自流灌区低压管道灌溉工程设计要点.docx

自流灌区低压管道灌溉工程设计要点张茂堂 ,李中华(云南省水利水电科学研究所 ,云南 昆明 650228) 摘要 自流灌区管道灌溉尚处于试验探索阶段 ,通过试点工程测试研究 ,较全面地分析了自流灌区管灌工程设计要点 ,论述了管道系统的布置 ,设计流量的确定 ,管网水力计算 ,管道结构设计及管材的选择等 ,并提出了加强关 键技术问题研究的建议 。 关键词 低压管灌 ;自流灌区 ;管道 ;设计 中图分类号 s275 文献标识码 b 文章编号 1003 - 1510 (2007) 05 - 0042 - 03(1)管道系统布置应做到灌溉 、排水 、道路等1概述低压管道输水灌溉是使用不超过 012 m pa 的系统紧密结合 ,统筹安排 ,管网供水可靠性高 ,排水通畅 ,机耕方便 ,并充分利用原有工程设施 。对稻田 灌区 ,应保证排水系统独立可靠运行 。压力 ,通过压力管道系统 ,把水输送到田间或斗渠进行农田灌溉的一种灌溉技术 ,自“七五”攻关研究以 来 ,由于水资源日益紧张 ,使这项节水技术得到飞速发展 ,目前全国低压管道输水灌溉面积已超过 533万 hm2 ,主要分布于北方提水井灌区 。我国井灌区 的低压管道输水灌溉技术已趋于成熟 ,1995 年 7 月水利部已批准了行业标准低压管道输水灌溉工程 技术规范 (井灌区部分) ,而自流灌区在工程规模和运行方式上与井灌区有较大差异 ,国内自流灌区的 低压管道输水灌溉技术尚处于试验探索阶段 ,没有 技术规范标准 。就云南省而言 ,大多为自流灌区 ,地 形起伏较大 ,梯田多 ,粮食作物以水稻为主 ,灌溉水 含泥沙量大 ,土壤大多为土质较硬的粘土 。这些自 然条件和耕作方式与北方井灌区有较大的差异 ,因 而增大了推广应用低压管道灌溉技术的难度 。但云南省耕地面积少 , 粮食产量低 , 有效灌溉水资源缺乏 ,用水浪费严重 ,发展低压管道灌溉是增强国家农 业经济基础的重要举措 。从 1993 年起 ,我们进行了不同工程类型的自流灌区低压管灌技术应用试点 ,在工程的规划 、设计 、管材选择及施工设计等方面取 得了一些成功的经验 。现就自流灌区低压管道灌溉 工程设计中的要点进行分析 ,供设计阶段参考 。(2)管道系统布置应力求管线总长度短 ,控制面积大 ,管线平顺 ,减少拐弯和起伏 。(3)管道系统的管道级数 ,应根据灌区自然环境 (供排水条件 、灌溉面积) 和经济条件进行综合比较确定 。灌区内较高位置有干渠或水源点较多时 , 可分散取水 ,管道级数可少一些 ; 通常 300 亩以内 , 考虑单级管道 ,超过 300 亩就要考虑二级管道 ;工程 投资条件好的地区 ,灌区标准较高 ,单个出水口控制 面积小 ,管道级数可多些 。212 设计流量的确定灌溉系统的设计流量为灌水高峰期所需流量 , 它由作物灌溉制度 、作物种植结构 、灌溉面积 、灌水 定额 、灌水周期 、灌溉水利用系数等因素综合考虑确 定 ,它是管径选择 、管道水力计算等的主要依据 。设 计流量应按下式计算 :q = m a / t t式中 : q 灌溉系统设计流量 ,m3 / s ;m 灌水定额 ,m3 / hm2 ;a 灌溉面积 ,hm2 ;t 灌水周期 ,d ;t 日灌水时间 ,s ;灌溉水利用系数 。( 1)2 自流灌区管灌工程设计要点211管道系统布置(1)灌溉制度的制定 。设计灌溉制度是指符 收稿日期 2007208223 作者简介 张茂堂 ( 1965 - ) ,男 ,云南洱源人 ,云南省水利水电科学研究所工程师 ,主要从事农田水利研究设计工作 。42广西水利水电gx wa t er r esou rces & h ydro pow er en gin eer in g 2007 (5)合设计标准代表年的灌溉制度 ,可根据当地试验资料或多年灌溉经验分析制定 。主要指标有灌水次 数 、灌水时间 、灌水定额及灌溉定额 。(5)进水池或调压水位高程 。首先通过计算确定能满足自流灌溉条件的所需工作水头最大的出水口 ,然后由此水口逐级向取水口方向推算 ,可确定 出水池水位高程 。(2)灌水定额 。灌水定额可根据灌溉实验资料确定 ,稻田可采用泡田定额作为设计灌水定额 。