第五章、工程设计.docx

5、工程设计
5.1工程布置
**灌区控灌范围为**县花园、又兰、高沙、**、花古、竹市、石江和黄桥八个乡镇及一个国营农场，共有140个村，灌溉面积为 18.7万亩。灌区现有水利设施已达到一定规模，此次设计对已成型的渠道仍按原位置保持不变，对灌区骨干工程进行改造，其主要内容包括渠道防渗，渠道除险加固和渠系建筑物更新改造，渠道量水设施配套建设，灌区管理所房屋改造等8个方面。具体内容如下：
1）渠道砼防渗衬砌53.225km，其中红岩总干防渗衬砌26.882km，半江二干渠防渗衬砌 8.0km，大水分干防渗衬砌7.469km，青龙分干防渗衬砌10.874km，配套红岩总干排水沟5km。
2）干渠除险加固2240m，其中红岩总干除险加固改建暗涵3处，长120m，红岩总干1020m、半江二干500m、青龙分干600m新建挡土墙。
3）红岩总干陡山脚、梅田泄洪闸重建，新建雷打井泄洪闸，改造泄洪渠2.6km，新开挖泄洪渠1.3km。
4）分水斗闸门改造315个，其中红岩总干200个，青龙分干65个，大水分干50个。
5）红岩总干配套交通便桥12座。
6）量水设施配套345处，其中红岩总干8处，半江二干，大水分干，青龙分干渠首各1处，设置19条支渠渠首各1处，结合斗闸门改造，每个分水斗门出口设置量水堰共315处。
7）曲塘管理所房屋改造400m2。
8)红岩坝进水闸改造。

5.2渠道防渗衬砌工程设计
5.2.1干渠防渗衬砌方案的确定
本灌区地形为丘陵、岗地，渠道多为傍山土渠，渠线长，渠道沿线地层构造为第四系（Q4）松散积层之亚粘土砂卵石，渠道边坡稳定差，渗漏严重，受建设资金限制，现状渠道防渗率很低，目前，干渠防渗率仅为30.7%，支渠防渗率为9.3%，整个渠系水利用系数仅0.468，由于渗漏，渠堤多处出现垮方，严重威胁沿线人民群众生命财产安全。根据灌区现已成的实际情况，本次设计对红岩总干及流量达到2m3/s以上的干渠进行砼衬砌防渗加固处理，红岩总干防渗衬砌26.882km，砼衬砌厚度为10cm，分干渠中半江二干防渗衬砌8.0km，大水分干防渗衬砌7.469km，青龙分干防渗衬砌10.874km，砼衬砌厚度均为8cm。
5.2.2渠道过水能力复核
防渗衬砌渠道断面的底宽、边坡、水深等水力要素均应满足渠道水面衔接要求。
灌区干、支渠均为60年代初期开挖修建的土、石渠道，标准低，加之40年的运行，淤积渗漏严重，整个灌区渠线布局合理，95%灌溉面积可实现自流灌溉，故本次设计，对渠线布局及渠道纵横断面尽量少作调整，只在此基础上进行渠道过水能力复核。
渠道断面按明渠均匀流公式分别对渠道现状进行复核，其公式为
式中：Q：流量（m3/s）；
Q加=1.2Q设（流量小于5大于1个流量的Q加=1.25Q设）；
ω：过水断面面积；

