第二节　渠道横断面尺寸设计

一、渠道断面型式及适用条件

（一）断面型式

常用的明渠断面型式有梯形、矩形、复合形、弧形底梯形、弧形坡脚梯形、U形；无压防渗暗渠的断面型式有城门洞形、箱形、正反拱形和圆形。各种断面型式如图2－2－5所示。

（二）适用条件和特点

不同的渠道断面型式，其各自的适用条件不尽相同。

（1）矩形断面。这种断面型式多呈长方形或正方形，设计、施工比较简便，是一种较为原始的断面型式，至今在一些小型渠道工程中仍在延用。但是由于矩形断面的水力半径小、湿周长等不足，渠道的过水能力较低。此外，这种断面渠道的防渗体往往采用浆砌石或混凝土等刚性材料，由于衬砌后的渠底和边坡多为水平和垂直形式，边坡稳定性差，在大型渠道工程中往往不采用矩形断面。

（2）梯形断面。梯形断面是在矩形断面基础上进行完善而发展起来的一种断面型式，梯形断面施工简便、边坡稳定，在地形、地质无特殊问题的地区，是最为常用的断面型式。这种断面呈倒梯形，两侧渠边坡常采用1∶1～1∶1.5，最大可取到1∶2以上，水力最优断面的宽深比为0.83～0.61，最小值可为0.47。这种断面形式相比于矩形断面，具有较好的水力性能，其过水能力相对较高。但是梯形断面的渠道抗冻能力依然较差，而且在大型渠道工程中占地较多。

（3）U形断面。U形断面渠道从1975年开始推广应用，目前在各地的中、小型渠道上得到普遍的选用。这种断面型式包括半圆直边式（标准U形断面）和圆弧斜边式（非标准U形断面）两种，其主要优点是：①水力条件好，近似最佳水力断面，可减少衬砌工程量，输沙能力强，有利于高含沙引水；②在冻胀性和湿陷性地基上有一定的适应地基不均匀变形的能力；③渠口窄，节省土地，减少挖填方量；④整体性强，防渗效果优于梯形渠道；⑤便于机械化施工，可加快施工进度。目前已建成有流量为25.8m3/s的灌溉渠以及流量为58m3/s的退水渠试验段，运用情况良好。在冻胀破坏严重的地区，目前尚限于在小流量渠道上应用。

（4）弧形底梯形、弧形坡脚梯形断面。这两种断面适应冻胀变形的能力较强，能在一定程度上减轻冻胀变形的不均匀性，在北方地区的大、中型渠道上得到推广应用。根据实际工程的观测，弧形底断面可大大减轻冻胀开裂及消融时的滑塌破坏。通过试验还证明，弧形坡脚梯形适应冻胀变形的能力也优于梯形渠。

（5）暗渠。暗渠具有占地少、在村镇及人员密集区安全性能高、水流不易污染等优点。此外，在冻土地区，暗渠可避免冻胀破坏。因此，在土地资源紧缺地区、村镇和人员密集区以及一些冻胀地区被采用。

防渗渠道断面型式的选择应结合防渗结构的选择一并进行。不同防渗衬砌结构所适用的断面型式可按表2－2－6选定。

二、渠道设计参数的确定

1.渠底比降

渠底比降是指坡度均一的渠段，两端渠底高差与渠段长度的比值。渠底比降选择的合理性直接影响到工程造价和控制面积的确定，影响渠底比降的因素包括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。

在设计中，应参考上述影响因素，并结合当地灌区管理运用经验，选择适宜的渠道比降。为了减少工程量，应尽可能选用与地面坡度相近的渠底比降。一般来讲，渠底比降应随着设计流量的逐级减小而逐级增大。一般地区，干渠比降选用1/2000～1/5000，支渠比降选用1/1000～1/3000，斗、农渠比降选用1/200～1/1000。地形十分平坦的平原地区，灌溉渠道有时采用平底渠道。

清水渠道由于容易发生冲刷，所选的渠底比降宜缓平，渠底比降可按式（2－2－20）计算：

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，以减少提水扬程和灌溉成本。浑水渠道由于容易发生淤积，比降应适当加大。黄土地区从多泥沙河流引水的渠道，满足不淤条件的渠底比降可参考下列经验公式确定：

