输水管道设计在灌区节水改造中的应用_董鹏

陕西水利

Shaanxi Water Resources

灌区对粮食作物的生产有支撑作用 , 乃至在工农业的发 展中具有突出贡献。灌区用水量大 , 在绿色环保的发展趋势 下 , 积极推行节水改造策略势在必行。项目区灌溉以庞庄水 库和地下水为主水源 , 明渠和管线自流灌溉 , 地下水用水泵 抽取后依托低压管道进行灌溉。流域内的天然径流量属于庞 庄水库关键的来水途径。

1 低压输水管道灌溉设计要点

1.1 取水工程的设计

现状管网灌溉系统普遍采用三级干渠的部分水闸和节制 闸 , 重点建设部分为三级干渠 30 km 左右范围 , 具体以灌区 的规模特征和实际用水需求为准 , 对布局做灵活的调整 , 为 农田灌溉提供水源支持。

1.2 渠首工程的设计

渠首包含引水渠和沉砂池。引水渠具有连接沉砂池和节 制闸的作用 , 以矩形截面形式为主 , 施工材料采用 C20 混凝 土 , 深度在 1.5 m 以内 , 具体视实际情况做灵活调整。沉砂池 常采用开敞式矩形单箱结构 , 以浇筑 C20 混凝土的方法施工 成型。沉砂池施工中 , 增设挡土墙 , 目的在于提高沉砂池的强 度 , 保障结构的稳定性。沉砂池与引水渠间设长约 3 m 的渐 变段 , 用于连通两部分。根据沉砂池的规划 , 在其右侧设集 水坑 , 配套使用。日常应用中 , 加强对沉砂池底部淤沙的清理 , 以防淤沙堆积过厚。

2 灌溉输水管道设计

2.1 管道平面布置

本次庞庄灌区骨干渠系改造后全部采用管道输水 , 改造 后的管道埋设于灌区原有渠道内。其中 , 北干管控制灌区内 共铺设 1 条干线、2 条支线和 1 条分支线；南干管控制灌区

内共铺设 1 条干线、3 条支线和 2 条分支线 [1]。

改造后管道总长 60.496 km。干管、支管及分支管分布 情况： 北干管总长 2.391 km、南干管总长 13.734 km； 北干 北支长 4.505 km、北干中支管长 23.730 km、南干北支管长 6.402 km、南干中支 4.755 km、南干新南支 2.891 km； 北干 中支北分支长 0.618 km、南干中支东分支 1.470 km。

2.2 管道设计流量计算

根据灌区灌溉制度 , 在 P=50% 保证率情况下 , 北干管片 区最大净灌水率为 0.186 m3/(s ·万亩)。本次庞庄灌区灌溉 续建配套与节水改造实施后骨干渠系输配水方式全部采用管 道输水 , 灌溉水利用系数 0.85[2]。

2.3 水力计算

工程管线以灌区最不利控制点进行水力计算 , 末端给 水装置工作水头取 0.02 MPa, 水库水位按最低取水位(死水 位)924 m 计算。南干管片区最不利控制点位于南干新南支 控制范围的王诲庄村南 , 地面高程 867 m。北干管片区最不 利控制点位于北干中支北分支控制范围的上庄河西 , 地面高 程 844 m。斗、农级管径根据控制面积结合灌区现状井灌区 末级管线建设情况确定。斗、农级管线采用轮灌 , 斗级管线 dn160, 设计流量分别为 90 m3/h；农级管线 dn90, 设计流量为 30 m3/h[3]。

涂塑防腐钢管内涂层为环氧树脂 , 糙率与 PE 管接近 , 可 取相同系数。

hf =f

式中： hf 为沿程水头损失 ,m；f为管材摩阻系数 , 取 9.48×104； L 为管长 ,m；Q 为流量 ,m3/h；d 为管道内径 ,mm；m 为流量指数 , 取 1.77； b 为管径指数 , 取 4.77。

管线局部水头损失按沿程水头损失的 10% 考虑。

[收稿日期] 2022 - 04 - 24

[作者简介] 董鹏(1985 - ) , 男 , 山西晋城人 , 工程师 , 主要从事农业农村水利工作。

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灌区新建管线以已改造段末端为起点 , 经 2140 m 钢筋混 凝土管道至桩号总 2+140 南北干管分叉点 , 管线最大静水压 力 0.74 MPa, 分叉点动水剩余水头 43.48 m。北干管自分叉点 北 0+000 经 1390 m 钢筋混凝土管和 1700 m 钢管至已改造段 末端北 3+090, 剩余水头 8.22 m, 管线最大静水压力 0.77 MPa。 南干管自分叉点南 0+000 经 1935 m 钢筋混凝土管和 1409 m 钢管至已改造段末端南 3+344, 剩余水头 46.72 m, 管线最大静 水压力 0.77 MPa。

2.4 管道铺设设计

根据气象资料及调查项目区当地情况 , 项目区最大冻土 深 0.94 m, 本次设计一般段管顶埋深不小于 1.0 m；穿越水域 (河、沟、库区)段根据冲刷深加安全埋深值 , 确定穿石河段 管顶埋深不小于 2.0 m, 其他 2 处不小于 1 m。

