第五章灌溉渠道系统.doc

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第五章灌溉渠道系统

指从水源取水、经过渠道和建筑物向农田供水，并由田间工程进行灌溉的工程系统。

按输水方式的不同可分渠道灌溉系统和管道灌溉系统两大类。

组成：

A.渠首工程（取水枢纽）

B.输配水工程（渠道）

C.田间工程。

§5—1灌排渠系规划布置

一、灌排渠系的组成及布置原则

（一）灌排渠系的组成

1、灌溉系统:

（1）渠首工程

（2）灌溉渠道：

干、支、斗、农渠等固定渠道

有些情况下可能多于或少于四级。

（3）渠系建筑物

（4）田间渠系工程：

毛渠（临时渠道）、灌水沟哇等

2、退水、泄水渠道

主要用于保证渠系安全运行。

一般在干、支渠末端应设置退水渠。

3、排水系统

（1）田间排水工程：

毛沟、小沟、墒沟等

（2）排水沟：

干、支、斗、农沟

（3）排水建筑物：

排水闸、涵、站等

（4）排水容泄区：

河流、湖泊、大江、大湖、大海等

（二）灌排渠系的布置原则

1、干渠布置在高处，以控制较大面积。

对于局部高低存在的情况，可以考虑采用其他灌水方法解决。

2、布置使得工程量和工程费用最低。

渠道顺直、减少建筑物数量和规模。

渠道填方和挖方量尽可能接近。

大部分需要进行方案比较才能确定。

3、考虑行政区划，尽可能用水单位和渠道独立。

4、斗渠、农渠满足机械化耕作要求；

各级渠道相互垂直，间距适宜。

5、考虑水资源的综合利用。

发电、养殖、工业和城镇供水等。

6、灌溉渠系布置必须和排水系统布置相结合。

尽量利用原有的水系。

尽量避免沟、渠交叉，减少交叉建筑物。

7、和土地利用规划相结合。

渠道布置考虑道路、林带、居民点位置，减少拆迁费用。

二、丘陵山区灌排渠系的规划布置

水利特点是：

排水比较通畅，但干旱问题比较突出。

山丘灌溉渠道布置的关键是布置干渠。

（一）干渠的两种布置形式

（1）干渠沿等高线布置

（2）干渠垂直于等高线布置

支、斗、农渠布置

支渠垂直于干渠，其间距由地形条件决定。

斗渠间距一般为：

400~800m；农渠间距一般为：

100~200m

两种布置形式：

（1）灌排相邻适用于单一坡向地形

（2）灌排相间适用于平坦，或有微起伏

山丘区渠道可采用“长藤结瓜”式布置。

多水源，充分利用蓄水能力（小塘坝）和当地径流。

提高灌溉工程的利用效率。

提前补水到沟塘，可减少泵站规模（淳东灌区）

多水源供水，减少渠道规模

（二）平原区干支渠布置

干渠多大致沿等高线布置，处于较高位置；

并非严格平行等高线

支渠大体和等高线垂直

（三）、圩区

圩区特点：

地势低洼，在最高洪水位和最低于洪水位之间；

排水是主要问题；一般中间低，四周高。

干、支渠布置：

干渠多沿圩堤布置；灌溉系统级别较少。

三、斗渠和农渠规划

斗农渠规划要求：

适于管理和机械耕作要求

便于配水

有利于灌水和耕作措施地配合

土地平整工程量小

1、斗渠布置：

长度3－5Km，控制面积3000～5000亩

2、农渠布置

布置要求：

满足机耕要求

平原地区长度500－1000米，间距200－400米

有地下水控制地区，农渠间距取决与农沟间距。

3、渠道和排水沟配合

灌排相邻布置

相邻布置地适用条件：

单一坡度；单向控制：

相间布置

适用条件：

平原地区

优点：

控制范围较大，沟渠数量少；双向控制

四、渠系规划步骤

1、查勘

2、纸上定线

3、定线测量

五、渠系建筑物规划

渠系建筑物指与渠道或排水沟配套的水闸、涵洞、桥梁、渡槽、倒虹吸、跌水、陡坡等建筑物。

（一）、渠系建筑物选型与布置的原则

１.满足使用要求

如渠道切断了道路，那么该处需设涵洞或桥梁；渠道水位不够则需建节制闸抬高水位。

２.尽量采用联合枢纽布置的形式

目的是为节省投资和管理方便。

