农田水利灌溉渠道工程设计分析

2022-12-23杨文涛

新农民 2022年31期

杨文涛

（沧州水利勘测规划设计院有限公司，河北沧州 061000）

农田水利灌溉渠道工程主要是为农业服务，因此在开展相关的设计建设工作时要从实际出发，根据灌溉需求、农业发展需求以及当地自然环境特征等科学设计渠道工程，确保水利灌溉渠道工程能充分发挥作用。下面结合实际，对农田水利灌溉渠道工程设计问题做具体分析。

1 农田水利灌溉渠道工程特点分析

为了能够更好地发挥出农田水利灌溉渠道工程的重要作用，要求农田水利灌溉工程要具备安全性和水资源利用效率高的特征。通过建设农田水利灌溉渠道工程，有效地保证水资源的充足性，为农田灌溉打下坚实的基础。但在实际农田水利灌溉渠道工程建设过程中，由于各地情况不同，水质和土壤存在差异性，因此工程设计体系也会存在一定的变化性，这就需要加强对农田水利建设安全性的关注，更好地发挥出水利灌溉渠道工程的价值和作用。在实际渠道设计过程中，应保证渠道规划要具备良好的地理条件，尽可能地避开软土土质和透水性土质，进一步保证农田水利渠道工程的安全性。而且通过重视农田水利灌溉渠道工程建设，还可以保证农业生产过程中农民用水需要，进一步提高水资源的利用效率。因此在实际农田水利灌溉渠道工程设计过程中，需要强调功能性特征，更好地满足工程发展，为水资源提供一定的利用条件，这样能够进一步展现渠道灌溉功能，降低资源浪费。并通过考虑局部发展特征，确保水利系统灌溉作用有提升。

2 农田水利灌溉渠道工程存在的问题

2.1 农田水利灌溉装备落后，设备盲目购置

随着市场竞争逐步激烈，决定竞争力的不仅是资金，现在主要是人才与设备之间的竞争。在科研水平逐步提高的背景下，现有的农田水利灌溉设备相对来说就比较陈旧，设备整体比较老年化，比较落后，这样会导致农业生产受到限制，不利于农业的发展。为了适应现如今的发展形势，必须适当地引进国内外比较先进的农田水利灌溉设备，以此来提高机械技术装备水平。但是，部分地区并没有结合实际情况，制定科学的农田水利灌溉设备的发展规划和购买设备，而且并没有合理地预估未来农田水利灌溉设备的市场使用情况，导致很多设备并不能满足农业种植需求，造成经历、资源的浪费。部分种植者为了能够获得较多的利润，没有结合实际进行设备的购买。比如说，购买设备没有考虑到资源、种植、环保、操作使用等诸多因素。导致资金无法合理运转，设备利用率低，很多都闲置或者不使用，这样便会给种植者造成巨大的损失，不利于农业的发展。

2.2 农田水利灌溉渠道管理体系有待完善

目前大部分地区农田水利灌溉渠道工程维护和管理工作都存在制度不完善的问题，缺乏健全的管理体系，这也导致具体的维护和管理工作措施落实不到位，对工程项目效益的实现带来较大的影响。一些地区为了能够更好地发挥出农田水利灌溉渠道工程的重要作用，制定了具体的工程维护和管理的步骤和方法，但在实际工作开展过程中，具体安排缺乏统一性和科学性，而且监管力量薄弱，这也对农田水利灌溉渠道工程项目维护和管理工作的落实带来较大的影响，在具体工作中还存在相互推诿责任的问题，权责不明确，运行管理机制欠缺完善性，这必然会对农田水利灌溉渠道工程的稳定运营带来较大的影响。

2.3 农田水利灌溉渠道设计工时存在误差

第一，平面设计缺乏灵活性。传统开展水利工程设计时，是在手工平面图上进行建筑物、构筑物布设，由于底图只有一张，所以在平面设计时，灵活性受到限制，一旦出现错误，或需要进行修改时，需要在底图上进行反复工作，耗费时间与精力，对图纸的纸质也会造成磨损。另外也不方便在一张图纸上，开展多个设计方案对比选择。

