排水沟设计

第五节排水沟的设计水位和排水沟断面设计

一、排水沟的设计水位

设计排水沟，一方面要使沟道能通过排涝设计流量，使涝水顺利排入外河；另一方面还要满足控制地下水位等要求。

排水沟的设计水位可以分为排渍水位和排涝水位两种，确定设计水位是设计排水沟的重要内容和依据，需要在确定沟道断面尺寸(沟深与底宽)之前，加以分析拟定。

1．排渍水位(又称日常水位)

这是排水沟经常需要维持的水位，在平原地区主要由控制地下水位的要求(防渍或防止土壤盐碱化)所决定。

为了控制农田地下水位，排水农沟(末级固定排水沟)的排渍水位应当低于农田要求的地下水埋藏深度，离地面一般不小于1.0～1.0m；有盐碱化威胁的地区，轻质土不小于2.2～2.6m，如图8-7所示。而斗、支、干沟的排渍水位，要求比农沟排渍水位更低，因为需要考虑各级沟道的水面比降和局部水头损失，例如排水干沟，为了满足最远处低洼农田(见图8-8)降低地下水位的要求，其沟口排渍水位可由最远处农田平均田面高程(A0)，考虑降低地下水位的深度和斗、支、干各级沟道的比降及其局部水头损失等因素逐级推算而得，即

图8-7排渍水位与地下水位控制的关系(单位：m)

图8-8干、支、斗、农排水沟排渍水位关系图

z

＝A0－D农－ΣLi－ΣΔ

搀渍

z (8-7) 式中z排渍——排水干沟沟口的排渍水位，m；

A

——最远处低洼地面高程，m；

D

——农沟排渍水位离地面距离，m；

农

L——斗、支、干各级沟道长度，m，见图8-8；

i——斗、支、干各级沟道的水面比降，如为均匀流，则为沟底比降；

Δz——各级沟道沿程局部水头损失，如过闸水头损失取0.05～0.1m，上下级沟道在排地下水时的水位衔接落差一般取0.1～0.2m。

对于排渍期间承泄区(又称外河)水位较低的平原地区，如干沟有可能自流排除排渍流量时，按上式推得的干沟沟口处的排渍水位20溃，应不低于承泄区的排渍水位或与之相平。否则，应适当减小各级沟道的比降，争取自排。而对于经常受外水位顶托的平原水网圩区，则应利用抽水站在地面涝水排完以后，再将沟道或河网中蓄积的涝水排至承泄区，使各级沟道经常维持排渍水位，以便控制农田地下水位和预留沟网容积，准备下次暴雨后滞蓄涝水。

2．排涝水位(又称最高水位)

排涝水位是排水沟宣泄排涝设计流量(或满足滞涝要求)时的水位。由于各地承泄区水位条件不同，确定排涝水位的方法也不同，但基本上分为下述两种情况。1) 当承泄区水位一般较低，如汛期干沟出口处排涝设计水位始终高于承泄区水位，此时干沟排涝水位可按排涝设计流量确定，其余支、斗、沟的排涝水位亦可由干沟排涝水位按比降逐级推得；但有时干沟出口处排涝水位比承泄区水位稍低，此时如果仍须争取自排，势必产生壅水现象，于是干沟(甚至包括支沟)的最高水位就应按壅水水位线设计，其两岸常需筑堤束水，形成半填半挖断面，如图8-9所示。

图8-9排水出口壅水时干沟的半填半挖断面示意图

2) 在承泄区水位很高、长期顶托无法自流外排的情况。此时沟道最高水位是分两种情况考虑，一种情况是没有内排站的情况，这时最高水位一般不超出地面，以离地面0.2～0.3m为宜，最高可与地面齐平，以利排涝和防止漫溢，最高水位以下的沟道断面应能承泄除涝设计流量和满足蓄涝要求；另一种情况是有内排站的情况，则沟道最高水位可以超出地面一定高度(如内排站采用圬工泵时，超出地面的高度就不应大于2～3m)，相应沟道两岸亦需筑堤。

