为：
Q净=qm（式-1）
式中：q—为净灌水率，m3/（s.万亩）；
m—为灌溉面积，（万亩）。
2、渠道设计
2.1 渠道的设计流量
渠道过水断面尺寸的大小，主要决定于要求通过的设计流量的大小，渠道的流量是根据每条渠道控制的灌溉面积决定的。根据灌溉面积所求出的净流量，考虑到渠系有效利用系数（常取ηc0.6∽0.85）渠系水利用系数的取值，应与项目区大小，水源情况、渠系布置、渠道长度、沿途土质、防渗措施及项目区管理水平有关，求出设计流量为：
Q设计=Q净/ηc（式-2）
2.2 渠道衬砌材料的确定
根据灌区天然建筑材料的配备，渠道设计可选用浆砌石或者混凝土结构型式。地形坡度较大，施工受到一定的限制。较浆砌石结构而言，混凝土结构有，占地少，开挖断面小，施工方便等优点。结合本县灌区考虑，渠道设计选用混凝土结构型式，渠道设计糙率系数选用0.017（浆砌石糙率系数为0.025）。
2.3 渠道横断面设计
根据现场实地勘察，结合渠道沿线地形地貌、地层岩性、地质构造及水文地质条件，渠道现状及工程造价，本县属于石山区，所以灌区渠道多采用矩形断面形式，断面大小采用明渠均匀流计算确定。渠道安全超高是保证行水安全，考虑渠系建筑物的壅水高度和渠道运用期间可能加大等因素对水位的影响，根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288—99）规定，按公式Fb=hb/4+0.2计算，式中hb为渠道通过加大流量时的水深。
2.3.1 渠道的水力计算
渠道的水力计算采用匀流公式。渠道水力计算的任务主要是解决渠道的过水能力问题。即设计渠道的断面尺寸，以保证通过所需的流量，或校核渠道是否满足输水流量要求等。根据公式：
Q=A×V（式-3）
式中：Q—流量，m3/s.；
A—过水断面面积，m2；
V—水流在断面中的平均流速，m/s。
已知设计流量，要进行断面设计，关键在于确定渠道水流的速度。渠道水流的速度V与渠道纵坡i有关，纵坡大，流速快；反之则慢。对于明渠均匀流的流速可用以下公式计算：
V=C
（式-4）
式中：C—谢才系数，它与水力半径R和糙率n有关，可由下式计算：C=1/n×R1/6；n为糙率，R为水力半径。
水力半径由过水断面W和湿周X（过水边界的周长）两个因素组成。若过水断面相同，湿周小的渠道，对水流的阻力小，流速大，过水能力亦大；反之，则阻力大流速小，过水能力小，即：
R=A/X（式-5）
式中：A—过水断面；X—湿周。
根据上述情况，渠道流量Q计算公式为：
Q=A×V=AC 
（式-5）
式中：Q—渠道设计净流量，m3/s；
A—过水断面面积，m2；
C—谢才系数；
R—水力半径，m；
i—渠道设计底坡。
2.3.2 计算参数的选用
渠道纵坡i、糙率n、宽深比ａ=b/h和渠道允许的不冲不淤流速统称计算参数。参数选用是否合理，直接关系到工程的安全和稳定。
a）渠道比降的选择。渠道底部必须有一定的比降（或称纵坡），即：i=h/d=tanａ；i为比降，h为渠道两端点的高差，d为两端点的水平距离。
选择比降时考虑几个问题：①比降应尽量接近地面坡度，避免挖、填方过大；②当水流中含有泥沙时，应选用适宜比降，使水流带泥沙，避免淤积渠道；③流量大时，比降应较缓。
b）渠床糙率n的选择。渠道糙率是反映渠床表面粗糙程度的，当n值越大，表面越粗糙；反之则光滑。参数选用参见《水力学》一书中表6-1、表6-2，同时结合实际选用适合本地区参数。
c）渠道断面宽深比（a=b/h）选择。渠道的断面是窄深式还是宽深式，直接关系到工程量的大小、施工的难易和渠道断面的稳定。按渠道水力最优断面的宽深比进行渠道断面设计，石方量和衬砌工程量最小。
若已知渠道边坡系数m后，由表1查得相应的ａ最优值。在选用宽深比时，除考虑节省工程量的问题外，还应考虑渠道的断面稳定。根据经验，当流量Q=1∽3m3/s时，ａ=1∽3。
表1 边坡系数m与ａ值的关系
d）渠道允许的不冲不淤流速。在渠道设计中必须使设计流速在不冲不淤流速之间，即V不冲>V设计>V不淤，不冲流速值选用参见《水力学》一书中表6-7，V不淤和渠水中含沙量的大小、泥沙颗粒性质及组成有关。为了防止渠道中滋生杂草而减少过水能力，渠道的设计最小流速一般不得小于0.4∽0.6m/s；对于清水渠道，最小流速可以允许降低到0.2m/s。
2.3.3 渠道横断面尺寸的确定
若已知设计流量Q、渠道比降i、渠床糙率n、边坡系数m，根据公式K=Q 
，可求出K值。假定渠道底宽b及水深h，根据公式：A=b×h，X=b＋2h，R=A/X，C=1/n×R1/6，K=AC
，也可求出K值。如果用以上两种方法计算出的两个K值近似相等，则b、h值为所求断面尺寸，否则重新计算，直至得出满意结果为止。
3、实例分析
富宁县田蓬镇木桌灌区渠道长度2750m，灌溉面积2000亩。其中1#干渠1500m，灌区面积1500亩；2#干渠150m，灌区面积290亩；3#干渠1100m，灌区面积210亩。该项目均为引水渠道工程，渠道按续灌方式设计，根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288—99）规定的工程等级划分标准，各条渠道中的最大渠道设计流量为0.100m3/s，小于5m3/s，各渠道及建筑物工程等别为Ⅴ等，主要建筑物级别和次要建筑物级别为5级。按照规划水平年2020年灌溉渠道全都衬砌，推求得渠系灌溉水利用系数η为0.737，灌水率q由现状的0.540m3/s.万亩提高到0.637m3/s.万亩。根据式1、2，计算渠道的设计流量，再根据式3、4、6计算渠道断面，渠道设计糙率系数选用0.017，渠道比降的选择i取0.001，安全超高取0.2∽0.3m。设计水力计算成果详见渠道设计成果表2：
表2 渠道设计成果表
4、结束语
综上所述，农田水利工程灌溉渠道设计是保证水利工程灌溉效益的重要环节之一，合理规划设计水利渠道对于提升灌溉水源利用率来说是非常重要的。相关技术人员应根据工程的具体要求，首先确定灌溉面积、设计灌水率、求出设计流量、再设计渠道横断面、最后进行水力计算。同时，必须遵循科学、规范、合理、经济、实用的原则。
参考文献：
[1]何少艺.农田水利学，中国水利水电出版社，2010年
[2]俞先法，俞先伟，梁民阳.灌溉渠道设计中有关问题的探讨[M].浙江水利科技，2002年
[3]吴持恭，水力学.高等教育出版社，1983年。
[4]中华人民共和国国家标准.灌溉与排水工程设计规范（GB50288-99）[M].中国计划出版社，1999年。
论文作者:韦丽萍
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/7/30
标签：渠道论文; 断面论文; 流速论文; 流量论文; 求出论文; 水力论文; 系数论文; 《基层建设》2019年第11期论文;