灌溉渠道系统.ppt

第四章 灌溉渠道系统,本章重点内容：输配水工程和田间工程的规划、设计方法。渠道系统的概念：指从水源取水、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。渠道系统的组成：渠首工程（取水枢纽）输配水工程（渠道）田间工程,灌溉排水系统示意图,1.灌溉渠系的组成,灌溉渠系由各级灌溉渠道和退（泄）水渠道组成。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：使用寿命小于一年的季节性渠道。,一、灌溉渠系概述,第一节 灌溉渠系规划,临时渠道,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。,1.灌溉渠系的组成,第一节 灌溉渠系规划,退、泄水渠道包括渠首排沙渠、中途泄水渠和渠尾退水渠。主要作用：定期冲刷和排放渠首段的淤沙、排泄入渠洪水、退泄渠道剩余水量及下游出现工程事故时断流排水等，达到调节渠道流量、保证渠道及建筑物安全运行的目的。中途退水设施一般布置在重要建筑物和险工渠段的上游。干、支渠的末端应设退水渠道。,1.灌溉渠系的组成,第一节 灌溉渠系规划,2.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。,第一节 灌溉渠系规划,2.灌溉渠道的规划原则,第一节 灌溉渠系规划,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。,二、干、支渠的规划布置形式,干、支渠的布置形式主要取决于地形条件。1）山区、丘陵区灌区的干、支渠布置一般需要从河流上游引水灌溉，输水距离较长。干、支渠道的特点是：渠道高程较高，比降平缓，渠线较长而且弯曲较多，深挖、高填渠段较多，沿渠交叉建筑物较多。渠道常和沿途的塘坝、水库相联，形成长藤结瓜式水利系统，以求增强水资源的调蓄利用能力和提高灌溉工程的利用率。,第一节 灌溉渠系规划,山丘、丘陵区的干渠一般沿灌区上部边缘布置，大体上和等高线平行，支渠沿两溪间的分水岭布置。在丘陵地区，如灌区内有主要岗岭横贯中部，干渠可布置在岗脊上，大体和等高线垂直，干渠比降视地面坡度而定，支渠自干渠两侧分出，控制岗岭两侧的坡地。,1）山区、丘陵区灌区的干、支渠布置,第一节 灌溉渠系规划,二、干、支渠的规划布置形式,）平原区灌区的干、支渠布置,这类灌区大多位于河流中、下游地区的冲积平原，地形平坦开阔，耕地集中连片。山前洪积冲积扇，除地面坡度较大外，也具有平原地区的其他持征。河谷阶地位于河流两侧，呈狭长地带，地面坡度倾向河流，高处地面坡度较大，河流附近坡度平缓，水文地质条件和土地利用等情况和平原地区相似，这些地区的渠系规划具有类似的特点，可归为一类。干渠多沿等高线布置，支渠垂直等高线布置。,第一节 灌溉渠系规划,二、干、支渠的规划布置形式,第一节 灌溉渠系规划,二、干、支渠的规划布置形式,）平原区灌区的干、支渠布置,3）圩垸区灌区的干、支渠布置,二、干、支渠的规划布置形式,第一节 灌溉渠系规划,特点：地势低洼，在最高洪水位和最低于洪水位之间；河湖港汊密布、洪水位高于地面，必须依靠筑堤圈圩才能保证正常的生产和生活，一般没有常年自流排灌的条件，普遍采用机电排灌站进行提排、提灌。面积较大的圩垸，往往一圩多站，分区灌溉或排涝。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,通常只有干、支两极。,三、斗、农渠的规划布置,1.斗、农渠的规划要求,适应农业生产管理和机械耕作要求；便于配水和灌水，有利于提高灌水工作效率；有利于灌水和耕作的密切配合；土地平整工程量较少。,第一节 灌溉渠系规划,支渠,2.斗渠的规划布置,斗渠的长度和控制面积随地形变化很大。山区、丘陵地区的斗渠长度较短，控制面积较小，平原地区的斗渠较长，控制面积较大。,我国北方平原地区一些大型自流灌区的斗渠长度一般为35km控制面积为30005000亩。斗渠的间距主要根据机耕要求确定，和农渠的长度相适应。,第一节 灌溉渠系规划,三、斗、农渠的规划布置,3.农渠的规划布置,农渠是末级固定渠道，控制范围为一个耕作单元。农渠长度根据机耕要求确定，在平原地区通常为500100m，间距为200400m，控制面积为200600亩。丘陵地区农渠的长度和控制面积较小。在有控制地下水位要求的地区，农渠间距根据农沟间距确 定。,三、斗、农渠的规划布置,第一节 灌溉渠系规划,4.灌溉渠道和排水沟道的配合,灌排相邻布置：在地面向一侧倾斜的地区，渠道只能向一侧灌水，排水沟也只能接纳一边的径流，灌溉渠道和排水沟道只能并行，上灌下排，互相配合。,第一节 灌溉渠系规划,三、斗、农渠的规划布置,4.灌溉渠道和排水沟道的配合,灌排相间布置：在地形平坦或有微地形起伏的地区，宜把灌溉渠道和排水沟道交错布置，沟、渠都是两侧控制，工程量较省。