二、排水沟断面设计

当排水沟的设计流量和设计水位确定后，便可确定沟道的断面尺寸，包括水深与底宽等。设计时，一般根据排涝设计流量计算沟道的断面尺寸，如有通航、养殖、蓄涝和灌溉等要求，则应采用各种要求都能满足的断面。

1．根据排涝设计流量确定沟道的过水断面

排水沟一般是按恒定均匀流公式设计断面，但在承泄区水位顶托发生壅水现象的情况下，往往需要按恒定非均匀流公式推算沟道水面线，从而确定沟道的断面以及两岸堤顶高程等。推算水面线的方法已在水力学中详述，这里从略；但对于排水沟道的断面因素如底坡(i、糙率(n)、及边坡系数(m)等应结合排水沟特点进行分析拟定。

(1) 排水沟的比降(i) 主要决定于排水沟沿线的实际地形和土质情况，沟道比降一般要求与沟道沿线所经的地面坡降相近，以免开挖太深。同时，沟道比降不能选得过大或过小，以满足沟道不冲不淤的要求，即沟道的设计流速应当小于允许不冲流速(见表8-8)和大干允许不淤流速(0.3～0.4m/s)。此外，对于连通内湖与排水闸的沟道，其比降还决定于内湖和外河水位的情况；而对于连通抽水站的沟道比降，则须注意抽水机安装高程的限制，一般说来，对照±述要求，平平

地区沟道比降可在下列范围内选择：干沟为，支沟为

，斗沟为。

而在排灌两用沟道内有反向输水出现的情况下，则沟

道比降宜较平缓，其方向则以排水方向为准。对于有

些结合灌溉、蓄涝和通航的沟道，其比降也有采用平

底的情况。为了便于施工，同一沟道最好采用均一的

底坡，在地面比降变化较大时，也要求尽可能使同一沟道的比降变化较少。

(2) 沟道的边坡系数(m) 这主要与沟道土质和沟深有关，土质愈松，沟道愈深，采用的边坡系数应愈大。由于地下水汇入的渗透压力、坡面径流冲刷和沟内滞涝蓄水时波浪冲蚀等原因，沟坡容易坍塌，所以排水沟边坡一般比灌溉边坡为缓。设计时可参考表8-9。

表8-9土质排水沟边坡系数表

(3) 排水沟的糙率(n) 对于新挖沟道，其糙率与灌溉渠道相同，约为0.02～0.025，而对于容易长草的沟道，一般采用较大的数值，取0.025～0.03。

2．根据通航、养殖要求校核排水沟的水深与底宽

按除涝设计流量确定的排水沟水深h(相应的排渍水深为h0)及底宽b(见图

8-10)，往往还不一定是最后采用的数值。考虑到干、支沟在有些地区需要同时满足通航、养殖要求，因此还必须根据这些要求对沟道排渍水深(h0)及底宽(b)进行校核。

沟道通航水深决定于通航船只的吨位。干沟一般要求通航50～100t的船只，支(斗)沟通航50t以下的船只，相应要求的通航水深见表8-10。养殖水深一般要求1.0～1.5m，干、支沟都一样。

通过校核，如果按排涝设计流量算出的沟道水深与底宽不能满足在排渍水位下通航、养殖和控制地下水位的要求，则沟道应按要求拓宽加深。在排涝流量和排渍流量相差悬殊且要求的沟深也显著不同的情况下，可以采用复式断面。

3．根据滞涝要求校核排水沟的底宽

平原水网圩区的一个特点，就是汛期(5～10月)外江(河)水位高涨、关闸期间圩内降雨径流无法自流外排，只能依靠抽水机及时提水抢排一部分，大部分涝水需要暂时蓄在田间以及圩垸内部的湖泊洼地和排水沟内，以便由水泵逐渐提排出去。除田间和湖泊蓄水外需要由排水沟容蓄的水量(因蒸发和渗漏量很小，故不计)为

h

=P―h田蓄―h湖蓄―h抽

沟蓄

(8-8)

