灌溉渠道断面设计

一个完整的工程施工图，需包括平面图、纵断面图、横断面图。这是因为我们工程制图是建立在画法几何的正投影法理论基础上的，这种投影图不像中学数学立体几何的轴测投影法（其中的一种，叫斜二测投影法）和美术上的中心投影法那样直观形象，但表达最为精确，所以工程上普遍采用。正投影图一般要求三面投影，就可以准确的定位一个物体或工程，即正视图（正面投影）、俯视图（水平投影）、侧视图（侧面投影）。在工程上，即所谓平立剖。渠道系统的平面图，除了单条渠道的平面投影，还涉及渠系的平面布局，即所谓的总平面布置图。这属于灌区工程规划的范畴，以后再另外介绍。本文主要讲灌溉渠道的纵断面和横断面设计。1、设计标准 在《XX省土地治理项目水量平衡分析》中，就多次提到设计标准的问题。同样的，在渠道工程的设计，乃至所有工程的设计中，都要以设计标准为前提，后面的设计计算都是根据这个标准来的。2、灌溉保证率灌溉保证率就是灌溉渠道的设计标准。灌溉保证率是指：预期灌溉用水量在多年灌溉中能够得到充分满足的年数的出现机率。它等于：设计灌溉用水量全部获得满足的年数/（计算总年数1）*100%，它是一个百分比。它的数值越大，表示保证率就越高，就代表降雨很少的枯水年份也能保证灌溉要求。这一般需要把几十年的水文数据拿出来，然后按照降雨量从大到小进行排序，用序号除以（总年数1），这个数值越小，表示只要满足那些降雨量多的年份就行了，数值越大，表示那些降雨量少的年份也要满足。一般把频率为25%的降雨年份作为丰水年,50%频率的降雨年份作为平水年,75%频率的年份为枯水年,接近100%的年份（一般是90%或95%）为特别枯水年。灌溉保证率定的越大，则后面的灌溉设计流量一定就越大（因为要满足特枯年份都有水灌，特枯年份降雨稀少，要求的灌溉水就多），灌溉水源的规模和渠道断面就要求越大，则造价相应就比较高。这个灌溉保证率的要求在《灌溉与排水工程设计规范》3.1.2节有要求：33.2灌溉设计保证率口J根据水文气象、水土资源、作物组成、濯区规模，灌水方法及经济效益等因素,按照表3.L2确定。表3.L2灌溉设讳保证率灌水方法地区作物种类灌酒设计保证率〔％）干早地区以早作为主50-75博或水资源爨酸地区以水稻为主70〜8。S半干旱.半湿涧地区以早作为主70〜80或水资源不趣定地区以水稻为主75〜85林湿润地区以早作为主75〜曲或水资源丰富地区以水稻为主00-95喷灌■微濯若类地区殍类作物85〜95注工1作物经济价值较盲的地区，直选用我中较大值）作物经洌价值不高的地区可选用表中较小值02引洪淤灌系统的慧波设计保证率可取30%〜50%.广东省的灌溉保证率一般定为90%,除了粤西地区可以减小为85%之外（因为粤西地区地质特征是渗透系数大，地表水蓄水困难，很多需要靠利用地下水资源，标准定的太高造价就大，不过实际设计工作中，一般还是按90%设计）。3、灌水率确定了灌溉设计保证率之后，就要计算灌水率了。什么是灌水率呢？灌水率也叫灌水模数，是指单位面积（例如以万亩计）上所需灌溉的净流量。利用它就可以计算灌区渠首的引水流量和灌溉渠道的设计流量。按照《灌溉排水工程学》（以前叫《农田水利学》，可能觉得不好听，故叫现名，其实是一样的）教材上的方法，应该这么计算：扯一句：农田水利主要就两条：灌溉、排水。其实市政给排水也是两条：给水（或供水）、排水，大同小异。水不够，农田需要灌溉，人畜和工商业需要供水；农田或城镇水太多，需要排水；江河的水太多，防止它们造成洪灾，需要防洪。这一下已经说了水利的四个方面，另外水利还有水力发电、航运、水产养殖、水土保持、旅游、生态环境等多个部门，水利系统是比较大的，和农业、林业、市政、建设、交通、能源、环境等部门都有交集。一言以蔽之，就是要兴水利，除水害，发挥水好的方面造福，抑制水害的方面防灾。扯远了，回到正题。按教材上面的方法，灌水率应该这么计算:首先要确定灌区种植哪几种作物，每种作物的种植面积占全灌区面积的比例a,然后针对每种作物，分析其全生长期要灌几次水，确定每次灌水定额m和灌水延续时间T,然后根据这个公式计算各次灌水的灌水率：q=(a*m)/(8.64*T)。可见，灌水率和灌水定额以及灌水延续时间关系很大。其中灌水定额和设计标准有关，枯水年降雨少则要求灌水多。而灌水延续时间与作物种类、灌区面积大小及农业生产劳动计划等有关。灌水持续时间越短。作物对水分的要求越容易得到满足，但这将加大渠道的设计流量，并造成灌水时劳动力的过分紧张。不同作物允许的灌水延续时间也不同，对于主要作物的关键性的灌水，灌水延续时间不宜过长。但延长灌水时间应在农业技术条件许可和不降低作物产量的条件下进行。一般来说，水稻泡田期灌水7〜15昼夜，生育期灌水3〜5昼夜。另外，上面这个公式中还有个a,是各种作物的种植面积比例，是加权平均的意思。把各种作物各次灌水计算的灌水率叠加绘在方格纸上，就是灌水率图。当然，这样画出来的灌水率图各时期的灌水率大小相差悬殊，渠道输水断断续续，不利于管理。如果以其中最大的灌水率计算渠道流量，势必偏大，不经济。所以，还必须对初步算得的灌水率图进行必要的修正，尽可能消除灌水率高峰和短期停水现象。在修正灌水率图时，要以不影响作物需水要求为原则，尽量不要改变主要作物关键用水期的各次灌水时间，若必须调整移动，以往前移动为主，前后移动不超过三天；调整其它各次灌水时，要使修正后的灌水率图比较均匀、连续。