农田水利灌溉工程规划设计研究

［摘 要］ 农田水利灌溉工程规划设计较为复杂，需要综合考虑当地农业发展需求、社会经济发展情况等因素。只有对坝型、波浪爬高、风壅水平面高度、坝顶结构、填筑标准、围坝断面、防渗、取水方式等进行科学有效的规划设计，才能建设出既满足农作物灌溉又符合当地发展需求的高品质农田水利灌溉工程，造福人民。

［关键词］ 农田水利灌溉工程；水量平衡；围堰；防渗

［中图分类号］ S274 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 1674-7909（2022）15--3

1 工程概述

某农田水利灌溉工程蓄水段长度为7.52 km、平均宽度为610 m，蓄水面积达312.6万m2，蓄水深度为4.68 m，设计调蓄规模为1 210万m3，主要为周围农田灌溉提供用水。在围坝桩号6+950位置设置了放水坝，设计流量为30 m3/s，设计闸地高程为45.35 m，档水位为48.62 m。在围坝桩号7+260位置设置支渠引水闸，0+460位置设置引水涵洞，13+180处设置干渠分水闸，设计1.0 m宽、1.5 m高，总体结构形式为钢筋混凝土涵洞。

2 农田水利灌溉工程规划设计原则

农田水利灌溉工程规划设计较为复杂，难度较大，需要综合考虑当地社会经济发展水平、农作物种类、农田分布情况及农作物需水量等因素。为提升农田水利灌溉工程规划设计方案的有效性和科学性，在具体规划设计阶段需要严格遵循以下原则。

2.1 因地制宜

在农田水利灌溉工程规划设计前，相关工作人员需要对农田水利灌溉工程建设的必要性、可行性、实用性、适用性等进行分析。当地水利部门需要联合农业农村部门和国土空间规划部门对区域发展及水资源利用情况进行系统、全面的调研，严格按照因地制宜原则，开展农田水利灌溉工程规划设计工作，以确保农田水利灌溉工程建设能满足当地农业发展需求。

2.2 综合利用

在具体设计中，规划设计人员除了需要考虑当地农作物灌溉需求，还需要综合考虑养殖业发展、居民生活、工业生产等方面的用水需求，应严格按照当地社会经济发展的实际需求进行统一规划和设计，以最大限度地提升水资源综合利用率［1］。

2.3 使用安全

使用安全原则也是农田水利灌溉工程规划设计中需要遵循的原则之一。规划设计人员需要对农田水利灌溉工程所在区域的地形地貌、地质水文等进行全面勘查，选择合适的位置建设农田水利灌溉工程。如果遇到施工条件比较差的问题，可采取开挖渠道的方式提升工程施工的安全性，保证各道工序都能高效、有序开展。

3 水量平衡分析

在案例农田水利灌溉工程施工建设前，项目灌溉区域种植的主要农作物包括小麦、玉米、向日葵、打瓜和林木等，灌溉方式为常规的沟畦灌，年净需水量为538.63万m3，毛需水量为754.68万m3。农田水利灌溉工程建设完成后，项目灌溉区域农作物主要为小麦、地膜玉米、甜菜等，灌溉方式改为滴灌，年净需水量为465.82万m3，毛需水量为514.62万m3。

项目区总面积为0.15万hm2，常规沟畦灌输水渠道为混凝土板衬砌，渠系水利用系数约为0.81，灌溉水利约为0.84。农田水利灌溉工程建设后，灌溉水利用系数便提升至0.90，灌溉定额比实施前减少10.168 hm2。

4 农田水利灌溉工程规划设计要点

4.1 坝型规划设计

案例工程位于平原地区。平原地区农田水利灌溉工程建设常用的坝型有2种，一种是土质防渗体分区坝，另一种是均质坝。前者断面由土质防渗体和若干透水性不同的土石料分区建筑而成，又可细分成心墙坝、斜心墙坝、斜墙坝和其他不同形式的土质防渗体分区坝。而后者坝体断面不分防渗体和坝壳，由一种土料组成。由于案例工程堤坝不高，位于冲积平原之上，周围土料多为粉土，土质均匀，可就地取材用于坝体修筑。从后期施工经济合理、技术实用的角度来看，案例工程的坝型选择以碾压式均质土坝比较好。