排

式中P——设计暴雨量(一日暴雨或三日暴雨，以mm计)，按除涝标准选定；

h

——田间蓄水量，水田地区按水稻耐淹深度确定，一般取30～50mm，旱田则田蓄

视土壤蓄水能力而定；

h

——沟道蓄水量；

沟蓄

h

——水泵抢排水量；

抽排

h

——湖泊洼地蓄水量，根据各地圩垸内部现有的或规划的湖泊蓄水面积及蓄湖蓄

水深度确定。

h

、h抽排、h湖蓄均为折算到全部排水面积上的平均水层，mm。

沟蓄

由公式(8-8)可见，只要研究确定了P、h田蓄、h湖蓄、h抽排等值，便可求得需要排水沟

容蓄的涝水量，这部分水量就蓄在各级沟道(干、支、斗)的滞涝容积V滞内，即图8-11中最高滞涝水位与排渍水位(或称汛期预降水位)之间的阴影部分。沟道滞涝水深h一般为0.8～1.0m，排水沟的滞涝总容积(V滞)可用下式计算，即

V

=Σ

滞

bhl (8-9

) 式中b——各级滞涝河网或沟道的平均滞涝水面宽度；m，见图8-11。

l——各级滞涝沟道的长度，m；

Σbhl——各级滞涝沟道的bhl之和，m3。

校核计算时，可以采用试算法，即先按排涝或航运等要求确定的沟道断面计算其滞涝容积(V滞)，如果这一容积小于需要沟道容蓄的涝水量，除可增加抽排水量外则须适当增加有关各级沟道的底宽(或改为复式断面)或沟深(甚至增加沟道密度)，直至沟道蓄水容积能够容蓄涝水量为止。

4．根据灌溉引水要求校核排水沟道底宽

当利用排水沟引水灌溉时，水位往往形成倒坡或平坡，这就需要按非均匀流公式推算排水沟引水灌溉时的水面曲线，借以校核排水沟在输水距离和流速等方面能否符合灌溉引水的要求，如不符合，则应调整排水沟的水力要素。

图8-11 河(沟)道的滞水位和预降水位(单位：m)

在一般工程设计中，对斗、农沟常常采用规定的标准断面(根据典型沟道计算而得)，不必逐一计算，而只是对较大的主要排水沟道，才需要进行具体设计。设计时，通常选择以下断面进行水力计算，(a)沟道汇流处的上、下断面<即汇流以前和汇流以后的断面)；(b)沟道汇入外河处的断面；(c)河底比降改变处的断面等。对于较短的沟道，若其底坡和土质都基本一致，则在沟道的出口处选择一个断面进行设计即可。

排水沟在多数情况下是全部挖方断面，只有通过洼地或受承泄区水位顶托发生壅水时，为防止漫溢才在两岸筑堤，形成又挖又填的沟道。从排水沟挖出的土方，可用以修堤、筑路、填高农田田面和居民点房基，或结合灭螺填平附近废沟旧塘，不要任意乱堆在沟道两岸，以免被雨水冲入沟中，影响排水。通常堤与弃土堆距

离沟的上口，不应小于1.0m，堤(路)高应超出地面或最高水位以上0.5～0.8m，堤顶宽取0.5～1.0m，如兼作各种道路，则结合需要另行确定。对于较大的排水干沟，有时为了满足排除涝水和地下水的综合要求，特别在排涝设计流量和排渍流量相差悬殊的情况下，排水沟可以设计成复式断面，这样可节省土方和减少水下的施工。

防止排水沟的塌坡现象是设计沟道横断面的重要问题，特别是在砂质土地带，更需重视。沟道塌坡不但使排水不畅，而且增加清淤负担。针对边坡破坏的主要原因，在结构设计中，除应用稳定的边坡系数外，还可以采取下列措施以稳定排水沟的边坡。