2.5 管道穿越水域(河、沟)段设计

1)管道穿越水域(河、沟、库区)处防洪标准。本次庞 庄灌区铺设南干时 , 需穿越四卦河、石河 , 两处穿越分别位 于四卦水库大下游坡脚下游 4m 和石河出山口；铺设北干北 支时 , 需穿越小河库区。根据本工程建筑物级别和《防洪标准》 要求 , 本次管线穿四卦河和石河处防洪标准为 20 年一遇；穿 小河库区内时按水库设计防洪标准为 30 年一遇。

2)管道穿越水域(河、沟、库区)处设计洪水。根据水 文计算可知 , 本次管线穿四卦河处 20 年一遇设计洪峰流量为 115 m3/s, 穿石河处 20 年一遇设计洪峰流量为 192 m3/s, 穿小 河水库库区内 30 年一遇设计洪峰流量为 220 m3/s。

2.6 管道穿越水域(河、沟、库区)处冲刷分析计算

1)管道穿四卦河处冲刷分析。本次南干输水管道从四 卦水库溢洪道底部穿过 , 溢洪道底高程为 863 m, 溢洪道底宽 10 m, 溢洪道由引水渠、缓坡段、陡坡段、消能段和尾水渠 等组成。溢洪道结构为两侧边墙为浆砌石挡墙与内衬 20 cm 厚的钢筋混凝土结构 , 底板为 40 cm 厚的钢筋混凝土衬砌 , 底板下部为 60 cm 厚粗砂透水垫层。

2)管道穿石河处冲刷分析计算。本次南干输水管道从石 河河床以下穿过 , 在河道内不增加阻水建筑物 , 水流流态不 会因为管道的建设而发生改变 , 河道冲刷主要为来洪水时的 河床冲刷 , 而且破坏性较强 , 为了管道的安全运行 , 本次考虑 该穿河处洪水冲刷影响。

3)平行岸坡冲刷计算

平行岸冲刷深度计算采用《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)附录 D.2.2 计算公式。公式如下：

hs = H0 n -1

U = U 2h

cp 1+h

式中： hs 为局部冲刷深度 ,m；H0 为冲刷处的水深 ,m；Ucp 为 近岸垂线平均流速 ,m/s；Uc 为泥沙启动流速 , 可采用张瑞瑾 公式计算 ,m/s； n 为与防护岸坡在平面上形状有关 , 一般取 n=1/4~1/6； h 为水流流速不均匀系数。

管道穿越石河冲刷计算结果见表 1。

表 1 洪水冲刷计算成果( P=5%)

河流 名称	流量 /(m3/s)	河宽 /m	槽率	坡度	流速 /(m/s)	水深 /m	冲刷 深度 /m
石河	192.4	49	0.03	0.019	4.25	1.16	1.13

2.7 管道穿越公路段设计

对于管道穿三级及三级以上公路时采用定向钻穿越 , 三 级以下道路为大开挖施工。若管槽开挖回填后 , 应按不低于 原路面标准进行恢复；若穿越公路处底部有原灌区渠道涵洞 , 且完好 , 本次管线采用洞穿管的方式从原有涵洞中穿过。

2.8 管道穿隧洞段设计

本次北干管铺设时需穿过现状“千米洞”长 960 m, 隧洞 内管线明铺 , 并隔 36 m 设混凝土固定墩 , 管道用扁钢固定在 混凝土礅上 , 隧洞两端在管道施工完后进行封堵。

3 实施低压管道输水灌溉技术效果分析

项目区现状灌溉水利用系数为 0.46, 灌区节水水平低于 地区平均值 , 节水潜力较大。工程实施后项目区平均灌溉水 利用系数可达 0.85, 节水效果显著。

3.1 节约水资源

低压管道灌溉系统具有突出的节水优势 , 可有效减少渗 漏量和蒸发量 , 依托有限的水资源创造可观的农业经济效益。 相比土渠 , 节水约 30%。

3.2 减少占地面积 , 提高效率

管道敷设至地下 , 有效规避管道建设占用耕地的问题 , 相比明渠灌溉的方式减少占用耕地量约为 2%, 以便有效利用 土地资源。此外 , 管道灌溉可实现规范化和系统化 , 以相对 较高的效率进行灌溉 , 输水时间、轮灌期均缩短。

3.3 灌水及时 , 增加农作物经济效益

管道输水灌溉具有节水的特点 , 以免由于农作物灌溉而 耗费大量的水资源。田间灌水条件得到优化 , 轮灌周期缩短 , 达到增产增收的效果 , 农户可因此而获得更加丰厚的经济收 益。

4 总结

在农业现代化的发展背景下 , 集约型的农业模式成为主 流 , 需在减少资源投入的同时满足作物的用水需求。低压管 道输水灌溉技术具有节约水资源的突出特点 , 对自然资源较 为友好 , 值得推广与应用。相关部门在后续仍需加强探索 , 持续提高低压管道输水灌溉系统的应用水平 , 为农业事业的 发展乃至社会经济的可持续发展助力。

参考文献

[1]崔洪涛 , 李伟亭 , 张龙 . 南水北调长距离输水管道末端调流调压 阀运行问题及对策 [J]. 河南水利与南水北调 ,2021,50(11):29-30.

[2]邓洪 . 风城水库至三坪水库输水管道工程施工方案探析 [J]. 陕西 水利 ,2021,(07):211-212+215.

[3] 王维 . 水击压力简化计算在有压输水管道设计中的应用 [J]. 陕西 水利 ,2021,(01):14-17+21.

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