農(nóng)田水利灌溉工程規(guī)劃設(shè)計(jì)研究

聶 瑛

（張掖市甘蘭水利水電建筑設(shè)計(jì)院，甘肅 張掖 734000）

1 工程概述

某農(nóng)田水利灌溉工程蓄水段長(zhǎng)度為7.52 km、平均寬度為610 m，蓄水面積達(dá)312.6萬(wàn)m，蓄水深度為4.68 m，設(shè)計(jì)調(diào)蓄規(guī)模為1 210萬(wàn)m，主要為周圍農(nóng)田灌溉提供用水。在圍壩樁號(hào)6+950位置設(shè)置了放水壩，設(shè)計(jì)流量為30 m/s，設(shè)計(jì)閘地高程為45.35 m，檔水位為48.62 m。在圍壩樁號(hào)7+260位置設(shè)置支渠引水閘，0+460位置設(shè)置引水涵洞，13+180處設(shè)置干渠分水閘，設(shè)計(jì)1.0 m寬、1.5 m高，總體結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土涵洞。

2 農(nóng)田水利灌溉工程規(guī)劃設(shè)計(jì)原則

農(nóng)田水利灌溉工程規(guī)劃設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，難度較大，需要綜合考慮當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、農(nóng)作物種類、農(nóng)田分布情況及農(nóng)作物需水量等因素。為提升農(nóng)田水利灌溉工程規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的有效性和科學(xué)性，在具體規(guī)劃設(shè)計(jì)階段需要嚴(yán)格遵循以下原則。

2.1 因地制宜

在農(nóng)田水利灌溉工程規(guī)劃設(shè)計(jì)前，相關(guān)工作人員需要對(duì)農(nóng)田水利灌溉工程建設(shè)的必要性、可行性、實(shí)用性、適用性等進(jìn)行分析。當(dāng)?shù)厮块T需要聯(lián)合農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門和國(guó)土空間規(guī)劃部門對(duì)區(qū)域發(fā)展及水資源利用情況進(jìn)行系統(tǒng)、全面的調(diào)研，嚴(yán)格按照因地制宜原則，開展農(nóng)田水利灌溉工程規(guī)劃設(shè)計(jì)工作，以確保農(nóng)田水利灌溉工程建設(shè)能滿足當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展需求。

2.2 綜合利用

在具體設(shè)計(jì)中，規(guī)劃設(shè)計(jì)人員除了需要考慮當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物灌溉需求，還需要綜合考慮養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展、居民生活、工業(yè)生產(chǎn)等方面的用水需求，應(yīng)嚴(yán)格按照當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實(shí)際需求進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計(jì)，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(nóng)田水利灌溉工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中需要遵循的原則之一。規(guī)劃設(shè)計(jì)人員需要對(duì)農(nóng)田水利灌溉工程所在區(qū)域的地形地貌、地質(zhì)水文等進(jìn)行全面勘查，選擇合適的位置建設(shè)農(nóng)田水利灌溉工程。如果遇到施工條件比較差的問(wèn)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(nóng)田水利灌溉工程施工建設(shè)前，項(xiàng)目灌溉區(qū)域種植的主要農(nóng)作物包括小麥、玉米、向日葵、打瓜和林木等，灌溉方式為常規(guī)的溝畦灌，年凈需水量為538.63萬(wàn)m，毛需水量為754.68萬(wàn)m。農(nóng)田水利灌溉工程建設(shè)完成后，項(xiàng)目灌溉區(qū)域農(nóng)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(wàn)m，毛 需 水 量 為514.62萬(wàn)m。項(xiàng)目區(qū)總面積為0.15萬(wàn)hm，常規(guī)溝畦灌輸水渠道為混凝土板襯砌，渠系水利用系數(shù)約為0.81，灌溉水利約為0.84。農(nóng)田水利灌溉工程建設(shè)后，灌溉水利用系數(shù)便提升至0.90，灌溉定額比實(shí)施前減少10.168 hm。

4 農(nóng)田水利灌溉工程規(guī)劃設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 壩型規(guī)劃設(shè)計(jì)