(6)经济管径选择 。首先确定在设计水位下(3)灌水周期 。根据灌水定额 、设计代表年灌的最大水头损失管线 ,然后试算 ,直至给水栓出口的剩余水头为 012 m 左右 ,且管内流速大于 015 m/ s时的管径即为设计经济管径 。水期最大日需水量确定 。对水稻自流管灌区 ,可取泡田时间为灌水周期 ,一般为 715 d ,灌区面积较 大时取较大值 ,从而可选择较小管径的输水管道 。(7)水锤压力 。选择管线较长 ,高差较大的管(4)灌溉水利用系数 。管道水利用系数应不道 ,并按可能产生最大的水锤压力的管理操作方式计算水锤压力 。在水锤情况下 ,当管道内压力超过 管材公称压力时 ,应采取水锤防护措施 。214管道结构设计管道结构设计是根据设计选择的定型管道内 径 ,壁厚以及作用在管道上的最大荷载 ,确定管道的 埋深 、开挖管槽断面 ,填土的夯实程度 ,以保证管道的安全运行 。荷载的组合方式为 : 管自重 + 填土压力 + 地面 荷载 + 内水压力 。当埋深大于 70 cm 时动荷载可忽 略 。结构计算时 ,根据低压输水管道的工作环境 ,可 选定以下两种情况为最不利条件 : 一是在覆土前通 水试验时管道无外荷作用 ,管内承受最大内水压力 ; 二是在空水期时管道承受外荷作用 。对预制和现浇素砼管 ,管道强度一般能满足设 计要求 ,但抗渗压力较低 ,约在 0115 m pa 左右 , 且 现浇砼管施工质量波动较大 ,因此应先通过实验确定管材和接头的抗渗压力 ,并要求设计工作压力不 大于抗渗压力的 1/ 2 ,才能确保管道可靠运行 。对薄壁硬塑料管 ,因长期荷载作用产生变形 ,材料强度随着应力作用时间增长而逐渐降低 ,因此 要求试水期管道的公称压力应等于或大于设计工作压力 ,空水期在田间荷载作用下 ,径向变形率不得大 于 5 % 。管道径向变形量可根据生产厂家提供管材刚度 ,管上荷载计算值 ,由下列修正的斯潘格勒公式 计算 :低于 0195 。也可根据管道单位长度的流量损失系数确定 ,一般取 1 %/ km 。实践证明 ,田间工程配套 水平对节水效果影响很大 ,只有提高田间配套水平 ,才能提高综合节水能力 ,因此要求田间水利用系数不低于 0185 ,灌溉水利用系数不低于 0180 。(5)日灌水时间 。自流灌区没有提水灌区受机电设备运行时间的影响 ,日灌水时间可取 24 h 。213管网水力计算(1)公式计算 :hf = 10129 n2 q 2 l / d5133式中 : hf 沿程水头损失 ,m ;n 糙率 ;q 管道设计流量 ,m3 / s ;d 管道内径 ,m ;l 管道长度 ,m 。砼管道沿程水头损失计算 。可采用谢才( 2)(2)硬塑料管沿程水头损失计算 ,可采用达西公式 ,再乘管道起伏损失系数 1120 ,即hf = 11098 10 - 3 q 11774 l / d 41774( 3)公式中的符号意义同前 。经管道运行后实测 ,该式基本符合实际 。(3)管道局部水头损失计算 。可按下式计算hj =v 2 / 2 g式中 : hj 局部水头损失 ,m ;局部损失系数 ;v 管内流速 ,m/ s ;g 重力加速度 , 为 9181 , m/ s2 。 局部水头损失也可按沿程水头损失的 15 %进行估算 。( 4)x = d kw / ( 01149 ps + 01061 e)y = 111 x( 5)( 6)式中 : x 、y 管子水平和垂直变形量 , 即直径变化 ,cm ;d 变形滞后系数 ,最大值取 115 ;k 基底常数 ;e 填土反作用模量 , n/ cm2 ;ps 变形 5 %时的管材刚度 ,n/ cm2 ;w 管上荷载 ,n/ cm 。215管材与管件选择管材和管件是低压管道输水灌溉工程的主要组43(4)管道工作压力 。应按管道正常运行情况下最大工作压力的 114 倍确定 ,最大工作压力为满足管线末端较高田块或首端较高田块的自流灌溉水 压要求的工作压力 。对地形起伏较大的自流灌区 ,当管道压力超过其本身承压能力时 ,可在满足自流灌溉的条件下 ,采取设置调压池等减压措施 ,降低管 道工作压力 。