农业综合开发土地治理项目渠系建筑物规划设计指南

农业综合开发土地治理项目渠系建筑物规划设计指南1.1一般规定（1）灌排建筑物的位置应根据工程规模、作用、运行特点和灌区总体布置的要求，选在地形条件适宜和地质条件良好的地点。（2）灌排建筑物的布置应满足灌排系统水位、流量、泥沙处理、施工、运行、管理要求和适应交通、航运和群众生产、生活需要，宜采用联合建筑的形式。（3）灌排建筑物的结构型式应根据工程特点、作用和运行要求，结合建筑材料来源和施工条件等因素因地制宜选定。（4）4、5级灌排建筑物设计可采用与当地实际情况相适应的定型设计，有条件时宜采用装配式结构。（5）灌溉建筑物应按设计流量设计，按加大流量验算；排水建筑物可只按设计流量设计。（6）作用于灌排建筑物的荷载一般包括结构自重、水重、土重、内外水压力、土压力、温度变化及混凝土收缩引起的应力、地震作用等，水闸、倒虹吸、涵洞还应计及基底扬压力，渡槽还应计及风压力、漂浮物的撞击力等，陡坡还应计及水流脉动压力和拖拽力等。荷载组合应根据灌排建筑物的运行条件、施工阶段的实际情况及各种荷载同时作用的实际可能性划分为基本组合和特殊组合，但地震荷载不应与其它特殊荷载组合。（7）1.2水闸1.2.1水闸分类水闸是调节流量和水位的建筑物。它的型式很多，按其用途可分以下几种：（1）进水闸——从河道引水灌溉农田，常需在干渠首修建水闸来调节入渠流量，这种闸叫做进水闸。（2）节制闸——位于干、支渠分水口下游的渠道上，它的用途是抬高节制闸上游水位，保证下一级渠道能引入所需流量。当下游渠段发生事故时，可用它来截断渠道水流，保证下游渠系安全。（3）分水闸——位于支、斗渠首部，也就是支、斗渠的进水闸。它的用途是调节干、支渠引到下一级的流量，和节制闸布置在一起。（4）泄水闸——位于渠首、渠道中有利地形处，或排水渠末端。其作用是宣泄多余水量及冲走渠首或渠道内淤积的泥沙。1.2.2水闸结构无论哪种水闸，通常是由闸室，上游连接段，下游连接段三大部分组成。闸室是水闸的主体，它的作用是设置闸门，控制水流；上游连接段的作用是使进闸水流平顺及防止水流渗透和冲刷；下游连接段的作用是使出闸水流平顺及防止水流对下游渠底及岸坡冲刷。水闸的总体布置是水闸设计的重要环节，需要经过充分调查研究，反复修改，进行多个方案的比较。水闸的设计大致可以分成这样几步：（1）根据渠系规划，选定闸址位置、方向。（2）根据水闸和它上下游的关系，选定水闸型式，决定上下游设计水位和设计流速。（3）根据设计水位和流量以及地形、地质条件，决定水闸底板高程和总宽度。（4）进行闸室和上下游连接段的布置。（5）进行消能设计。（6）进行防渗设计，布置地下轮廓。（7）通过结构计算，确定水闸细部尺寸和配筋。1.2.3水闸轮廓尺寸（1）底板底板在顺水流方向一般和闸墩一样长，大多数水闸底板是平底的。大中型水闸的平底板都是钢筋混凝土材料的，对于闸孔宽度在2.5米以下的水闸，也可采用浆砌石或素混凝土材料。当闸的水头较低及地基较好时，通常将底板和闸墩用沉陷缝分开。此时闸的全部重量便通过闸墩直接传至地基。如水头较高或地基较差时，则将底板和闸墩连在一起,或在闸孔中心处分缝。这时闸自身重量便通过闸墩和底板传至地基上，因而可减小地基应力和闸身的沉陷。当底板与闸墩用缝分开时，底板不承受由于闸身重量所造成的地基反力，因而一般可不进行底板的内力计算和强度校核，只须要校核其在渗透压力作用下的抗浮稳定性。如底板与闸墩连成整体，底板将承受地基反力，板内便存在着弯矩和拉应力，因而需要进行内力计算和强度复核。水闸的底板厚度可取闸孔净宽的1/6～1/8。小型水闸厚度一般为0.3米～0.8米。底板上游端和下游端一般都做有齿墙，深度0.5米～1.2米，以增加闸身的抗滑稳定性，并加强底板的刚度；同时也可增加沿闸底的渗透途径，避免渗透破坏。底板的沉陷缝应有一定的宽度，以免由于不均匀沉陷而发生相互挤压。沉陷缝宽度一般为1厘米～2.5厘米，缝内常用沥青木板隔开。