R：水力半径， R=ω/x
Χ：湿周（m）；
n：糙率系数 n= 0.017；
i：渠底坡降
渠道本次设计要素及水面线推算成果见表5-1。
5.2.3干渠断面设计
根据渠道水力要素计算成果及《灌溉排水渠系设计规范》（SDJ217-84）进行计算确定。
①渠道超高
②渠顶宽度：干渠渠顶宽度一律为2m，支渠渠顶宽度为1.5m。
渠道断面尺寸详见渠道断面设计成果表5-2。
5.3险工险段除险加固设计
5.3.1暗涵设计
1）基本情况
红岩总干杨柳（桩号8+200～8+240）、桅梓树（12+022～12+072）和竹山（27+120～27+150）等三处为深土石方渠段，渠道边坡过陡，出现滑坡垮方，渠道被淤塞，重新采用暗涵改造。
2）治理设计方案
本次设计对改造暗涵方案和贴坡式挡土墙加坡面排水方案进行了比较。暗涵可较好的解决坡面滑塌，对渠道输水的威胁，也能很好地防止滑落土体进入渠内，导致渠道堵塞，采用贴坡式挡土墙外加坡面排水措施，虽能起到护坡的作用，但不能彻底解决滑落土体堵塞渠道的问题。因此，本次设计拟改为暗涵。
3）暗涵断面设计
暗涵结构形式采用盖板式箱涵，边墙采用M7.5浆砌块石衬砌，盖板采用预制或现浇钢筋砼板，厚度为0.3m，洞顶回填1m厚土石，便于耕作或作为交通道路。
暗涵与渠道连接采用扭曲面形式，这样有利于水流衔接平顺，扭曲面长度为4m，暗涵与渠道的纵坡比相同，均为1/3000。
暗涵按无压流水力计算公式计算，其公式如下：

式中 ω——断面面积；
R——水力半径；
C——谢才系数；
i——涵洞设计坡降；
其水力特性见《暗涵水力特性表》
5.3.2挡土墙设计
1）基本情况
红岩总干有18处长1020m，青龙分干12处长600m，半江二干9处长500m存在渠道内外坡不同程度的滑坡、垮坍现象，这些渠道内、外坡滑坡垮坍范围较小，内坡边坡也较缓，采用挡土墙进行阻脚处理，便可以很好的解决这些问题，挡土墙断面视边坡土压力大小确定。
暗涵水力特性表
桩号
项目名称
Q设
m3/s
Q加
m3/s
h设
（m）
h加
（m）
净高
（m）
底宽（m）
L
（m）
i
n
8+200～8+240

杨柳暗涵
7.5
9.75
1.765
2.146
2.88
4.1
40
1/3000
0.017
12+022～12+072
桅梓树暗涵
6.5
8.45
1.627
1.976
2.67
4.0
50
1/3000
0.017
27+120～27+150
竹山暗涵
7.17
9.32
1.748
2.127
2.86
4.0
30
1/3000
0.017
2）设计方法
挡土墙采用重力式，上部为M7.5浆砌石，下部基座采用C15砼，砌体容重γ石=2.2×103kg/m3，墙背填土容重γ土=1.8×103kg/m3，填土内摩擦角Φ=25°，摩擦系数u=0.47，按填土上无均布荷载计算。
采用《水利水电工程PC-1500程序集》中的“挡土墙稳定与应力程序进行计算，计算4m高挡土墙结果如下。
抗滑安全系数Kc=1.472＞1.3，满足抗滑要求
抗倾覆安全系数K0=4.5＞1.5，满足抗倾覆要求，安全。
墙踵应力UA=10.7t/m2，UB=3.75t/m2，均满足规范要求。
按土墙断面尺寸详见附图集。
5.4渠系建筑物改造
灌区本次骨干工程渠道建筑物改造项目情况见下表。
灌区骨干工程渠道建筑物改造项目情况表
序号
项目名称
单位
数量
备注
1
红岩总干泄洪闸改造
处
3
改造2处，新建1处
2
红岩总干分水闸改造
处
200

