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      “豎曲線”施工技術(shù)在農(nóng)田末級渠系中的應用

      2021-02-21 10:22:16賈文龍
      鄉(xiāng)村科技 2021年29期
      關(guān)鍵詞:山丹縣渠系末級

      賈文龍

      (山丹縣馬營河流域管理處,甘肅 山丹 734100)

      1 山丹縣農(nóng)田水利工程發(fā)展史

      自中華人民共和國成立以來,甘肅省張掖市山丹縣干、支渠道建筑材料主要以干砌石和預制磚襯砌為主,施工隊伍以鄉(xiāng)村社為單位,由受益區(qū)群眾義務投工、投勞完成,末級渠系工程未曾涉及。進入20 世紀70 年代末,隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展,山丹縣干、支渠道建筑材料逐步開始以塊石和料石襯砌為主,施工隊伍以鄉(xiāng)村社為單位,由受益區(qū)農(nóng)戶義務投工、投勞完成,末級渠系工程開始涉及。進入2000 年以來,山丹縣經(jīng)濟得到了長足發(fā)展,國家對農(nóng)田水利工程建設(shè)的資金投入力度加大,山丹縣水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到了翻天覆地的變化,干、支渠道建筑材料以砼現(xiàn)澆和低壓鋼筋砼管道襯砌為主,并且干、支渠道基本得到了改造,斗渠以下的渠系工程逐年有計劃地安排實施,施工通過招投標后由有資質(zhì)、有技術(shù)保障且資金雄厚的施工單位來承擔,工程質(zhì)量得到了飛躍式提升,灌區(qū)呈現(xiàn)“行水有渠,量水有堰;分水有閘,過路有閘”的和諧局面。2010 年以來,山丹縣一部分區(qū)域末級渠系開始管網(wǎng)化實踐,水資源利用率得到進一步提高[1]。

      2 山丹縣農(nóng)田水利工程建設(shè)存在的問題

      山丹縣有效灌溉面積為4.439 萬hm2,現(xiàn)狀實灌面積2.448 萬hm2,基本農(nóng)田地處沖、洪積扇傾斜平原區(qū),相鄰地塊間落差一般在0.3~0.9 m。渠道修建基本依據(jù)地形自然坡降建設(shè),導致末級渠系工程修建后,由于渠道坡降較大,地頭閘向地塊分水時使渠中水流不進地塊而溢出渠頂,影響農(nóng)田正常灌溉。通過近2 a 的實踐和探討,引入“一閘一跌法”的設(shè)計施工理論,即在地頭閘后設(shè)計成跌水,將力消減后利用緩坡渠道與下一個地頭閘連接,依次形成“地頭閘—跌水—緩坡連接段—地頭閘—跌水—緩坡連接段—地頭閘—……”灌溉運行模式。通過運行實踐,農(nóng)田得到了正常灌溉,但工程造價較高,且冬灌后消力池內(nèi)的積水無法排除,導致來年跌水側(cè)墻凍融破壞現(xiàn)象明顯,大大縮短了工程的使用壽命[2]。為此,基層技術(shù)人員把這一問題作為一個課題進行認真研究,盡快提交成果,以便為工程的下一步實施提供理論依據(jù)。近年來,隨著山丹縣末級渠系配套工程的全面實施,地頭閘前按照自然坡降設(shè)計,當?shù)仡^閘分水時,急速水流在閘前躍出水槽,導致農(nóng)田得不到正常灌溉。對此,采取“一閘一陡法”的設(shè)計施工理論,但在閘后陡坡終點處,也是緩坡段的起點處易形成水躍,致使水流從該點處滿溢。最終,基于在實踐中一次次總結(jié)的經(jīng)驗、在一次次失敗中堆積起來的專業(yè)理論知識,尤其是公路測量中“豎曲線”的放樣,觸發(fā)了基層技術(shù)人員的靈感,道路工程中有陡坡、緩坡甚至平坡,只要不出現(xiàn)跌水,道路依舊是暢通的。就此成功引入了“一閘一曲一緩一閘法”的設(shè)計施工理論,即在地頭閘后設(shè)計成豎曲線,將力消減后與緩坡段銜接下一個地頭閘,依次形成“地頭閘—豎曲線—緩坡連接段—地頭閘—豎曲線—緩坡連接段—地頭閘—……”灌溉運行模式。通過運行實踐,水流從急流轉(zhuǎn)化成緩流的瞬間,水面是平緩的,農(nóng)田得到了正常灌溉,工程造價大大降低,而且工程設(shè)施凍漲問題得到了有效解決。

