高标准农田建设项目渠系建筑物设计

———高标准农田建设项目渠系建筑物设计渠系建筑物设计1、渠系建筑物布置渠系建筑物根据田间工程在输水、分水、抬水、排水、退水及农机下田作业需要等方面的基本功能要求，配套齐全，分布合理。此外，还需考虑便于施工、交通和适应群众生产、生活的需要。为节省工程量，渠系建筑物的数量应尽量减少，并尽可能采用联合方式布置。对于跨渠、沟、路的涵洞、农桥及水闸等渠系建筑物的中心线应尽量与所跨渠、沟、路的中心线垂直（或平行）。顺渠向的涵洞、节制闸等渠系建筑物的中心线也应与所在的渠沟中心线重合。2、渠系建筑物的设计渠系建筑物因规模很小，只需根据实际尺寸按结构要求套用定型设计即可。渠系建筑物的设计流量、设计水位，与支、斗、农渠（沟）所在位置的设计流量、设计水位相一致。①涵洞、水闸、渡槽等建筑物的设计流量、设计水位与该渠道所在位置的设计流量、设计水位相一致；②涵洞、分水闸、节制闸等建筑物参照《xx小型农田灌溉渠道及建筑物设计实用手册》（试行）进行设计；③放水口、水泥过板、农机下田管设施等因地制宜进行设计；项目区田间配套渠系建筑物主要包括进水口、下田板、盖板涵、水泥过路板、机耕桥、渡槽等工程。现分述如下：（1）进水口项目区内规划的格田要求在每一块格田布置一个进水口，进水口布置在灌溉农渠上游位置，进水口为PVC管φ160，进水口底面不低于田面高程。（2）下田涵（下田板）设计为方便机耕车辆下田生产而不会使得硬化好的沟渠被破坏，也为方便老百姓劳作，土质沟、渠在靠田间道一侧布置下田涵，在现浇渠道靠田间道一侧布置下田板。具体位置可结合实地情况布设。下田涵分农沟下田涵、斗沟下田涵，采用钢筋混凝土承插式，为正规厂家生产并满足《混凝土和钢筋混凝土排水管》(GBT11836-2009》要求，两侧浇筑C15端墙，再进行覆土，覆土厚度不小于50cm。具体尺寸详见单体设计图。下田板分为I型40下田板、I型60下田板；I型40下田板(3-4m，12-15cm厚)、I型60下田板(3-4m，12-15cm厚)；II型40下田板(3-4m，12-15cm厚)、II型60下田板(3-4m，12-15cm厚)。下田板渠道方向长3-4m，横向长度及板厚可根据实际需要调整。农渠两端由现浇C20槽身承接，槽身顶部放置12-15cmC25钢筋砼下田板。水泥过路板分为40水泥过路板、60水泥过路板、80水泥过路板，水泥过路板长3-4m，桥面板厚度为12-15cm，具体厚度及长度可根据渠道大小因地制宜布置。桥面板采用C25钢筋砼，钢筋保护层厚30mm。1）渡槽设计原有渡槽建设年代久远，破损漏水，已经不能正常使用，为了提高输水利用率，让农田得到充分的灌溉，根据实际需求本次设计拟新建渡槽。项目区内渡槽一般布置在渠道通过现有沟道，渡槽的跨度根据所穿沟的宽度而定，渡槽的断面根据过水流量而定。为渠道过原有沟渠设置。槽身采用镀锌钢板，边墙采用C20砼现浇，槽身长度可根据跨越距离调减，单节长度不超过6米，要求基础需坐落在硬基础上，基底承载能力不小于150kpa。2）闸门设计一、斗农门斗农门主要布置在斗渠至农渠接口处，在斗渠向农渠分水处，斗渠上布置斗门，农渠上布置农门，宽度及高度根据渠道断面大小确定，采用敞开式水闸，叠梁木闸门控制。其结构尺寸见单体设计图。3）机耕桥设计当田间道与河港相交，河港水位低于路面且流量较大水面较宽时，需在河港上修建机耕桥。经设计人员实地踏勘，机耕桥大多处于从村庄进出耕作区域的必经之路。据现场观察及人工用钢筋钻探知工程地基地质为粘土，图集第四卷要求机耕桥地基承载为150kpa,根据已施工建筑物的地勘资料及人工用钢筋钻探知地基承载满足设计要求，工程开挖后，如工程基础不为粘土，地基承载力小于150kpa，应补地质勘测资料，对工程基础进行基础处理。1、机耕桥设计桥结构计算过程如下：基础资料：桥宽4m，净跨5m。该农用桥主要承受附近农村的农用机械通行，按《公路桥涵设计通用规范》（JTGD100-2004）（以下简称《通规》）1.0.11条，该交通桥属于涵洞。根据施工和使用条件，确定采用现浇整体式板式桥，机耕桥桥面板为钢筋混凝土结构，采用C25砼现浇，板厚30cm，面板应高于两侧路面20cm。桥宽度方向有2%的坡度。桥面板两侧设计35cm高的安全带，若桥面与河床相差较大安全带换成栏杆，栏杆采用2.5寸镀锌钢管焊接。台帽为钢筋混凝土结构，采用C25砼现浇。