3
青龙分干分水闸改造
处
65

4
大水分干分水闸改造
处
50

5
渠道量水设施
处
345

6
红岩干渠新建便桥
处
12

5.4.1干渠泄洪闸设计
1)基本情况
红岩总干上原有泄洪闸5处,其中陡山脚、梅田二处泄洪闸闸室严重
毁坏，闸门破损，闸门宽度不够，不能满足过流，其泄洪渠已被98年大水冲毁，需要更新重建。另在干渠雷打井渠段，因干渠近5km长无泄洪设施，而渠道拦截的坡面汇流面积较大，遇大洪水，常造成渠道满水，威胁渠堤安全，需增设泄洪闸1处。
2）流量的确定
a、防洪标准
根据《灌溉排水渠系设计规范》要求，结合本次设计工程的实际，选定总干渠防洪设计标准为20年一遇洪水。
b、各汇水面积的量算
察看现场后从1/10000地形图上量算出渠下涵、泄洪闸等建筑物的位置。从图上勾绘出各块汇水面积的分水线，并量算出各汇水面积。
c、设计最大流量的推求
对于无实测流量资料的小汇水面积洪水计算，常用暴雨推求洪水。但由于设计范围内及周围目前没有可以应用的小流域实测暴雨洪水资料。因此，采用多种途径进行计算比较，以推求较合理的成果。本次设计根据我国现行推求小流域设计洪水的几种方法，选用公路科学研究所公式，我省暴雨洪水查算手册中的推求公式进行对比计算分析。最后采用公路科学研究所公式Qm=kFn
式中：k——径流横数，取k=12
F——汇水面积（F＜10km2）
n——面积指数。当F＜1km2时，n=1。
3）水力设计
闸孔尺寸按淹没宽顶堰公式计算：
Q——泄洪流量；
B——闸孔宽度；
H0——计入行近流速的堰顶水头；
ε——侧面收缩系数取0.95；
σs——分水角系数取0.86；
m——流量系数，取决于堰顶进口形式和堰的相对高度的比值，可用经验公式计算：
堰顶入口为直角的宽顶堰
堰顶入口为圆角的宽顶堰
通过计算，求得各泄洪闸的工程特性见《泄洪闸工程特性表》。
泄洪闸工程特性表
桩号
项目
名称
总干渠
Q 加大（m3/s）
总干渠
H加大
（m）
集雨面积km2
泄洪闸
Q设
（m3/s）
泄洪部
h设
（m）
闸室底
宽B
（m）
闸室高
H
（m）
闸门尺寸
b×h(m)
启闭机
型号
1+680
陡山脚

9.0
1.7
0.46
5.5
2.0
2.5
2.5
3.1×2.2
LQ-8
10+570
梅田
洪闸
红
9.0
1.89
0.5
6.0
2.0
2.7
2.5
3.3×2.2
LQ-8
14+800
雷打井
7.03
1.58
0.21
2.5
1.8
1.3
2.3
1.9×2.0
LQ-5
5.4.2泄洪渠设计
采用《水利水电工程PC-1500程序集》中的“常用断面渠道水力计算程序D-6”进行电算，计算结果及断面尺寸详见附图集《泄洪渠横断面设计图》。
5.4.3分水闸(斗)门改造
1) 改造方案
本灌区原有干支渠分水闸（斗）门采用直升插入式钢筋砼平板闸，大部分建于上世纪60年代，有些已破损塌沉阻塞，且无启闭、量水设施，灌溉期间极不易控制分水，水量浪费严重。为提高灌区管理水平，实施计划用水，减少水资源浪费，本次工程改造分水闸门315个，其中红岩总干200个，青龙分干65个、大水分干50个。改造内容主要有：门体改造、改建涵管、设立量水渠（堰）、更换启闭机。
总干渠在桩号19+514马渡分水口，桩号27+624大水分水口改造两分水闸，其分水流量较大，故采用露天开敞式结构，闸孔尺寸按淹没宽顶堰流量公式计算确定。
式中 Q——分水流量
φ——流速系数
δ——分水角系数
b——闸室宽度
h——闸后水深
g——重力加速度
△z——包括行近流速水头在内的闸前、闸后水头差。
按上公式计算的成果见《分水闸工程特性表》。
分水闸工程特性表
桩号
项目
名称
总干渠
分水闸
分干渠
流量（m3/s）
水深
（m）
底宽
（m）
m
流量（m3/s）
水深
（m）
底宽
（m）
闸高
（m）
闸长
(m)
流量（m3/s）
水深
（m）
底宽
（m）
m
19+514
马渡分水闸
水闸
8.0
1.9
3.2
0.8
0.73
1.8
0.3
2.4
5.3
0.73
0.772
0.8
0.7
30+274
大水分水闸
6.0
1.6
2.4
0.8
2.16
1.5
1.0
2.1
5.3
2.16
0.992
1.1
0.7
备注
马渡分水闸尺寸高×宽×厚=2.4×0.9×0.14
大水分水闸尺寸高×宽×厚=2.1×1.6×0.14