,三、斗、农渠的规划布置,第一节 灌溉渠系规划,四、渠线规划步骤,干、支渠道的渠线规划大致可分为三个步骤：1）查勘 2）纸上定线 3）定线测量 在平原地区和小型灌区，可用比例尺等于或大于万分之一的地形图进行渠线规划，先在图纸上初定渠线，再进行实际调查，修改渠线，然后进行定线测量。一般不测带状地形图。斗、农渠的规划也可参照这个步骤进行。,第一节 灌溉渠系规划,五、渠系建筑物的规划布置,渠系建筑物：各级渠道上的建筑物1引水建筑物2配水建筑物1）分水闸建在上级渠道向下级渠道分水的地方。斗、农渠的进水闸惯称为斗门、农门。结构形式有开敞式和涵洞式两种。,第一节 灌溉渠系规划,2）节制闸垂直渠道中心线布置。作用：抬高上游渠道水位，满足下级渠道的引水要求；下级渠道实行轮灌时，需在轮灌组的分界处设置节制闸，以拦断水流。保护渠道上的重要建筑物或险工渠段，退泄降雨期间汇入上游渠段的降雨径流。,2配水建筑物,五、渠系建筑物的规划布置,第一节 灌溉渠系规划,节制闸,渠道穿越山岗、河沟、道路时，需要修建交叉建筑物。常见的交叉建筑物有隧洞、渡槽、倒虹吸、涵洞、桥梁等。4衔接建筑物当渠道通过坡度较大地段时，为了防止渠道冲刷，保持渠道的设计比降，就把渠道分成上、下两段，中间用衔接建筑物联结，常见的有跌水和陡坡。,3交叉建筑物,第一节 灌溉渠系规划,五、渠系建筑物的规划布置,3交叉建筑物,第一节 灌溉渠系规划,五、渠系建筑物的规划布置,渡槽,倒虹吸,3交叉建筑物,当渠道通过坡度较大的地段时，为了防止渠道冲刷，保持渠道的设计比降，就把渠道分成上、下两段，中间用衔接建筑物联结，这种建筑物常见的有跌水和陡坡，,4.衔接建筑物,第一节 灌溉渠系规划,跌水,陡坡,跌水,陡坡,4衔接建筑物,为了防止由于沿渠坡面径流汇入渠道或因下级(游)渠道事故停水而使渠道水位突然升高，必须在重要建筑物和大填方段的上游以及山洪入渠处的下游修建泄水建筑物，泄放多余的水量。,泄水建筑物,通常在渠岸上修建溢流堰或泄水闸；从多泥沙河流引水的干渠，常在进水闸后开挖泄水渠，设置泄水闸；为了退泄灌溉余水，干、支、斗渠的末端应设退水闸和退水渠。,五、渠系建筑物的规划布置,第一节 灌溉渠系规划,在各级渠道的进水口需要量测入渠水量，在末级渠道上需要量测向田间灌溉的水量，在退水渠上要量测渠道退泄的水量。量水堰是常用的量水建筑物。,第一节 灌溉渠系规划,五、渠系建筑物的规划布置,6量水建筑物,第二节 田间工程规划,田间工程:最末一级固定渠道(农渠)和固定沟道(农沟)之间的条田范围内的临时渠道、排水小沟、田间道路、稻田的格田和田埂、旱地的灌水畦和灌水沟、小型建筑物以及土地平整等农田建设工程。,一、田间工程规划要求和规划原则,第二节 田间工程规划,1田间工程规划要求,田间工程要有利于调节农田水分状况、培育土壤肥力和实现农业现代化。有完善的田间灌排系统；田面平整，灌水时土壤湿润均匀,排水时田面不留积水 田块的形状和大小要适应农业现代化需要，有利于农业机械作业和提高土地利用率。,2田间工程规划原则,一、田间工程规划要求和规划原则,必须在农业发展规划和水利建设规划的基础上进行；必须着眼长远、立足当前,全面规划,分期实施,当年增产 必须因地制宜,讲求实效,要有严格的科学态度,注重调查研究,走群众路线。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。,第二节 田间工程规划,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，有的地方称为耕作区。它是进行机械耕作和田间工程建设的基本单元，也是组织田间灌水的基本单元。排水要求：农沟间距100200m；机耕要求：条田长度以400800m为宜；田间用水管理要求：条田长度不超过400800m。,二、条田规划,第二节 田间工程规划,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。1）纵向布置灌水方向垂直农渠，毛渠与灌水沟、畦平行布置。,三、田间渠系布置,第二节 田间工程规划,2）横向布置灌水方向和农渠平行，毛渠和灌水沟、畦垂直。,第二节 田间工程规划,三、田间渠系布置,在以上两种布置形式中，纵向布置适用于地形变化较复杂、土地平整较差的条田；横向布置适用于地面坡向一致、坡度较小的条田。但是，在具体应用时，田间渠系布置方式的选择要综合考虑地形、灌水方向以及农渠和灌水方向的相对位置等因素。,第二节 田间工程规划,三、田间渠系布置,第三节 灌溉渠道流量推算,第四章 灌溉渠道系统,主要内容：灌溉渠道流量概述灌溉渠道水量损失渠道的工作制度灌溉渠道设计流量推算渠道流量进位规定,第三节 灌溉渠道流量推算,流量是指单位时间内通过某一过水断面的水量，常用符号Q表示，单位有m3/s、L/s、m3/h。