案例工程位于平原地區(qū)。平原地區(qū)農(nóng)田水利灌溉工程建設(shè)常用的壩型有2種，一種是土質(zhì)防滲體分區(qū)壩，另一種是均質(zhì)壩。前者斷面由土質(zhì)防滲體和若干透水性不同的土石料分區(qū)建筑而成，又可細(xì)分成心墻壩、斜心墻壩、斜墻壩和其他不同形式的土質(zhì)防滲體分區(qū)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(zhì)均勻，可就地取材用于壩體修筑。從后期施工經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)實(shí)用的角度來(lái)看，案例工程的壩型選擇以碾壓式均質(zhì)土壩比較好。

4.2 波浪爬高設(shè)計(jì)

由于該工程壩型選擇碾壓式均質(zhì)土壩，按照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274—2020）規(guī)定，在農(nóng)田水利灌溉工程風(fēng)浪爬高設(shè)計(jì)中，風(fēng)速需要根據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄昶骄曜畲箫L(fēng)速的1.5倍進(jìn)行計(jì)算。波浪的平均波高和平均波周期可采用莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算得出。就案例工程而言，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶侄嗄隃y(cè)量數(shù)據(jù)，確定滿庫(kù)期多年平均最大風(fēng)速為17.0 m/s，設(shè)計(jì)風(fēng)速可采用25.5 m/s，設(shè)計(jì)水位選擇46.69 m；按照區(qū)域常年主風(fēng)向，再考慮該農(nóng)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(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274—2020）中的計(jì)算公式，就能計(jì)算出圍壩壩面每個(gè)作用點(diǎn)的平均波高、平均波周期、波浪爬高等參數(shù)。波高計(jì)算公式如下：

式（1）中：為重力加速度，此次計(jì)算中的取值為9.81 m/s；h表示平均波高（m）；表示計(jì)算風(fēng)速（m/s）；表示風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度（m）；T表示平均波周期（s）。將已知的數(shù)據(jù)帶入上述公式，就能得到波浪爬高計(jì)算結(jié)果。案例工程的具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 案例工程波浪爬高計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果可知，該工程各壩段波浪爬高值相差比較小，在具體規(guī)劃設(shè)計(jì)中可采用最大的波浪爬高進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是1.41 m。

4.3 風(fēng)壅水平面高度設(shè)計(jì)

風(fēng)壅水平面高度也是農(nóng)田水利灌溉工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的要點(diǎn)之一，如果風(fēng)壅水平面高度設(shè)計(jì)不合理，會(huì)對(duì)壩體結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的拍打。由于該工程壩型為碾壓式均質(zhì)土壩，這種拍打會(huì)縮短其使用壽命，影響后期使用的安全性，因而必須重視風(fēng)壅水平面高度的設(shè)計(jì)。風(fēng)壅水平面高度計(jì)算公式如下：

式（2）中：為計(jì)算點(diǎn)位置的風(fēng)壅水平面高度（m）；為綜合摩阻系數(shù)，此次設(shè)計(jì)中取值為3.6×10；表示計(jì)算風(fēng)速（m/s）；為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度（m）；H表示水域平均水深（m）；為計(jì)算風(fēng)向和壩軸法線的夾角（°）。將已知的數(shù)據(jù)帶入上述公式計(jì)算可知，案例工程風(fēng)壅水平面高度為0.02 m，而《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274—2020）規(guī)定“四級(jí)壩的安全超高值為0.30 m”，表明風(fēng)壅水平面高度對(duì)壩體沖擊造成的影響比較小，符合設(shè)計(jì)要求。

4.4 壩頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在壩頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，但需要滿足錯(cuò)車的需求。因此，該工程壩頂寬度設(shè)計(jì)為6 m，壩頂靠近水的一側(cè)適當(dāng)傾斜，傾斜度控制在2%左右，以便壩頂?shù)挠晁軌蚣皶r(shí)排出，以免滲透影響壩體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在大壩背坡，每隔100 m須設(shè)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(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

根據(jù)該工程水文地質(zhì)勘查報(bào)告，對(duì)筑壩土料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示最大相關(guān)內(nèi)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(shè)計(jì)導(dǎo)則》規(guī)定，圍壩壓實(shí)干密度需要嚴(yán)格按照最大密度乘以壓實(shí)度來(lái)確定。案例工程的壓實(shí)度為0.96，則壓實(shí)度干密度應(yīng)為15.072 kN/m（15.7×0.96），填土的含水量需要嚴(yán)格按照最優(yōu)含水量進(jìn)行控制，允許偏差為±3% 。

4.6 圍壩斷面設(shè)計(jì)