4.2 波浪爬高设计

由于该工程坝型选择碾压式均质土坝，按照《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2020）规定，在农田水利灌溉工程风浪爬高设计中，风速需要根据当地多年平均年最大风速的1.5倍进行计算。波浪的平均波高和平均波周期可采用莆田试验站公式计算得出［2］。就案例工程而言，根据当地气象局多年测量数据，确定满库期多年平均最大风速为17.0 m/s，设计风速可采用25.5 m/s，设计水位选择46.69 m；按照区域常年主风向，再考虑该农田水利灌溉工程水域形状和平均水深，按照《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2020）中的计算公式，就能计算出围坝坝面每个作用点的平均波高、平均波周期、波浪爬高等参数。波高计算公式如下：

式（1）中：g为重力加速度，此次计算中g的取值为9.81 m/s2；hm表示平均波高（m）；W表示计算风速（m/s）；D表示风区长度（m）；Tm表示平均波周期（s）。将已知的数据带入上述公式，就能得到波浪爬高计算结果。案例工程的具体计算结果如表1所示。

从计算结果可知，该工程各坝段波浪爬高值相差比较小，在具体规划设计中可采用最大的波浪爬高进行设计，也就是1.41 m。

4.3 风壅水平面高度设计

风壅水平面高度也是农田水利灌溉工程规划设计的要点之一，如果风壅水平面高度设计不合理，会对坝体结构造成严重的拍打。由于该工程坝型为碾压式均质土坝，这种拍打会缩短其使用寿命，影响后期使用的安全性，因而必须重视风壅水平面高度的设计。风壅水平面高度计算公式如下：

式（2）中：e为计算点位置的风壅水平面高度（m）；K为综合摩阻系数，此次设计中取值为3.6×10-6；W表示计算风速（m/s）；D为风区长度（m）；Hm表示水域平均水深（m）；β为计算风向和坝轴法线的夹角（°）。将已知的数据带入上述公式计算可知，案例工程风壅水平面高度为0.02 m，而《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2020）规定“四级坝的安全超高值为0.30 m”，表明风壅水平面高度对坝体冲击造成的影响比较小，符合设计要求［3］。

4.4 坝顶结构设计

在坝顶结构设计中需要综合考虑后期施工、交通等方面的因素，可按照单行道设计，但需要满足错车的需求。因此，该工程坝顶宽度设计为6 m，坝顶靠近水的一侧适当倾斜，倾斜度控制在2%左右，以便坝顶的雨水能够及时排出，以免渗透影响坝体结构的稳定性。在大坝背坡，每隔100 m须设置排水沟，且排水沟间坝顶纵向坡降需要控制在0.1%左右。采用沥青混凝土路面，路面硬化宽度控制在4 m左右，路面结构可选择下部30 cm三七灰土垫层，上部为5 cm沥青混凝土。

4.5 填筑标准设计

根据该工程水文地质勘查报告，对筑坝土料进行标准试验，试验结果显示最大相关内容干容重为15.7 kN/m3。而《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》规定，围坝压实干密度需要严格按照最大密度乘以压实度来确定。案例工程的压实度为0.96，则压实度干密度应为15.072 kN/m3（15.7×0.96），填土的含水量需要严格按照最优含水量进行控制，允许偏差为±3%［4］。

4.6 围坝断面设计

在碾压式均质土坝建设中，围坝断面设计方案有2种可供选择。方案一是复式断面。围坝断面为梯形，上游坡面为1∶4，在46 m高程位置设计二级台阶，控制二级台阶的宽度不小于3.0 m。下游坡面为1∶3，坡脚位置设计集水沟，集水沟尺寸为底部宽1.0 m、深度为0.7 m。方案二是单式梯形断面。单式梯形断面上游坡面为1∶4，下游坡面为1∶3，坡脚设置集水沟，集水沟设计尺寸为底部宽度1.0 m、深度为0.7 m，不需要设置二级台阶。两种方案对比，方案一围坝结构更加科学，而且施工难度较低，能够满足碾压式均质土坝施工的要求。因此，在案例工程设计中，围坝断面选择复式断面。

