浅析土地整治项目渠道工程的设计

杨 波

(四川省土地统征整理事务中心，成都，610041)

1 概述

土地整治是指在一定区域内，根据土地利用总体规划与土地整治专项规划，对田、水、路、林、村等实行综合整治，调整土地关系，改善土地利用机构和生产生活条件，增加可利用土地面积和有效耕地面积，提高土地利用率和产出率的活动。根据我国国情，我国现阶段以农用土地整治为主，重点放在农村地区，而保证及促进项目区农业发展自然成为土地整治项目工作的契机和目标。

农业是国民经济中最重要的产业部门，是支撑国民经济建设与发展的基础产业。而农业用水的供给是整个农业发展的命脉。2001年，中国农业年用水约 3826亿 m3，其中灌溉用水约占91.1%。随着水资源的日趋紧张，作为农业大国和缺水大国，发展节水农业已经成为我国21世纪农业发展的战略方向，因此在土地整治项目中，灌溉和排水工程设计以及实施的好坏就起到了很大的作用。

渠道工程作为土地整治灌溉与排水工程的重要组成部分，应结合当地的自然条件、灌区规模、水资源丰缺情况以及社会、经济、生态环境等诸多因素综合考虑，经论证确定，优选符合当地具体条件的渠道结构形式。渠道材料的运用也应坚持因地制宜、就地取材、量力而行和符合生态环境保护的原则，同时实现在满足功能和安全的前提下节约耕地的目标。

2 渠道的断面设计

2.1 渠道断面形式

渠道断面形式有很多种，明渠可选用矩形、梯形(包括弧形底梯形、弧形坡脚梯形)和复合形;无压暗渠可选用城门洞形、箱形、正反拱形和圆形。梯形横断面施工简便、边坡稳定，在地形、地质无特殊问题的地区，可普遍采用。弧形底梯形、弧形坡脚梯形、U形渠道等，由于适应冻胀变形的能力强，能在一定程度上减轻冻胀变形的不均匀性，在北方地区得到了推广应用。其中，U形渠道自20世纪70年代在我国开始应用，目前已得到了广泛的采用。其主要优点是:水力条件好，近似最佳水力断面，可减少衬砌工程量，输沙能力强，有利于高含沙引水;在冻胀性和湿陷性地基上有一定的适应地基不均匀变形的能力;渠口窄，节省土地，减少挖填方量;整体性强，防渗效果优于梯形渠道;便于机械化施工，可加快施工进度。

2.2 安全超高

衬砌护面应有一定的超高，以防风浪对渠床的冲刷。衬砌超高指加大水位到衬砌层顶端的垂直距离，小型渠道可采用20cm～30cm，大型渠道可采用30cm～60cm。衬砌层顶端到渠道的堤顶或岸边也应有一定的垂直距离，以防衬砌层外露于地面，受到交通车辆等的机械损坏;也可防止地面径流直接进入衬砌层下面，威胁渠床和衬砌层的稳定。这个安全高度一般为20cm～30cm。

2.3 渠道的设计原则

选择渠道结构(断面)形式要遵循以下几个原则:

(1)因地制宜，合理布局，根据地形、坡度、地势走向确定结构形成;

(2)保持水土，发挥最佳的综合功能和综合效益;

(3)以增加耕地面积为目标，提高耕地质量，形成土地规模化经营，保持土地资源可持续利用;

(4)农作物用水时间上受外界影响最小，雨、风、雪、冰雹、蒸发、渗漏一般不影响它的正常运转;

(5)与农业调整种植品种生产工艺相适应，且在一个水平上。渠道绝不能影响农业调整种植品种生产能力的发挥，工程标准也没必要作过高的要求，应随其他配套单项(单体)工程标准提高而逐步提高［1］。

此外还应从投资、功效和综合利用上进行考虑。

2.4 渠道的设计参数

渠道的设计参数除渠道的设计流量外，还有边坡系数、糙率、超高、不冲不淤流速、伸缩缝间距及填缝材料、砌筑缝及其填筑缝材料、渠底比降、稳定渠床的宽深比、堤顶宽度和封顶板等。设计参数选择是否正确，关系到渠道的工程量大小、输水能力、防渗效果、渠床的稳固和安全运用，以及工程效益的发挥等。因此，设计参数必须谨慎设计，认真选择。

2.5 渠道的水力计算

2.5.1 基本计算

渠道的横断面尺寸要根据渠道设计流量通过水力计算加以确定，一般情况下采取明渠均匀流公式计算［2］:

式中:Q——渠道设计流量;

A——渠道过水断面面积;

R——水力半径;

i——渠底比降;

C——谢才系数。

谢才系数一般采用曼宁公式计算:

由v=Q/A，与上两式可导出:

式中:v——渠道水流流速;

n——渠床糙率。

梯形、矩形渠道的水力计算，主要是试算确定过水断面的水深h和底宽b。试算步骤如下［3］:

(1)假设b、h值。为施工方便，底宽b应取整数，因此一般先假设b的一个整数值，再选择适当的宽深比a，用公式h=b/a计算相应的水深值。

(2)计算渠道过水断面的水力要素。根据假设的b、h值，计算相应的过水断面面积A、湿周x、水力半径R和谢才系数C。计算公式如下:

