本文接着介绍排水沟道的横断面和纵断面的设计。 一、排水沟道的横断面设计 1、除涝设计标准 我们每次设计之前都要问设计标准是什么，排水也不例外，标准定的高，能抵御涝灾的能力就高，但相应的，投资也大。看你的取舍和要求。 除涝设计标准一般有三种表达方式：以治理区发生一定重现期的暴雨，作物不受涝为标准；以治理区作物不受涝的保证率为标准；以某一定量暴雨或涝灾严重的典型年作为排涝设计标准。
本文接着介绍排水沟道的横断面和纵断面的设计。
1、除涝设计标准
我们每次设计之前都要问设计标准是什么，排水也不例外，标准定的高，能抵御涝灾的能力就高，但相应的，投资也大。看你的取舍和要求。
除涝设计标准一般有三种表达方式：以治理区发生一定重现期的暴雨，作物不受涝为标准；以治理区作物不受涝的保证率为标准；以某一定量暴雨或涝灾严重的典型年作为排涝设计标准。一般都是采用第一种除涝标准表达方式。这个除涝标准表达方式要规定三个要素：重现期、暴雨历时、排涝时间。
根据《广东省防洪（潮）标准和治涝标准》的规定：“治涝设计标准按涝区十年一遇24小时暴雨所产生的径流量；城镇及菜地按一天排干设计；农田按三天排干设计”。
这里暴雨重现期是十年一遇，暴雨历时是24小时即1天，排涝时间是城镇及菜地为1天、农田为3天。
2、排水模数和排水流量
排水流量是确定各级排水沟道断面、沟道上建筑物规模以及分析现有排水设施能力的主要依据。设计排水流量分设计排涝流量和设计排渍流量两种。前者用以确定排水沟道的断面尺寸；后者作为满足控制地下水位要求的地下水排水流量，又称日常排水流量，以此确定排水沟的沟底高程和排渍水位。
单位排水面积的最大排水流量为排水模数，排水模数包括排除地面涝水的排涝模数和地下水排水模数两种。由于最大排水流量是在排涝时产生的，且地下水排水模数又较小，通常排水模数即指排涝模数。排涝模数与灌溉的灌水模数或称灌水率对应，排水沟某断面的设计排水流量等于该断面所控制的排水面积与该面积内设计排涝模数的乘积。影响排涝模数的因素较多，有设计降雨、地面坡度、植被情况和作物组成、土壤性质、排水沟网配套情况及河湖调蓄能力等等。由于影响因素较多，且复杂，难以通过成因分析得到计算排涝模数的理论公式。
推求设计排涝流量（又称最大设计流量）的基本途径有二，一是用流量资料推求，二是用暴雨资料推求。但是一般来说灌区的水文测站都很少，资料年限短，设计标准较低，受人类活动的影响较大等，故一般难以根据实测径流资料进行统计分析，而往往采用由设计暴雨推求排涝流量的方法。一般不受下游河、沟水位影响的排水沟，可由设计暴雨推求最大峰量作为设计排涝流量。特殊的情况可能要用要推求排涝流量过程线、单位线法、非恒定流或非均匀流理论等，本文暂不讨论。
国内计算排涝流量的常用方法主要有三种：排涝模数经验公式法、平均排除法、排涝流量过程线法。广东省一般采用平均排除法。
排渍流量的计算：地下水排水流量，自降雨开始至雨后同样也有一个变化过程和流量高峰。当地下水位达到一定控制要求时的地下水排水流量称为日常流量，它不是一个流量高峰，而是一个比较稳定的较小的数值。单位面积上的排渍流量称为设计地下水排水模数或排渍模数。根据某些地区资料，由于降雨而产生的设计排渍模数如下表所示。
（1）对于选择水位标准，一般情况下是采取相应于涝区暴雨重现期的水位；另一种情况是采用多年平均水位。一般当涝区设计降雨与承泄区水位同频率遭遇的可能性较大时，采用前者；否则采用后者。
（2）对于选择水位特征期，则有以下多种选择，如年或汛期最高水位、年或汛期最高日平均水位、汛期最高5日或旬平均水位、最高汛期平均水位等等。具体选择时，可建议如下原则：1）当涝区设计降雨与承泄区水位同频率遭遇的可能性较大时，可采用相应于涝区设计降雨同频率的承泄区排涝天数（3~10天）平均水位作为设计外水位；2）当涝区设计降雨与承泄区水位同频率遭遇的可能性较小时，可根据各地的具体情况确定，一般可采用排涝天数（3~10天）平均高水位的多年平均值。
感潮河段的设计外水位，原则上可与上述设计外水位的确定方法相同。取各年排涝期内的高潮位与低潮位，按排涝天数的平均值（即连续高高潮与高低潮的半潮位）作频率计算，并取相应于涝区设计降雨同频率的潮位作为设计潮水位。
广东省珠三角地区的外江水位可以查取《西、北江下游及其三角洲网河河道设计洪潮水面线》的计算成果。
排涝计算中的设计内水位是指排水出口处的沟道通过排涝流量时的水面高程；而排渍情况下，设计内水位一般应定在农田地下水位降到规定深度的高程上。
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位的重要内容和依据，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1.0~1.5m；有盐碱化威胁的地区，轻质土不小于2.2~2.6m。
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
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，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、农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。
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过地面，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，相应沟道两岸亦需筑堤。
