第二章　田间混凝土衬砌渠道

第一节　渠道混凝土衬砌的合理规划与设计

规划设计旨在保证节水工程安全、适用、经济。图2－1为灌溉排水示意图。

一、渠道混凝土衬砌布置形式

灌溉渠系由各级灌溉渠道和退（泄）水渠道组成。按控制面积大小和水量分配层次可把灌溉渠道分为干渠、支渠、斗渠、农渠顺序设置固定渠道，如图2－1所示。30万亩以上或地形复杂的大型灌区，必要时可增设总干渠、分干渠、分支渠和分斗渠；灌溉面积较小的灌区也可减少渠道级数。农渠以下的小渠道一般为季节性的临时渠道，毛渠、输水沟、灌水沟、畦等属田间工程，主要起灌水作用。

北京郊区渠道混凝土衬砌的布置形式大致分为三种：“一”字型、“梳齿”型和“混合”型。

1.“一”字型

“一”字型即一级（斗渠）混凝土衬砌渠道。在与作物种植、耕作协调条件下，尽可能将衬砌渠道布置在地块的长边上。

2.“梳齿”型

“梳齿”型即斗、农两级衬砌渠道。对旱作物，要求衬砌农渠平行于作物种植方向，衬砌斗渠垂直农渠布置于地边；对水稻田，进行一级、二级衬砌沿地块两个方向布置比较，选用单位面积衬砌总长度最短的一种布置方案。

3.“混合”型

“混合”型即在斗、农两级渠道中，一级（斗渠）采用管道输水，二级（农渠）进行混凝土衬砌。布置形式根据井位不同分为“梳齿状”和“鱼骨状”两种，如图2－2所示。布置注意尽可能使管道最长，衬砌长度较短。

二、横断面的选形与设计

灌溉渠道混凝土衬砌横断面的选形与设计实属明渠均匀流水力计算问题，对于农田灌溉渠道按水力最佳断面（即湿周最小的断面）设计经济断面。梯形（含矩形）水力最佳断面的宽深比按下式计算：

式中　b——底宽，m；

h——水深，m；

m——渠道边坡系数，m的大小决定于土质和施工要求及衬砌材料，一般m＝0～1，m＝0时为矩形。

理论上半圆形为水力最佳断面，实际上应用U形断面较梯形断面的水流条件好、过水能力强，如图2－3所示。

（一）断面参数

1.边坡系数（m）

渠道边坡一般用1ϒm表示，1表示斜坡的垂直高度，m表示斜坡的水平长度，两者的比值称边坡系数。m越大，边坡越缓，反之则陡（图2－4），对于矩形断面m等于零。

影响边坡系数设计的因素有：防渗材料、渠道大小、基础情况等。水泥土、砌石、混凝土、沥青混凝土等刚性材料防渗渠道，以及用这些材料作保护层的膜料防渗渠道，最小边坡系数可参照表2－1。

2.渠道超高

为保证行水安全，考虑到在通过加大流量时风浪、建筑物壅水、渠床糙率增大等因素的影响，而在加大流量水位以上增加一个高度做为渠顶高度，所增加的这一高度叫超高，也称安全超高（以a表示），它的大小与渠道的级别和流量的大小有关。防渗渠道渠堤的超高与一般土渠相同，超高的数值可按表2－2选取。

3.渠顶宽度

渠道两边堤顶宽度可依据流量及渠堤底高度而定。如果堤顶不结合道路，堤顶宽可按表2－3中选取。如果堤顶与道路结合，应按交通要求修筑。

（二）渠道输水能力的计算

渠道横断面设计的主要内容是通过水力计算，确定渠道横断面的结构型式与尺寸。为方便设计、施工和管理，渠道在一定长度的渠段内一般采用同样的断面型式、断面尺寸以及渠底比降，并且有大体一致的渠床粗糙度。渠道的过水能力可用明渠均匀流公式计算。

1.确定渠道断面形式

渠道横断面设计的基本公式如下：

式中　Q——流量，m3/s；

ω——过水断面面积，m2；

C——谢才系数；

R——水力半径，m；

i——渠道比降。

在规划设计新衬砌渠道时，设计流量Q，一般由机井出水量或灌溉作物需水要求而定。渠道底坡i结合地形条件确定，衬砌渠道设计实际上是确定合理的横断面形式和尺寸。

（1）梯形（含矩形）断面。

式中　R——水力半径，R＝ω/X；

X——湿周，m；

n——糙率，混凝土衬砌n＝0.014～0.017。

梯形（矩形）断面尺寸需要根据设计流量Q，渠道纵坡i，边坡系数m，衬砌渠道糙率n及最佳断面宽深比b/h，反复试算确定。

（2）U形拉模混凝土衬渠道。混凝土U形渠槽结构下部是直径为D的半圆，上部直立段顶端外倾8°～10°，直立段的高度为D/2左右，常见三种衬砌机完成下半圆直径60、40、30三个系列U形混凝土衬砌渠道。

图2－5为U形拉模混凝土衬渠道示意图，图2－6为U形断面参数示意图，表2－4为U形断面有关参数计算形式。

过水断面

湿周

以上式中　h——水深，m；

r——下半圆半径，r＝D/2，m；

α——直立段外倾角，（°），本处用α＝8.5°；

n——糙率，一般取n＝0.015；

C——流速系数。

2.确定渠底比降i

渠底比降（i）是指渠段首端与末端渠底高程的差值和渠段长度的比值。

为了减少工程量，应尽可能选用和地面坡度相近的渠底比降。一般随着设计流量的逐级减小，渠底比降应逐级增大。清水渠道易产生冲刷，比降宜缓；浑水渠道容易淤积，比降应适当加大。

在设计工作中，可参考表2－5、表2－6先初选一个比降，计算渠道的过水断面尺寸，再按不冲流速、不淤流速进行校核，如不满足水位和稳定要求，再修改比降，重新计算。

3.确定糙率n值

若选择的渠床糙率较实际渠床糙率小，则渠道运行时的实际输水能力会达不到设计流量，满足不利灌溉要求，还有可能造成渠道淤积；当选择的渠床糙率大于实际值时，不仅会增加渠道断面，而且还会引起渠道的冲刷，渠中水位降低，减少渠道自流控制面积。因此，需要选择适宜的糙率。渠床糙率与渠床材料、运行状况有关，表2－7中的数值可供参考。

4.渠道不冲不淤流速

（1）渠道不淤流速。当水源为多泥沙河流时，引入渠道的含沙水流的夹沙能力与渠中水流速度有关，当流速小于不掀临界流速时，就会造成渠床的泥沙淤积，改变过水断面面积大小，在多泥沙河流引水时，除修建必要建筑物尽量减少泥沙入渠外，还要保证渠中水流的一定的流速，使输水过程中不产生泥沙淤积。

根据沉降速度确定不掀流速，计算公式如下：

式中　Q——渠道设计流量，m3/s；

C0——泥沙沉降系数，与泥沙沉降速度有关，其值见表2－8。

（2）渠道不冲流速。渠道通过水流的断面平均流速过大时，便造成对渠床的冲刷。在一定条件下，渠道中流速的增加，达到开始引起渠床冲刷时的流速值（临界值）称为允许的不冲流速。表2－9为防渗衬砌渠道的不冲流速。