此外，为了减少输水损失，并使渠道工作制度比较平稳，在调整时不应使灌水率数值相差悬殊。一般最小灌水率不应小于最大灌水率的40%。利用修正后的灌水率图，选择最大一次的灌水率作为设计灌水率。上面是教材介绍的方法，而在《广东省农业综合开发土地治理项目规划设计指南》中，则介绍了广东省地区的一种简化的计算方法（虽然这个方法算出来有些似乎不符合实际情况，但对于稻田的情况基本是够用的，设计人员应就具体情况加以分析）。这种方法实际上是利用《广东省一年三熟灌溉定额》这本书的成果。在这本书中，根据统计分析，列出了全省30个计算点一年三熟和一年两熟灌水量时段分配（占灌水总量百分数）。有了灌溉定额及年内分配，就用来计算出项目区灌水率。这个年内分配实际上是以水稻作为作物，分配到每旬，这样实际上就可能按比例计算出每旬的灌水定额，然后它把这每旬的灌水定额就当做一次灌水的灌水定额，灌水延续时间取每旬的时间，还是用上面教材的公式就可以计算每次（每旬）的灌水率。不同地区、不同土质一年三熟净灌水率、一年二熟净灌水率可依据《广东省一年三熟灌溉定额》“一年三熟设计净灌溉定额建议采用值表”、“一年两熟设计净灌溉定额建议采用值表”、“广东省一年三熟灌水量时段分配表”、“广东省一年二熟灌水量时段分配表”计算。《指南认为》：“广东省一年三熟灌水量时段分配表”、“广东省一年二熟灌水量时段分配表”已考虑灌水的均匀、连续、延续时间等因素，因此，计算出净灌水率后，可取年内旬最大值作为设计净灌水率。设计净灌水率除以田间水利用系数即得到对应项目区范围的设计毛灌水率。如若计算到对应水源点的设计毛灌水率，把田间水利用系数相应改为灌溉水利用系数。如果不全是水稻的情况，应和其他作物的灌水率进行加权平均，各时期进行叠加。4、净设计流量和毛设计流量在渠道输水过程中，有水面蒸发、渠床渗漏、闸门漏水、渠尾退水等水量损失。需要渠道提供的灌溉流量称为渠道的净流量，计入水量损失后的流量称为渠道的毛流量。设计流量是渠道的毛流量，它是设计渠道断面和渠系建筑物尺寸的主要依据。有了设计净灌水率（灌水模数），乘以各条渠道的控制灌溉面积，就可以得到该条渠道的净灌溉设计流量了。后面将在讨论渠道流量损失问题后继续探讨毛灌溉设计流量的计算。5、最小流量和加大流量在灌溉设计标准条件下，渠道在工作过程中输送的最小流量，为最小流量。用修正灌水模数图上的最小灌水模数值和灌溉面积进行计算。应用渠道最小流量可以校核对下一级渠道的水位控制条件和确定修建节制闸的位置等。发生最小流量时，如果下级渠道最小流量时水位低于上级渠道水位，不需要节制闸，否则需要节制闸抬高水位保证下游正常取水。加大流量是考虑到在灌溉工程运行过程中，可能出现一些难以准确估计的附加流量，把设计流量适当放大后所得到的安全流量。简单的说，加大流量是渠道运行过程中可能出现的最大流量，它是设计渠堤堤顶高程的依据。在灌溉工程运行过程中，可能出现一些和设计情况不一致的变化，如扩大灌溉面积、改变作物种植计划等，要求增加供水量；或在工程事故排除之后，需要增加引水量，以弥补因事故影响而少引的水量；或在暴雨期间因降雨而增大渠道的输水流量。这些情况都要求在设计渠道和建筑物时留有余地，按加大流量校核其输水能力。6、灌溉渠道水量损失上面提到，渠道在输水过程中有水量损失，就出现了净流量Qn、毛流量Qg、损失流量Ql。Qg=Qn+Ql。渠道的水量损失包括渠道水面蒸发损失、渠床渗漏损失、闸门损失和渠道退水等。其中渠床渗漏损失水量是最大的，可以把它近似地看作总输水损失水量。在灌溉工程规划设计工作中，常用经验公式或经验系数估算输水损失水量，本节先介绍经验公式法。常用的经验公式是：。二A/(100Qdm)。式中，。是每公里渠道输水损失系数，A是渠床土壤透水系数，m是渠床土壤透水系数，Qn是渠道净流量。土壤透水系数A和m应根据实测资料分析确定，在缺乏实测资料的情况下，可查下表。*41土壤透水叁致衰鎏床土般言需王诵王"―重钻・士―中眄丁二中下；1.±03串i尊『Ik15T中上一〉行5％必-ft|-3.4-nyT_ , q」］_渠道的输水损失流量按下式计算：Ql=oLQn。式中，Ql是渠道输水损失流量，L是渠道长度，。是每公里渠道输水损失系数，Qn是渠道净流量。用上面这个式子计算出来的输水损失水量是在不受地下水顶托影响条件下的损失水量。如果灌区地下水位较高，渠道渗漏受地下水壅阻影响，实际渗漏水量比计算结果要小，在这种情况，就要给以上计算结果乘以修正系数加以修正，即：Ql'二YQl。式中，Ql’是有地下水顶托影响的渠道损失流量，丫是地下水顶托修正系数，Ql是自由渗流条件下的渠道损失流量。表42地下水瑙托修正茶熟，渠道派量幽下水理深（m7打6小专34S10150,30.82】，口在：0,?9泉。Q.50fl.瘠fl,K0.11♦50U.褐占79O-Sl20.(j0.36ft.45也570.710.M230.0小茶a42CL5d0,0,770-9*50.00-320.37590.6口0.690-841Q0.0Cl."Q导0.泗小招上述自由渗流或顶托渗流条件下的损失水量都是根据渠床天然土壤透水性计算出来的。如拟采取渠道衬砌护面防渗措施，则应观测研究不同防渗措施的防渗效果，以采取防渗措施后的渗漏损失水量作为确定设计流量的根据。