,换算关系,1 m3/s=1000 L/s1 L/s=3.6 m3/h1m3/h=0.278 L/s,在灌溉实践中，渠道的流量是在一定范围内变化的，设计渠道的纵横断面时，要考虑流量变化对渠道的影响。一般以设计流量作为确定渠道过水断面的依据，同时考虑非常规情况下的加大流量和最小流量。,第三节 灌溉渠道流量推算,设计流量：在灌溉设计标准条件下，为满足灌溉用水要求，需要渠道输送的最大流量。通常是根据设计灌水模数（设计灌水率）和灌溉面积进行计算的。渠道的净流量：需要渠道提供的灌溉流量。渠道的毛流量：计入水量损失后的流量。设计流量是渠道的毛流量，它是设计渠道断面和渠系建筑物尺寸的主要依据。,一、灌溉渠道流量概述,1设计流量,第三节 灌溉渠道流量推算,最小流量：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。用修正灌水率图上的最小灌水率值和灌溉面积进行计算。应用渠道最小流量可以校核下一级渠道的水位控制条件和确定修建节制闸的位置等。,2最小流量,一、灌溉渠道流量概述,第三节 灌溉渠道流量推算,加大流量：考虑到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。它是设计渠堤堤顶高程的依据。在灌溉工程运行过程中，可能出现一些和设计情况不一致的变化，要求在设计渠道和建筑物时留有余地，按加大流量校核其输水能力。,3加大流量,第三节 灌溉渠道流量推算,一、灌溉渠道流量概述,第三节 灌溉渠道流量推算,二、灌溉渠道水量损失,由于渠道在输水过程中有水量损失，就出现了净流量(Qn)、毛流量(Qg)、损失流量（Ql）这三中既有联系、又有区别的流量，它们之间的关系是：Qg=Qn+Ql 渠道的水量损失包括渠道水面蒸发损失、渠床渗漏损失、闸门漏水和渠道退水等。水面蒸发损失一般不足渗漏损失水量的5，在渠道流量计算中常忽略不计。闸门漏水和渠道退水取决于工程质量和用水管理水平，可以通过加强灌区管理工作予以限制，在计算渠道流量时不予考虑。渠床渗漏损失水量近似地看作总输水损失水量。,把渗漏损失水量和渠床土壤性质、地下水埋藏深度和出流条件、渠道输水时间等因素有关。渠道渗漏损失可分为三个阶段：1.垂直渗漏阶段；2.回水渗漏阶段；3.侧向渗漏阶段。,二、灌溉渠道水量损失,第三节 灌溉渠道流量推算,1.用经验公式估算输水损失水量,每公里渠道输水损失系数 A渠床土壤透水系数；m渠床土壤透水指数；Qn渠道净流量，m3s。,第三节 灌溉渠道流量推算,土壤透水性参数A和m应根据实测资料分析确定，或借用邻近相似灌区的资料。在缺乏实测资料的情况下，可采用下表中的数值。,经验公式估算输水损失水量,渠道输水损失流量计算：,自由渗流情况下：,第三节 灌溉渠道流量推算,Ql=LQn,灌区地下水位较高，渠道渗漏受地下水壅阻影响，实际渗漏水量比计算结果要小。在这种情况下，就要给以上计算结果的修正系数加以修正。,2经验系数估算输水损失水量,1）渠道水利用系数某渠道的净流量与毛流量的比值称为该渠道的渠道水利用系数。,第三节 灌溉渠道流量推算,渠道水利用系数反映一条渠道的水量损失情况，或反映同一级渠道水量损失的平均情况。,2）渠系水利用系数渠系水利用系数：灌溉渠系的净流量与毛流量的比值。,渠系水利用系数反映整个渠系的水量损失情况。它不仅反映出灌区的自然条件和工程技术状况，还反映出灌区的管理工作水平。提水灌区的渠系水利用系数稍高于自流灌区。,第三节 灌溉渠道流量推算,2经验系数估算输水损失水量,3）田间水利用系数田间水利用系数：实际灌入田间的有效水量（对旱作农田，指蓄存在计划湿润层中的灌溉水量；对水稻田，指蓄存在格田内的灌溉水量。)和末级固定渠道（农渠）放出水量的比值。,田间水利用系数是衡量田间工程状况和灌水技术水平的重要指标。,第三节 灌溉渠道流量推算,2经验系数估算输水损失水量,4）灌溉水利用系数灌溉水利用系数：实际灌入农田的有效水量和渠首引入水量的比值。,它是评价渠系工作状况、灌水技术水平和灌区管理水平的综合指标。,2经验系数估算输水损失水量,第三节 灌溉渠道流量推算,三、渠道的工作制度,渠道的工作制度就是渠道的输水工作方式，分为续灌和轮灌两种。1.续灌在一次灌水延续时间内，自始至终连续输水的渠道称为续灌渠道。这种输水工作方式称为续灌。一般灌溉面积较大的灌区，干、支渠多采用续灌。,第三节 灌溉渠道流量推算,同一级渠道在一次灌水延续时间内轮流输水的工作方式叫做轮灌。实行轮灌的渠道称为轮灌渠道。一般较大的灌区，只在斗渠以下实行轮灌。实行轮灌时，渠道分组轮流输水，分组方式可归纳为两种：集中分组插花分组,2轮灌,第三节 灌溉渠道流量推算,三、渠道的工作制度,特点：缩短了各条渠道的输水时间，加大了输水流量，同时工作的渠道长度较短，从而减少了输水损失水量，有利于农业耕作和灌水工作的配合，有利于提高灌水工作效率。