桥台为重力式挡土墙结构，顶宽0.65m，台身采用C20砼现浇，侧墙内坡为1：0.4，桥台高度暂定2.5m，实际施工时可依据地形调整。具体尺寸详见机耕桥设计图。按《通规》1.0.9条，桥的设计安全等级为三级，结构重要性系数取γ0=0.9。（1）复核桥面尺寸机耕桥标准跨径为两桥墩之间桥孔长度，但考虑到桥墩宽度太大，故计算跨径取净跨径加上台帽搭接宽度，即5.5m。对于现浇整体式板桥，桥跨径在4-8米之间，板厚通常为0.2-0.4米。本次设计跨度为5.5米，故板厚取30cm较为适宜。（2）计算由恒载产生的跨中弯矩和支座剪力标准值桥板钢筋混凝土重度取25kN/m3gk=0.25×1.0×25=6.25kN/m按简支梁计算板带的跨中弯矩：Mgk=gkl02=×6.25×4.252=14.11kN·m；板带支座边缘的剪力：Vgk=gkl0=×6.25×4.25=13.28kN·m；（3）汽车冲击荷载系数计算按《通规》4.3.2条，汽车冲击荷载系数取0.329。（4）板桥有效工作宽度计算按《通规》4.3.1-7条，桥面宽度小于4m，车辆按单向行驶，设计车道数为1道。按单车道计算一个车轮荷载的平均分布宽度。下面按《桥梁工程》（姚玲森主编P93）中规定，计算板的有效分布宽度：①荷载在跨径中间的有效分布宽度中后轮着地宽度和长度：a2=0.6m；应按相邻靠近的后车轮集中荷载一起计算其有效分布宽度，a1=a2+2H=0.6+0.05×2=0.7m（车轮宽度加上2倍铺装层厚度），②荷载作用在板支承处的有效分布宽度a'=a1+l=0.7+2.2=2.9ma'>l/3=1.17m由以上分析，在计算板桥的车道荷载和车辆荷载时，可以偏保守地进行计算，即取板的有效分布宽度a为1.17m。（5）板式桥的车道荷载（恒载）计算按《通规》4.3.1-3条，该农用桥为四级公路，汽车荷载等级为公路-Ⅱ级，且车道荷载效应可乘以折减系数0.6。均布荷载标准值：Qk=10.5×0.6=6.3kN/m（公路-Ⅱ级）；集中荷载标准值：Pk=180kN（公路-Ⅱ级）；计算板式桥的车道荷载时，只需将作用在行车道板上的集中荷载作用等效为板的有效工作宽度内的荷载集度。下面计算由车道荷载引起的单位有效宽度的弯矩和剪力：Mqk=(gkl02+Pkl0）/a=98.73kN·m；Vqk=（gkl0+Pk×1.2）/a=58.31kN·m（上式1.2系数按《通规》4.3.1-4取值）。公路桥涵结构按承载能力极限状态设计，下面计算荷载的基本组合，故Md=0.8×0.9×(1.2×6.25+1.4×98.73×1.329)=139.39kN·m>98.73kN·m;Vd=0.8×0.9×(1.2×11+1.4×58.31×1.329)=86.22kN>58.31kN·m（6）板式桥的车辆荷载计算按《通规》4.3.1-3条，该农用桥为四级公路，汽车荷载等级为公路-Ⅱ级，且车辆荷载效应可乘以折减系数0.6。交通桥净宽4m，按车轮不同位置计算弯矩和剪力的最大值。取车辆荷载的后轮荷载，后轮轴距为1.4m，车辆后轮对桥梁压力均为140KN，可求出支座反力N1和N2。N1=[140×(3-x)+140×(3-x-1.4)]=214.67-93.33xN2=140×2-N1=65.33+93.33x计算A、B点的最大弯矩MA(x)=N1x=(214.67-93.33x)x；MB(x)=N2x=(65.33+93.33x)x；计算可得A点或B点在桥正中间时，弯矩最大，最大弯矩为123.44KN.m。按前面分析，偏保守地取板的有效宽度为1.17m，故Mqk=123.44×1.17=144.42kNm。当车轮荷载作用于支座边缘时，出现最大支座剪力，其值为Vqk=[140+140×(4.4-1.4)/4]/1.17=209.40kN按承载能力极限状态计算车辆荷载的基本组合，Md=0.8×0.9×(1.2×6.25+1.4×123.44×1.329)=170.76kN·m>144.42kN·m;Vd=0.8×0.9×(1.2×11+1.4×166.67×1.329)=232.78kN>209.40N·m由以上分析，通过比较极限承载荷载与车辆荷载的弯距以及剪力可知，桥梁设计满足需求。