如闸与桥常联合修建，分水闸与节制闸常联合修建。

如总渠枢纽和江都水利枢纽。

３.尽量采用定型设计和装配式建筑物

由于渠系建筑物数量很多，同一类建筑物工作条件常相近。

如斗农渠上的分水闸，因此采用定型设计和装配式结构，对简化设计，加速施工进度非常有利。

４.尽量考虑采用当地材修建

如在山丘区建渡槽、农桥可用砌石建筑（句容的北山水库石拱渡槽），在平原地区则宜用钢筋混凝土排架渡槽。

５.多作经济比较，选择最优方案

如渠道穿过河流时，有时可在技术上和满足使用要求上可采用渡槽，也可采用倒虹吸，这时就需要进行经济比较。

选择较经济合理的方案。

有时同一建筑物可采用不同的施工方案，这时也可通过经济比较来选择较合理的施工方案。

（二）渠系建筑物的类型与布置

1、引水建筑物：

（1）渠首进水闸门，控制流量（自流沟渠）

（2）有坝引水：

拦水坝、进水闸、冲沙闸等。

（3）提水灌区之泵站

（4）水库

2、配水建筑物

主要包括节制闸和分水闸

（1）分水闸：

控制向下级渠道配水流量，包括支渠分水闸和斗门、农门。

（2）节制闸：

抬高上游水位或阻止水流下行。

节制闸使用条件：

A需要抬高水位时；在上级渠水位不能保证下级渠正常引水时，需在上级渠建节制闸抬高水位，保证下级渠引水。

B需要轮灌时；在轮灌组分界处需设节制闸。

C建筑物、渠段或城市需要保护时，配合退水闸使用。

3、交叉建筑物

渠道与河流、道路交叉时应布置交叉建筑物。

交叉建筑物主要的三种：

渡槽、倒虹吸、涵洞。

选择方法：

（１）不影响交通和航运；

（２）技术上可行；

（３）进行经济比较，选择最优的型式。

1〕隧洞：

遇到山岗或绕行费用过大时；

2〕渡槽：

渠道穿过沟道、道路时，若渠道底部高于沟道洪水位和满足交通要求时采用，若不满足，可利用倒虹吸。

3〕倒虹吸：

利用压力沟道代替渠道从沟或路下穿过。

适用条件：

渠道水位高于路面或沟、河水位，但渠道底部低于路面或沟、河洪水位时；渠底高于路面，但是净空无法满足交通要求。

4〕涵洞：

渠道与道路交叉，渠水位低于路面，且流量较小时；

5）桥梁：

渠道与道路相交，渠道水位低于路面，流量较大时采用。

上述交叉建筑物可以根据具体地形结合使用。

4、衔接建筑物

渠道经过一陡坎或坡面时需建跌水或陡坡。

（１）跌水

水位落差小于３ｍ时，宜建跌水。

（２）陡坡

水位落差大于３ｍ时，宜建陡坡。

这时建跌水不安全。

5、泄水建筑物

作用：

防止下游渠道发生事故导致水位升高；

排除进入渠道其他水量

冲洗泥沙（多泥沙河流引水闸后），称冲沙闸

（１）退水闸

布置在较大的干支渠末端，以排泄渠中余水（防止滋生杂草和蚊虫）。

（２）泄水闸

与节制闸联合修建，保护重要建筑物和险工渠段。

6、量水建筑物

（１）利用闸、涵、渡槽等量水。

在干支渠上量水一般利用这些渠系建筑物量水。

（２）利用特设计量水备量水。

如三角堰、梯形堰、巴歇尔量水槽、量水仪表、喷嘴等。

一般斗、农渠上可采用特设量水设备。

量水堰是灌区计划用水和按方收费的基础。

§5—2、田间工程规划

田间工程：

最末一级固定渠道和固定沟道中间的条田范围内的农田建设工程，临时渠道、排水小道、田间道路、小型建筑物（进、排水口）、土地平整等。

田间工程是合理灌溉、提高灌排效率、发挥工程效益的基础。

一、田间工程的规划（原则）要求

田间工程规划应满足以下基本要求：

（1）有完善的田间灌排系统，做到灌排配套，消灭串灌串排，并能控制地下水位。

（2）田面平整，灌水时土壤湿润均匀，排水时田面不留积水。

（3）田块的形状和大小能适机械化需要，有利开提高土地利用率。

（4）田间工程规划是农田基本建设规划的重要内容，必须在农业发展规划和水利建设规划基础上进行。

（5）田间工程规划必须着眼长远，立足当前，既要充分考虑农业现代化发展要求，又要满足当前农业生产发展的实际需要，全面规划，分期实施，当年增产。