如无试验资料，可给上述计算结果乘以下表给出的经验折减系数，即：Ql''=BQl或Ql''=BQl'。式中，Ql''是采取防渗措施后的渗漏损失流量，8是采取防渗措施后渠床渗漏水量的折减系数。费彝占 渗水■折减系蜡声防滁畸弱S注里横船松劳买L厚度大于必岳加)蠕槽厚状土夯实〔嘉典厚度sIm/灰主克安.三合士夯实混限上护面帖上护面人工有施流同日盥料薄黑aa.20*77也50-15~口.】0.15-U-050.4一仇20.50-2—也10・—05透水性根理的土壤，桂然和夯箕融使停水・电詈爆全，可采取较小7、水利用系数总结已成灌区的水量量测资料，可以得到各条渠道的毛流量和净流量以及灌入农田的有效水量，经分析计算，可以得出几个反映水量损失情况的经验系数。(1)渠道水利用系数某渠道的净流量与毛流量的比值称为渠道水利用系数，用符号nc表示。nc=Qn/Qg。对任一条渠道而言，从水源或上级渠道引入的流量就是它的毛流量，分配给下级各条渠道流量的总和就是它的净流量。渠道水利用系数反映一条渠道的水量损失情况，或反映同一级渠道水量损失的平均情况。(2)渠系水利用系数灌溉渠系的净流量与毛流量的比值称为渠系水利用系数，用符号ns表示。农渠向田间供水的流量就是灌溉渠系的净流量，干渠或总干渠从水源引水的流量就是渠系的毛流量。渠系水利用系数的数值等于各级渠道水利用系数的乘积。即：ns=nFn支n斗n农。渠系水利用系数反映整个渠系的水量损失情况。它不仅反映灌区的自然条件和工程技术状况，还反映出灌区的管理工作水平。我国自流灌区的渠系水利用系数见下表。提水灌区的渠系水利用系数稍高于自流灌区。表4-4我国自流灌谊集系学利用系联密霆第科t万囹，01,打、1仇010-3(1 *】领>160鎏嘉水利凤制苴出口B5—小；5小砧一瓦早口0.70—0,般J0.60(3)田间水利用系数田间水利用系数是实际灌入田间的有效水量(对旱作农田，指蓄存在计划湿润层中的灌溉水量；对水稻田，指蓄存在格田内的灌溉水量)和末级固定渠道(农渠)放出水量的比值，用符号nf表示。、£二人农^^农净，式中，A农为农渠的灌溉面积，mn为净灌溉定额，W农净为农渠供给田间的水量。田间水利用系数是衡量田间工程状况和灌水技术水平的重要指标。在田间工程完善、灌水技术条件良好的条件下，旱作农田的田间水利用系数可以达到0.9以上，水稻田的田间水利用系数可以达到0.95以上。(4)灌溉水利用系数灌溉水利用系数是实际灌入农田的有效水量和渠首引入水量的比值，用符号n0表示。它是评价渠系工作状况，灌水技术水平和灌区管理水平的综合指标，可按下式计算：n0二Amn/Wg,式中，A为某次灌水全灌区的灌溉面积，mn为净灌水定额，Wg为某次灌水渠首引入的总水量。以上这些经验系数的数值与灌区大小、渠床土质和防渗措施、渠道长度、田间工程状况、灌水技术水平以及管理工作水平等因素有关。在引用别的灌区的经验数据时，应注意这些条件要相近。选定适当的经验系数之后，就可以根据净流量计算相应的毛流量(净流量/水利用系数)。8、渠道的工作制度渠道的工作制度就是渠道的输水工作方式，分为续灌和轮灌两种。(1)续灌在一次灌水延续时间内，自始至终连续输水的渠道称为续灌渠道。这种输水工作方式称为续灌。为了各用水单位受益均衡，避免因水量过分集中而造成灌水组织和生产安排的困难，一般灌溉面积较大的灌区，干支渠多采用续灌。(2)轮灌同一级渠道在一次灌水延续时间内轮流输水的工作方式叫做轮灌。实行轮灌的渠道称为轮灌渠道。实行轮灌时，缩短了各条渠道的输水时间，加大了输水流量，同时工作的渠道长度较短，从而减少了输水损失水量，有利于农业耕作和灌水工作的配合，有利于提高灌水工作效率。但是，因为轮灌加大了渠道的设计流量，也就增加了渠道的土方量和渠道建筑物的工程量。如果流量过分集中，还会造成劳力紧张，在干旱季节还会影响各用水单位的均衡受益。所以，一般较大的灌区，只在斗渠以下实行轮灌。9、渠道流量确定灌溉渠道的设计流量、最小流量和加大流量确定以后，就可据此设计渠道的纵横断面。设计流量是进行水力计算、确定渠道过水断面尺寸的主要依据。最小流量主要用来校核对下级渠道的水位控制条件，判断当上级渠道输送最小流量时，下级渠道能否引足相应的最小流量。如果不能满足某条下级渠道的进水要求，就要在该分水口下游设节制闸，壅高水位，满足其取水要求。加大流量是确定渠道断面深度和堤顶高程的依据。渠道最小流量的计算：以修正灌水模数图上的最小灌水模数值作为计算渠道最小流量的依据，计算的方法步骤和设计流量的计算方法相同。对于同一条渠道，其设计流量与最小流量相差不要过大，否则在用水过程中，有可能因水位不够而造成引水困难，为了保证对下级渠道正常供水，目前有些灌区规定渠道最小流量以不低于渠道设计流量的40%为宜；也有的灌区规定渠道最低水位等于或大于70%的设计水位。渠道加大流量的计算：渠道加大流量的计算是以设计流量为基础，给设计流量乘以“加大系数”即得，按公式计算：Qj=JQd。Qj是渠道加大流量，J是渠道流量加大系数，Qd是渠道设计流量。费乳LR续港渠道加大流量的加大百分数设计而量(甘/口<11~55-2030-50-100IMk-300>aoc加大百分数(%)30〜25当~2020*151.21)10*A；轮灌渠道可只按设计流量进行水力计算。