因为轮灌加大了渠道的设计流量，也就增加了渠道的土方量和渠道建筑物的工程量。如果流量过分集中，还会造成劳力紧张，在干旱季节还会影响各用水单位的均衡受益。,2轮灌,第三节 灌溉渠道流量推算,三、渠道的工作制度,Q,Q,四、灌溉渠道设计流量推算,因为轮灌渠道的输水时间小于灌水延续时间，所以，不能直接根据设计灌水模数和灌溉面积自下而上的推算渠道设计流量。常用的方法是：根据轮灌组划分情况自上而下逐级分配未级续灌渠道（一般为支渠）的田间净流量；再自下而上逐级计入输水损失水量，推算各级渠道的设计流量。,1轮灌渠道设计流量的推算,第三节 灌溉渠道流量推算,1）自上而下分配末级续灌渠道的田间净流量,1轮灌渠道设计流量的推算,（1）计算支渠的设计田间净流量,（2）由支渠分配到每条农渠的田间净流量,第三节 灌溉渠道流量推算,四、灌溉渠道设计流量推算,1轮灌渠道设计流量的推算,第三节 灌溉渠道流量推算,2）自下而上推算各级渠道的设计流量,A用经验公式估算输水损失的计算方法,（1）计算农渠的净流量,（2）推算各级渠道的设计流量（毛流量）,第三节 灌溉渠道流量推算,四、灌溉渠道设计流量推算,（2）推算各级渠道的设计流量（毛流量）B.用经验系数估算输水损失,在大、中型灌区，为了简化计算，通常选择一条有代表性的典型支渠按上述方法推算支、斗、农渠的设计流量，计算支渠范围内的灌溉水利用系数支水，以此作为扩大指标计算其余支渠的设计流量。,第三节 灌溉渠道流量推算,四、灌溉渠道设计流量推算,2续灌渠道设计流量的计算,续灌渠道设计流量的推算方法是自下而上逐级、逐段进行推算。,由于渠道水利用系数的经验值是根据渠道全部长度的输水损失情况统计出来的，它反映出不同流量在不同渠段上运行时输水损失的综合情况，而不能代表某个具体渠段的水量损失情况。所以，在分段推算续灌渠道设计流量时，一般不用经验系数估算输水损失水量，而用经验公式估算。,第三节 灌溉渠道流量推算,四、灌溉渠道设计流量推算,干渠流量推算图,第三节 灌溉渠道流量推算,四、灌溉渠道设计流量推算,2续灌渠道设计流量的计算,五、渠道最小流量和加大流量的计算,1渠道最小流量的计算,以修正灌水率图上的最小灌水率值作为计算渠道最小流量的依据。目前有些灌区规定渠道最小流量以不低于渠道设计流量的40为宜；也有的灌区规定渠道最低水位等于或大于70的设计水位。,第三节 灌溉渠道流量推算,2渠道加大流量计算,渠道加大流量的计算是以设计流量为基础，给设计流量乘以“加大系数”。,轮灌渠道不考虑加大流量。在抽水灌区，干渠的加大流量按备用机组的抽水能力确定。,第三节 灌溉渠道流量推算,五、渠道最小流量和加大流量的计算,为了设计渠道时计算方便，要求渠道设计流量具有适当的尾数。灌溉排水渠系设计规范SDJ2l784对渠道流量进位作了规定。,六、渠道流量进位规定,第三节 灌溉渠道流量推算,思考题:1.渠道系统设计时，选取的特征流量有几个，作用是什么?2.灌溉渠道水量损失包括什么？如何估算轮灌渠道设计流量。,第四章 灌溉渠道系统,第四节 灌溉渠道纵横 断面设计,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,灌溉渠道的设计流量、最小流量和加大流量确定以后，就可据此设计渠道的纵横断面。设计流量是进行水力计算、确定渠道过水断面尺寸的主要依据。最小流量主要用来校核对下级渠道的水位控制条件，加大流量是确定渠道断面深度和堤顶高程的依据。,一、渠道纵横断面设计原理 渠道纵断面和横断面的设计是互相联系、互为条件的。在设计实践中，不能把他们截然分开，而要统盘考虑、交替进行、反复调整，最后确定合理的设计方案。为叙述方便，把纵、横断面设计方法分别予以介绍。,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,满足渠道的输水、配水；a）流量足；b）水位够满足渠床稳定条件：,渠道横断面设计要求,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,纵向稳定。要求渠道在设计条件下工作时，不发生冲刷和淤积，或在一定时期内冲淤平衡。平面稳定。要求渠道在设计条件下工作时，渠道水流不发生左右摇摆。边坡稳定。,因在渠首进水口和第一个分水口之间水流平顺，比降相同。渠道水深、过水断面面积和平均流速沿程不便。所以近似的认为水流状态为明渠均匀流。灌溉渠道按明渠均匀流公式设计。,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,明渠均匀流的基本公式：,V渠道平均流速,m/s;C谢才系数,m0.5/si渠底比降.R水力半径,m.