第二，纵断面设计，完全需要手工绘制以及计算。在进行较长的管线工程以及堤防设计时，纵断画图绘制与计算，均需要进行手工进行，地面点桩号、高程以及拉坡设计，都需要逐点进行计算，图形的绘制速度较慢，并且计算量更大，较易发生出错。而桩号错位修改更为困难，常会存在由于出现错误，导致图纸报废。

第三，工程量计算繁杂，且准确度低。在手工平面图上进行水库、坝体库容或场地土石方数量计算时，常用的方式包括面积分割法、等高线法以及求积仪量面积法等。该类方法计算过程均较为复杂，且计算方法缓慢，准确度更低，易导致施工中出现变更或突发问题。

3 农田水利灌溉渠道工程设计方法

3.1 明确灌溉面积，计算灌溉净流量

在农田水利渠道灌溉工程设计的过程中，首先，需要对实际灌溉面积进行明确。其次，在灌溉面积的基础上进行灌水率设计。在灌水率设计过程中，需要依据农田作物种类、不同农作物种植占比、作物栽插进度以及灌水延续时间等因素进行明确计算，同时确保相关设计与计算符合《灌溉与排水工程设计规范》标准规范，从而准确计算出水利灌溉渠道特定时期的净流量。

3.2 渠道跌水设计

渠道跌水设计效果会影响整个农田灌溉渠道工程的设计质量，因此在具体的设计中工作人员要高度重视渠道跌水设计。具体来说，在进行渠道跌水设计时，工作人员要合理控制跌差，从而减小水阻力，提高灌溉效率。另外，在进行渠道跌水设计时工作人员需认真做好实地考察工作，在全面把握工程特性特点的情况下科学控制跌差，使农田灌溉渠道工程能充分满足当地的灌溉需求。

3.3 灌溉渠道横断面设计

渠道水力计算：在渠道水力计算时主要利用匀流公式，其主要目的是对渠道过水能力进行掌控，即对灌溉渠道断面进行精确设计，以此保证水流量能够正常稳定通过。除此之外，还可以对渠道能否满足实际流量需求进行校验，具体核算公式：Q=A×V。其中，Q代表渠道流量，单位为m3/s；A代表过水断面的实际面积，单位为m2；V代表水流在渠道断面的平均速度，单位为m/s。在明确设计流量的前提下对断面进行设计，先要对渠道水流速度进行明确，水流速度V与灌溉渠道纵坡参数i之间具有一定关联关系，纵坡参数越大，则水流速度越快，纵坡参数越小，水流速度越慢。则渠道均匀流的具体流速计算公式如下所示：V=CRi。其中，C代表谢才系数，其与水力半径参数R以及糙率系数n相关，谢才系数具体计算公式为：C=1/n×R1/6。水力半径主要包括过水边界周长参数X以及过水断面W，如果过水断面保持一致，过水边界周长参数越小的灌溉渠道拥有越小的水流阻力、水流速度越大、过水能力同样越大。水力半径计算公式为：R=A/X。其中，A代表过水断面；X代表过水边界周长参数。通过上述描述能够得出渠道流量Q的具体计算公式：Q=A×V=ACRi。

计算参数选择：灌溉渠道的计算参数主要包括糙率系数n、渠道纵坡系数I、宽深比a（=B/h）、渠道流量等因素。渠道设计和计算参数的合理性和准确性直接影响到整个灌溉工程的运行稳定性和安全性。在选择灌溉渠道坡度时，应注意灌溉渠道底部必须保持一定的纵向坡度，即i=H/D=Tan 一其中I是梯度系数，H表示灌溉渠道两端点的高度差，D表示两端点的水平距离。同时，坡度应尽可能接近地面坡度，以防止过度填挖；当通道流量相对较大时。坡度应控制在相对缓慢的状态；当河道水流中含有杂质时，必须科学控制坡度系数，以确保水流能够携带泥沙和杂质，防止河道淤积。在设计河床结构的粗糙度系数n时，有必要阐明河道粗糙度系数的作用，即它真实反映河床的表面粗糙度。N值越大，河床表面越粗糙；N值越小，河床表面越光滑。同时，根据水力学中的标准规定和河道工程的实际地理环境参数，这是明确的。