（6）田间工程规划因地制宜，讲求实效，要有严格的科学态度，注重调查研究，走群众路线。

（7）田间工程规划要以治水改土为中心，实行山、水、田、林、路综合治理，创造良好的生态环境，促进农、林、牧、副、渔全面发展。

二、条田规划

条田：

末级固定灌溉渠道（农渠）和末级固定沟道（农沟）之间的田块。

综合考虑排涝、机械化耕作和田间用水管理方面要求，条田的一般规格为：

宽度100~200m，长度400~800m。

三、旱地田间渠系布置

田间渠系：

指条田内部的灌溉网，包括毛渠、输水垄沟和灌水沟、畦等。

有纵向布置与横向布置两种布置形式。

（一）影响条田设计的基本因素

1、灌溉对条田的要求

2、排水对条田设计的要求

3、农田防护林带与条田的关系

4、机耕对条田的要求

（二）条田内部的田间渠系布置

1、纵向布置

（1）水流流向

农渠→毛渠→输水垄沟→灌水沟、畦

（2）特点

毛渠∥灌水沟、畦（即毛渠方向与灌水沟方向一致）

（3）布置规格

1）纵向布置时，输水垄沟间距等于灌水沟、畦的长度，一般为30~50m。

2）输水垄沟的长主等于毛渠的间距，一般为50~70m。

3）毛渠的间渠等于输水垄沟的长度，若毛渠双向控制，则毛渠的间距是输水垄沟长度的两倍。

4）毛渠的长度与条田宽度相近。

2、横向布置

（1）水流

农渠→毛渠→灌水沟、畦

（2）特点

无输水垄沟；毛渠⊥灌水沟、畦面垂直

（3）布置规格

1）灌水沟、畦长度一般为30~50m。

2）单向控制时，毛渠间距等于灌水沟、畦的长度，双向控制时，毛渠的间距是灌水沟、畦长度的两倍。

3）毛渠长度与条田宽度相近。

3、纵向布置与横向布置选择方法

（1）灌水沟、畦尽量垂直于等于等高线（便于灌水）；作物行向一般为南北方向（通风光照条件好），由此确定灌水沟、畦的方向。

（2）若灌水沟、畦垂直于农渠，采用纵向布置；若灌水沟、畦平行于农渠，则采用横向布置。

四、水田格田

水田灌溉不需毛渠，灌溉水直接从农渠灌入水稻格田。

格田规划要点：

（1）水稻格田长度与宽度的确定应考虑到有利灌溉，以及有利于提高机耕、机收的效率，一般长约100~150m，宽约15~20m；

（2）在山丘区坡地上布置格田，一般格田长边方向与等高线平行（有利于减少修筑梯田的工程量），此时农渠垂直于等高线、顺坡布置；

（3）在平原地区，格田方向以南北向为好，利于作物通风采光；

（4）消灭串灌串排；

（5）田面平整，便于采用浅水勤灌或其它节水灌溉方法；

（6）与早作田块相邻时，应开设隔水沟。

五、田、林、路、居民点等的规划布置。

（一）道路和林园规划

1、道路规划

道路规划要使交通方便，少占土地，节约投资。

布置要与渠系及渠系上建筑物规划相结合

2、渠、沟、林、路相互关系的基本形式

（1）沟—路—渠

（2）路—沟—渠

（3）沟—渠—路

3、林带规划

（1）林带规划的原则：

1）既要经济利用土地又不降低防护效能

2）设计规格和树种配置上即要达到防风固沙，保护农田，生物排水、美化，同时要根据具体条件配置经济树种，增加生产效益。

3）树种的选择上要适应性强，生长快，防风效能好，病虫害少。

4）要长远规划和近期规划相结合（成林树和幼苗树搭配开）。

（2）农田防护林的设计与标准

1）农田防护林的作用

防风、生物排水、降低地下水位、改良土壤、改善田间小气候等。

2）防护林的宽度

3）树种的问题

4）林带布置形式和结构

（二）居民点的规划布置

1、居民点规划布置原则

（1）必须在农田基本建设统一规划基础上进行，使两者紧密结合，避免重复建设。

（2）必须与农业机械化生产水平相适应。

（3）旧村改建与新村建设结合起来

（4）居民点规模应与改善环境卫生等结合考虑。

2、居民点的规模

居民点大小要根据恰当的生产半径确定，而生产半径大小与农业机械化水平有关。

平原地区居民点可适当集中，生产半径1~2km.