(A/X),谢才系数用曼宁公式计算：,n 渠床糙率系数渠道设计流量,m3/s渠道过水断面面积,m3,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,二、梯形渠道横断面设计方法,原理：设计渠道时要求工程量小，投资少，即在设计流量Q、比降i、糙率系数n值相同的条件下应使过水断面面积最小，或在过水断面面积A、比降i、糙率系数n值同的条件下，使通过的流量Q最大。符合这些条件的断面称为水力最佳断面。天然土渠修成半圆形是很困难的，也是不稳定的，只能修成接近半圆的梯形断面。,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,(一)渠道设计的依据,渠道断面设计水力要素：依据除输水流量外，还有渠底比降、渠床糙率、渠道边坡系数、渠道底宽和设计水深等。,各水力要素可用以下函数式表示：Qf（i,n,m,b,h),第四节 灌溉渠道纵横断面设计,1渠底比降,在坡度均一的渠段内，两端渠底高差和渠段长度的比值称为渠底比降。比降选择是否合理关系到工程造价和控制面积，应根据渠道沿线的地面坡度、下级渠道进水口的水位要求、渠床土质、水源含沙情况、渠道设计流量大小等因素，参考当地灌区管理运用经验，选择适宜的渠底比降。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。,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,黄土地区从多泥沙河流引水的渠道，满足不淤条件的渠底比降可参考陕西省水利科学研究所的经验公式确定：,1渠底比降,泥沙平均沉速,mm/s,水流的饱和挟沙量，kg/m3,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,在设计工作中，可参考地面坡度和下级渠道的水位要求先初选一个比降，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，如不满足要求，再修改比降，重新计算。,1渠底比降,2.渠床糙率系数(n),第四节 灌溉渠道纵横断面设计,如果n值选得太大，设计的渠道断面就偏大，不仅增加了工程量，而且 会因实际水位低于设计水位而影响下级渠道的进水。如果n值取得太小，设计的渠道断面就偏小，输水能力不足，影响灌溉用水。,渠床糙率系数n 是反映渠床粗糙程度的技术参数。该值选择得是否切合实际，直接影响到设计成果的精度。糙率系数值的正确选择不仅要考虑渠床土质和施工质量，还要估计到建成后的管理养护情况。,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,3.渠道的边坡系数,渠道的边坡系数m是渠道边坡倾斜程度的指标，其值等于边坡在水平方向的投影长度和在垂直方向投影长度的比值。m值的大小关系到渠坡的稳定，要根据渠床土壤质地和渠道深度等条件选择适宜的数值。大型渠道的边被系数应通过土工试验和稳定分析确定；中小型渠道的边坡系数根据经验选定。,4.渠道断面的宽深比,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,渠道断面的宽深比是渠道底宽b和水深h的比值。渠道宽深比的选择要考虑以下要求：（1）工程量最小水力最优断面：在渠道比降和渠床糙率一定的条件下，通过设计流量所需要的最小过水断面。梯形渠道水力最优断面的宽深比：,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,水力最优断面具有工程量最小的优点，小型渠道和石方渠道可以采用。对大型渠道来说，因为水力最优断面比较窄深，开挖深度大，可能受地下水影响，施工困难，劳动效率较低，而且渠道流速可能超过允许不冲流速，影响渠床稳定。所以，大型渠道常采用宽浅断面。可见，水力最优断面仅仅指输水能力最大的断面，不一定是最经济的断面，渠道设计断面的最佳形式还要根据渠床稳定要求、施工难易等因素确定。,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,（2）断面稳定,在总结当地已成渠道运行经验的基础上研究确定。比降小的渠道应选较小的宽深比，以增大水力半径，加快水流速度；比降大的渠道应选较大的宽深比，以减小流速，防止渠床冲刷。这里介绍几个常用的公式。,a.多泥沙河道引水的灌溉渠道当Q1.5m3/s 时，a=NQ1/10m 式中N=2.353.25，一般采用2.8。当Q=1.550m3/s 时，a=NQ1/4m 式中N=1.83.4，一般采用2.6。,b.原苏联CA吉尔什康公式 a=3Q0.25mc.美国垦务局公式 a=4m,（2）断面稳定的宽深比,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,由于影响渠床稳定的因素很多，也很复杂，每个经验公式都是在一定地区的特定条件、下产生的，都有一定的局限性。