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摘要灌溉渠道是农田重要的基础设施，而渠床渗漏是渠系水量损失的主要途径，渠道衬砌可减少渠床渗漏损失，提高灌溉效益。不同的衬砌方案效益各不相同，通过对相同流量、不同断面和不同衬砌方式的渠道进行单价分析，考察较适宜的衬砌方案。结果表明，3种断面中梯形断面渠道单价最低；矩形断面渠道单价次之，U型断面渠道单价最高。5种衬砌方式中，梯形断面边坡预制渠道单价最低，预制U型槽单价最高。
关键词梯形断面；矩形断面；U型断面；现浇；预制；砖砌
中图分类号S27文献标识码 A文章编号0517-6611（2016）30-0236-03
在渠道输水过程中，有水面蒸发、渠床渗漏和闸门漏水等水量损失，其中，渠床渗漏损失占渠系水量损失的绝大部分。为了减少渗漏损失，提高渠系水利用系数，采取渠道衬砌的工程措施。衬砌后的渠道不仅可以减少渠床渗漏损失，节省灌溉用水量，提高渠床的抗冲刷能力，防止渠道边坡坍塌，增加渠床的稳定性，而且可以减少渠床糙率系数，加大渠道流速，提高渠道输水能力；同时，渠道衬砌又可以防止渠道长草，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。
近年来，随着国家对土地整治工程重视程度加大，对工程建设标准的要求也不断提高，明确要求大力推进高标准农田建设，加强农田基础设施建设，并规定基础设施使用年限不低于15年[1]。灌溉渠道是农田主要的基础设施之一，渠道选用何种断面形式、采用何种衬砌方式，与项目的资金投入息息相关。这不仅是设计单位，更是业主和施工单位关注的内容。因此，对灌溉渠道衬砌方案进行经济技术方案比选的研究有重要意义。
1渠道横断面设计
1.1梯形和矩形断面渠道设计梯形和矩形断面的渠道根据设计流量，按照明渠均匀流公式[2]采用试算法进行计算。
Q=ACRi
式中， Q为渠道设计流量（m3/s）；A为渠道过水断面面积（m2），A=h（b+mh），其中b为沟底宽（m），h为水深（m），m为边坡系数，矩形渠道m=0；R为水力半径（m），R=A/χ，其中χ为湿周（m），χ=b+2h1+m2；i为水力比降；C为谢才系数，C=R1/6/n，其中n为沟床糙率。
1.2U型渠道断面设计
U型断面水力计算的主要任务是根据已知渠道设计流量Q、渠床糙率系数n和渠道比降i，求圆弧半径r和水深h，以及确定断面的上口宽B和衬砌渠槽高度H。
根据明渠均匀流公式，可得到圆弧半径r，计算公式见下式[2]：
r=θ+2Nαcosα1/4nQi3/8θ2+（2Nα-sinα）cosα+N2atgα5/8
式中，Nα为直线段外倾角为α时的系数，α=0时的系数用N0表示；θ为圆心角。为了保持圆心以上的水深与α=0时相同，Nα与N0应遵守Nα=N0+sinα的关系。N0与圆弧半径r、直线段的外倾角α的经验关系见表1。
渠道水深h、圆弧段高度h1及圆弧以上的水深h2：
h=r（Nα+1-sinα）
h1=r（1-sinα）
h2=h-h1
衬砌渠槽高度H：
H=h+a1
上口宽B：
B=2{rcosα+[H-r（1-sinα）]tgα}
式中，a1为渠道衬砌超高，其值同渠堤超高a以及加大流量的关系可参考表2。
校核渠道流速：衬砌渠道不冲流速不超过2.0 m/s，不淤流速一般不小于0.3 m/s。