其他符号意义同前。

在实际的设计工作中，往往先参考地面坡度和下级渠道的水位要求初选比降，计算渠道的过水断面尺寸，再结合不冲不淤流速要求进行校核检验，反复修改验算。

2.边坡系数

渠道的边坡系数是指渠槽边坡的水平投影长度与深度之比，用m表示。它是直接影响到渠道能否稳定和安全运行的重要的因素之一，需根据渠道衬砌及防渗材料的不同、渠道大小等因素来确定。渠道边坡系数的确定方法见本篇第5章内容。

3.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。渠道的糙率，随渠道的衬砌与防渗材料、所采用的结构型式、施工工艺、养护等情况的不同而不同。需要结合渠床土质和施工质量的情况来选择糙率值，并且要考虑到建成后的管理养护情况的影响因素。设计时可根据所对应的情况，选用表2－2－7中的糙率值。

对于用砂砾料做保护层的膜料防渗渠道，其糙率可按式（2－2－22）计算。在计算前，应对拟做保护层的砂粒料进行颗分试验。

4.不冲不淤流速

（1）不冲流速。水流通过渠道时，在渠床不致被冲刷、损坏的情况下，渠道断面平均流速的上限值即为渠道的不冲流速。渠道不冲流速的影响因素包括渠床土壤质地、水流含沙情况、渠道断面水力要素等，另外，渠床土是否固结，影响很大，具体数值要通过试验资料或总结已成渠道的运用经验而定。一般土渠的不冲流速在0.6～0.9m/s之间。表2－2－8中的数值可供设计参考。

由于用衬砌护面的渠道不冲流速比土渠大得多，结合渠床稳定性的考虑，仍应对衬砌渠道的允许最大流速进行限制。衬砌渠道的不冲流速，随衬砌防渗所用材料及施工条件的不同差异很大，通过对我国部分工程实践资料的分析，衬砌与防渗渠道的不冲流速可按表2－2－9规定选用。

（2）不淤流速。渠道的不淤流速是指在有一定含沙量的渠道水流中，水流的挟沙能力若刚能挟运这一定量的泥沙而不致发生淤积时的断面平均流速。渠道不淤流速主要取决于渠道断面的水力要素和水流含沙量、泥沙粒径、泥沙容重等。衬砌防渗渠道的不淤流速可按当地条件的经验公式计算。

黄河流域含沙量为1.294～82.14kg/m3、加权平均泥沙沉降速度为0.0085～0.23m/s的渠道，在缺乏实际研究成果时，可采用黄河水利委员会水利科学研究所的不淤流速公式计算，即

黄河中游地区，可根据沙玉清公式推算，即

黄河中、下游地区可按黄河水利委员会水利科学研究院公式计算，即

黄河下游地区衬砌渠道可按山东水利科学研究院公式计算，即

含沙量很小的清水渠道虽无泥沙淤积威胁，但为了防止渠道内长草影响输水能力，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。

5.渠道断面的宽深比

渠道断面的宽深比α是渠道底宽b和水深h之比，断面的宽深比对渠道工程量和渠床稳定影响较大。渠道断面的宽深比应结合实际情况选用。地下水位较高，或当土壤的冻胀性较强时，应采用宽浅式渠道断面型式，反之则采用窄深式渠道断面型式。一般混凝土等刚性材料衬砌的渠道，宽深比为1～2；素土夯实防渗渠道和素土保护层膜料防渗渠道，宽深比为1～4。

选择渠道断面的宽深比时应考虑以下要求：

（1）工程量小。为保证渠道断面的工程量最小的要求，针对小型渠道和石方渠道，一般采用水力最优断面的宽深比进行计算，即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，其中梯形渠道水力最优断面的宽深比按下式计算：

对大型渠道来说，由于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，而且渠道流速可能超过允许不冲流速，影响渠床稳定。因此，大型渠道常采用宽浅式断面。

（2）断面稳定。稳定断面的宽深比应满足渠道不冲、不淤要求，断面过于窄深，容易产生冲刷，过于宽浅，又容易淤积，都会使渠床发生变形。渠道的影响因素包括渠道流量、水流含沙情况、渠道比降等，因此渠道宽深比的确定，应在总结当地已成渠道运行经验的基础上进行。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；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。

6.超高

渠道堤岸的超高是指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高于渠道的加大水位的距离。一般情况下，衬砌与防渗渠道渠堤的超高与土渠相同，应按照以下要求确定：