(3)计算渠道流量Q，可按公式(1)计算。

(4)校核渠道流量。上面计算出来的渠道流量(Q)是与假设的b、h值相应的输水能力，一般不等于渠道的设计流量(Qd)。通过试算，反复修改b、h值，直至渠道计算流量等于或接近渠道设计流量为止，要求误差不超过5%。即设计渠道断面应满足的校核条件是:

(5)校核渠道流速。设计断面尺寸不仅满足设计流量的要求，还要满足稳定渠道的流速要求。用式(8)计算经流量校核选择的渠道断面通过设计流量时所具有的流速。

然后按不冲流速(vcs)和不淤流速(vcd)校核，计算出来的流速应满足式(9)条件。

2.5.2 水力最佳断面计算

设计渠道时要求投资少，效率高，即在设计流量Q、比降i、糙率n值相同的条件下，使渠道断面最小;或在相同断面条件下通过的流量最大。符合这些条件的断面称为水力最佳断面。由式(1)、(3)可看出，当A、n、i一定时，水力半径最大或湿周最小的断面就是水力最佳断面。半圆形断面就是水力最佳断面，天然土渠修成半圆形是很困难的，也是不稳定的，只能修成接近半圆的梯形断面［4］。

梯形、矩形渠道的水力计算主要是试算确定过水断面的水深h和底宽b的数值。试算步骤如下:

(1)计算渠道的设计水深。由梯形(矩形)渠道水力最佳断面的宽深比计算公式(a0=根据渠道断面水力要素计算公式(2)、(4)、(5)、(6)，通过计算公式(3)，可求得水力最佳断面的渠道设计水深hd为

(2)计算渠道的设计底宽

(3)校核渠道流速。流速计算和校核方法与采用一般断面时相同，如果设计流速不满足校核条件，说明不宜采用最优断面形式，就要按采用一般断面时的试算步骤设计渠道的断面尺寸［5］。

3 渠道的防渗技术

渠道防渗措施包括管理措施和工程措施两大方面［6］。渠道防渗的管理措施主要是:加强灌溉管理，实行计划用水，合理调配水量，组织安排轮灌，改建、改善不合理的渠系布置，搞好田间工程配套，加强渠道和建筑物的养护、维修等。渠道防渗工程措施的种类比较多，但就其防渗特点而言，可以分为三大类:第一类是在渠床上加做防渗层;第二类是改变渠床土壤渗漏性能;第三类是采用防渗渠槽的结构形式。第一类中采用较多的有黏土类防渗层、灰土类防渗层、砌石砌砖类防渗层、混凝土防渗层、沥青材料类防渗层、塑料薄膜类防渗层等。第二类措施主要有两种，即夯实土壤和利用水中含有的粘性颗料，淤填渠床土壤孔隙，以减少渠道渗漏［7］。第三类是明渠，可选用矩形、梯形、U形和复合形;无压暗渠可选用城门洞形、箱形、正反拱形和圆形。

4 渠道的防冻害技术

目前，我国采取的一些渠道防渗防冻胀措施可归纳为两个方面:(1)减少基础土体的含水量。比如在下部铺设土工膜料，隔断渠道渗水和大气降水对渠基的补给，或者对特种土基渠道，进行土的置换或强夯处理;(2)在防渗衬砌的结构形式上，选择合理的断面形式和衬砌结构。如采用圆弧形底的梯形断面及中小型U形断面渠道。弧形底梯形断面和U形断面，不仅接近最佳水力断面，而且防冻胀变形能力强。其原因是底部有一定的反拱作用，受力条件好，可以抵抗来自外部的冻胀力［8］。

5 当前渠道设计存在的问题

当前渠道设计主要存在以下几个问题:

(1)一味追求固化，人为提高不必要的造价;

(2)忽略渠道连接部分的设计。如斗渠与农渠连接处的防渗问题;

(3)追求新增耕地率的提高，最大限度压缩渠顶宽度、渠坡坡比，致使个别渠道渗漏严重;

(4)没有考虑农业生产用水的计量问题。

6 结语

渠道工程是一套复杂的系统工程，具有专业跨度大、学科交叉多的特点。而土地整治项目的灌溉和排水工程，对投资对象和投资强度又有明确的政策要求。因此，在进行渠道设计时，必须加强跨专业的合作，以提高渠道防渗性、抗冻性和耐久性为重点，同时提高施工质量和降低施工造价，尽量少占耕地。只有结合土地整治项目的特点和目标任务，才能切实地发挥渠道工程在农村建设中的功效，也才能为广大农村的建设起到应有的保障和促进作用。

〔1〕马春宁，徐翠兰，汪松林.土地开发整理渠道结构形式的探讨［J］.江苏农业科学，2011，(1):454 ～456.

〔2〕魏新平.项目区农田水利规划设计［R］.四川大学水利水电学院.2011.11.

〔3〕李 炜主编.水力学计算手册.北京:中国水利水电出版社，2006.6.

〔4〕辛英华，王正中.U型衬砌渠道结构及水力最佳断面的分析［J］.节水灌溉，2008，(2):36 ～38，45.

〔5〕李安国，建 功，曲 强.渠道防渗工程技术［M］.北京:中国水利水电出版社，1997.12.

〔6〕李春雨.渠道防渗工程技术比较［J］.山西建筑，2010，36(16):367 ～368.

〔7〕水利部农村水利司等.渠道防渗工程技术［M］.北京:中国水利水电出版社，1998.

〔8〕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，2002.3.