在防渗段的沉陷缝内必须设止水，以保证防渗段的连续性。止水可用铜片或塑料止水带。（2）工作桥工作桥一般为预制的钢筋混凝土结构。当跨度较小时采用预制的混凝土板，当跨度较大时则常采用预制的钢筋混凝土“T”形梁。（3）交通桥当有交通要求时，按交通要求确定其宽度。桥面结构一般为预制的钢筋混凝土梁板，其形状有矩形、“T”形、“Π”形或空心板等。1.2.4水闸结构设计与计算水闸的结构设计与计算，在《水闸设计规范》（SL265—2001）中已有详细的说明。这里不再介绍。水闸上、下游连接段各部位结构尺寸，可参考附录九选取。1.3渡槽（1）渠道跨越河流、渠沟、洼地、道路，采用其他类型建筑物不适宜时，可选用渡槽。（2）渡槽轴线应短而直，进、出口应与上、下游渠道平顺连接。（3）渡槽进、出口应设渐变段，渐变段长度可分别取渠道与渡槽水面宽度差值的1.5～2倍和2.5～3倍。1、2级渡槽的进、出口渐变段布置，宜通过水工模型试验确定。（4）渡槽槽身横断面宜采用矩形或U形。梁式渡槽满槽时槽内水深与水面宽度的比值：矩形断面可取用1.6～0.8；U形断面可取用0.7～0.9；拱式渡槽可适当减小。槽身过水断面的平均流速宜控制为1.0～2.0米/秒。`（5）渡槽过水能力及总水头损失可按《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99）中附录M所列公式计算。通过加大流量时，进槽水位允许壅高值可取进槽水深的1％～3％。（6）矩形断面渡槽槽身顶部超高可取槽内水深的1/12加5厘米；U形断面渡槽可取槽身直径的1/10。（7）现浇钢筋混凝土渡槽槽身应根据其纵向支撑型式分节。在渡槽槽身与上、下游渠道连接处，梁式渡槽各节之间或拱式渡槽各跨槽墩（台）顶部，均应设置伸缩缝。梁式渡槽槽身伸缩缝的间距宜取8～20米，拱式渡槽槽身伸缩缝应根据其跨度大小设在拱顶、三分点（或1/4拱跨）处。伸缩缝内应设防渗止水。止水型式可选用埋入式、压板式或套环式。（8）渡槽的支承结构可根据地形、地质、跨度、高度、当地材料和施工条件等，选用墩式、排架式、拱式、悬吊式或斜拉式。（9）渡槽与公路桥结合时，槽身布置应满足公路交通的要求；渡槽跨越通航河流、公路或铁路时，槽下净空应满足航运和交通的要求。（10）渡槽可根据地质条件、上部荷载、水流冲刷影响等，选用刚性基础、柔性基础、桩基础或沉井基础。1.4倒虹吸（1）渠道穿越河流、渠沟、洼地、道路，采用其他类型建筑物不适宜时，可选用倒虹吸。（2）倒虹吸宜设在地形较缓处，应避免通过可能产生滑坡、崩塌及其他地质条件不良的地段。（3）倒虹吸轴线在平面上的投影宜为直线，并宜与河流、渠沟、道路中心线正交，进、出口应与上、下游渠道平顺连接。（4）倒虹吸进、出口应设渐变段，其长度可分别取上、下游渠道设计水深的3～5倍和4～6倍。1～3级倒虹吸进口渐变段宜为封闭式，出口应设闸门控制，出口渐变段可结合设置消力池，其下游渠道应护砌3～5米长度。（5）倒虹吸可根据地形、地质条件和穿越河流、渠沟、道路的具体情况等，选用埋式或桥式。地埋式倒虹吸应埋入地面以下0.5～0.8米；穿越河流时，应埋入设计洪水冲刷线0.5米以下；穿越渠沟、道路时，应埋入渠沟底面或道路路面以下1米。桥式倒虹吸的桥下净空和桥面，必要时应满足行洪、通航和车辆通行的要求。（6）倒虹吸横断面宜采用圆形，流量大、水头低时，也可采用矩形。（7）倒虹吸可根据流量、水头、建筑材料及施工条件等，选用混凝土管、钢筋混凝土管、钢套筒混凝土管、玻璃钢管或钢管。高差较大或管段较长的情况下，也可分段采用不同管材。管壁厚度应根据水头、管径及管材许可应力等计算确定。（8）倒虹吸通过设计流量时，断面平均流速应根据上、下游允许水头损失，水流含沙量及颗粒组成，以及防止管内产生淤积等因素确定，且宜控制在1.5～2.5米/秒。