尽量提高土地利用率，居民点占地一般不超过其经营范围内可耕地面积的2~3%；耕地面积要在80~85%以上；园林面积应不低于10%。

3、居民点的位置

要尽可能少占或不占好地。

（1）位于中心位置，以便从事生产劳动；

（2）交通方便；

（3）地势较高，干燥、向阳、利于排水；

（4）有良好的水源、特别注意水质条件，防止污染；

（5）离铁路、公路应有100~200米距离，以利安全；

（6）地下水位较低，没有盐、碱危害，不受山洪、河流泛滥等威胁。

§5—3、灌溉渠道系统设计

一、渠道设计流量概论

（一）设计流量

１．定义：

设计年份灌水期间渠道需要通过的最大流量。

一般用Ｑ表示。

单位为m3/s。

或正常条件下渠道需要通过的最大流量，因此设计流量也叫正常流量。

２．作用：

（１）是确定渠道设计断面主要依据。

（２）是确定建筑物规模尺寸的主要依据。

３．计算：

一般已知渠道的净流量，求设计流量（毛流量）。

净流量一般是已知的，因此计算设计流量的关键是计算Ｑ损。

试中：

　为设计流量；　　为毛流量；

为净流量；　　　为输水损失流量

流量单位：

m3/s

（二）最小流量

１、定义：

在灌溉设计标准条件下，渠道在工作过程中输送的最小流量。

２．作用：

可校核对下一级渠道水位控制条件和确定修建节制闸的位置等

３．计算：

用修正灌水模数图上最小灌水模数值和灌溉面积计算。

根据灌水模图上的最小灌水模数计算

或

（三）加大流量

１、定义：

考虑在灌溉工程运行过程中可能出现一些难以准确估计的附加流量，把设计流量适当放大后所得到的安全流量。

即是渠道运行过程中可能出现的最大流量。

２．作用：

J加大系数。

取值范围为1.10～1.35，大，J取值小，小，J取值大。

是设计堤顶高程的依据。

３．计算：

二、渠道输水损失的估算

输水损失　水面蒸发可以忽略不计

漏水损失加强管理可避免

渗水损失主要的不可避免的输水损失

影响渠道输水损失的因素有：

土壤性质、地下水位状况和渠道施工质量等。

１．自由渗流情况下的渗水损失

不受地下水位顶托的渠道渗流（地下水位未达到渠底）。

发生条件：

地下水埋深较深（渗水未到达地下水）或地下水出流较好（渗水到达地下水，但地下水位没有上升到渠底）

估算方法：

按经验公式　

式中：

：

每Km长渠道渗水损失占净流量的百分数。

Ａ、ｍ：

土壤渗水系数和渗水指数。

表5－１。

直接计算Ｑ损：

令s为每KM渗水损失，则

L—渠道长度（Km）

２．顶托渗流情况下的渗水损失

地下水位到达渠底，影响渗流。

发生条件：

地下水位较高；地下水出流条件较差。

顶托渗漏情况下的渗水损失小于自由渗流条件下的渗水损失。

估算方法：

或

校正系数（小于１）。

查表5－２。

３．采取防渗措施后的渗水损失

估算公式：

或

：

减小系数（小于1），查有关表。

例：

某渠道长10ｋｍ，净流量为4.429m3/s,沿渠土质为中粘壤土，试计算该渠道的设计流量。

三、水的利用系数

１．渠道水利用系数

反映某一渠道的水的利用率。

（由各级渠道组成的渠系可以用渠系水利用系数来描述其水的利用率。

