农业渠系建筑物

农业渠系建筑物

为了安全合理地输配水量以满足农田灌溉、水力发电、工业及生活用水的需要,在渠道(渠系)上修建的水工建筑物,统称渠系建筑物。

渠系建筑物按其作用可划分如下:

(1)渠道。是指为农田灌溉、水力发电、工业及生活输水用的、具有自由水面的人工水道。灌溉渠道一般可分为干、支、斗、农四级固定渠道。干、支渠主要起输水作用,称为输水渠道;斗农渠主要起配水作用,称为配水渠道。各级渠道构成渠道系统,简称渠系。

(2)调节及配水建筑物。用以调节水位和分配流量,如节制闸、分水闸等。

(3)交叉建筑物。渠道与山谷、河流、道路、山岭等相交时所修建的建筑物,如渡槽、倒虹吸管、涵洞等。

(4)落差建筑物。在渠道落差集中处修建的建筑物,如跌水、陡坡等。

(5)泄水建筑物。为保护渠道及建筑物安全或进行维修,用以放空渠水的建筑物,如泄水闸、虹吸泄洪道等。

(6)冲沙和沉沙建筑物。为防止和减少渠道淤积,在渠首或渠系中设置的冲沙和沉沙设施,如冲沙闸、沉沙池等。

(7)量水建筑物。用以计量输配水量的设施,如量水堰等。

渠系中的建筑物,一般规模不大,但数量多,总的工程量和造价在整个工程中所占比重较大。为此,应尽量简化结构。改进设计和施工,以节约原材料和劳力、降低工程造价。

以下仅就灌溉渠道、渡槽、隧洞、倒虹吸管、跌水与陡坡、农桥等作简要介绍。

第一节 灌溉渠道

一、灌溉渠道系统及分类

从水源取水、通过渠道及其附属建筑物向农田供水、经由田间工程进行农田灌水的工程系统称为灌溉渠道系统。在现代灌区建设中,灌溉渠道系统和排水沟道系统是并存的,两者互相配合,协调运行,共同构成完整的灌区灌溉排水系统。

(1)灌溉渠道按其使用寿命分为固定渠道和临时渠道两种:固定渠道:多年使用的永久性渠道;临时渠道:使用寿命小于1年的季节性渠道。 (2)按控制面积大小和水量分配层次又可把灌溉渠道分为若干等级:大、中型灌区的固定渠道一般分为干渠、支渠、斗渠、农渠四级;农渠以下的小渠道一般为季节性的临时渠道。

(3)按渠道横断面结构划分:由于渠道过水断面和渠道沿线地面的相对位置不同,渠道断面有挖方断面、填方断面和半挖半填断面3种形式,其结构各不相同。

1)挖方渠道断面结构。对挖方渠道,为了防止坡面径流的侵蚀、渠坡坍塌以及便于施工和管理,除正确选择边坡系数外,当渠道挖深大于5m时,应每隔3～5m高度设置一道平台。第一级平台的高程和渠岸高程相同,平台宽度约1～2m。如平台兼做道路,则按道路标准确定平台宽度。在平台内侧应设置集水沟,汇集坡面径流,并使之经过沉沙井和陡槽集中进入渠道,如图7-1所示。挖深大于10m时,不仅施工困难,边坡也不稳定,应改用隧洞等。

图7-1 挖方渠道横断面

第一级平台以上的渠坡根据干土的抗剪强度而定,可尽量陡一些。

图7-2 填方渠道横断面 2)填方渠道断面结构。填方渠道易于溃决和滑坡,要认真选择内、外边坡系数。填方高度大于3m时,应通过稳定分析确定边坡系数,有时需在外坡脚处设置排水滤体。填方高度很大时,需在外坡设置平台。位于不透水层上的填方渠道,当填方渠道高度大于5m或高于两倍设计水深时,一般应在渠堤内加设纵横排水槽。填方渠道会发生沉陷,施工时应预留沉陷高度,一般增加设计填高的10%。在渠底高程处,堤宽应等于5～10h,根据土壤的透水性能而定,h为渠道水深。填方渠道断面结构如图7-2所示。

3)半挖半填渠道。半挖半填渠道的挖方部分为筑堤提供土料,填方部分为挖方弃土提供场所,渠道工程费用少,当挖方量等于填方量(考虑沉陷影响,外加10%～30%的土方量)时,工程费用最少。挖填土方相等时的挖方深度x可按下式计算:

式中符号的含义如图7-3所示。系数1.1～1.3是考虑土体沉陷而增加的填方量,砂质土取1.1;壤土取1.15;黏土取1.2;黄土取1.3。

图7-3 半挖半填方断面

为了保证渠道的安全稳定,半挖半填渠道堤底的宽度B应满足以下条件:

二、灌溉渠道的规划原则

(1)干渠应布置在灌区的较高地带,其他各级渠道亦应布置在各自控制范围内的较高地带。 (2)使工程量和工程费用最小。一般来说,渠线应尽可能短直,以减少占地和工程量。

(3)灌溉渠道的位置应参照行政区划确定,尽可能使各用水单位都有独立的用水渠道,以利管理。

(4)斗、农渠的布置要满足机耕要求。

(5)灌溉渠系规划应和排水系统规划结合进行。应避免沟、渠交叉,以减少交叉建筑物。

(6)灌溉渠系布置应和土地利用规划(如耕作区、道路、林带、居民点等规划)相配合。

第二节 渡槽

渡槽由上部输水的槽身和下部支撑结构组成。

一、槽身

槽身放在下部支撑结构上,如图7-4所示,每节槽身长度一般为8～15m,用温度伸缩缝分开,缝宽1cm左右,缝中设有沥青止水。

图7-4 梁式渡槽纵坡面图(单位:m)

槽身横断面常采用矩形和U形。矩形槽用浆砌石或钢筋混凝土建筑,如图7-5所示。侧墙一般是变厚度的,顶薄底厚。为了减轻应力集中,在侧面墙与底板转角处可加设补角。侧墙顶可外伸悬臂板作为人行道,宽70～100cm。矩形槽施工方便,但断面较大。

U形槽如图7-6所示,它的横断面是半圆加直段,一般用钢筋混凝土建造。U形槽顶部一般设置拉杆,故不能通航,在拉杆上可铺板作为人行道。U形槽的水力条件好,吊装方便,造价较低。

图7-5 矩形槽

图7-6 U行槽

二、下部支撑结构

渡槽的下部支撑结构常用梁式(图7-4)和拱式(图7-7)。梁式渡槽的槽身放在桥墩或排架上,槽身受力与梁相同,因此需配置较多的钢筋。重力式桥墩有实体式和空心式两种,可用砖石或素混凝土砌筑。排架为钢筋混凝土框架结构,重量轻,吊装方便,在工程中被广泛采用。

图7-7 拱式渡槽

当槽身支撑于拱圈上时,称为拱式渡槽。如图7-5所示,拱圈内的应力主要是压应力,拉应力很小,因此可以用石料、砖或混凝土砌筑。拱轴线可采用圆弧线、抛物线或悬链线。拱式渡槽具有就地取材、节省钢筋、坚固耐久等优点;缺点是体积较大,工期较长。

第三节 隧洞

水工隧洞一般由进口段、洞身、出口段等3部分组成。

一、进口段

1.进口建筑物的型式

隧洞进口建筑物常用的型式有竖井式、塔式和岸塔式等3种:

(1)竖井式进口建筑物是在岩石中开挖一个直井,如图7-8所示,井壁用钢筋混凝土衬砌,井内设置闸门,井上设启闭机。当隧洞进口段岩石坚硬,开挖竖井无坍塌危险时,多采用这种型式。它的优点是竖井不受水库风浪影响,不需要工作桥等;缺点是施工开挖较困难,闸门前段洞只能在低水位时检修。

图7-8 竖井式进水口

(a)纵剖面图;(b)平面图

1—原地面线;2—拦污栅;3—拦污栅轨道;4—进口渐变段;5—检修门槽;6—工作闸门槽

(2)塔式进口建筑物是在隧洞进口前的水库中修建一座钢筋混凝土塔,如图7-9所示,塔内设置闸门,塔上设启闭机,塔用工作桥与岸连接。

图7-9 塔式进水口

1—原地面线;2—弱风化岩石线;3—通气孔;4—工作桥

当作用水头较低或只需设一道闸门时,可将进水塔改为框架式。它的缺点是只能在低水位时检修,工作不便。

塔式进水口可以设置几个不同高程的进水口,分层取水,这对灌溉是很有利的,因为水库的水温是随深度而降低的。塔式进口建筑物一般造价较高。

(3)岸塔式进口建筑物介于竖井式与塔式之间,它斜靠在山坡上。它的闸门是斜放的,因此闸门面积和启闭力要大。这种型式施工方便,适用于岸坡岩石坚硬的地方。

2.进口建筑物的构造

隧洞进口建筑物一般由喇叭口、渐变段、拦污栅、闸门和通气孔等构成。

(1)喇叭口。隧洞进水口的形状对水流影响很大,流速越高影响越大,因此进水口一般做成断面逐渐缩小的喇叭形。喇叭口两边侧墙可以是曲面,也可以是平面,曲面水流条件好,平面施工简便。