续灌渠道应按设计流量、加大流量和最小流量进行水力计算。续灌渠道的岸顶高程和高度应按最大流量计算确定，并按最大流量验算渠道的不冲流速；续灌渠道的最低控制水位应按最小流量计算确定，并按最小流量验算渠道的不淤流速。在抽水灌区，渠首泵站设有备用机组时，干渠的加大流量按备用机组的抽水能力而定。为了设计渠道时计算方便，要求渠道设计流量具有适当的尾数。表47 渠道流■通位彘定津道疏・范胴进隹要求的艳数渠道流量范围前叮口进位赛求的星数CeYN>50LU5051口〜*k3<11731L.. 10、明渠均匀流公式确定了渠道设计流量，接下来就要用到《水力学》里面水力计算的知识了。灌溉渠道一般都是正坡明渠。在渠首进水口和第一个分水口之间或在相邻两个分水口之间，如果忽略蒸发和渗漏损失，渠段内的流量是个常数。为了水流平顺和施工方便，在一个渠段内要采用同一个过水断面和同一个比降，渠床表面要具有相同的糙率。因此，渠道水深、过水断面面积和平均流速也就沿程不变。这就表明渠中水流在重力作用下运动，重力沿流动方向的分量与渠床的阻力平衡、这种水流状态称为明渠均匀流。在渠道建筑物附近，因阻力变化，水流不能保持均匀流状态，但影响范围很小，其影响结果在局部水头损失中考虑。因此，灌溉渠道可以按明渠均匀流公式设计。(天然河道则一般不是均匀流，但一般还可视为恒定流，可根据恒定流量及上、下游断面水位，按照能量守恒原理计算水面线。但事实上天然河道特别是洪水，多为非恒定流过程，那就更复杂了。)明渠均匀流的基本公式是：V=C(Ri)P.5,式中V——渠道平均流速；C——谢才系数；R——水力半径；i——渠底比降。谢才系数常用曼宁公式计算：C=1/n*RX1/6),式中：n——渠床糙率系数。Q=AC(Ri)「0.5=A*1/nRX1/6)*(Ri)1.5二A*1/n*RX1/12)*iX1/2),式中Q——渠道设计流量；A——渠道过水断面面积。R二A/x,x是渠道过水断面的湿周，若是矩形渠道，A和x只与底宽b、水深h有关，则Q是糙率口、底坡i、底宽b、水深h的函数。如果n和i不变，则Q只与b和h有关了，那么就可以使用前面计算的设计流量Q来设计断面尺寸b和h了。11、梯形渠道横断面设计设计渠道时要求工程量小，投资少，即在设计流量Q、比降i、糙率系数n值相同的条件下应使过水断面面积最小，或在过水断面面积A、比降1、糙率系数n值相同的条件下，使通过的流量Q最大。符合这些条件的断面称为水力最佳断面。从上面的明渠均匀流公式可以看出，当A、n、i一定时，水力半径最大或湿周最小的断面就是水力最佳断面。在各种几何图形中，以圆形断面的周界最小。所以半圆形断面是水力最佳断面。但天然土渠修成半圆形是很困难的，也是不稳定的，只能修成接近半圆的梯形断面。（1）渠道设计的依据渠道设计的依据除输水流量外，还有渠道比降、渠床糙率、渠道边坡系数、稳定渠床的宽深比以及渠道的不冲、不淤流速等。1）渠底比降在坡度均一的渠段内，两端渠底高差和渠段长度的比值称为渠底比降。比降选择是否合理关系到工程造价和控制面积，应根据渠道沿线的地面坡度、下级渠道进水口的水位要求、渠床土质、水源含沙情况、渠道设计流量大小等因素，参考当地灌区管理运用的经验，选择适宜的渠底比降。为了减少工程量，应尽可能选用和地面坡度相近的渠底比降。一般随着设计流量的逐级减小，渠底比降应逐级增大。干渠及较大支渠的上、下游流量相差很大时，可采用不同的比降，上游平缓，下游较陡。清水渠道易产生冲刷，比降宜缓。浑水渠道容易淤积，比降应适当加大。抽水灌区的渠道应在满足泥沙不淤的条件下尽量选择平缓的比降，以减小提水扬程和灌溉成本。在设计工作中，可参考地面坡度和下级渠道的水位要求先初选一个比降，计算渠道的过水断面尺寸，再按不冲流速、不淤流速进行校核，如不满足要求，再修改比降，重新计算。2）渠床糙率系数渠床糙率系数n是反映渠床粗糙程度的技术参数。该值选择得是否切合实际，直接影响到设计成果的精度。如果n值选得太大，设计的渠道断面就偏大，不仅增加了工程量，而且会因实际水位低于设计水

位而影响下级渠道的进水。如果n值取的太小，设计的渠道断面就偏小，输水能力不足，影响灌溉用水。糙率系数值的正确选择不仅要考虑渠床土质和施工质量，还要估计到建成后的管理养护情况。可以参考渠床糙率系数值表选取。附录E渠床糙率n上架地显渠道流量（吊7班生梧特怔海溉渠道刑（退嫌蕖船平瞿岫直，葬按必好0,00000.0335>ao平货救宜.葬护版Q.GZ25。,蚓渠.床雪石，杂草人生，吊护物差0.02SC。.您5平密班直，养护位好0,0£25O.Q2SOMl平盘服宜，养护••般0.0M00.IK75巢.床旁石，杂草j生,米护短差O.(K750.ft3CO集床弯曲.荆"•般OnOmOQ,财5<1支渠以下的固定渠道0.0275D.33D0渠床番石，柒草稹生，擀护我差0.0900Q.03S0袤忠石黑箱率渠槽发面的特征姓率转过良好整整0.9250经过中等惬整元凸出都分。*畸Q等过中等修座右凸出部分0,0330未经慑整有凸注部分仇弼（f•谢液g防流衬珥渠得植率防海衬砌跖狗类别及特怔e率」一「， 平整取直，弃护良好Q.脸粘土.褚用渔-台土,平整顺直，养护’般Q*哂0膨润相•含土平赘顺直,钻粒差。•嫡5平皴，表面杷滑C.0140-0.0170由+—人+ 八+-L-'VJ、-I1.L.=11_.平肥，定常城一糙0』1财0.3T