在碾壓式均質(zhì)土壩建設(shè)中，圍壩斷面設(shè)計(jì)方案有2種可供選擇。方案一是復(fù)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(shè)計(jì)二級(jí)臺(tái)階，控制二級(jí)臺(tái)階的寬度不小于3.0 m。下游坡面為1∶3，坡腳位置設(shè)計(jì)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(shè)置集水溝，集水溝設(shè)計(jì)尺寸為底部寬度1.0 m、深度為0.7 m，不需要設(shè)置二級(jí)臺(tái)階。兩種方案對(duì)比，方案一圍壩結(jié)構(gòu)更加科學(xué)，而且施工難度較低，能夠滿足碾壓式均質(zhì)土壩施工的要求。因此，在案例工程設(shè)計(jì)中，圍壩斷面選擇復(fù)式斷面。

4.7 外坡面和排水設(shè)計(jì)

在農(nóng)田水利灌溉工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中，不得不考慮外坡面和排水設(shè)計(jì)。在案例工程中，設(shè)計(jì)人員結(jié)合類似工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，圍壩壩體上、下游邊坡為1∶3，壩頂路面結(jié)構(gòu)采取了瀝青混凝土路面。在案例工程中下游壩坡設(shè)置縱向和橫向排水溝，并在下游壩腳位置設(shè)置導(dǎo)滲溝，在坡腳外部設(shè)置排滲溝，以便雨水、滲水等都能及時(shí)排出，避免其進(jìn)入壩體內(nèi)部影響壩體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4.8 防滲設(shè)計(jì)

防滲設(shè)計(jì)也是農(nóng)田水利灌溉工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的重中之重。由于該工程壩體類型為碾壓式均質(zhì)土壩，因而對(duì)防滲設(shè)計(jì)有很高的要求。但在具體設(shè)計(jì)中，需要結(jié)合實(shí)際需求和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)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(zhì)黏土，高程為31.53 m，壩坡鋪設(shè)復(fù)合土工膜加混凝土板進(jìn)行襯砌處理；方案二，不采取任何防滲措施。兩種方案對(duì)比，按照每年節(jié)水52萬(wàn)m、水價(jià)0.11元/m進(jìn)行計(jì)算，具體的防滲優(yōu)缺點(diǎn)和效益對(duì)比情況如表2所示。結(jié)合該工程地質(zhì)勘查報(bào)告，從減少投資、提高效益的角度來(lái)看，推薦采取方案二。

表2 兩種防滲方式優(yōu)缺點(diǎn)和效益

4.9 取水方式規(guī)劃設(shè)計(jì)

根據(jù)該工程的水源特點(diǎn)，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(duì)灌溉水位要求高、河流水位低的情況，需要建設(shè)抽水泵站，通過(guò)抽水泵直接提水灌溉農(nóng)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(xì)分為有壩引水和無(wú)壩引水。其中，有壩引水多應(yīng)用在河流水資源豐富，能夠滿足灌溉設(shè)計(jì)規(guī)模要求，但水位比較低，無(wú)法達(dá)到自流灌溉引水效果的地區(qū)。案例工程所在區(qū)域水資源有限，而且建設(shè)成本有限，為控制修建溢流壩、進(jìn)水閘的成本，采取了無(wú)壩引水方式。在具體規(guī)劃設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)灌溉地區(qū)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(duì)農(nóng)田造成的影響較小，可設(shè)計(jì)為不建閘。但多數(shù)情況下，很多河流在汛期都存在洪水沖毀農(nóng)田、淹沒農(nóng)作物問(wèn)題，甚至?xí)_毀渠道。因此，從安全設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，案例工程需要做好建閘設(shè)計(jì)。在建閘設(shè)計(jì)中，河流方向和渠首進(jìn)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(jìn)入渠道，沖沙閘的底板高程應(yīng)低于進(jìn)水閘的底板高程。

5 結(jié)語(yǔ)

農(nóng)田水利灌溉工程是一項(xiàng)利國(guó)利民的基礎(chǔ)工程，可降低旱災(zāi)、水災(zāi)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的影響。在其具體規(guī)劃設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的分布情況、種植種類、區(qū)域位置、經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況等，通過(guò)水量平衡分析，正確判斷灌溉規(guī)模。此外，需要注重每個(gè)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)，按照因地制宜、綜合利用、保證安全的原則進(jìn)行全面設(shè)計(jì)，為建造精品農(nóng)田水利灌溉工程打好基礎(chǔ)。