）

２．渠系水利用系数

渠系：

由干、支、斗、农四级固定渠道组成。

毛渠是临时渠道，属田间渠系，或田间工程。

　　渠系的净流量为：

同时工作的农渠净流量之和。

渠系的毛流量为：

干渠的毛流量。

反映渠系的水的利用效率。

３．田间水利用系数

田间：

此处指田间渠系，由毛渠、灌水沟、畦等组成。

４．灌溉水利用系数

最后我们看反映整个灌区的灌溉水利用系数。

四、渠道的工作制度

什么叫渠道的工作制度？

就是渠道的输水工作方式，分为轮灌和续灌两种。

轮灌：

同级渠道分组依次轮流灌溉。

续灌：

上级渠同时向其下级分水灌溉，称各下级渠续灌。

轮灌的优点：

输水时间短，输水损失小

缺点：

渠道断面大，工程量大

续灌的优点：

工程量小

缺点：

输水损失大

一般干、支渠续灌，斗、农渠轮灌。

五、推算各级渠道设计流量

以如下渠系为例说明。

１．确定渠道工作制度

干、支续灌，斗、农轮灌。

２．选择典型支渠

选三支为典型支渠。

（为简化计算，便于推算其它各支流量）

农渠的计算长度是实际长度的一半。

（因农渠的净流量不是从农渠末端流出的，而是整条农渠均匀流出。

）

斗、支渠的计算长度：

分水口至轮灌组中点的距离。

（为什么？

因为若斗、支实际长度为计算长度显然偏长，若以分水口到轮灌组开始位置，则显得偏短。

）

ŋ3支水=Q支田净/Q支设。

举例：

３．计算其它各条支渠设计流量

（因为三支是典型支渠,所以可以认为其它各支与支3具有相同的水利用系数。

这也是前面选典型支渠的原因。

）

４．推算干渠设计流量

§5—4、渠道纵横断面设计

横断面设计：

确定渠道边坡、底宽、水深等。

纵断面设计：

确定推算水位、确定渠底线、堤顶高程线等。

一、渠道横断面设计

（一）基本公式

明渠均匀流公式

对于梯形断面渠道:

（二）横断面计算方法

１．计算底宽ｂ和设计水深ｈ

优点：

比试算法简便，比图解法精度更高。

２．计算加大水深和最小水深

一般需2~3次迭代即可得到满意的结果。

（三）设计参数的确定

１．渠底比降ｉ指单位渠长的渠底降落值。

当Q一定时,i大,则过水断面A小,工程量小,但控制的灌溉面积小。

i小,则A大,工程量大,但控制的灌溉面大。

取值方法：

（１）接近地面比降

（２）Ｑ大，则ｉ宜小（防冲剧）

（３）平原地区ｉ小，山丘区ｉ大

２．渠床糙率ｎ反映渠床粗糙程度。

糙率大，则阻水能力大。

取值方法：

（１）渠床光滑顺直，ｎ小（２）Ｑ大，则ｎ小

参考教材表４-8。

请同学思考：

ｎ取值偏大会造成什么后果？

ｎ取值偏小会造成什么后果？

３．边坡系数ｍ

m大,则工程占地多,输水损失大；m小,边坡不稳定。

取值：

（１）土质好（粘重），ｍ小（２）流量大，水深大，则ｍ大。

参考表4-9，4-10。

４．宽深比b渠底宽与设计水深之比

有三种宽深比

（１）水力最优断面宽深比

特点:

断面窄深,适用于小型渠道。

（２）满足相对稳定的宽深比

相对平稳：

不冲不淤或冲淤平稳

对于一般渠道：

多沙河流上引水的渠道:

