農田水利灌溉工程規劃設計研究

聶 瑛

（張掖市甘蘭水利水電建筑設計院，甘肅 張掖 734000）

1 工程概述

某農田水利灌溉工程蓄水段長度為7.52 km、平均寬度為610 m，蓄水面積達312.6萬m，蓄水深度為4.68 m，設計調蓄規模為1 210萬m，主要為周圍農田灌溉提供用水。在圍壩樁號6+950位置設置了放水壩，設計流量為30 m/s，設計閘地高程為45.35 m，檔水位為48.62 m。在圍壩樁號7+260位置設置支渠引水閘，0+460位置設置引水涵洞，13+180處設置干渠分水閘，設計1.0 m寬、1.5 m高，總體結構形式為鋼筋混凝土涵洞。

2 農田水利灌溉工程規劃設計原則

農田水利灌溉工程規劃設計較為復雜，難度較大，需要綜合考慮當地社會經濟發展水平、農作物種類、農田分布情況及農作物需水量等因素。為提升農田水利灌溉工程規劃設計方案的有效性和科學性，在具體規劃設計階段需要嚴格遵循以下原則。

2.1 因地制宜

在農田水利灌溉工程規劃設計前，相關工作人員需要對農田水利灌溉工程建設的必要性、可行性、實用性、適用性等進行分析。當地水利部門需要聯合農業農村部門和國土空間規劃部門對區域發展及水資源利用情況進行系統、全面的調研，嚴格按照因地制宜原則，開展農田水利灌溉工程規劃設計工作，以確保農田水利灌溉工程建設能滿足當地農業發展需求。

2.2 綜合利用

在具體設計中，規劃設計人員除了需要考慮當地農作物灌溉需求，還需要綜合考慮養殖業發展、居民生活、工業生產等方面的用水需求，應嚴格按照當地社會經濟發展的實際需求進行統一規劃和設計，以最大限度地提升水資源綜合利用率。

2.3 使用安全

使用安全原則也是農田水利灌溉工程規劃設計中需要遵循的原則之一。規劃設計人員需要對農田水利灌溉工程所在區域的地形地貌、地質水文等進行全面勘查，選擇合適的位置建設農田水利灌溉工程。如果遇到施工條件比較差的問題，可采取開挖渠道的方式提升工程施工的安全性，保證各道工序都能高效、有序開展。

3 水量平衡分析

在案例農田水利灌溉工程施工建設前，項目灌溉區域種植的主要農作物包括小麥、玉米、向日葵、打瓜和林木等，灌溉方式為常規的溝畦灌，年凈需水量為538.63萬m，毛需水量為754.68萬m。農田水利灌溉工程建設完成后，項目灌溉區域農作物主要為小麥、地膜玉米、甜菜等，灌溉方式改為滴灌，年凈需 水 量 為465.82萬m，毛 需 水 量 為514.62萬m。項目區總面積為0.15萬hm，常規溝畦灌輸水渠道為混凝土板襯砌，渠系水利用系數約為0.81，灌溉水利約為0.84。農田水利灌溉工程建設后，灌溉水利用系數便提升至0.90，灌溉定額比實施前減少10.168 hm。

4 農田水利灌溉工程規劃設計要點

4.1 壩型規劃設計

案例工程位于平原地區。平原地區農田水利灌溉工程建設常用的壩型有2種，一種是土質防滲體分區壩，另一種是均質壩。前者斷面由土質防滲體和若干透水性不同的土石料分區建筑而成，又可細分成心墻壩、斜心墻壩、斜墻壩和其他不同形式的土質防滲體分區壩。而后者壩體斷面不分防滲體和壩殼，由一種土料組成。由于案例工程堤壩不高，位于沖積平原之上，周圍土料多為粉土，土質均勻，可就地取材用于壩體修筑。從后期施工經濟合理、技術實用的角度來看，案例工程的壩型選擇以碾壓式均質土壩比較好。

4.2 波浪爬高設計

由于該工程壩型選擇碾壓式均質土壩，按照《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274—2020）規定，在農田水利灌溉工程風浪爬高設計中，風速需要根據當地多年平均年最大風速的1.5倍進行計算。波浪的平均波高和平均波周期可采用莆田試驗站公式計算得出。就案例工程而言，根據當地氣象局多年測量數據，確定滿庫期多年平均最大風速為17.0 m/s，設計風速可采用25.5 m/s，設計水位選擇46.69 m；按照區域常年主風向，再考慮該農田水利灌溉工程水域形狀和平均水深，按照《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274—2020）中的計算公式，就能計算出圍壩壩面每個作用點的平均波高、平均波周期、波浪爬高等參數。波高計算公式如下：

式（1）中：為重力加速度，此次計算中的取值為9.81 m/s；h表示平均波高（m）；表示計算風速（m/s）；表示風區長度（m）；T表示平均波周期（s）。將已知的數據帶入上述公式，就能得到波浪爬高計算結果。案例工程的具體計算結果如表1所示。

表1 案例工程波浪爬高計算結果

從計算結果可知，該工程各壩段波浪爬高值相差比較小，在具體規劃設計中可采用最大的波浪爬高進行設計，也就是1.41 m。

4.3 風壅水平面高度設計

風壅水平面高度也是農田水利灌溉工程規劃設計的要點之一，如果風壅水平面高度設計不合理，會對壩體結構造成嚴重的拍打。由于該工程壩型為碾壓式均質土壩，這種拍打會縮短其使用壽命，影響后期使用的安全性，因而必須重視風壅水平面高度的設計。風壅水平面高度計算公式如下：