（9）倒虹吸过水能力及总水头损失可按《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99）中附录N所列公式计算。（10）现浇钢筋混凝土倒虹吸的分节应根据地基、施工、温度等条件确定、各节之间以及首、末节与进、出口连接处应设置伸缩沉降缝，土基上缝距宜取15米～20米，岩基上缝距可取10米～15米，缝内应设防渗止水。（11）倒虹吸管床可采用分层夯实的碎石、三合土或素土。1.5跌水与陡坡（1）渠道（排水沟）经过陡峻的地段时，可设置跌水或陡坡。（2）跌水或陡坡的型式应根据跌差和地形、地质等条件确定、跌差小于或等于5米时，可采用单级跌水或单级陡坡；跌差大于5米，采用单级跌水或单级陡坡不经济时，可采用多级跌水或多级陡坡。（3）跌口前应设与上游渠道（排水沟）连接的收缩段或扩散段，其长度Le应根据上游渠道（排水沟）底宽B和水深h的比值确定。B/h小于2时，Le可取2.5h；B/h等于2～2.5时，Le可取3h；B/h大于2.5时，Le可取3.5h。收缩段或扩散段底部边线与渠道（排水沟）中心线的夹角不宜大于45°。（4）跌口可采用矩形、梯形或台堰形。渠道流量变化很小或必须设闸门控制时，可采用矩形跌口，清水渠道上也可采用台堰形跌口；渠道流量变化较大或者变化频繁时，宜采用梯形跌口。跌水墙宜采用重力式。跌水消力池横断面可采用矩形、梯形或折线形。（5）单级跌水过水能力级消能可按《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99）中附录Q所列公式计算。（6）多级跌水可按水面落差相等或台阶跌差相等的原则分级，每级高度不宜大于5米。（7）陡坡宜采用等底宽式；受地质或其他条件限制时，可采用陡槽末端底部扩散或收缩的变底宽式；跌差为2.5米～5米、采用变底宽式陡坡消能效果不佳时，也可采用陡槽上段底部扩散、下段底部收缩的菱形陡坡。陡槽底部扩散角宜取5°～7°，收缩角宜取10°～15°。（8）陡槽槽底坡降可取1/2.5～1/5，但陡坡倾角必须小于或等于地基土壤的内摩擦角。（9）陡槽横断面宜采用矩形，陡槽边墙较高时可采用梯形。梯形很断面边坡坡度应陡于1:1。陡坡消力池可采用等底宽式或逐渐扩散的变底宽式，横断面可采用矩形、梯形或折线形。（10）单级等底宽陡坡的过水能力及消能可按《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99）中附录Q的规定进行计算。（11）陡槽应每隔5米～50米设一道伸缩缝，伸缩缝处底板下应设齿墙，缝内应设防渗止水。（12）跌水消力池、陡坡陡槽和消力池的侧墙（边墙）后以及底板下有较大的渗透压力时，在底板下和侧墙（边墙）的后半部位均应设排水设施。（13）跌水和陡坡的消力池出口处均应设1:3～1:5的仰坡，并采用连接段和整流段与下游渠道（排水沟）连接。连接段边墙的收缩角宜为20°～40°；整流段长度不应小于下游渠道（排水沟）水深的3倍，其断面应与下游渠道（排水沟）断面一致。1.6引水水陂工程水陂（挡水型重力式低坝）在水利水电工程中使用很普遍，硬壳陂是低水头的水利工程中广泛采用的陂型之一。水陂的类型，按砌筑材料分浆砌石陂及砼陂。陂身内部可用砂、石料堆筑或砼浇筑而成。坝头形状，可分实用堰型或宽顶堰型。由于山区河道、交通不便，有时陂顶亦兼作交通道，因而在条件允许的情况下尽可能做得宽一些。水陂规划设计的特点：一是水文资料短缺；二是地质资料不全，往往只凭集雨面积的大小和看得着的河床覆盖而定，除明显的露头岩基外，均作为软基础考虑。水陂构造一般由上游粘土铺盖（防渗）—陂（坝）身—下游消力坎或护坦（防冲）及两岸翼墙、放水闸等组成。上游设置粘土铺盖，其长度不少于3～5倍陂高，以防止此类型硬壳陂渗径短而引起“管流”导致陂身流空。陂（坝）身由稳定分析计算定。下游消力坎或护坦及护岸长度是按设计面流的条件而选定。其他各数据可参照浆砌石坝或砼坝的有关设计规范计算定。排水孔的进口必须有可靠的反滤，以保证排水畅通。