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土质边坡系数挖深<1.5m 挖深1.5～3m 挖深3～4m 挖深4～5m砂土 2.5 3.0～3.5 4～5 ≥5砂壤土 2 2.5～3 3～4 ≥4壤土 1.5 2～2.5 2.5～3 ≥3粘土 1 1.5 2 ≥2(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抽沟蓄排(8-8)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。