防漆衬砌结构类别及特征雅率水泥土平整，表面党港平整,表面战初糙0.014>*0,0160(1.0160-0.0180朝架副料毛\石板豢砌炭石干砌块石兼砌用石干砌明石■，砌「.也好干胸卵石■砌「.版千树相石他］【用做C.015M,CSMG.020^0,0350/侬IL0330C.O23O-O.O075C.0250-0,03250.0375-0-0375(].0325^-0.OdZfi汤青泡凝土机械睨场浇筑，裳面光潸机械观场盘就，表面根总预涮根砌筑C,0130^D,0140C.0160--0.0180擢凝土在卅的水昵沙紫面金属模业渔筑r平整族直，发前光滑型光木模械浇筑，表面•粒表面祖糙，舞口不齐慵整茂养护较差预制板砌筑预制渠槽平整的喷浆面不平整的喷架面波状断面的喷浆面。工脂>70两D.012X60140OtOlSO0.0180C.0160-0.0180D.0120-0X160c.oist^o.oieoft.C17O-O.OiS00.0180—0.05503）渠床的边坡系数渠道的边坡系数m是渠道边坡倾斜程度的指标，其值等于边坡水平方向的投影长度和在垂直方向投影长度的比值。m值的大小关系到渠坡的稳定，要根据渠床土壤质地和渠道深度等条件选择适宜的数值。大型渠道的边坡系数应通过土工试验合和稳定分析确定；中小型渠道的边坡系数根据经验选定，可参考挖方渠道最小边坡系数表和填方渠道最小边坡系数表。品6.1.1。挖方渠道的最小边坡系蠡土局渠道水深GnJ<117R〜3稍股结的卵石1.00L001.00尖沙的卵石或砾石1.501.50粕上,:1填土1.001.001.25中填土1.251.2S1.50轻壤土、沙塘土［加L确L75沙土1.752+00「苞工吼1.22填方渠道的最小边城系数±X梁道水濯（皿）<1WZ>2^-3内坡外旅内城外坡内坡外坡粘土.堇填土LOOL0C1ML.25中堀土LS51.001离1.001.50L56轻壤土、沙填土1.5G1-251.501.351.751.90沙土L76L302.001.752.25■■■4）渠道断面的宽深比渠道断面的宽深比a是渠道底宽b和水深h的比值。宽深比对渠道工程量和渠床稳定有较大影响。渠道宽深比的选择要考虑以下要求:工程量最小：在渠道比降和渠床糙率一定的条件下，通过设计流量所需要的最小过水断面称为水力最优断面，采用水力最优断面的宽深比可使渠道工程量最小。梯形渠道水力最优断面的宽深比按下式计算:a0=2（（1+m~2）「0.5-m）。水力最优断面具有工程量最小的优点，小型渠道和石方渠道可采用。对大型渠道来说，因为水力最优断面比较窄深，开挖深度大，可能受地下水影响，施工困难，劳动效率较低，而且渠道流速可能超过允许不冲流速，影响渠床稳定。所以，大型渠道常采用宽浅断面。可见，水力最优断面仅仅指输水能力最大的断面，不一定是最经济的断面，渠道设计断面的最佳形式还要根据渠床稳定要求、施工难易等因素确定。断面稳定：渠道断面过于窄深，容易产生冲刷；过于宽浅，又容易淤积，都会使渠床变形。稳定断面的宽深比应满足渠道不冲、不淤要求，它与渠道流量、水流含沙情况、渠道比降等因素有关，应在总结当地已成渠道运行经验的基础上研究确定。比降小的渠道应选较小的宽深比，以增大水力半径，加快水流速度；比降大的渠道应选较大的宽深比，以减小流速，防止渠床冲刷。有利通航：有通航要求的渠道，应根据船舶吃水深度、错船所需的水面宽度以及通航的流速要求等确定渠道的断面尺寸。渠道水面宽度应大于船舶宽度的2.6倍，船底以下水深应不小于15〜30cm。5）渠道的不冲不淤流速在稳定渠道中，允许的最大平均流速称为临界不冲流速，简称不冲流速，用vcr表示；允许的最小平均流速称为临界不淤流速，简称不淤流速，用vcd表示。为了维持渠床稳定，渠道通过设计流量时的平均流速（设计流速）vcd应满足以下条件：vcd<vd<vcro渠道的不冲流速：水在渠道中流动，具有一定能量，这种能量随水流速度的增加而增加，当流速增加到一定程度时，渠床上的土粒就会随水流移动，土粒将要移动而尚未移动时的水流速度就是临界不冲流速或简称不冲流速。渠道不冲流速和渠床土壤性质、水流含沙情况、渠道断面水力要素等因素有关，一般土渠的不冲流速在0.6〜0.9m/s之间，可参考土质渠床的不冲流速表。有衬砌护面的渠道的不冲流速比土渠大得多，但从渠床稳定考虑，仍应对衬砌渠道的允许最大流速限制在较小的数值，因为流速太大的水流遇到裂缝或缝隙时，流速水头就转化为动能，会使衬砌层翘起和剥落。附录F渠道允许不冲流速表Ri粘性土渠道允许不冲流速±质允许不冲流速(m/g)粒填土0.60-0.80中填土仇防〜0.85重俄土G.7O-O.96粘土0.75-1.00注।表中所列允许不冲流堆位为水力半径—LOtn时的情况J当特l・Om时.衣中所列数值电级以¥.指数。值可按下列情况采用，①二卷的塞土总土=1/3〜1/4.②中等密实和空实的藻土、拈土。=1/4〜1/5.