（7）配筋计算桥面板配筋跨中桥面板配筋，沿纵向取1m宽的板条计算，h0=250mm，M0=182.21kN.m根据公式r0Md=fybx(h0-x/2)，将各参数代入得：182.21×106=31×1005×（250-x/2)，解得x=11.5mm<ζbh0=1×250=250mm。As=fcdbx/fsd=31×1005×11.5/280=1279.58m㎡。采用双层筋，取上层受力筋Φ25@300，下层受力筋取Φ25@300，As=1338.5mm2。实配纵向上层受力筋Φ25@300，下层受力筋取Φ25@300，横向分布筋按构造Φ12@300。具体结构详见单体图。涵管设计渠道及排水沟在穿越填方道路时往往需修建路下涵洞，设计选用平口式圆形钢筋混凝土预制涵管（即涵管）。涵管长度和管径根据路宽和上下级渠（沟）设计流量而定，涵管内为无压流，涵管的过水设计流量按下列公式计算：式中：Q——设计流量（m³/s）A——过水断面面积（㎡）；C——谢才系数（）；n——糙率R——水力半径（m）；i——水面比降，7‰。涵管水力计算采用下列公式：A=πr2（㎡）R=A/x（m）x=2πr（m）经计算，当充水度为0.95时，涵管内径D=400mm，流量Q=0.08m3/s，配套农沟使用；涵管内径D=600mm，流量Q=0.21m3/s，配套斗沟使用。本工程涵管均采用钢筋混凝土承插式涵管，两侧浇筑C15端墙，底板采用C15砼底座，涵管上部覆土，60及以下涵管覆土厚度不小于50cm，80及以下涵管覆土厚度不小于60cm。具体结构详见单体图。5）跌水设计当排水沟通过地形陡峻的区域时，为了保持排水沟的设计比降，并避免流速过大而冲涮排水沟自身故设计跌水。当跌高于1米＜H≤4米时设置跌水。本项目由于排水沟通过地形陡峻，在排水沟通过上下田块高差较大处布置跌水,以为了防止对排水沟自身的冲刷，跌差为1~2m。跌水水力计算中水流现象按宽顶堰自由出流计算。根据《取水输水建筑物丛书》之《跌水与陡坡》中消力池的说明进行跌水消力池水力计算。（1）消力池内单宽流量计算：消力池内单宽流量计算公式如下：q=Q/B3式中：q——消力池内的单宽流量（m2/s）；B3——消力池底宽（B3=B+0.2）（m）；（2）跃前水深计算：跃前水深根据以下水体能量平衡方程试算，即先假定d与hC值,分别计算等式两边数值,若两边相等则取假定值为hC的值。式中：P0——上下游渠底高差（m）；d——消力池深度（m）；hC——跃前水深（m）；vC——vC=q/hC（m/s）；——流速系数，取=0.90；（3）计算跃后水深：计算跃后水深的公式为：式中：——跃后水深（m）；（4）计算消力池深度：消力池深度计算公式为：式中：——淹没安全系数，取1.15；hs——下游沟渠水深（m）；当计算结果小于步骤（2）中的假定值时，则取假定值为消力池深度。（5）计算消力池长度：消力池长度由水流跌落时的水平抛射距离和水跃长度所组成，其计算公式为：式中：L3——消力池长度（m）；——水平抛射距离（m）；——水跃长度（m）；——消力池底至上游渠底高程差，=P0+d0（m）。由计算得设计消力池长度取用1.5m。跌水具体尺寸见跌水单体图。6）高效节水设计采用管灌、喷灌和滴灌等节水措施的高效节水灌溉是实现农业灌溉自来水化、农业生产节水减排和智慧农业的重要手段，高效节水灌溉工程在大幅度提高灌溉用水利用率的同时，从项目区实际情况出发，缓解区域灌溉用水紧张，是本项目建设内容的重要组成部分。本项目高效节水灌溉主要引水方式为通过水陂出口衔接管道放水至明渠下田灌溉或者全部通过管道输水，给水栓出水灌溉，管道主要采用PE管道（0.8MPa）输水，该方案可有效减少渗漏和蒸发损失，提高灌溉用水利用率，有效利用率可达到90%以上。1、设计灌水率根据本文设计灌水率计算公式计算结果，设计灌水率为：q设=1.11m3/（s·万亩）2、设计灌溉流量由下列公式计算设计灌溉流量：式中：Q——设计流量，m³/s；A——灌溉面积，万亩；q——设计灌水率，m³/（s/万亩）,取1.09；η——灌溉水利用系数，管道灌溉采用0.90。3、管径的确定管道各系统各管段的直径，可通过经济流速计算确定，计算公式为：按照《农田低压输水灌溉工程技术规范》（GB/T20203-2006）中的规定，选取经济流速v=1.2m/s。表3-8管道直径计算表序号灌溉积（亩）灌率3/（•亩）设计量（3）流速（3）理论管径（）管型择（0.8Pa）11501.090.0121.20.11D11022001.