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。（推算水面线的方法参见《水力学》，但对于排水沟道的断面因素如底宽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，和大于允许不淤流速（0.3~0.4m/s）。此外，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，按照上述要求，平原地区沟道比降可在下列范围选择：干沟为1/6000~1/20000，支沟为1/4000~1/10000，斗沟为1/2000~1/5000。
而在排灌两用渠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。
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。设计时可参考下表。
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。
上面讲的是土沟，如果是衬砌沟道，参考拙作《灌溉渠道断面设计》中的相关表格数值。
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，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）底宽（b）进行校核。广东省珠三角的有些沟道过去有这个要求，比如珠海金湾区、高栏港区等地的有些排水小河涌，不过现在一般都不要船运了，若有需要可按下面的方法进行校核。
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，相应要求通航水深见下表。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。
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。这种情况在广东省同样是有可能发生在珠三角地区的河网区，可能需要用下面的方法进行校核。
1）确定需要排水沟滞蓄的水深
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
均为折算到全部排水面积上的平均水层，单位为mm。
由上面的公式可见，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沟内，即下图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。
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。
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。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设计流量相差悬殊的情况下，排水沟可设计成复式断面。
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。
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；
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；
对于沟道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（m），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。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。
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倾斜形式，以便从干沟出口处起算桩距。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。
1、渠道防渗衬砌结构
通过渠道的水力计算，可以得到渠道的净宽和净高。之后，还要确定采用何种衬砌结构来实现它，定出各部位的结构尺寸，这样才能把完整的渠道横断面图画出来。
结构设计也要先定设计标准，标准不同，则设计出来的结构尺寸是不同的。要按照《水利水电工程等级划分及洪水标准》和《灌溉与排水工程设计规范》等，确定工程等别、工程规模、建筑物级别。
若为混凝土渠道，则再按《混凝土结构设计规范》、《水工混凝土结构设计规范》等规范；若为砖砌渠道，则按《砌体结构设计规范》等规范。根据建筑级别，确定相应的系数、参数值。
例如《水工混凝土结构设计规范》中的部分规定：
由于渠道过水断面和渠道沿线地面的相对位置不同，渠道断面有挖方断面、填方断面和半挖半填断面三种形式。
(1)挖方渠道，为了防止坡面径流的侵蚀、渠坡坍塌以及便于施工和管理，首先是要正确选择边坡系数（原因可参考拙作《水工建筑物的稳定计算浅谈》“六、边坡稳定分析”），其次当渠道挖深大于5m时，应每隔3~5m高度设置一道平台。第一级平台的高程和渠岸（顶）高程相同，平台宽度约1~2m。如平台兼作道路，则按道路标准确定平台宽度。在平台内侧应设置集水沟，汇集坡面汇流，并使之经过沉沙井和陡槽集中进入渠道。挖深大于10m时，不仅施工困难，边坡也不易稳定，应改为隧洞等。