表E-2小粘性土渠道允许不冲流速(m/$)±质粒水深(m)仇41・02.0>3.0激泥0.Q05-0.050042~047045-0.210.17W24049-0.26维沙0.050-0.2500.17-0.270,21〜0,320,24—0,37(L26yh40中沙0.250~1.0000.27〜0・470.32-0.570.37〜0.650.40-0.70・|沙1.000-2.5000.47~0.5S0・57~0.650.6&〜0.750.70-0.80细砾石2.500-5.0000.53-0.650.65-0.800.75-0.900.80〜0.S5中够5.000〜10.0000.65-0.800.80-1.000.90~1.100.95〜1.20大砾石10.000〜15.0000.80-0.951.00-1.201.10~1.301.20-1.40小卵石15.000—25.0000.96-1.201.20-1.401.30-1-601.40-1.80中卵石25,000—40.0001.20~1.501.40~1.801.60~2.101-80-2.20大卵石40.000^75.000].W-2.001.80-2.402.10-2.802.20-3.00小源石75,000~100.0002.00~2.3^2,如〜2,802.80-3.203.00-3.40中澳石100.000〜150.0002.30—2.8Q2.80~3.403.20-3.903.40~4.20大渔石150.000—300.0002.80-3.203・40~3.903.90-4.504.20〜4.S0石>200.0W>3-20>3⑶>4.50>4-90注:表中所列允许不冲流速生为水力半径ALOm时的怙况:当它LOm肘，表中所列数值应乘以*，指数。值可采用J1/3〜1/5。枭Q石奥先亦不咻流速0/0岩性本探《闻0.4U0-2.Q3.0砾出.泥我岩,优岩石版箕、致密的册匕、眇户•.1」有庆若.一卧力-仲玄的石及宜*,底百次岩，大呷枕花岗岩用掘岩、虫武冶&山岩■石为岩皿岩2.Q3.D4.D尿Q2.53.65.0U.0乱口4浦»0乱5A.&H.0络。表I防漆衬砌渠道允二不洋流速防浮if醐结梅曼:别允,不甘而通（We土料拈土■楠沙港小土0.75-L0C肘土、三合士「二介土<1.00水泥R :现场地就<2l5&蜥细期<2.0*阚犯干玳卵三杷湖）2,50-4.00鸵物跳石他旧2.50-4-00及展3.WS.QQ策抑科石4,0^6工装电西贩050（土科保胪旅）沙埠土＞轻覆土<0.45中.土<0相重啊土<6.65料±<Q.7I>沙砾司<0.90通有混献土现埼在就<3.00知农辅倒<2.00现场浇钝<8.M包战辅列<5.«b喷射击旅।<10.00注］发中士料条蒯模粗英《土料龌护扇，防通时砌部构允诈不冲流速也为水力半偿昨1.国1时的怙况¥当ML细的，依中氏列数住此南口方*卷触《■值可搂下列情况非用Q睚松的土料殖土料保护层■o-3/a〜1/4»等中簿密雷引生窿歙±帆或土例保炉屋〜1苑，渠道的不淤流速：渠道水流的挟沙能力随流速的减小而减小，当流速小到一定程度时，部分泥沙就开始在渠道内淤积。泥沙将要沉积而尚未沉积时的流速就是临界不淤流速。渠道不淤流速主要取决于渠道含沙情况和断面水力要素，也应通过试验研究或总结实践经验而定。在缺乏实际研究成果时，可选用有关经验公式进行计算。含沙量很小的清水渠道虽无泥沙淤积威胁，但为了防止渠道长草，影响输水能力，对渠道的最小流速仍有一定限制，通常要求大型渠道的平均流速不小于0.5m/s，小型渠道的平均流速不小于0.3〜0.4m/s。（2）渠道水力计算渠道水力计算的任务是根据上述设计依据，通过计算，确定渠道过水断面的水深h和底宽b。土质渠道梯形断面的水力计算方法主要有下面两种：1）一般断面的水力计算这是广泛使用的渠道设计方法。根据明渠均匀流公式用试算法求解渠道的断面尺寸，具体步骤如下：假设b、h值：为了施工方便，底宽b应取整数。因此，一般先假设一个整数的b值，再选择适当的宽深比a,用公式h二b/a计算相应的水深值。计算渠道过水断面的水力要素：根据假设的b、h值计算相应的过水断面面积A、湿周X、水力半径R和谢才系数C,计算公式如下:A=（b+mh）h；x=b+2h（1+m^2）C0.5；R=A/x；C=1/n*RX1/6）。计算渠道流量：用明渠均匀流公式计算。校核渠道输水能力：上面计算出来的渠道流量（Q计算）是假设的b、h值相应的输水能力，一般不等于渠道的设计流量（Q）,通过试算，反复修改b、h值，直至渠道计算流量等于或接近渠道设计流量为止。要求误差不超过5%,即渠道断面应满足的校核条件是：ABS（（Q-Q计算）/Q）W0.05。在试算过程中，如果计算流量和设计流量相差不大时，只需修改h值，再行计算；如果二者相差很大时，就要修改b、h值，再行计算。其实采用Excel软件的单变量求解功能很容易试算。校核渠道流速：vd二Q/A。渠道的设计流速应满足前面提到的校核条件：vcd<vd<vcr。如不满足流速校核条件，就要改变渠道的底宽b值和渠道断面的宽深比，重复以上计算步骤，直到既满足流量校核条件又满足流速校核条件为止。2）水力最优梯形断面的水力计算采用水力最优梯形断面时，可按以下步骤直接求解：计算渠道的设计水深：由梯形渠道水力最优断面的宽深比公式和明渠均匀流流量计算公式推得水力最优断面的渠道设计水深为：hd=1.189（nQ/（2*（1+m匕厂0.5-m）*厂0.5）~（3/8）。计算渠道的设计底宽：bd=a0hd。