1) 防止地面径流的冲蚀，如利用截流沟、截流堤或沟边道路防止地面径流漫坡注入沟道；或采取护坡措施，如种植草皮和干砌块石等；

2) 减轻地下径流的破坏作用，排水沟与灌溉渠道如采取相邻布置的方式，则沟、渠之间可安排道路或使沟道采用不对称断面，即靠近灌渠一侧采用较缓的边坡；

3) 对于沟逗较深和土质松散的排水沟，采用复式断面，可以减少沟坡的破坏。复式断面的边坡系数(阴)，随各种土质而定，可选用一种或几种数值。排水沟开挖深度大于5.0m时，应在沟底以上每隔3～4m设置宽度不小于0.8～1.0m的戗台。

在设计排水沟的纵断面时，一般要求各级沟道之间在排地下水时不发生壅水现象，即上、下级沟道在排除日常流量(排渍流量)时，水位衔接应有一定的水面落差(Δz)，一般取0.1～0.2m，见图8-12。在通过排涝设计流量时，沟道之间产生短期的壅水现象，是可以允许的，但一般沟道的最高水位，尽可能低于沟道两侧的地面高程0.2～0.3m(受外河水位顶托和筑堤泄水的沟道除外)。此外，还须注意下级沟道的沟底不高于上级沟道的沟底。

图8-12 _k--F~排水沟之间沟底水位衔接示意图(单位：m)

下面结合图8-13说明排水沟纵断面图的绘制方法与步骤。通常首先根据沟道的平面布置图，按干沟沿线各桩号的地面高程依次绘出地面高程线；其次，根据干沟对控制地下水位的要求以及选定的干沟比降等，逐段绘出日常水位线；然后在日常水位线以下，根据宣泄日常流量或通航，养殖等要求所确定的干沟各段水深，定出沟底高程线；最后再由沟底向上，根据排涝设计流量或蓄涝要求的水深，绘制干沟的最高水位线。排水沟纵断面的设计和其横断面设计是相互联系的，需要配合进行。排水沟纵断面图的形式和灌溉渠道相似，但有时可绘成由右向左的倾斜形式，以便于从干沟出口处起算桩距，如图8-13所示。在图上应注明桩号、地面高程、最高水位、日常水位、沟底高程、沟底比降以及挖深等各项数据，以便计算沟道的挖方量。

图8-13排水干沟纵断面图

夹河子水库上游分洪工程——大泉沟引洪渠设计与施工

摘要：夹河子水库上游分洪工程大泉沟引洪渠地处泉水溢出带，地下水丰富，局部段有较厚淤泥质土以及腐殖质土，工程地质条件属地下水位较高的地区，在北方严寒地区具有典型性。本工程采用混凝土网格干砌石的设计解决了这一问题，在此介绍在这种典型地质条件下，渠道设计经验和施工方法措施，以供交流。

关键词：泉水溢出带混凝土网格干砌石施工排水软基处理

1工程概况

夹河子水库是玛河中游的唯一一座拦河水库，座落在石河子市区东北方向约25km处，地理坐标东经86°07′30″，北纬40°17′30″。由于水库的防洪标准达不到设计要求而被列为病险水库，大坝安全类别被评定为三类坝。

扩建水库上游分洪工程—大泉沟引洪渠是夹河子水库除险加固中重要的一项工程措施。引洪渠从引洪闸处引水，洪水期分别向大泉沟水库、蘑菇湖水库分洪，引洪闸到大泉沟水库分水闸6.8km、到蘑菇湖水库17.2km，现状渠道为土渠，梯形断面，设计流量为25m3/s。该渠位于泉水溢出带，渠道常年有泉水溢出，沿途有众多的纳水口，渠道两边均为国家基本农田及居民点。

2大泉沟引洪渠工程地质条件

引洪渠基本上属挖方渠道，坡降1.51~2.27‰。两侧植被发育：①层杂填土，局部存在透境体，厚度0.5~1.2m，工程地质性质较差；②层低液限粘土，

0.8~2.9m，分布不连续，硬塑~软可塑，微透水；③层含细粒土砂，厚度0.5~1.4m，以透境体的形式存在，潮湿~饱水，松散~稍密，局部易垮孔，中等透水；④层腐植质，可见厚度0.5~1.9m，未揭穿，有机质含量较高；⑤层淤泥质粘土，可软~软塑，可见厚度0.4~2.0m，未揭穿，在该段的起始和终止端出现。该段地下水位埋深1.7~3.6m。工程地质条件较差。