4.7 外坡面和排水设计

在农田水利灌溉工程规划设计中，不得不考虑外坡面和排水设计。在案例工程中，设计人员结合类似工程的设计经验，围坝坝体上、下游边坡为1∶3，坝顶路面结构采取了沥青混凝土路面［5］。在案例工程中下游坝坡设置纵向和横向排水沟，并在下游坝脚位置设置导渗沟，在坡脚外部设置排渗沟，以便雨水、渗水等都能及时排出，避免其进入坝体内部影响坝体结构的稳定性。

4.8 防渗设计

防渗设计也是农田水利灌溉工程规划设计的重中之重。由于该工程坝体类型为碾压式均质土坝，因而对防渗设计有很高的要求。但在具体设计中，需要结合实际需求和区域经济发展情况，选择合适的防渗方式。一般有2种防渗方案可供选择：方案一，垂直铺塑，顶部高程为42.60 m，底部到6层为粉质黏土，高程为31.53 m，坝坡铺设复合土工膜加混凝土板进行衬砌处理；方案二，不采取任何防渗措施。两种方案对比，按照每年节水52万m3、水价0.11元/m3进行计算，具体的防渗优缺点和效益对比情况如表2所示。结合该工程地质勘查报告，从减少投资、提高效益的角度来看，推荐采取方案二。

4.9 取水方式规划设计

根据该工程的水源特点，灌溉取水方式有2种可供选择：一种是自流取水灌溉，另一种是提水取水灌溉。其中，提水取水灌溉主要是针对灌溉水位要求高、河流水位低的情况，需要建设抽水泵站，通过抽水泵直接提水灌溉农田。自流式取水主要以河流作为灌溉取水水源，是该工程选择的取水方式。自流取水又可细分为有坝引水和无坝引水。其中，有坝引水多应用在河流水资源丰富，能够满足灌溉设计规模要求，但水位比较低，无法达到自流灌溉引水效果的地区。案例工程所在区域水资源有限，而且建设成本有限，为控制修建溢流坝、进水闸的成本，采取了无坝引水方式。在具体规划设计中，设计人员应根据灌溉地区的具体情况考虑是否建闸，如果洪水极少或者汛期水位不高，洪水对农田造成的影响较小，可设计为不建闸。但多数情况下，很多河流在汛期都存在洪水冲毁农田、淹没农作物问题，甚至会冲毁渠道。因此，从安全设计的角度来看，案例工程需要做好建闸设计。在建闸设计中，河流方向和渠首进水闸中心线的引水角需要控制在30°～50°，底板高程要高出闸前河底高程1～2 m，冲沙闸能够防止泥沙进入渠道，冲沙闸的底板高程应低于进水闸的底板高程。

5 结语

农田水利灌溉工程是一项利国利民的基础工程，可降低旱灾、水灾对农业生产造成的影响。在其具体规划设计中，需要综合考虑当地农作物的分布情况、种植种类、区域位置、经济发展情况等，通过水量平衡分析，正确判断灌溉规模。此外，需要注重每个细节的设计，按照因地制宜、综合利用、保证安全的原则进行全面设计，为建造精品农田水利灌溉工程打好基础。

参考文献：

［1］刘进.农田水利灌溉工程规划设计与灌溉技术研究［J］.农业技术与装备，2021（1）：77-78.

［2］王晓娟.浅谈农田水利灌溉工程规划设计与灌溉技术［J］.农业科技与信息，2020（12）：88-89.

［3］韩丽梅.浅谈农田水利灌溉工程规划设计［J］.农业科技与信息，2019（24）：112-113.

［4］吴毓平.农田水利灌溉工程规划设计与灌溉技术的研究［J］.科技创新与应用，2019（15）：89-90.

［5］田栋良.浅析农田水利灌溉工程的规划设计［J］.农业科技与信息，2019（9）：112-113.