校核渠道流速：流速计算和校核方法与采用一般断面时相同，如设计流速不满足校核条件时，说明不宜采用水力最优断面形式。（3）渠道过水断面以上部分的有关尺寸1）渠道加大水深渠道通过加大流量Qj时的水深称为加大水深hj。计算加大水深时，渠道设计底宽bd已经确定，明渠均匀流流量公式中只包含一个未知数。2）安全超高为了防止风浪引起渠水漫溢，保证渠道安全运行，挖方渠道的渠岸和填方渠道的堤顶应高于渠道的加大水位，要求高出的数值称为渠道的安全超高，通常用经验公式计算：Ah=1/4hj+0.2。3）堤顶宽度为了便于管理和保证渠道安全运行，挖方渠道的渠岸和填方渠道的堤顶应有一定的宽度，以满足交通和渠道稳定的需要。渠岸和堤顶的宽度可按下式计算：D=hj+0.3。12、衬砌渠道的横断面设计衬砌渠道按其衬砌材料可分为两类：一类是土料衬砌渠道或具有土料保护层的衬砌渠道。这类衬砌渠道的纵横断面设计方法和一般土质渠道的设计方法相同。另一类是材料质地坚硬、抗冲性能良好的衬砌渠道。这类渠道渠床糙率较小、允许流速较大、工程投资较高，为了降低工程造价和节省渠道占地，常采用水力效率更高的断面形式，水力计算方法也有自己的特色。衬砌护面应有一定的超高，以防风浪对渠床的淘刷。衬砌超高指加大水位到衬砌层顶端的垂直距离。小型渠道可采用20〜30cm,大型渠道可采用30〜60cm。衬砌层顶端到渠道的堤顶或岸边也应有一定的垂直距离，以防衬砌层外露于地面，易受交通车辆等机械损坏；也可防止地面径流直接进入衬砌层下面，威胁渠床或衬砌层的稳定，这个安全高度一般为20〜30cm。常用的几种非梯形断面形式有：圆底三角形断面、圆角梯形断面、U型断面。目前广东省应用较少，不再详述。13、梯形渠道实用经济断面实用经济断面在水力最佳断面的基础上改进而成的。梯形渠道水力最佳断面上面也提到过，在渠道比降和渠床糙率一定的条件下，通过设计流量所需要的最小过水断面称为水力最佳断面，采用水力最佳断面的宽深比可使渠道工程量最小。对于常用的梯形渠道，按水力最佳断面设计的渠道断面往往是窄深式的。对土渠来说，这种窄深式渠道对施工是很不利的，不能达到经济的目的，在实际应用中有很大的局限性。为此，应求一个宽浅式的梯形断面，使其水深和底宽有一个较广的选择范围以适应各种情况的需要，而在此范围内又能基本上满足水力最佳断面的要求，这种断面称为实用经济断面。现把《灌溉与排水工程设计规范》上关于实用经济断面的计算内容抄述如下。（1）梯形渠道水力最佳断面水力要素计算公式为:(H.0.1)(H.0.2)(H.0.3)(H.0.4)(H.0.5)(H.0.6),T间反不第瓦=2[(1+")1启一冠防4=跖师+廊确&=M42(1+苏)(H.0.1)(H.0.2)(H.0.3)(H.0.4)(H.0.5)(H.0.6)%=Q/4式中%——水力最il：断一水潦(m3我——渠床糙率3Q——渠道设计流量(H/s)：机——渠道内边坡系数；t——渠底比降；瓦 水力最佳断面底宽(m)；4——水力最佳断面的过水断面面积(幅为町——水力最佳断面湿周(m)/坊——水力最小断血的水力半径(m).% 水力最佳断而流速(m/s)0(2)梯形渠道实用经济断面与水力最佳断面的水力要素关系式:1=%/-=44=(&//?)2/3=(4f/血)"3(H,0.2-1)(口瓦)2—2层上(VM)+1=0(EJ融第B=b/h=[ct/（万/M）2][2（l+症A，，一说I一m(H.0.2-3)式中a一水力最佳断面流速(或过水断面而积)与实用经济断而流速(或过水断而面积)的比值手h 实用经济断面水深(m)；V——实用经济断面流速(mA)；A——实用经济断面的过水断面面积x——实用经济断面湿周(m),R 实用经济断面的水力半彳Xm)；b 实用经济断面底宽(m为B——实用经济断面底宽与水深的比值.讯，和M"及关系见表H,02表H.0.2/#和血h/%关系mLOO1.011.021.03L041.0000.8230.7610.7170.6830.002.UOO2M853,5254.0064-4530.251.5623.4532.0423.3783.7920.50L2362,0912.5592.9973.3740.751.0001.8622.3342.7553.1551.000.8291.7292.2222.6623.0801*250*7021*6622.1892.6583J041.500.6061.6422.2112.7173.1981.750.5321.6542,2702.81&3,3402.000,4721,6892,3572.9513,5152.250.4251J412.4633,1063,71724500.8361*8062.5843.2783.9382.7504353148802.7173.463

