农田水利学渠道灌溉系统.docx
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农田水利学渠道灌溉系统
第四章渠道灌溉系统
§1灌排渠系规划布置
灌溉系统是指从水源取水并输送分配到田间的灌溉工程。
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。
本章介绍渠道灌溉系统。
管道灌溉系统将在第五章中介绍。
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
(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、排水系统
(1)田间排水工程:
毛沟、腰沟、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:
大江、大湖、大海等
(二)灌排渠系的布置的原则
(1)满足作物灌排要求。
1)渠道应布置有高处,排水沟应布置在低处。
2)渠道和排水沟的长度和间距应当适宜,保证灌得上排得出。
(2)灌溉渠道必须与排水沟统一规划布置在规划布置渠道时,必须同时考虑到排水沟的位置,在平原地区、圩区,渠道一
般要服从排水沟布置(因为在平原地区,排水问题更为突出)。
(3)安全可靠如渠道要避免深挖高填,山丘区渠系上方必须修撇洪沟(截洪沟)。
(4)经济合理渠道要尽量短直,以减少土方量;要尽量减少压占耕地;排水沟要尽量利用天然河道。
(5)便于管理便于用水管理和工程管理,布置时要考虑行政区划;也要考虑机耕方便;建筑物尽量联合修建,形成枢纽,以便于管理。
(6)综合利用如渠道落差较大可布置水电站,较大的渠道或排水沟要考虑通航,水产养殖等。
二、丘陵山区灌排渠系的规划布置
山丘区的水利特点是:
排水比较通畅,但干旱问题比较突出。
在山丘区虽然可以修建水库塘坝蓄水灌溉,但是由于其蓄水能力有限,因此干旱问题是山丘区的主要水利问题。
因此山丘区灌排渠系的布置,以灌渠道布置为重点。
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
(二)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
§2渠道建筑物规划布置
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
(一)控制建筑物
控制流量和水位。
1.进水闸:
布置在干渠首端。
2.分水闸:
布置在各支渠、斗渠和农渠渠首。
斗首、农首分水闸也叫斗门和农门。
3.节制闸:
控制渠道水位或流量。
布置:
(1)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。
(2)实行轮灌时,在轮灌组分界处需设节制闸。
(3)在重要建筑物或险工渠段前需联合修建节制闸和泄水闸,以防止漫溢,保证建筑物和渠道的安全。
(二)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。
(三)泄水建筑物
用于排除渠道中余水或入渠洪水。
(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。
(四)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。
(五)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。
如昭关灌区。
2.利用特设计量水备量水。
如三角堰、梯形堰、巴歇尔量水槽、喷嘴等。
一般斗、农渠上可采用特设量水设备。
§3田间工程与地面灌溉方法
一、田间工程
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基本建设工程。
(一)田间工程的规划要求
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)田间工程规划时必须因地制宜,讲求实效,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。
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,灌溉不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
§4渠道流量计算
一、渠道设计流量概论
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。
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
因此下面所讨论的渠道输水损失均指渗水损失。
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。
在地下水位较高时,地下水会对渠道渗水产生顶托作用,从而影响渠道渗水,下面先分析在渠道渗水不受到地下水位的顶托时的渗水损失计算方法。
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:
:
每公里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4-1。
直接计算Q损:
查表计算Q损:
令s为每公里渗水损失,则
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:
:
校正系数(小于1)。
查表4-2。
3.采取防渗措施后的渗水损失
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?
前面已提到过的轮灌就是渠道的一种工作制度。
除轮灌外,还有一种工作制度形式叫续灌。
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。
)
举例:
h支水=Q支田净Q支设。
3.计算其它各条支渠设计流量
(因为前面三支是典型支渠,所以可以认为其它各支与支3具有相同的水利用系数。
这也是前面我们选典型支渠的原因。
)
4.推算干渠设计流量
六、渠道的最小流量和加大流量
1.最小流量
(1)定义
设计年分灌水期间渠道通过的最小流量。
(2)如何确定
(3)有何用途
校核在上下级渠水位衔接,确定是否需节制闸。
2.加大流量
(1)定义
考虑到灌区可能扩大灌溉面积或改变种植计划,因而要求渠道能通过比设计流量更大的流量。
(2)如何确定
(3)有何用途
确定渠道堤顶高程。
由加大流量计算加大水深,渠底高程加加大水深,再加安全超高得堤顶高程。
布置作业:
渠道流量推算
注意:
正确确定支、斗、农渠的计算长度。
§5渠道纵横断面设计
简要解释“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:
(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,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。
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