渠道端面宽深比a（=B/h）的选择：渠道断面结构直接影响水利工程的实际工程量、断面结构的稳定性和渠道工程的整体施工难度。河道断面有多种类型，如宽水深型和窄水深型。在设计中，应根据渠道的最佳水力断面计算分析宽深比，以确保渠道断面处于最佳状态，同时尽可能减少衬砌工程的施工量和石方的使用量。在知道河道坡度系数m的具体值后，可以获得相应的最佳值a。在选择和设计渠道断面宽深比a时，应充分考虑施工量，并注意渠道断面的结构稳定性。正常情况下，如果渠道流量Q为1~3m3/s，则需要将a值控制在1~3。

灌溉渠道允许的水流速度：在灌溉渠道流速设计时，必须保证其处于灌溉渠道允许的水流速度范围内，即V不淤流速＜V设计流速＜V不冲流速，其中，不冲流速选用行业标准规定数值，不淤流速值需要依据渠道水流中杂质泥沙量的颗粒性质、数量多少以及组成成分等相关。为防止水草等植物在渠道中生长导致渠道过水能力下降，将渠道最小设计流速控制在0.4~0.6m/s，对于清水段灌溉渠道，可以将最小设计流速控制在0.2m/s左右。

3.4 纵断面设计

在农田灌溉渠道设计中，渠道纵断面设计是一项重要内容，纵断面设计效果直接决定了渠道工程能否正常发挥功能。由于纵断面设计十分重要，因此在正式设计纵断面形式之前工作人员需进行实地勘察，查明灌溉区域的地形地势特征，在此基础上选择等高线平行线位置来确定渠道工程纵断面的走向。纵断面走向确定后，设计人员还需对工程所在地的土壤性质、降水特点、农业灌溉需求等进行调查分析，在综合考虑各项因素的基础上科学设计渠道纵坡位置，同时参考纵断面中心线来确定各桩点高程、渠道的顶部以及底部。设计渠道顶部高程需要参考借助渠道水位超高值以及水位高程进行。在通过上述计算确定出渠道纵断面水位高程后，再根据当地具体的灌溉需求准确确定渠道流量，计算U型槽的纵向坡降等以及空断面的尺寸，确保渠道纵断面设计科学合理。

3.5 应用数字化工具展开设计

第一，电子图设计具备可复制性。在开展水利工程设计时，能够从AutoCAD电子地形图中国进行图形复制，能够进行多种工程方案设计，直到所建设的方案平面布设科学合理，能够满足水利工程的需求，即满足科研阶段方案比选、初步设计以及施工图设计的相关要求。

第二，电子图纸设计易于修改。在水利工程设计过程中，可以使用AutoCAD工具从电子图纸中排列固定的建筑物、管道等线性结构和构筑物，布局精度高，布局研究更清晰，变化更灵活。此外，在设计过程中，可以在电子图纸上标记设计位置的角度、坐标、面积和距离，并且可以使用AutoCAD功能执行相关设计的各种命令，如中断、修改和镜像。设计更加灵活，可以根据实际施工数据随时更改，以提高施工地形的一致性。减少了传统手工计算和测量图纸上的距离、角度和坐标所造成的误差。

第三，在设计阶段，可以结合电子图纸和专业计算机软件进行快速设计。在渠道、路堤和管道等线性结构的设计中，可以使用电子图形的线控制点进行标记，并结合智能测绘技术和其他软件，同步计算线性结构的线位置。根据测得的地面高程点，可自动生成逐桩坐标，并可重复快速绘制合理的设计高程，避免了在手工纸上绘制垂直剖面图或手工AutoCAD图时因桩号和距离错位以及坡度图计算而导致的高程误差，减少了设计人员的工作量，节省了时间，提高了工作效率，使图纸具有标准化的特点。如果是农田基础设施、灌溉项目或场地平整项目，南部Cass软件中的功能也可用于以严格的精度轻松计算开挖石方的数量；第四，可以准确计算工程量，以满足招标要求。全站仪的无棱镜功能用于在测量员难以或无法到达的危险地段（如悬崖和深水区）进行测量或施工放样，提高了测点和选线人员的安全性，避免了地形测量中出现不完整的点或放样尺寸，使工程设计更加准确，工程量计算更加准确，为编制招标依据或提供工程量清单奠定了良好的基础，减少了施工过程中因设计原因引起的变更或索赔引起的纠纷，为今后的施工、管理和安全生产提供了便利。