3设计方案比选

3.1 设计方案比选

为充分利用现有工程，降低工程造价，大泉沟引洪渠在渠线选择上仍按老渠线布置，对现状进行改造扩建，扩大过流能力，达到分洪目的。通过调洪演算及

结合工程现状，确定大泉沟引洪渠设计流量为Q

设=50 m3/s、Q

加

=60 m3/s。

由于大泉沟引洪渠沿线处于泉水溢出带，地下水位较高，为地下水补充渠水，不存在渠水渗漏的问题，渠基土质为冻胀性土。因此，大泉沟引洪渠的改造扩建在设计上应主要解决两个问题：一是防冲问题；二是防冻问题。由于渠道两侧均为基本农田保护区，如果采用土渠断面，有些地段将占用大量的基本农田、房屋、渠道和道路。经统计采用土渠方案需占用基本农田145.0亩、林带3.2亩（伐树2070棵）、房屋650m2，且需增加数处跌水以使渠道降低流速。为减少土方开挖，少占基本农田、房屋和道路，充分利用当地材料，提高渠道的抗冲能力和过流能力，在渠道的衬砌结构型式上主要解决抗冲、排水和防冻胀等问题。因此，设计上主要采用混凝土网格干砌卵石衬砌方案来解决上述问题，该方案基本不占渠两侧耕地，对渠两侧原有设施基本没有影响。

3.2 工程设计

大泉沟引洪渠设计流量为50 m3/s，加大流量为60 m3/s。由于该渠段处于泉水溢出带，地下水位较高，地下水补给渠道，衬砌上采取以防冲为主，因此，，采用混凝土网格加干砌卵石衬砌。设计断面为梯弧形断面，圆弧半径400cm，弧中心角33.69°，渠道平底宽8m，边坡1:1.5。断面结构从上往下依次为25cm 厚的干砌卵石、10cm厚的砂砾石垫层、无纺布（400g/m2），为防止细颗粒土堵塞无纺布，在无纺布下铺25cm 的砂砾石垫层。渠道纵坡1/917~1/365，水深1.98~2.56m，流速1.66~2.29m/s。

混凝土网格在渠底横向每4m设1道，纵向方向在渠底中间、弧底、弧顶分别设有5道格栅，渠边坡网格设计成棱形状，有利于干砌卵石的稳定及水流的顺畅。混凝土网格标号C20、F200，宽度30cm，厚度为35cm。网格在渠底中间分成“十”字缝，圆弧段及靠近边坡的渠底分成“丁”字缝，嵌缝材料选用1cm 厚的高压闭孔塑料板。具体设计详见下图。

4 施工

4.1施工条件

大泉沟引洪渠设计为混凝土网格干砌石渠道，总长6.8km。渠线穿越基本农田保护区和居民点，两岸可利用的场地较少，主要可利用的场地有桩号3+000

右侧小块荒地，桩号4+080右侧苇把子厂，桩号4+400芦苇湖和桩号2+000、

2+650、5+200、6+100、6+700等左右林带间隙。工程沿线对外交通发达，对局部段渠堤进行加宽加固改造可满足施工交通要求。

根据对工程所在地气候条件的分析，每年4~10月份为正常施工期，在其余月份施工须考虑采取冬季施工措施。为满足农业灌溉用水的要求，根据本地各施工然条件，本工程施工期安排在第一年11月份至次年洪水期前即6月20日。

4.2施工措施和方法

1）施工排水措施

工程全线基本处在泉水溢出带上，地下水位埋深1.7~3.6m，流向从渠左向渠右，渠左岸有14处纳水口进入该渠道，汇集至渠道末端流量可达1.7m3/s，且常年较稳定。为保证施工质量，必须进行施工排水。