2渠道衬砌方案
渠道衬砌措施有土料防渗、砌石防渗、砖砌防渗、混凝土衬砌和沥青材料防渗等。土地整治项目中渠道常用的防渗措施有混凝土衬砌和砖砌。常用的断面形式有梯形、矩形和U型断面，每种断面常用的衬砌方案有所不同。由于不同的衬砌方案都有不同的优缺点，因此合理选取渠道的断面和衬砌方式尤为重要，这就需要对不同断面对应的不同衬砌方案进行经济比较，造价最低的可以优先选取。
2.1梯形断面
梯形断面的渠道常用的衬砌方案有2种：一是渠道底板、边坡和压顶均采用混凝土现场浇筑（以下简称“现浇梯形渠道”），二是渠道底板和压顶采用混凝土现场浇筑，边坡采用预制混凝土板衬砌（以下简称“边坡预制梯形渠道”）。方案1优点：灌水方便，防渗效果好，不生杂草，减少淤积，便于养护管理，经久耐用，且施工和布设不受地形限制；缺点：占地面积较大，需要现场搅拌混凝土，支模板，养护，现场施工比较麻烦。方案2的优点：一方面便于施工，边坡采用預制板衬砌，不需要支护模板，另一方面也便于后期维护管理；缺点是预制板预制受天气影响，且不方便运输。
2.2矩形断面
矩形断面的渠道常用的衬砌方案有2种：一是渠道底板、边墙和压顶均采用混凝土现场浇筑（以下简称“现浇矩形渠道”），二是渠道底板和压顶采用混凝土现场浇筑，边墙采用标准砖衬砌（以下简称“边墙砖砌矩形渠道”）。方案1的优缺点同现浇梯形渠道。方案2的优点：造价低廉、取材方便、施工技术简单、糙率小、防渗效果较好，且布设不受地形限制，衬砌后外观观感好，便于维修；缺点是只能采用矩形断面。
2.3U型断面
U型断面渠道一般采用预制混凝土衬砌。其优点：具有较大的输水能力，占地面积小，施工便利，工期短，防渗效果好；缺点：单位造价较高，后期维修比较困难。
3实例分析
以某地区某月份的造价信息为依据，采用智多星软件计算不同方案的渠道单价，最终确定最优的衬砌方案。某土地整治项目有一条长约200 m的斗渠，已知设计流量0.21 m3/s，比降1/1 000，衬砌后渠床糙率取0.017。为了节约用地和方便施工，梯形渠道边坡系数取0.5。采用明渠均匀流公式试算法确定梯形和矩形断面渠道的尺寸，见表3。U型渠道根据经验估计r=60～80 cm，查表1，选择α=10°，N0=0.3，则Nα=0.47。经计算，U型渠道的圆弧半径为0.38 m。由于预制厂家没有相应规格的U型槽，因此选用半径为0.40 m的预制U型槽，计算与选用断面尺寸均见表4。由表3和表4可知，梯形断面渠道流速0.67 m/s，矩形断面渠道流速0.64 m/s，U形断面渠道流速0.69 m/s，3种断面流速均满足不冲不淤的流速要求。 按照《渠道防渗工程技术规范》（SL18—2004）的规定，现场浇筑混凝土适宜厚度6～12 cm，预制铺砌混凝土适宜厚度4～10 cm。通过走访群众并深入施工现场了解，最终确定现浇混凝土边坡、底板和压顶均厚10.0 cm，预制混凝土板厚6.0 cm，标准砖衬砌厚12.0 cm，预制混凝土U型槽厚4.5 cm。所有渠道渠底均铺设粗砂垫层，厚6.0 cm，现浇部分每隔5 m设置一宽2.0 cm的伸缩缝，缝内采用沥青木板填充。另外，矩形断面砖砌渠道在边墙内侧采用M7.5水泥砂浆抹面，厚2.0 cm。渠道混凝土强度等级C15，标准砖强度等级MU10。为了便于施工，开挖线从粗砂垫层边界向两边加宽