这些经验公式的计算结果只能作为设计的参考。,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,(3)有利通航 有通航要求的渠道，应根据船舶吃水深度、错船所需的水面宽度以及通航的流速要求等确定蕖道的断面尺寸。渠道水面宽度应大于船舶宽度的2.6倍，船底以下水深应不小于1530cm。,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,5.渠道的不冲不淤流速,在稳定渠道中，允许的最大平均流速称为临界不冲流速，简称不冲流速，用vcs表示；允许的最小平均流速称为临界不淤流速，简称不淤流速，用vcd表示。为了维持渠床稳定，渠道通过设计流量时的平均流速（设计流速）vd 应满足以下条件：v cd vd vcs,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,1）渠道的不冲流速 渠道的不冲流速水在渠道中流动时，具有一定的能量，这种能量随水流速度的增加而增加，当流速增加到一定程度时，渠床上的土粒就会随水流移动，土粒将要移动而尚未移动时的水流速度就是临界不冲流速或简称不冲流速。渠道不冲流速和渠床土壤性质、水流含沙情况、渠道断面水力要素等因素有关，具体数值要通过试验研究或总结已成渠道的运用经验而定。一般土渠的不冲流速在0.60.9m/s之间。,5.渠道的不冲不淤流速,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,5.渠道的不冲不淤流速,2）渠道的不淤流速 渠道水流的挟沙能力随流速的减小而减小，当流速小到一定程度时，部分泥沙就开始在渠道内淤积。泥沙将要沉积而尚未沉积时的流速就是临界不淤流速。渠道不淤流速主要取决于渠道含沙情况和断面水力要素，也应通过试验研究或总结实践经验而定。在缺乏实际研究成果时，可选用有关经验公式进行计算。,黄河水利委员会水利科学研究所的不淤流速计算公式：,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,vcd渠道不淤流速m/s；C0不淤流速系数，随渠道 流量和宽深比而变;Q渠道的设计流量，m3/s。,不淤流速系数C0值,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,(二)渠道水力计算,渠道水力计算的任务是根据上述设计依据，通过计算，确定渠道过水断面的水深h 和底宽b。,一般断面的水力计算,这是广泛使用的渠道设计方法，根据公式:,用试算法求解渠道的断面尺寸。,1一般断面的水力计算,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,利用试算法求解渠道的断面尺寸，具体步骤如下：(1)假设b、h一般先假设一个整数的b值，再选择适当的宽深比a，用公式h=b/a计算相应的水深值。,(2)计算渠道过水断面的水力要素：根据假设的b、h值计算相应的过水断面面积A、湿周P、水力半径R和谢才系数C：,(4)校核渠道输水能力：通过试算，反复修改b、h值，直至渠道计算流量等于或接近渠道设计流量，要求误差不超过5%。即设计渠道断面应满足的校核条件是：,(3)计算渠道流量:,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,1一般断面的水力计算,(5)校核渠道流速:,如不满足流速校核条件，就要改变渠道的底宽和渠道断面的宽深比，重复以上计算步骤，直到既满足流量校核条件又满足流速校核条件为止。,渠道的设计流速应满足校核条件:v cd vd vcs,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,1一般断面的水力计算,2水力最优梯形断面的水力计算,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,按以下步骤直接求解：(1)计算渠道的设计水深 由梯形渠道水力最优断面的宽深比公式:明渠均匀流流量计算公式:,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,得水力最优断面的渠道设计水深为：,(3)校核渠道流速:流速计算和校核方法与采用一般断面时相同。如设计流速不满足校核条件时，说明不宜采用水力最优断面形式。,(2)计算渠道的设计底宽：,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,(三)渠道过水断面以上部分的有关尺寸,1）渠道加大水深渠道通过加大流量Qj 时的水深称为加大水深hj。2）安全超高 为了防止风浪引起渠水漫溢，保证渠道安全运行，挖方渠道的渠岸和填方渠道的堤顶应高于渠道的加大水位，要求高出的数值称为渠道的安全超高，通常用经验公式计算。