续表拄.Q.2mBa1.00L011.021.031.041,0000.8230.7610,7170.6833⑼0.3251.9612.8503.6584.4183.2S0.3012,0493.0073.8614.6733.500.2812.1413.1624,0704,9343-750.2632.2323.3204.2855.2024.000.2472,3373,4834,504•二.弱出1已知 按公式(H.0.1-D计算加值『2按公式(HQ1-2)计算跖值，3按公式(Hdl-3)〜(HQ1⑸计算4、啾珞值；4按公式(H.0.1-6)计算％值05由表H.0.2有出与q=L00、L01、1.02、L03、L04相应的值，以及与。、况相应的/值，并分别计算相应的h和b值手8按公式(H.0.2-1)分别计算与o=L00、L01、1.02、l.03,L04相应的人总和△值.7将以上5组双九/跖、人以公1\人/?《在列入卜表：假a"%hUVA无序号(1)⑵(3)⑷⑸⑻⑺⑻8根据表列数据绘制办=代心和队=汽的渠道特性曲线'9根据渠段地形、地质等条件，由渠道特性曲线图上选定设计所需的除b、V值：10计算与设计选定的趴5值相应的4%冗值。二、灌溉渠道的纵断面设计灌溉渠道不仅要满足输送设计流量的要求，还要满足水位控制的要求。横断面设计通过水力计算确定了能通过设计流量的断面尺寸，满足了前一个要求。纵断面设计的任务是根据灌溉水位要求确定渠道的空间位置，先确定不同桩号处的设计水位高程，再根据设计水位确定渠底高程、堤顶高程、最小水位等。渠道纵横断面和横断面的设计是互相联系、互为条件的。在设计实践中，不能把他们截然分开，而要通盘考虑、交替进行、反复调整，最后确定合理的设计方案。合理的渠道纵、横断面除了满足渠道的输水、配水要求外，还应满足渠床稳定条件，包括纵向稳定和平面稳定两个方面。纵向稳定要求渠道在设计条件下工作时，不发生冲刷和淤积（上面横断面设计时的不冲不淤流速已考虑），或在一定时期内冲淤平衡。平面稳定要求渠道在设计条件下工作时，渠道水流不发生左右摇摆。1、灌溉渠道的水位推算为了满足自流灌溉的要求，各级渠道入口处都应具有足够的水位。这个水位是根据灌溉面积上控制点的高程加上各种水头损失，自下而上逐级推算出来的。水位公式如下：H进=A0+Ah+WLi+W力式中：H进一一渠道进水口处的设计水位，A0——渠道灌溉范围内控制点的地面高程。控制点是指较难灌到水的地面，在地形均匀变化的地区，控制点选择的原则是：如沿渠地面坡度大于渠道比降，渠道渠道进水口附近的地面最难控制；反之，渠尾地面最难控制。Ah——控制点地面与附近末级固定渠道设计水位的高差，一般取0.1〜0.2m。2L——渠道的长度。i——渠道的比降2力一一水流通过渠系建筑物的水头损失。可参考下表。要别撞制，曲秋17熊卜酒水风书荆星：鹿 槽-飞K毕IJ--.lt；।1-11.CMCj.1：1七里1■1R口一仃。一X，；.02I，堀(>.1.'.1(；.05--JI.1$12”n衣桑1..II;r案417渠道建筑物水头损失ift小赛值疆，蜕电：in上面的公式可用来推算任一条渠道进水口的设计水位，推算不同渠道进水口设计水位时所用的控制点不一定相同，要在各条渠道控制的灌溉面积范围内选择相应的控制点。2、渠道纵断面图的绘制渠道纵断面图包括：沿渠地面高程线、渠道设计水位线、渠道最低水位线、渠底高程线、堤顶高程线、分水口位置、渠道建筑物位置及其水头损失等。渠道断面图按以下步骤绘制:（1）绘制地面高程线在方格纸上建立直角坐标系，横坐标表示桩号，纵坐标表示高程。根据渠道中心线的水准测量成果（桩号和地面高程）按一定的比例点绘出地面高程线。（2）标绘分水口和建筑物的位置在地面高程线的上方，用不同符号标出各分水口和建筑物的位置。（3）绘渠道设计水位线参照水源或上一级渠道的设计水位、沿渠地面坡度、各分水点的水位要求和渠道建筑物的水头损失，确定渠道的设计比降，绘出渠道的设计水位线。该设计比降作为横断面水力计算的依据。如横断面设计在先，绘制纵断面图时所确定的渠道设计比降应和横断面水力计算时所用的渠道比降一致，如二者相差较大，难以采用横断面水力计算所用比降时，应以纵断面图上的设计比降为准，重新设计横断面尺寸。所以，渠道的纵断面设计和横断面设计要交错进行，互为依据。（4）绘渠底高程线在渠道设计水位线以下，以渠道设计水深h为间距，画设计水位线的平行线，该线就是渠底高程线。（5）绘制渠道最小水位线从渠底线向上，以渠道最小水深（渠道设计断面通过最小流量时的水深）为间距，画渠底线的平行线，此即渠道最小水位线。（6）绘堤顶高程线从渠底线向上，以加大水深（渠道设计断面通过加大流量时的水深）与安全超高之和为间距，作渠底线的平行线，此即渠道的堤顶线。（7）标注桩号和高程在渠道纵断面的下方画一表格，把分水口和建筑物所在位置的桩号、地面高程线突变处的桩号和高程、设计水位线和渠底高程线突变处的桩号和高程以及相应的最低水位和堤顶高程，标注在表格相应的位置上。桩号和高程必须写在表示该点位置的竖线的左侧，并应侧向写出。在高程突变处，要在竖线左、右两侧分别写出高、低两个高程。（8）标注渠道比降在标注桩号和高程的表格底部，标出各渠段的比降。至U此，渠道纵断面绘制完毕。3、渠道纵断面设计中的水位衔接在渠道设计中，常遇到建筑物引起的局部水头损失和渠道分水处上、下级渠道水位要求不同以及上下游不同渠段间水位不一致等问题，必须给予正确处理。（1）不同渠段间的水位衔接由于渠段沿途分水，渠道流量逐段减小，在渠道设计中经常出现相邻渠段间水深不同，上游水深，下游水浅，给水位衔接带来困难。处理办法有以下三种：1）如果上、下段设计流量相差很大时，可调整渠道横断面的宽深比，在响铃两渠段间保持同一水深。2）在水源水位较高的条件下，下游渠段按设计水位和设计水深确定渠底高程，