(2)闸门。水工隧洞通常设两道闸门,用以调节流量。一道是工作闸门,另一道是检修闸门,检修闸门在工作闸门的上游,在工作闸门或洞身检修时,用检修闸门挡水。

闸门的形式有平面或弧形的,重庆市采用平面钢闸门较多。在闸门孔口尺寸较大和作用水头较小时,可以采用弧形钢闸门。 (3)渐变段。闸门段的断面一般为矩形,洞身断面如为圆形时,应设渐变段,以保证水流平顺。渐变段是把矩形的四个角逐渐加圆而成。渐变段的长度一般为洞径的1.5～2倍。

(4)通气孔。当闸门部分开启时,闸门后的空气逐渐被水流带走,形成负压区,为了防止发生汽蚀和振动,常在闸门后设置通气孔,以保证输进足够的空气。通气孔用管子相连,直至进水塔顶最高库水位以上。通气孔的面积,一般用经验公式计算或为隧洞面积的3%～5%。

二、洞身

有压隧洞多采用圆形断面,因为它是水力最佳断面,且上下为拱受力条件较好。无压隧洞可采用圆拱直墙形、马蹄形或蛋形等,这样下部过水断面较大,且施工较方便(图7-10)。

图7-10 隧洞断面型式

(a)圆拱直墙形;(b)马蹄形;(c)蛋形;(d)圆形

无压隧洞为了保证洞内水流为明流,应保持水面至洞顶有一净空,净空面积应不小于隧洞断面面积的15%,且净空高度不小于40cm。按照施工的要求,隧洞的最小尺寸是宽1.5m,高1.8m。

有压隧洞的纵坡一般为0.002～0.005,无压隧洞的纵坡一般为0.01左右,短洞也可以做成水平的。

在一般情况下,隧洞要衬砌,衬砌的作用是:承受山岩压力、内水压力和其他荷载,填塞岩层裂隙,保护围岩,防止漏水和减小表面糙率等。

衬砌的主要材料有石料、混凝土、钢筋混凝土等。用钢筋混凝土衬砌,厚度常大于20cm。根据水压力和山岩压力的大小,环向钢筋可采用单层或双层,并配置纵向的构造钢筋。用石料衬砌,厚度常大于30cm。 沿隧洞长度,衬砌每隔4～18m应设一条横缝,横缝是温度缝,缝中设止水片。当隧洞穿过地质条件显著变化地段(如通过断层、破碎带等),应加密横缝,加密的横缝作为沉陷缝。有压隧洞对周围的岩石还需要灌浆,使衬砌与围岩紧密结合,并加固围岩。

三、出口段

隧洞出口水流比较集中,流速大,有很大的冲刷力,为了保证隧洞出口下游的安全,必须在隧洞出口处设置消能设备,通常采用的消能方式有消力池、消力坎或挑流渠道鼻坎。

第四节 倒虹吸管

倒虹吸管是在渠道同道路、河渠或谷地相交时,修建的压力输水建筑物。它与渡槽相比,具有造价低且施工方便优点,不过它的水头损失较大,而且运行管理不如渡槽方便。它应用于修建渡槽困难,或需要高填方建渠道的场合;在渠道水位与所跨的河流或路面高程接近时,也常用倒虹吸管。

一、组成

倒虹吸管由进口、管身、出口三部分组成。分为斜管式和竖井式。

(1)进口段。进口段包括:渐变段、闸门、拦污栅,有的工程还设有沉沙池。

进口段要与渠道平顺衔接,以减少水头损失。渐变段可以做成扭曲面或八字墙等形式,长度为3～4倍渠道设计水深。闸门用于管内清淤和检修。不设闸门的小型倒虹吸管,可在进口侧墙上预留检修门槽,需用时临时插板挡水。拦污栅用于拦污和防止人畜落入渠内被吸进倒虹吸管。

在多泥沙河流上,为防止渠道水流携带的粗颗粒泥沙进入倒虹吸管,可在闸门与拦污册前设置沉沙池。对含沙量较小的渠道,可在停水期间进行人工清淤,对含沙量大的渠道,可在沉沙池末端的侧面设冲沙闸,利用水力冲淤。沉沙池底板反侧墙可用浆砌石或混凝土建造。

(2)出口段。出口段的布置形式与进口段基本相同。单管可不设闸门;若为宏管,可在出口段侧墙上顶留检修门槽。出口渐变段比进口渐变段稍长。由于倒虹吸管的作用水头一般都很小,管内流速仅在2.0m/s左右,因而渐变段的主要作用在于调整出口水流的流速分布,使水流均匀平顺地流入下游渠道。