张茂堂 ,李中华 :自流灌区低压管道灌溉工程设计要点成部分 ,其投资约占总投资的 75 % , 管材和管件的选择应充分考虑质量 、单价 、施工条件及进度要求等 因素 ,选择经济合理的管材 。自流灌区所需管道直径较大 , 200 300 mm 的可选用预制承插砼管 ,300 mm 以上可选用薄壁 pv c 管 , 对丘陵旱作自 流灌区 ,因施工条件较差 ,宜选用 100 200 mm的薄壁 pv c 管较好 。对于弯头 ,三通等管件 ,除特殊连接部位需要加 工制作外 ,支管 (包括出水竖管) 和主管可在主管上 开孔后直接连接 ,但应通过试验 ,要保证接头部位抗渗压力满足设计要求 。 给水栓在标准较高的自流灌区需用量大 ,因此设计阶段必须研制样品并通过水力性能试验 ,要求 成本低 , 使用寿命长 , 止水性能好 , 结构简单 , 操作 方便 。216 建筑物及其他(5)闸阀保护井 。为保护闸阀长期运行 ,便于维修 , 管 道 系 统 内 的 全 部 闸 阀 应 设 保 护 井 , 并 安盖板 。(6)镇墩 。管轴线转角大于 45, 支管 ( 包括山水竖管) 与主管的接头部位 ,都应设置镇墩 ,基础要坚实 。(7)进排气设施 。为防止水流带入的空气危害管道安全 ,以及管道排空时向管内补气 ,需在取水口供水闸阀后面管道上 (即管线最高处) 设置通气管 或进排气阀等进排气装置 。(8)量水设备 。需要单独核算水量的低压管道灌区 ,要求配置量水设备 ,其规格应与管道流量相适应 ,计算精度不低于 5 % 。(9)伸缩节 。一般管道埋深不小于 50 cm ,土层温度波动很小 ,加上管道与土壤间摩擦力对温度引起的伸缩也有一定的抑制作用 ,因此可不设伸缩 节 。但从检修和安全考虑 , 当管径超过 300 cm ,管线长超过 1 km 时 ,可加设伸缩节或柔性接头 。(1)进水池 。它是管道系统首端进水建筑物 ,具有控制水位 ,沉淀泥沙等作用 ,自流灌区灌溉水源一般取自输水干渠 ,对位于干渠旁的灌区 ,可在干渠 上设节制闸抬高水位而作为进水池 ,灌溉用水取进水池中层水 ,管道进口设拦污栅和闸阀 ,避免较多的 泥沙及漂浮物进入管道 ,并便于用水管理 。灌区距干渠较远或干渠坡度较陡时 ,可单独设进水池再进 行配水 。(10)排水系统 。对地形起伏较小的水稻低压管道灌区 ,应设置排水系统 ,否则将造成农作物涝渍减产 。排水设计标准根据灌溉排水渠系设计规范 的要求确定 。当排水沟与管道交叉时 ,管道应埋于沟底 30 cm 以下 ,为便于群众耕作 ,排水沟上要适当 设置桥 、涵等建筑物 。(2)调压井 。调压井的主要功能是减压和分水 ,若管线太长或地形起伏较大 ,一些管段富余水头较大 ,应设置调压井予以减压 ,以减少管内水压 ,选 择较经济管材 ,调压井在丘陵自流灌区设置较多 ,一般采用溢流式调压井 。3结语通过试点工程多年运行表明 ,自流灌区低压管道输水灌溉具有输水效率高 、节水 、节地 、增产 、省工 、管理方便等优点 ,深受受益区群众欢迎 ,推广前 景广阔 。但自流灌区应用低压管灌技术在我国刚刚起步 ,虽有几处试点 ,取得了一定的技术经验 ,仍只 处于试验阶段 ,还缺乏从规划设计到运行管理的一整套成熟经验 。本文根据云南省试点工程的实践 , 对自流灌区管灌工程的设计要点作了简要分析 ,仅 起技术探讨的目的 。由于各灌区控制面积差别较大 ,自然条件及管网布置形式不同 ,管道压力分布复 杂等原因 ,许多技术问题有待于进一步探讨 ,因此建议对自流灌区管道输水灌溉的关键技术问题 ,比如 不同地形条件下经济合理的管网布置形式 ,质优价 低的大管径管材及管件的研制 ,管网优化设计 、运行管理模式等需继续加强研究 ,对建设的试点工程 ,要 求把投入运行管理后的测试研究成果作为竣工验收的必备技术资料 ,以便取得成套技术经验 ,为发展自 流灌区低压管灌技术提供重要的技术依据 。(责任编辑 :刘征湛)(3)冲沙池 。自流灌区水源含泥沙量大 ,管道水流流速较高 ,每年大 、小春最后一次灌溉后 ,应将管内沉积泥沙排出 。冲沙池的作用一是沉沙 ,二是 消能 ,并通过它将排水引入河道 ,一般设于主管道末端 ,进口设置泄水阀 。