(2)填方渠道，易于溃决和滑坡，要认真选择内、外边坡系数。填方高度大于3m时，应通过稳定分析确定边坡系数，有时需在外坡脚处设置排水反滤体。填方高度很大时，需在外坡设置平台。位于不透水层上的填方渠道，当填方高度大于5m或高于两倍设计水深时，一般应在渠堤内加设纵横排水槽。填方渠道会发生沉陷，施工时应预留沉陷高度，一般增加设计填高的10%。在渠底高程处，堤宽应等于5~10h，根据土壤的透水性能而定，h为渠道水深。
(3) 半挖半填渠道，挖方部分可为筑堤提供土料，而填方部分则为挖方弃土提供场所。当挖方量等于填方量（考虑沉陷影响，外加10%~30%的土方量）时，工程费用最少。为了保证渠道的安全稳定，半挖半填渠道堤底的宽度B应大于等于（5~10）（h-x）。h为渠道水深，x为挖填土方相等时的挖方深度。
-
在灌溉渠道中，有个水利用系数，渠道在输水中会有水量损失，我们需要把这个损失考虑进去，在灌溉渠道设计时，需要用净流量除以水利用系数得到毛流量作为渠道灌溉设计流量。但在排水沟道中，我们是不需要考虑这一点的。因为排水沟道是水多了，让水排出去，水量损失了就损失了，损失了更好，还可以减小排涝流量压力。 -
排水沟需不需要衬砌，广东的专家评审一般倾向于排沟不衬砌（《农田水利学》上面介绍的设计也是以土沟作为研究对象的）。但农民说，土沟容易淤积，水排不出去。专家说，顶多就是两边侧墙衬砌，排水沟主要是防冲，两侧土堤确实容易被水冲刷带走，导致淤积，这种情况下允许排沟两岸硬化，采用墙式护砌或坡式硬化。但有的村民还是不满意，认为沟底也应该硬底化，我琢磨他们沟底硬底化的目的可能是为了加快排水速度，像城市里面的排水系统那样。当然，城市里面这种排水系统也有问题了，那是另外的研究课题了，这里不展开。（还是插句题外话吧，曾经参加过一个考试，有道问答题是这样的：同样暴雨情况下，为什么流域城市化后的洪水比天然流域的显著增大？答：与天然流域相比，流域城市化后，大量的透水面积，如林地、草地、农田变为不透水的面积，如房屋、街道、路面等，下渗大大变小；还有许多水塘、湖泊被填，调蓄容积减少。从流域水量平衡方程可知，这必然使径流量比天然情况的显著增大。另外，城市化后的排水渠道更为顺畅，汇流速度加快，雨水更容易汇集，从而使洪峰增高。）。不过农民不管这些，城市有的，凭什么我们不能有，我们也要硬底化，三面光。 -
关于专家提的排水沟不硬化，可能还有一个理由，就是排渍的问题。《广东省农业综合开发土地治理项目规划设计指南》里面提到：“由于最大排水流量是在排涝时产生的，且地下水排水模数又较小，通常排水模数即指排涝模数”，是否默认排水沟一般都是按排涝设计即可？排涝当然一般没问题，特别是硬化的一般都是农沟以上的，不是田间排水（田间排水是另外的课题了，本文不展开），排水沟道是收集涝水排往外河，一般出水口都低于田面，排涝应该不成问题。但还有个排渍水位的问题，这个是要控制农田地下水位降到规定深度的高程，这个水位是比较低的，土沟的话地下水还能渗到沟里排走，如果三面光了，地下水就渗不出来排不到沟里了。这也是专家反对排水沟三面光的一个理由。当然，有的农民又可能提出我要求硬化的排水沟都不用考虑排渍问题。。。或者可以采用在侧墙或渠底打孔等方式。当然，如果土质易渗漏，地下水位埋深很深，就不存在降渍的问题了。总之具体问题具体分析吧。 -
有的农民要求排沟衬砌可能还有一个理由，即这些排沟也兼具灌溉功能（广东一般都不叫排沟，叫排渠）。这个是属于另外的类型的，即灌排两用渠，或灌排结合渠，不属于本文讨论的内容，本文主要讨论的主要是纯排水沟。灌排两用渠的断面设计，将另文探讨。 -
有人说土沟能渗水，渗了就渗了，更好。我在上面也提到排水沟不用考虑水量损失，渗了就渗了，不像灌溉渠道的设计计算需要考虑一个水利用系数。但农民可能不这么看，涝水渗了还是在涝区里啊，如果超过了下渗极限就要形成地表径流，径流深超过作物的耐淹水深就是涝。这个有点像海绵城市的问题，海绵城市其中一个理念就是渗、蓄，认为城市地表的下垫面硬化太多，要多利用绿地等来提高渗蓄能力，像海绵一样吸水。但土层是有它的蓄滞限度的，如果渗到地下的水超过了土层的蓄滞水深，就无法再渗蓄了，还是要形成地表径流，这就是水文学里面的“产流”过程。如果要扩大渗蓄，就要扩大可渗的面积，而城市还是建设用地居多，不可能布置太多绿地，所以还是结合排水一起治理。而农村的情况则有点不同，农民说，我农田里一大片都是可渗蓄的绿地，有一点点硬化的怎么了，就是因为渗到极限形成径流超过了作物的耐淹水深所以我要尽快地把涝水排出啊，我要的是加快排水的速度。 -
硬化渠道还有个问题，就是硬化后田间小生物不易存活。以前在农村的土沟里有很多螃蟹、蚯蚓等小生物栖息，这些小生物对农田土壤的疏松透气、微生物降解等是很有作用的。硬化后，小生物没办法打洞、孵卵、通过硬化渠道等了。另外，还有田间能量交换等问题。这些是关系到绿色生态问题了。当然，农民可能不会考虑这么长远，中国还处于发展的初级阶段，经济效益方面的考虑可能还是摆在第一位。而且农民说，我田间一大片都是绿色，有一点点硬化怎么了。
内容源于网络，旨在分享，如有侵权，请联系删除
相关资料推荐：
某排水沟断面图盖板涵设计cad施工图纸
https://ziliao.co188.com/d63612890.html
知识点：排水沟道断面设计