式（2）中：為計算點位置的風壅水平面高度（m）；為綜合摩阻系數，此次設計中取值為3.6×10；表示計算風速（m/s）；為風區長度（m）；H表示水域平均水深（m）；為計算風向和壩軸法線的夾角（°）。將已知的數據帶入上述公式計算可知，案例工程風壅水平面高度為0.02 m，而《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274—2020）規定“四級壩的安全超高值為0.30 m”，表明風壅水平面高度對壩體沖擊造成的影響比較小，符合設計要求。

4.4 壩頂結構設計

在壩頂結構設計中需要綜合考慮后期施工、交通等方面的因素，可按照單行道設計，但需要滿足錯車的需求。因此，該工程壩頂寬度設計為6 m，壩頂靠近水的一側適當傾斜，傾斜度控制在2%左右，以便壩頂的雨水能夠及時排出，以免滲透影響壩體結構的穩定性。在大壩背坡，每隔100 m須設置排水溝，且排水溝間壩頂縱向坡降需要控制在0.1%左右。采用瀝青混凝土路面，路面硬化寬度控制在4 m左右，路面結構可選擇下部30 cm三七灰土墊層，上部為5 cm瀝青混凝土。

4.5 填筑標準設計

根據該工程水文地質勘查報告，對筑壩土料進行標準試驗，試驗結果顯示最大相關內容干容重為15.7 kN/m。而《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》規定，圍壩壓實干密度需要嚴格按照最大密度乘以壓實度來確定。案例工程的壓實度為0.96，則壓實度干密度應為15.072 kN/m（15.7×0.96），填土的含水量需要嚴格按照最優含水量進行控制，允許偏差為±3% 。

4.6 圍壩斷面設計

在碾壓式均質土壩建設中，圍壩斷面設計方案有2種可供選擇。方案一是復式斷面。圍壩斷面為梯形，上游坡面為1∶4，在46 m高程位置設計二級臺階，控制二級臺階的寬度不小于3.0 m。下游坡面為1∶3，坡腳位置設計集水溝，集水溝尺寸為底部寬1.0 m、深度為0.7 m。方案二是單式梯形斷面。單式梯形斷面上游坡面為1∶4，下游坡面為1∶3，坡腳設置集水溝，集水溝設計尺寸為底部寬度1.0 m、深度為0.7 m，不需要設置二級臺階。兩種方案對比，方案一圍壩結構更加科學，而且施工難度較低，能夠滿足碾壓式均質土壩施工的要求。因此，在案例工程設計中，圍壩斷面選擇復式斷面。

4.7 外坡面和排水設計

在農田水利灌溉工程規劃設計中，不得不考慮外坡面和排水設計。在案例工程中，設計人員結合類似工程的設計經驗，圍壩壩體上、下游邊坡為1∶3，壩頂路面結構采取了瀝青混凝土路面。在案例工程中下游壩坡設置縱向和橫向排水溝，并在下游壩腳位置設置導滲溝，在坡腳外部設置排滲溝，以便雨水、滲水等都能及時排出，避免其進入壩體內部影響壩體結構的穩定性。

4.8 防滲設計

防滲設計也是農田水利灌溉工程規劃設計的重中之重。由于該工程壩體類型為碾壓式均質土壩，因而對防滲設計有很高的要求。但在具體設計中，需要結合實際需求和區域經濟發展情況，選擇合適的防滲方式。一般有2種防滲方案可供選擇：方案一，垂直鋪塑，頂部高程為42.60 m，底部到6層為粉質黏土，高程為31.53 m，壩坡鋪設復合土工膜加混凝土板進行襯砌處理；方案二，不采取任何防滲措施。兩種方案對比，按照每年節水52萬m、水價0.11元/m進行計算，具體的防滲優缺點和效益對比情況如表2所示。結合該工程地質勘查報告，從減少投資、提高效益的角度來看，推薦采取方案二。

表2 兩種防滲方式優缺點和效益

4.9 取水方式規劃設計

根據該工程的水源特點，灌溉取水方式有2種可供選擇：一種是自流取水灌溉，另一種是提水取水灌溉。其中，提水取水灌溉主要是針對灌溉水位要求高、河流水位低的情況，需要建設抽水泵站，通過抽水泵直接提水灌溉農田。自流式取水主要以河流作為灌溉取水水源，是該工程選擇的取水方式。自流取水又可細分為有壩引水和無壩引水。其中，有壩引水多應用在河流水資源豐富，能夠滿足灌溉設計規模要求，但水位比較低，無法達到自流灌溉引水效果的地區。案例工程所在區域水資源有限，而且建設成本有限，為控制修建溢流壩、進水閘的成本，采取了無壩引水方式。在具體規劃設計中，設計人員應根據灌溉地區的具體情況考慮是否建閘，如果洪水極少或者汛期水位不高，洪水對農田造成的影響較小，可設計為不建閘。但多數情況下，很多河流在汛期都存在洪水沖毀農田、淹沒農作物問題，甚至會沖毀渠道。因此，從安全設計的角度來看，案例工程需要做好建閘設計。在建閘設計中，河流方向和渠首進水閘中心線的引水角需要控制在30°～50°，底板高程要高出閘前河底高程1～2 m，沖沙閘能夠防止泥沙進入渠道，沖沙閘的底板高程應低于進水閘的底板高程。

5 結語

農田水利灌溉工程是一項利國利民的基礎工程，可降低旱災、水災對農業生產造成的影響。在其具體規劃設計中，需要綜合考慮當地農作物的分布情況、種植種類、區域位置、經濟發展情況等，通過水量平衡分析，正確判斷灌溉規模。此外，需要注重每個細節的設計，按照因地制宜、綜合利用、保證安全的原則進行全面設計，為建造精品農田水利灌溉工程打好基礎。