2）涵管改造
对已塌沉阻塞的分水口，需破堤重建输水涵管。采用M7.5浆砌侧墙，C15砼底板，C15预制钢筋砼盖板护砌，盖板与侧墙用M10砂浆座砌并封仓。
3）启闭设施
改造闸室，安装封闭型锁控式铸铁闸室，采用螺杆式装配，进水闸口尺寸为Φ300～Φ500，进水口处设置钢筋砼预制板密封墙，以防丝杆和闸板受损或被盗。
4）量水渠（堰）
分水涵的出水口护砌10～20m长的标准渠段，标准渠段的侧墙采用M7.5浆砌石、砂浆抹面，度板C15砼，安设三角形薄壁堰，直灌分水涵改建方案见附图。
5.4.4渠道量水设施建设
为加强灌区配水管理，提高灌区管理水平，促进节约用水，拟在项目区适当增设用水计量设施。量水设施配套345处，其中：在红岩总干分段位置8处渠道水位～流量关系及渠道水位观测设施，其主要计量方式为：在测流渠段，通过实测建立渠道水位～流量关系，并设立水尺，通过观测渠道水位，推算渠道放水流量；在半江分干、大水分干、青龙分干渠首各设置1处类似于红岩总干的用水计量设施。在项目区内的19处支渠渠首设置量水堰各1处。结合斗闸门改造，结合斗门改造，每个分水斗门出口设置量水堰315处，见分水闸（斗）门改造。
5.4.5交通便桥设计
1、基本情况

总干上布置修建11座交通便桥，超美干渠上修建1座交通便桥，已知各干渠渠道横断面尺寸，详见《交通便桥设计图》。
2、桥型及尺寸确定
交通便桥均采用钢筋混凝土简支梁桥，结构为梁板式。梁截面尺寸b×h=0.3×0.3m，板厚0.15m，桥面净宽B= 2.5m，两边设高15cm，宽25cm的安全带，并设1m高的拦杆，桥长L根据下式确定；
L=B+MH+0.4
式中：B——渠道底宽（m）；
M——渠道边坡；
H——渠道高度（加大水深+超高）（m）；
3、便桥细部结构设计
采用重力式桥墩，150#混凝土建造，设在渠道顶部两边，桥梁架在两桥墩上。桥面铺装采用5cm厚的沥青混凝土，为便利桥面排水，桥面铺装设置2%的横坡。
5.4.6进水闸改造
1、基本情况
红岩坝进水闸始建于1964年，由上下游接段及闸室两部分组成。其中上下游联接段为浆砌石挡土墙，长60米，包括翼墙和护坡，闸室由闸底板、闸墩、边墩、闸门及闸房组成，除闸房为砖砼结构外，其它均为钢筋砼结构。由于修建年代早，受当时经济和技术条件的限制，工程标准低、质量差，经过40年的运行，建筑物破坏严重，上下游护坡挡土墙已经崩垮，闸门砼多处脱落开裂，启闭设备锈蚀严重，启闭时间过长，闸房墙体已多外开裂，屋顶漏水，最大裂缝宽1cm，无法使用，影响了红岩总干渠的正常引水及防洪工作。

2、工程设计
由于进水闸上下游护坡挡土墙已经滑塌，此次改造针对基础重新进行衬砌处理。
闸门采用钢筋砼结构形式，断面尺寸参照原型式执行，即宽1.8m，高2.3m，厚0.15m。
闸房采用砖混结构形式，其基础高程不变，为348.50m，层高3.4m。
**灌区附建物基本情况统计分别见5-3、5-4、5-5。