10.0 cm，开挖边坡比1∶0.5。为了便于灌溉用水能顺利地流入田间，堤顶高出田面0.5 m，为方便农户田间通行，堤顶宽度取
0.5 m[3]。渠道结构见图1～5。假设同一断面、同一衬砌方式的渠道不同桩号开挖量相同、回填量均相同，计算出各个断面、不同衬砌方式的渠道每米工程量，见表5。
以财综[2011]128号文为依据，采用《江西省造价信息》2016年第4期分宜县的材料价格，运用智多星软件进行计算，从而得出不同断面、不同衬砌方式的渠道单价，见表6。
由表6可知，3种断面渠道单价由小到大排序依次为梯形断面、矩形断面、U型断面，3种断面不同衬砌方式的渠道单价由小到大排序依次为：边坡预制梯形渠道、现浇梯形渠道、边墙砖砌矩形渠道、现浇矩形渠道、预制U型槽。
4结论
该研究采用明渠均匀流公式将同一流量的渠道设计成梯形断面、矩形断面和U型断面3种形式，针对梯形断面渠道常用的现浇和边坡预制2种衬砌方式、矩形断面渠道常用的现浇和边墙砖砌2种衬砌方式以及U型渠道常用的预制衬砌方式进行经济比选，最终得出：
从渠道断面形式进行比较，梯形断面渠道单价最低，U型断面单价最高，矩形断面渠道介于两者之间。梯形渠道中，边坡预制渠道单价较低，矩形断面渠道中，边墙砖砌渠道单价较低。整体分析，边坡预制梯形渠道单价最低，其次为现浇梯形渠道，边墙砖砌矩形渠道比现浇梯形渠道单价稍高，再次为现浇矩形渠道，预制U型槽单价最高。因此，在实际应用中优先选用边坡预制的梯形渠道，在项目对新增耕地要求高的情况下，可以选用边墙砖砌矩形渠道，否则选用边坡预制梯形渠道。
参考文献
[1]
中华人民共和国国土资源部.高标准基本农田建设标准：TD/T1033—2012[S].北京：中國标准出版社，2012.
[2] 郭元裕.农田水利学[M].北京：中国水利水电出版社，1997.
[3] 江西省国土资源厅.江西省土地整理工程建设标准[M].南昌：江西科学技术出版社，2009.
关键词梯形断面；矩形断面；U型断面；现浇；预制；砖砌
中图分类号S27文献标识码 A文章编号0517-6611（2016）30-0236-03
在渠道输水过程中，有水面蒸发、渠床渗漏和闸门漏水等水量损失，其中，渠床渗漏损失占渠系水量损失的绝大部分。为了减少渗漏损失，提高渠系水利用系数，采取渠道衬砌的工程措施。衬砌后的渠道不仅可以减少渠床渗漏损失，节省灌溉用水量，提高渠床的抗冲刷能力，防止渠道边坡坍塌，增加渠床的稳定性，而且可以减少渠床糙率系数，加大渠道流速，提高渠道输水能力；同时，渠道衬砌又可以防止渠道长草，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。
近年来，随着国家对土地整治工程重视程度加大，对工程建设标准的要求也不断提高，明确要求大力推进高标准农田建设，加强农田基础设施建设，并规定基础设施使用年限不低于15年[1]。灌溉渠道是农田主要的基础设施之一，渠道选用何种断面形式、采用何种衬砌方式，与项目的资金投入息息相关。这不仅是设计单位，更是业主和施工单位关注的内容。因此，对灌溉渠道衬砌方案进行经济技术方案比选的研究有重要意义。
1渠道横断面设计
1.1梯形和矩形断面渠道设计梯形和矩形断面的渠道根据设计流量，按照明渠均匀流公式[2]采用试算法进行计算。
Q=ACRi