主要可以考虑的排水方式分为明排和暗排。暗排主要可用的包括井点法排水和管井法排水，明排可用的即开挖明沟截断地下水。在渠道沿线布设井点或一定距离布设管井，除占用耕地外，经济上也是本工程难以承受的。故，渠道施工采用明排的方式排水，渠道分期施工。具体做法是：土方工程开始时，首先沿渠道左坡脚处开挖一条底宽0.5m（沿渠可适当加宽），深0.5m，边坡1：1.5，纵坡与设计渠道纵坡相同的排水沟，将渗出的泉水导入渠尾排出；然后在渠底平段和右弧脚施工完时，用砂砾石将排水沟回填至设计位置后进行下道工序；渠道左侧施工时采用分段集中抽水将渗水抽出汇入田间农渠可根据各段地下水情况确定预留集水坑间距，待平底和弧脚施工完毕后补砌。抽水期从右弧脚混凝土浇筑完毕至左弧脚混凝土浇筑完毕，其余时间为自流排水。

长渠道施工自流排水应具备强有力的协调和管理能力，施工中应遵循先动上游，下游跟进的施工原则。施工抽水期也应考虑当地耕作制度的要求。

2）特殊地段施工

引洪渠桩号4+300~4+500段右渠堤穿过芦苇湖（沼泽）的边缘，原渠堤为填方，坐落在多年淤积和掺有腐败的芦苇根系的淤泥质粘土上，可塑~软塑，可见厚度2.4m，以透境体形式存在，这种基础的地基承载力很低。渠堤本身为杂填土，富含腐殖质，现状施工中运料的大中型机械根本无法通过。

如果此段渠道改线向左侧偏移，将占用基本农田10亩，不可行；在现有渠线基础上全部更换右渠堤填土，经济上和工期上都不太可行。经多方论证和现场试验，考虑到干砌石有一定的适应变形的能力，最终采用了“不换填，适当降低渠堤填筑的标准”的处理方式以节约投资。

根据此段渠堤薄弱，施工场地狭窄的特点，施工独创了“冬季进料，春季施工”的施工方法，即渠堤加宽加高的土石料（选择冻胀量相对较小的土石料）在冬季渠堤基本被冻透的时期，利用冻土增加的承载力直接采用机械运料进场进行铺填碾压，并在初步成型的渠堤顶堆放渠道衬砌材料；春季冻土解冻，自然沉降后开始衬砌施工，主要工作采用人工完成。

3）施工布置措施

老灌区改扩建渠道两侧多为已开垦的耕地、居民区和林带等，给工程施工布置带来很多不便。本工程具有改扩建工程的一般特点。

根据现状，在施工总布置“因地制宜，交通方便，少占耕地，就近布置”的一般原则上增加了针对本工程的“沿线堆料，减小规模，多点分散布置，加强管理，减少干扰”。

施工中，有堆料条件的段首先备料，沿线堆存；堆料场少的渠段采用边用边运的方式。在林带或小块荒地中见缝插针，几平方米或十几平方米均可作为临时帐篷的搭设地点，稍大而靠近渠道伴行路的及可用作拌和站。本工程最终施工基本没有占用耕地，减少了农业生产损失，节约了工程投资。事实也证明加强管理可以减少干扰加快进度。

5 建议

大泉沟引洪渠于2002年10月开始施工，2003年5月完工。2002年汛期受玛河河道来水限制，引洪渠最大引洪流量为45m3/s，过流时水流平稳，未见有浪花飞溅。通过一年的运行，渠道断面保持规整完好，未发生垮渠的情况，说明该种渠道断面结构形式在我国北方泉水溢出带地区是比较合适的。

该渠结构看似简单，但施工工艺较为复杂，尤其是边坡棱形状混凝土网格的施工支模较为繁琐，是控制是控制施工进度的关键项目。在今后类似的工程中应进一步优化，如将边坡改为顺坡网格，在网格分缝间设置插筋以增强网格完整性等。