      3 “一閘一曲一緩一閘”設(shè)計施工法

      該方法是在“一閘一跌”法和“一閘一陡”法相結(jié)合的基礎(chǔ)上進一步改進的設(shè)計施工法,其特點是適應水流從急流轉(zhuǎn)化為緩流瞬間變化能力,工程造價低,設(shè)計施工便于掌握,灌溉結(jié)束后渠道和閘室內(nèi)不存積水,凍漲問題能得到有效解決。該施工方法在山丹縣已得到群眾的普遍認可。

      3.1 渠道斷面

      近年來,隨著山丹縣末級渠系配套工程的實施,建筑材料基本以砼預制U 型槽為主,此次筆者將以實例做一詳細敘述,渠道設(shè)計流量Q=0.3 m3/s,設(shè)計斷面見圖1。

      圖1 渠道橫斷面圖

      3.2 渠道流態(tài)判別

      通過近年來末級渠系配套工程的設(shè)計與施工,當?shù)仡^閘設(shè)置于急流渠段處,由于閘前行近流速大,地頭閘向地塊分水時,導致水流躍出水槽,影響農(nóng)田正常灌溉[3],甚至造成農(nóng)田無法灌溉。為此,引入弗汝德數(shù)(Fr)判別流態(tài),通過試算法推導出臨界斷面A和臨界水深h,最終導出臨界坡降i。

      3.2.1 弗汝德數(shù)(Fr)。當弗汝德數(shù)Fr=1時,為臨界流;當弗汝德數(shù)Fr>1 時,為急流;當弗汝德數(shù)Fr<1 時,為緩流。

      Fr2=,其中Q表示過水流量(m3/s),B表示過水斷面相應的水面寬度(m),g表示重力加速度(取9.81 m/s2),A表示過水斷面面積(m2)。當Fr2=1,過水流量Q=0.3 m3/s時,相應以上圖砼U型槽為例,經(jīng)試算,過水斷面面積A=0.176 3 m2,相應的水面寬度B=0.595 m,臨界水深h=0.385 m。

      3.2.2 臨界坡降(i)。依據(jù)以上數(shù)據(jù),過水流量Q=0.3 m3/s,斷面面積A=0.176 3 m2,臨界水深h=0.385 m,代入明渠均勻流公式其中,C表示謝才系數(shù),,n表示渠道糙率,取0.017;R表示水力半徑,X表示過水斷面相應的濕周(m)。經(jīng)試算,渠道的臨界坡降i=1/110。

      當渠道坡降i=1/110 時,為臨界流;當渠道坡降i>1/110時,為急流;當渠道坡降i<1/110時,為緩流。

      3.3 臨界坡降在末級渠系工程中的操作

      近年來,山丹縣通過實施馬營河大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目、寺溝中型灌區(qū)改造、重點縣項目、農(nóng)綜項目和土地整理項目,水利基礎(chǔ)設(shè)施得到了極大的改善,末級渠系配套工程隨之全面鋪開。但由于地形條件的限制,加之技術(shù)方面的困擾,一度使技術(shù)人員陷入盲區(qū),通過理論與實踐的反復結(jié)合,最終實現(xiàn)了豎曲線在末級渠系工程中的應用[4]。

      3.3.1 下級地頭閘前坡降控制。通過以上水力計算確定,該實例砼U 型渠渠道設(shè)計流量Q=0.3 m3/s,臨界坡降i=1/110。在實際操作中,將渠道坡降控制在i=1/120,渠水深0.4 m,F(xiàn)r2=0.87,閘前水流在緩坡狀態(tài)。

      3.3.2 上級地頭閘后豎曲線與下級地頭閘前緩坡段的銜接。由于山丹縣基本農(nóng)田地處沖洪積扇傾斜平原區(qū),相鄰地塊間落差一般在0.3~0.9 m,上、下游地頭閘之間的凈距在20.0 m 左右,按照自然地形進行設(shè)計,上、下游地頭閘間的渠道坡降(i)為1/67~1/22,流態(tài)屬急流,不易建閘。為此,筆者以上、下游地頭閘高差h=0.6 m、凈距L=20 m為例進行分析。

      如2 圖所示,初始陡坡長度T1=5 m,起點高程A=100.00 m,終點高程G=99.525 m,高差h=0.475 m,坡降i=1/10.53;初始緩坡段長度GF=15 m,起點高程G=99.525 m,終點高程F=99.400 m,高差h=0.125 m,坡降i=1/120。則夾角4.975°;利用圓曲線公式計算,曲線半徑,外矢矩cos4.975-1)=0.22 m,矢高=57.44×(1-cos4.975)(1-cos 4.975)=0.22 m。