式中， Q为渠道设计流量（m3/s）；A为渠道过水断面面积（m2），A=h（b+mh），其中b为沟底宽（m），h为水深（m），m为边坡系数，矩形渠道m=0；R为水力半径（m），R=A/χ，其中χ为湿周（m），χ=b+2h1+m2；i为水力比降；C为谢才系数，C=R1/6/n，其中n为沟床糙率。
1.2U型渠道断面设计
U型断面水力计算的主要任务是根据已知渠道设计流量Q、渠床糙率系数n和渠道比降i，求圆弧半径r和水深h，以及确定断面的上口宽B和衬砌渠槽高度H。
根据明渠均匀流公式，可得到圆弧半径r，计算公式见下式[2]：
r=θ+2Nαcosα1/4nQi3/8θ2+（2Nα-sinα）cosα+N2atgα5/8
式中，Nα为直线段外倾角为α时的系数，α=0时的系数用N0表示；θ为圆心角。为了保持圆心以上的水深与α=0时相同，Nα与N0应遵守Nα=N0+sinα的关系。N0与圆弧半径r、直线段的外倾角α的经验关系见表1。
渠道水深h、圆弧段高度h1及圆弧以上的水深h2：
h=r（Nα+1-sinα）
h1=r（1-sinα）
h2=h-h1
衬砌渠槽高度H：
H=h+a1
上口宽B：
B=2{rcosα+[H-r（1-sinα）]tgα}
式中，a1为渠道衬砌超高，其值同渠堤超高a以及加大流量的关系可参考表2。
校核渠道流速：衬砌渠道不冲流速不超过2.0 m/s，不淤流速一般不小于0.3 m/s。
2渠道衬砌方案
渠道衬砌措施有土料防渗、砌石防渗、砖砌防渗、混凝土衬砌和沥青材料防渗等。土地整治项目中渠道常用的防渗措施有混凝土衬砌和砖砌。常用的断面形式有梯形、矩形和U型断面，每种断面常用的衬砌方案有所不同。由于不同的衬砌方案都有不同的优缺点，因此合理选取渠道的断面和衬砌方式尤为重要，这就需要对不同断面对应的不同衬砌方案进行经济比较，造价最低的可以优先选取。
2.1梯形断面
梯形断面的渠道常用的衬砌方案有2种：一是渠道底板、边坡和压顶均采用混凝土现场浇筑（以下简称“现浇梯形渠道”），二是渠道底板和压顶采用混凝土现场浇筑，边坡采用预制混凝土板衬砌（以下简称“边坡预制梯形渠道”）。方案1优点：灌水方便，防渗效果好，不生杂草，减少淤积，便于养护管理，经久耐用，且施工和布设不受地形限制；缺点：占地面积较大，需要现场搅拌混凝土，支模板，养护，现场施工比较麻烦。方案2的优点：一方面便于施工，边坡采用預制板衬砌，不需要支护模板，另一方面也便于后期维护管理；缺点是预制板预制受天气影响，且不方便运输。
2.2矩形断面
矩形断面的渠道常用的衬砌方案有2种：一是渠道底板、边墙和压顶均采用混凝土现场浇筑（以下简称“现浇矩形渠道”），二是渠道底板和压顶采用混凝土现场浇筑，边墙采用标准砖衬砌（以下简称“边墙砖砌矩形渠道”）。方案1的优缺点同现浇梯形渠道。方案2的优点：造价低廉、取材方便、施工技术简单、糙率小、防渗效果较好，且布设不受地形限制，衬砌后外观观感好，便于维修；缺点是只能采用矩形断面。
2.3U型断面
U型断面渠道一般采用预制混凝土衬砌。其优点：具有较大的输水能力，占地面积小，施工便利，工期短，防渗效果好；缺点：单位造价较高，后期维修比较困难。
3实例分析