,灌溉排水渠系设计规范(SDJ21784)建议按下式计算渠道的安全超高h。h=hj/4+0.2,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,3）堤顶宽度 为了便于管理和保证渠道安全运行，挖方渠道的渠岸和填方渠道的堤顶应有一定的宽度，以满足交通和渠道稳定的需要。,如果渠堤与主要交通道路结合，渠岸或堤顶宽度应根据交通要求确定,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,三、渠道横断面结构,根据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三种形式，其结构各不相同。挖方渠道断面结构 填方渠道断面结构 半挖半填渠道,半挖半填渠道,填方渠道,挖方渠道,当挖方量等于填方量时（考虑沉陷影响，外加和10%-30%土方量）,工程费用最少。挖填土方相等时得挖方深度x可按下式计算：(b+mx)x=(1.11.3)2a(d+(m1+m2)a/2)系数1.11.3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；粘土取1.2；黄土取1.3。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：B(510)(h-x),第四节 灌溉渠道纵横断面设计,四、渠道的纵断面设计,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,灌溉渠道不仅要满足输送设计流量的要求，还要满足水位控制的要求。纵断面设计的任务是根据灌溉水位要求确定渠道的空间位置，先确定不同桩号处的设计水位高程，再根据设计水位确定渠底高程、堤顶高程、最小水位等。,1灌溉渠道的水位推算,四、渠道的纵断面设计,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,为了满足自流灌溉的要求，各级渠道入口处都应具有足够的水位。这个水位是根据灌溉面积上控制点的高程加上各种水头损失，自下而上逐级推算出来的。,h控制点地面与附近末级固定渠道设计水位的高差，一般取0.10.2m；,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,2.渠道纵断面图的绘制,渠道纵断面图包括：沿渠地面高程线、渠道设计水位线、渠道最低水位线、渠底高程线、堤顶高程线、分水口位置、渠道建筑物位置及其水头损失等。渠道纵断面图按以下步骤绘制：绘地面高程线；标绘分水口和建筑物的位置；绘渠道设计水位线；,绘渠底高程线；绘制渠道最小水位线；绘渠顶高程线；标注桩号和高程；标注渠道比降。根据渠道纵、横断面图可以计算渠道的土方工程量，也可以进行施工放样。,2.渠道纵断面图的绘制,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,渠道纵断面图的绘制,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,3渠道纵断面设计中的水位衔接,(1)不同渠段间的水位衔接 由于渠段沿途分水，渠道流量逐段减小，在渠道设计中经常出现相邻渠段间水深不同，上游水深，下游水浅，给水位衔接带来困难。处理办法：如果上、下段设计流量相差很小时，可调整渠道横断面的宽深比，在相邻两渠段间保持同一水深。在水源水位较高的条件下，下游渠段按设计水位和设计水深确定渠底高程，并向上游延伸，画出上游渠段新的渠底线，再根据上游渠段的设计水深和新的渠底线，画出上游渠段新的设计水位线。,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,在水源水位较低、灌区地势平缓的条件下，既不能降低下游的设计水位高程，也不能抬高上游的设计水位高程时，不得不用抬高下游渠底高程的办法维持要求的设计水位。在上、下两渠段交界处渠底出现一个台阶，破坏了均匀流的条件，在台阶上游会引起泥沙淤积。这种做法应尽量避免。为了减少不利影响，下游渠底升高的高度不应大于1520cm。,3渠道纵断面设计中的水位衔接,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,3渠道纵断面设计中的水位衔接,在渠道设计实践中通常采用的做法是：以设计水位为标准，上级渠道的设计水位高于下级渠道的设计水位，以此确定下级渠道的渠底高程。如果水源水位较高或上级渠道比降较大，也可以最小水位为配合标准，抬高上级渠道的最小水位。