      依據(jù)以上數(shù)據(jù)可確定C點高程等于G點高程加外矢矩E,則C(高程)=G+E(外矢距)=99.525+0.220=99.745 m,E(高程)=15×1/120+F=0.125+99.4=99.525 m。

      B點高程等于A、C兩點高程之和的1/2減去1/4倍的矢 高h,則B=(A+C)/2+h/4=(100+99.745)/2+0.055=99.93 m。

      同理,可求得D=(C+E)/2+h/4=(99.745+99.525)+0.055=99.69 m。

      至此,相鄰兩閘口間的點位高程依次為A=100 m,B=99.525 m,C=99.745 m,D=99.690 m,E=99.525 m,F(xiàn)=99.400 m。

      圖2 豎曲線與緩坡銜接示意圖

      3.3.3 豎曲線在我縣渠道工程中的應用。豎曲線在山丹縣水利過程中應用較為廣泛,在山丹縣馬營河大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目中就曾得到過應用。在大、中型渠道變坡點處,按照常規(guī)做法,在渠道運行過程中容易起浪花,水流不平穩(wěn)。在變坡點處采用豎曲線銜接后,水流平穩(wěn)了,浪花也消除了[5]。無論是陡坡與陡坡、陡坡與緩坡、緩坡與陡坡銜接,還是緩坡與緩坡銜接,效果均良好。

      如圖3 所示,渠道上段坡降i1=1/500,下段坡降i2=1/50,B點位變坡點,為進一步簡化計算,取切線長T1=T2,則夾角

      圖3 豎曲線放樣圖

      依據(jù)以上確定數(shù)據(jù),由B點的高程數(shù)據(jù)減去外矢矩E的數(shù)據(jù),可得到E點高程(或者A、C兩點的高程數(shù)據(jù)平均后可得到F點的高程,再用F點的高程加矢高h的數(shù)據(jù),可得到E點高程),G點高程由A、E兩點的高程數(shù)據(jù)平均后可得到H點的高程,再用H點的高程加矢高h/4 的數(shù)據(jù),可得到G點高程。依據(jù)此方法可得到其余點的高程數(shù)據(jù),依次聯(lián)結(jié)渠道豎曲線點A、W、G、K、E、O、M、Q、C,放樣結(jié)束。

      近年來,在黨的富民政策指引下,山丹縣末級渠系配套工程全面鋪開,兩閘口間的渠道銜接問題顯得較為突出,在不違背自然地形條件的情況下,水流為急流,只滿足渠道輸水要求,在農(nóng)田灌溉階段,則水流躍出水槽,影響工程運行。通過推廣兩閘口間豎曲線銜接,目前工程運行良好。

      4 豎曲線施工方法的適應范圍

      第一,針對于干、支渠道,在變坡點處,可采用豎曲線施工方法銜接上、下游渠段,銜接的渠段可以是陡坡與陡坡、陡坡與緩坡、緩坡與陡坡、緩坡與緩坡。

      第二,在渠道變坡點上、下游處,采用豎曲線施工方法銜接,切線長不宜過長(小于或等于20 m),長了不易施工;也不宜過短(一般為10~20 m),過短不能平順渠道水流。

      第三,在末級渠系配套工程中,兩閘口間,落差較小,渠道水流為緩流,則直接進行渠道聯(lián)結(jié),不采用豎曲線施工。

      第四,在末級渠系配套工程中,兩閘口間,距離較短(20 m)落差較大(大于1 m以上),則不易采用豎曲線施工。

      第五,在末級渠系配套工程中,豎曲線施工法,主要適應于兩閘口間自然坡降在1/100~1/20的渠段,緩與1/100的渠段,接近緩坡流態(tài),兩閘口間的渠道可直接聯(lián)結(jié);陡于1/20的渠段,渠道流速超出規(guī)范要求,兩閘口間的渠道可采用陡坡、跌水或倒虹吸銜接。

      5 結(jié)語

      在基層農(nóng)田水利工程設(shè)計與施工中,水力計算按明渠均勻流計算的約占95%,按明渠非均勻流計算的僅占5%。這就導致地頭閘在運行過程中存在水流躍出水槽的現(xiàn)象。對此,建議在灌溉渠道設(shè)計中,將渠道分為輸水渠道和灌溉渠道來進行設(shè)計,輸水渠道長距離輸水,按明渠均勻流計算;遇到閘口分水處,需在閘口上游段調(diào)整為緩坡,以利于分水;在末級渠系田間渠道設(shè)計中,為避免分水閘口在運行過程中水流躍出水槽,宜考慮明渠非均勻流計算,應用“豎曲線”法設(shè)計施工。

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