水陂的水文计算及水力计算等一般较粗略，此因设计要有一定安全系数及足够的过流能力，以免造成上游淹没或其它不必要的损失。水陂设计以实用为主，选址要结合地形地质条件，既要满足山洪暴发时的过流能力，又要尽量节约投资。对于淤积严重的河段，要设冲砂闸。一般有条件的应设放空闸，以便今后水陂维修。两岸上下游翼墙及护坡护岸，一般为浆砌石挡墙或砌石护坡，长度及型式根据实际情况定，一般不小于15米。1.7量水设施21世纪灌溉农业发展的趋势是灌溉管理走向现代化、自动化和智能化。量水是管理的重要内容之一，目前自动量水技术的研究开发尚处于发展阶段。渠道量水设施安量水建筑物的结构形式与水流的特点，一般可分为量水堰、量水槽、量水计和涵闸量水四大类。本指南只介绍渠道较多采用的量水槽。其他量水类型可参考有关水力学文献。量水槽是一种由明渠收缩段构成的量水设备。收缩段的作用是使水流通过量水槽时形成临界流，并具有不受下游水流条件影响的单一水位流量关系。U形渠道抛物线形喉口式量水堰量水槽结构形式及选型设计计算公式。抛物线喉口式量水槽其测流原理是使水流在量水槽抛物形喉口断面形成收缩，产生临界流，从而在槽前构成稳定的水位流量关系。量水槽的基本结构如图如图8-2所示，由抛物线形喉口断面、上下游渐变段和水尺组成，喉口断面、上下游渐变段和水尺组成，喉口断面底部与渠底齐平，为无底坎型。量水槽上下游由原U形渠道断面形状渐变为抛物线形喉口形状，再从抛物线喉口渐变为与下游U形渠道断面形状吻合。量水槽的主要参数及结构尺寸有喉口断面抛物线方程的形状参数p、决定喉口断面大小的收缩比ε和上下游渐变段长度L（米）。设计前须确定U形渠道底弧半径r（米）、侧壁直线段外倾角α或底弧圆心角θ、渠道糙率n和底坡i、渠道设计流量Q（立方米/秒）及正常水深h0（米），计算公式分述如下。喉口断面抛物线方程抛物形状系数抛物线形喉口断面面积渐变段长度（上下游相等）；当计算的L小于30厘米时，取30厘米喉口断面顶宽渠口宽水头测量断面即水尺距喉口距离L1＝L+（1～2）H式中y、x———以槽底为原点的纵横坐标，米；P—————抛物线形状系数，m-1；H—————U形渠道衬砌深度，米；ε—————量水槽喉口断面收缩比（喉口全断面面积Ap与渠道全断面At之比），其值由表8-1确定；Bp—————量水槽抛物线喉口断面顶宽，米；B1—————U形渠道渠口宽，米；T—————U形渠道底弧弓高，米；θ—————U形渠道底弧圆心角（°）；其余符号含义同前。标准U形渠道量水槽选型时，可根据实测的U形渠道断面尺寸（渠深H、底弧半径r、底弧中心角θ）及渠道比降，参照表8-1初选喉口断面收缩比ε。表8-1中收缩比ε系指糙率n＝0.015的渠道，当糙率≤0.013时，所选ε值增加0.05；当n≥0.017时，ε值减少0.05；量水槽下游有跌水或陡坡时，选取的ε值与底坡和渠道型号无关，可取0.60～0.65.ε选定后，即可根据式上述介绍的公式确定量水槽各部分的结构尺寸。初选的收缩比ε值必须量水槽在通过加大流量时自由出流，即淹没度（量水槽下游渠道正常水深与上游水尺水深之比）小于0.88，否则应加大ε值5%，再重新计算量水槽尺寸，检验淹没度，直至满足淹没深度要求。量水槽下游水深可根据流量、渠道糙率、过水断面尺寸按明渠均匀流正常水深计算确定。图8-1U形渠道抛物线形喉口式量水槽结构表8-1中未列出的U形渠道可比照与该表中相近的渠道型号拟定ε进行量水槽设计。表8-1U形渠道型号与量水槽喉口收缩比ε关系（n＝0.015）型号比降D30H40D40H50D50H55D60H60D70H70D80H801/3000.650.700.700.701/4000.600.650.700.700.701/5000.550.550.600.650.650.651/6000.500.500.550.600.600.601/7000.450.500.500.550.550.5