以某地区某月份的造价信息为依据，采用智多星软件计算不同方案的渠道单价，最终确定最优的衬砌方案。某土地整治项目有一条长约200 m的斗渠，已知设计流量0.21 m3/s，比降1/1 000，衬砌后渠床糙率取0.017。为了节约用地和方便施工，梯形渠道边坡系数取0.5。采用明渠均匀流公式试算法确定梯形和矩形断面渠道的尺寸，见表3。U型渠道根据经验估计r=60～80 cm，查表1，选择α=10°，N0=0.3，则Nα=0.47。经计算，U型渠道的圆弧半径为0.38 m。由于预制厂家没有相应规格的U型槽，因此选用半径为0.40 m的预制U型槽，计算与选用断面尺寸均见表4。由表3和表4可知，梯形断面渠道流速0.67 m/s，矩形断面渠道流速0.64 m/s，U形断面渠道流速0.69 m/s，3种断面流速均满足不冲不淤的流速要求。 按照《渠道防渗工程技术规范》（SL18—2004）的规定，现场浇筑混凝土适宜厚度6～12 cm，预制铺砌混凝土适宜厚度4～10 cm。通过走访群众并深入施工现场了解，最终确定现浇混凝土边坡、底板和压顶均厚10.0 cm，预制混凝土板厚6.0 cm，标准砖衬砌厚12.0 cm，预制混凝土U型槽厚4.5 cm。所有渠道渠底均铺设粗砂垫层，厚6.0 cm，现浇部分每隔5 m设置一宽2.0 cm的伸缩缝，缝内采用沥青木板填充。另外，矩形断面砖砌渠道在边墙内侧采用M7.5水泥砂浆抹面，厚2.0 cm。渠道混凝土强度等级C15，标准砖强度等级MU10。为了便于施工，开挖线从粗砂垫层边界向两边加宽
10.0 cm，开挖边坡比1∶0.5。为了便于灌溉用水能顺利地流入田间，堤顶高出田面0.5 m，为方便农户田间通行，堤顶宽度取
0.5 m[3]。渠道结构见图1～5。假设同一断面、同一衬砌方式的渠道不同桩号开挖量相同、回填量均相同，计算出各个断面、不同衬砌方式的渠道每米工程量，见表5。
以财综[2011]128号文为依据，采用《江西省造价信息》2016年第4期分宜县的材料价格，运用智多星软件进行计算，从而得出不同断面、不同衬砌方式的渠道单价，见表6。
由表6可知，3种断面渠道单价由小到大排序依次为梯形断面、矩形断面、U型断面，3种断面不同衬砌方式的渠道单价由小到大排序依次为：边坡预制梯形渠道、现浇梯形渠道、边墙砖砌矩形渠道、现浇矩形渠道、预制U型槽。
4结论
该研究采用明渠均匀流公式将同一流量的渠道设计成梯形断面、矩形断面和U型断面3种形式，针对梯形断面渠道常用的现浇和边坡预制2种衬砌方式、矩形断面渠道常用的现浇和边墙砖砌2种衬砌方式以及U型渠道常用的预制衬砌方式进行经济比选，最终得出：
从渠道断面形式进行比较，梯形断面渠道单价最低，U型断面单价最高，矩形断面渠道介于两者之间。梯形渠道中，边坡预制渠道单价较低，矩形断面渠道中，边墙砖砌渠道单价较低。整体分析，边坡预制梯形渠道单价最低，其次为现浇梯形渠道，边墙砖砌矩形渠道比现浇梯形渠道单价稍高，再次为现浇矩形渠道，预制U型槽单价最高。因此，在实际应用中优先选用边坡预制的梯形渠道，在项目对新增耕地要求高的情况下，可以选用边墙砖砌矩形渠道，否则选用边坡预制梯形渠道。
参考文献
[1]
中华人民共和国国土资源部.高标准基本农田建设标准：TD/T1033—2012[S].北京：中國标准出版社，2012.
[2] 郭元裕.农田水利学[M].北京：中国水利水电出版社，1997.
[3] 江西省国土资源厅.江西省土地整理工程建设标准[M].南昌：江西科学技术出版社，2009.