有条件的地方应将管道水直接排入河道 ,不设冲沙池 。(4)出水口防冲池 。标准高的自流管灌区 ,出水口 (或给水栓) 设于田埂上 ,两块田合用一个 ,灌溉水直接进入田间 ;若受投资限制 ,出水口间距可增至50100 m , 再由毛渠引水灌溉 。为避免出水口水 流冲坏田块内农作物 ,在出水口处建防冲池 ,主要功能是消除多余水能和双向分水 。防冲池的分水口至 少高于池底及田面 20 cm ,给水栓位于其中央 ,便于维护 。其占地面积宜为 0135 m2 左右 ,由于面积小 , 边墙窄 ,立模及浇筑砼较为困难 ,宜用浆砌砖支砌 , 但其基础回填必须夯实 。44广西水利水电gx wa t er r esou rces & h ydro pow er en gin eer in g 2007 (5)ma in points of lo w2pressure pipe irrigation work design f orgravity f lo w irrigation areazhan g mao2t ang , l i zho ng2hua( yunnan water co nservancy and hydropower science research instit ute , kunming 650228 , china)abstract :the applicatio n of gravit y flow pipe irrigatio n is still at testing stage . based o n t he measuring andst udy co nducted at t he t rial p roject s , t he aut ho r analyzed t he main point s of pipe irrigatio n wo r k design fo r grav2 it y flow irrigatio n area , demo nst rated t he layo ut of pipe system , t he deter minatio n of design flow ,t he hydraulic calculatio n fo r pipeline net wo r k ,t he design of pipe st ruct ure and t he selectio n of pipe material etc. , and suggest2 ed to st rengt hen t he st udy of key technical p ro blems.key words : low2p ressure pipe irrigatio n ; gravit y flow irrigatio n area ; pipe line ; design(上接第 29 页)能干涸的河段采用橡胶坝技术拦蓄水库 、以改善城 镇河段的水环境和生物栖息条件 ,但需注意保持足够的断面和冲排砂功能 ,在泄洪时能近似天然河道 泄洪状态 ,泄洪冲砂 。(3)建立科学权威的行政区交界断面河道水污染防治监测和评价机制 。(4)建立和严格执行水污染防治责任制 ,行政区交界断面水质目标责任制等 ,对行政区界面水质不达标的责任人给予惩戒 ,对水污染防治成绩显著 的给予表彰 。5修复和保持南流江健康河流的管理措施(5)各级政府和有关部门从可持续发展的高度认识和增加投入 ,引导和吸纳社会资金投入健康河流工程 ,促进南流江健康河流的改善和流域水资 源的可持续利用 ,特别是结合新农村建设整治村镇河塘 、截污减污 ,对减少面源污染和可持续发展意义重大 。(责任编辑 :刘征湛)(1)南流江流经玉林 、钦州 、北海 3 个地级市的 5 个县级辖区 ,需要成立一个 3 市政府部门人员组成的协调机构统筹协调有关事宜 。(2)3 个地级市水行政主管部门应在技术标准执行和技术管理方面建立长效紧密的联系 ,以保证技术规划 、技术标准和水行政执法的严格有效 。restore and ma inta in nanl iujiang a healthy riverzhan g hu