分水闸上游水位的升高可用两种方式来实现：抬高渠道水位，不变渠道比降；不变渠道水位，减缓上级渠道比降,2,3,一支,二支,三支,距离,水位,O,水源水位,原水源水位,渠道最小水位调整方案,第四节 灌溉渠道纵横断面设计,第五节 渠道防渗,我国渠道主要防渗衬砌措施及适用条件渠道衬砌冻胀破坏的防治,浪费了宝贵的水资源。引起地下水位上升，招致农田渍害。在有盐碱化威胁的地区，会引起土壤次生盐渍化。水量损失还会增加灌溉成本和农民的水费负担，降低灌溉效益。,第五节 渠道防渗,渠道渗漏的危害：,一、渠道防渗的意义,渠道防渗工程措施有以下作用：,减少渠道渗漏损失,节省灌溉用水量,更有效地利用水资源。提高渠床的抗冲能力，防止渠坡坍塌，增加渠床的稳定性。减小渠床糙率系数，加大渠道流速，提高渠道输水能力。减少渠道渗漏对地下水的补给，有利于控制地下水位和防治土壤盐碱化。防止渠道长草，减少泥沙淤积，节省工程维修费用。降低灌溉成本，提高灌溉效益。,第五节 渠道防渗,一、渠道防渗的意义,我国各地由于气候、土质、材料、水源等条件不同，防渗措施要以当地材料和行之有效的方法为主。特别是南北方气候差异很大，防渗措施往往不同，或是同样的措施，具体的构造也不同。比如说北方因受冻胀影响，衬砌厚些，南方薄些，严寒地区的渠道衬砌底部还应设砂砾石垫层，其垫层厚度应不小于该地区最大陈土层深度的70。为此，渠道防渗衬砌应贯彻安全可靠、技术先进、效果持久、经济合理、因地制易、易于施工、方便管理等原则。,一、渠道防渗的意义,第五节 渠道防渗,1.土料防渗土料防渗能就地取材、施工简便、造价低但抗冻性耐久性较差，工程量大，质量不易保证，适宜于气候温和地区的中、小型渠道土料防渗包括土料夯实、粘土护面、灰土护面以及三合土护面等。,二、渠道防渗衬砌措施简介,第五节 渠道防渗,碾压夯实,二、渠道防渗衬砌措施简介,1.土料防渗,粘土护面 在渠床表面铺设一层粘土是减小强透水性土壤渗漏损失的有效措施之一，具有就地取材、施工方便、投资省、防渗效果好等优点。灰土护面 灰土护面是采用石灰和粘土或黄土的拌和料夯实而成的防渗层。石灰与土的配合比常用1：31：9。灰土护面的抗冲能力较强，但抗冻性差，多用于气候温和地区。三合土护面 用石灰、砂、粘土经均匀拌和后，夯实成渠道的防渗护面。,第五节 渠道防渗,第五节 渠道防渗,2砌石防渗,砌石防渗具有就地取材、施工简单、抗冲、抗磨、耐久等优点。石料有卵石、块石、条石、石板等，砌筑方法有干砌和浆砌两种。,石料衬砌的防渗效果比混凝土、水泥土差，这主要是由于砌石缝隙较多，施工质量不易保证。,第五节 渠道防渗,3.砖砌防渗对于缺乏其它防渗材料的地区，可以采用砖砌防渗。防渗用砖有普通的粘土砖、上釉砖及陶砖。普通砖吸水率大，抗陈性较差，易受冻融剥蚀，使用时间较短；为了提高砖的抗渗性，可在砖面上刷水泥沙浆。后两种砖的抗渗性好，糙率小，强度大。衬砌厚度，视边坡设计要求而定。一般为单砖平砌或单砖立砌，砌筑时，应先砌渠底后砌渠坡。,第五节 渠道防渗,砖砌防渗,第五节 渠道防渗,(4)混凝土衬砌防渗混凝土衬砌渠道具有防渗效果好、耐久、糙率小、强度高和适应性强，使于管理养护等优点。其缺点是一次性投资较大，需大量水泥，在严寒地区容易冻裂。按其施工方式可分为现场浇筑、预制装配和压力喷射3种。就地浇筑的优点是衬砌接缝少，与渠床的结合好；预制装配的优点是受气候条件的影响小，混凝土质量易保证，并能减少施工与渠道引水的矛盾；采用喷射法施工时，需较多的施工机械设备，施工较繁杂，多用于岩基、风化岩基以及深挖方或高填方渠道衬砌。,第五节 渠道防渗,(4)混凝土衬砌防渗现场整体浇筑的半圆形和U形槽具有输水能力大，水力性能好，断面小，抗冻胀破坏性能较好，节省材料，整体稳定性好等优点。适用于流量为10m3/s以下的各级中、小型渠道。U形渠道衬砌可采用专门衬砌机械施工，我国已研制出一次浇成直径30120cm 6种规格的DX系列U型渠道混凝土衬砌机。,现场浇筑,预制装配,渠道混凝土衬砌,(5)塑料薄膜防渗 在渠床上铺设塑料薄膜可以有效地防止渠道渗漏。塑膜防渗不仅效果好，而且质量轻，便于运输，施工简单，造价低，耐腐蚀，能适应渠基的各种变形。据试验资料统计，塑膜防渗有效期可达1520a，一般都采用埋藏式，保护层可用素土夯实或加铺防冲材料，总厚度不小于30cm。在寒冷地区，冻土深度较大，保护层厚度常取冻土深度的1/31/2。,第五节 渠道防渗,铺膜防渗,第五节 渠道防渗,第五节 渠道防渗,(6)沥青材料防渗 沥青材料护面具有防渗效果好、抗碱类腐蚀的能力，耐久性好，能适应地基较大的冻胀变形，投资少，造价低。但施工工艺较复杂，耐冲性能差，长期受日光照射和氧化，容易老化，使用时间短。,第五节 渠道防渗,三、渠道衬砌冻胀破坏的防治,在季节性冻土地区，细粒土壤中的水分在冬季负温条件下结成冰晶，使土壤体积膨胀，地面隆起，这种现象称为土壤的冻胀。在渠道衬砌的条件下，因衬砌层约束了土体的冻胀变形而产生了巨大的推力，称为冻胀力。衬砌层和冻土层粘结在一起，还会产生切向