（３）实用经济断面宽深比

水力最优断面，虽然过水断面小，但由于其断面比较窄深，对大型渠道并不适用（为什么？

因为不易施工，易塌）。

为克服最优水力断面的缺点（加大底宽，减小水深），同时又使过水断面面积接近于最优水力断面的断面面积，因而提出实用经济断面宽深比。

计算方法：

例：

已知某渠道设计流量为20.3m3/s，渠底比降ｉ＝1/5000,m=1沿线土质为粘壤土。

分别计算最优水力断面、实用经济断面、相对稳定断面的设计水深和底宽。

解：

（１）最优水力断面

最优水力断面水深计算公式为

b=0.828×4.88=4.04（m）

（２）实用经济断面

（３）相对稳定断面

最优水力断面水深最大，实用经济断面次之。

相对稳定断面最小。

以上分别计算了三断面只是为了说明计算方法，其中，最优水力断面,过于窄深,本题不适用。

本题宜选用实用经济断面。

５．渠道不冲流速、不淤流速

为保证不冲不淤，流速不能过小，也不能过大。

即

不淤流速＜渠道流速＜不冲流速

（１）不冲流速

（２）不淤流速

（四）横断面设计步骤

（１）拟定或估算各设计参数（ｉ、ｎ、ｍ、b等）。

（２）计算设计水深和底宽（ｈ、ｂ），校核不冲不淤。

　　　思考：

发生冲刷或淤积，怎么办？

调整宽深比或比降

　　　流量一定时，ｂ大，则ｖ小，ｉ大，则ｖ大。

（３）计算最小水深和加大水深。

（４）确定安全超高、堤顶宽。

（５）绘制渠道横断面图。

§5—5、渠道防渗

一、作用：

1、节水

2、防治冲刷和坍塌；增加稳定

3、提高输水能力；

4、减少深层渗漏，控制盐碱化；

5、防治杂草孳生和淤积；减少维修费用；

6、提高灌溉效率。

二、防渗措施简介

1、土料防渗

2、砌石防渗

3、砖砌防渗

4、混凝土防渗

5、沥青防渗

6、塑料薄膜防渗

渠道防渗方法

根据所使用的防渗材料，渠道防渗可分为土料压实防渗、三合土料护面防渗、石料衬砌防渗、混凝土衬砌防渗、塑料薄膜防渗、沥青护面防渗、土工织物防渗以及化学生物防渗技术等。

渠道防渗断面形式

防渗渠道的断面形式有多种多样，主要形式包括：

梯形断面、U形断面、矩形断面、弧形底梯形断面、弧形坡脚梯形断面、复合形断面、抛物线形断面、城门洞暗渠、箱形暗渠、正反拱形暗渠及圆形暗渠等十余种类型。

复习思考题与习题

1、灌溉渠道系统是什么？

包括哪些？

分为几级？

何谓输水渠道和配水渠道？

固定渠道包括哪些？

临时渠道包括哪些？

2、排水沟道分为几级？

排水系统包括哪些？

3、渠系规划的原则是什么？

规划步骤是什么？

4、渠系建筑物按其作用的不同，可分为几种类型？

各报刊哪些？

5、条田规划包括哪些内容，影响条田规划的因素有哪些？

6、灌溉、排水、防风、机耕对条田规划有哪些要求？

7田间工程规划的原则是什么？

8、居民点位置的选择及道路、林带的布置方法有哪些？

9、在确定渠道设计流量时，如何计算渠道的输水渗漏损失？

10、某一渠道的田间净流量与渠道的净流量有什么区别？

怎样计算田间净水量与净流量？

11、水的利用系数有哪些？

它们之间的关系如何？

如何计算？

12、渠道的工作制度分为几种？

13、在渠道设计中，为什么要考虑渠道设计流量？

加大流量和最小流量？

目的何在？

14、轮灌渠道和续灌渠道设计流量如何计算？

15、试述一个灌区由田间净流量推算渠首毛流量的方法步骤。

16、渠道纵、横断面设计的目的是什么？

设计原理是什么？

17、设计渠道横断面应满足哪些条件？

如何合理选择参数？

18、什么是不冲不淤流速？

具有什么意义？

怎样选定不冲不淤流速？

19、合理的渠道纵、横断面应满足什么条件？

20、何谓最优经济断面？

水力最优断面是否一定是最经济断面？

为什么？

21、灌溉渠道进水口处控制水位如何推算？

22、渠道纵断面图包括哪些内容？

绘制纵断面的方法步骤？

23、渠道防渗有何作用？

防渗的方法有哪些？

24、严寒地区渠道护面冻胀破坏的原因是什么？

防治渠道护面冻胀破坏有哪些措施？

25、计算题：

《农水》习题集p436—２～６—８。