（1）一般土渠岸顶超高可按式（2－2－28）估算：

（2）对于结合航运的渠道，其堤岸的超高，还应符合航运的有利通航的要求。有通航要求的渠道，渠道的断面尺寸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。

（3）对于弯道渠段，当平均流速大于2m/s或弯道半径小于5倍水面宽度时，弯道凹岸的堤顶超高应相应地增加，其增加值按式（2－2－29）计算：

（4）确定浑水渠道岸顶的超高时，还应考虑渠底可能产生泥沙淤积的影响，需再适当加大；当渠堤的填方高度大于3m时，其岸顶超高还应预加沉降高度。

（5）常用的渠道衬砌防渗层的超高为0.15～0.65m。一般可根据渠道的设计流量按表2－2－13取用。对傍山渠道和兼作防洪的渠道应采用较一般灌溉渠道稍大的数值。

埋铺式膜料防渗渠道设计时可不设防渗层超高，这是由于埋铺式膜料防渗层上有不同材料的保护层，此保护层除了保护膜料层不为外力破坏、延长工程使用寿命外，还具有一定的防渗作用；同时，渠道水位超过设计最高水位的运行是偶然的和短时的，并因有保护层的防渗作用，渗漏水量也是有限的。因此，埋铺式膜料防渗层可以不设超高。

7.伸缩缝与砌筑缝

（1）伸缩缝。刚性材料衬砌防渗层和埋铺式膜料防渗的刚性材料保护层，为了适应因气温变化和渠基变形所引起的衬砌防渗层或保护层的变形要求，设计中应设置伸缩缝。伸缩缝的间距应根据渠基情况、衬砌防渗材料和施工方式按表2－2－14选用。对于浆砌石衬砌渠道，其防渗砌体层一般较厚，由气温变化引起的变形较小，加之砌筑缝相对较多，可不设伸缩缝，但应设置沉降缝来适应软弱基础引起的较大变形。浆砌石渠道沉降缝间距应根据渠道基槽的土质情况确定，当渠槽土质坚硬、承载力变化不大时取10～15m，缝宽为1.5～2.5cm；反之，当渠道为软基或地基承载力有明显变化时，沉降缝间距取5～10m。

伸缩缝的宽度应结合渠道所在地气温变幅、缝的间距、填料性能和施工要求等影响因素确定，一般常采用2～3cm；当采用衬砌机械连续浇筑混凝土时，切割缝宽可采用1～2cm。伸缩缝的填充材料应采用黏结力强、变形性能大、耐老化、耐温性好、无毒无污染的弹塑性止水材料，可采用石油沥青聚氨酯接缝材料（PTN）、高分子止水带及止水管等。我国以往广泛使用的聚氯乙烯胶泥（或焦油塑料胶泥）填缝材料，由于含有煤焦油，对灌溉水和环境都有污染，已经被禁止使用。

目前，刚性材料衬砌防渗渠道常用的伸缩缝形式如图2－2－6所示。

（2）砌筑缝。混凝土预制板和浆砌石的砌筑缝，应用水泥砂浆或水泥混合砂浆砌筑，水泥砂浆勾缝。混凝土U形槽也可用高分子止水管及其专用砌筑胶安砌，不需勾缝。浆砌石还可用细粒混凝土砌筑。砌筑和勾缝砂浆的强度等级可按表2－2－15选定；细粒混凝土强度等级不低于C15，最大粒径不大于10mm。沥青混凝土预制板宜采用沥青砂浆、沥青玛脂或改性乳胶沥青砌筑。砌筑缝宜采用矩形、梯形或企口缝，如图2－2－7所示，缝宽1.5～2.5cm。

8.堤顶宽度与封顶板

（1）堤顶宽度。衬砌与防渗渠道的堤顶宽度可根据渠道的设计流量按表2－2－16选用。堤顶宽度的确定应注意以下几个要点：

1）如果渠堤兼做公路时，堤顶宽度还应满足道路工程的要求。

2）U形和矩形渠道，道路的边缘宜距渠道口边缘0.5～1.0m，堤顶应尽量做成向外倾斜1/100～2/100的斜坡。

3）堤岸为高边坡时，应在高边坡的坡脚设置纵向排水沟，保证堤顶或高边坡坡面的雨水顺利排出堤外，不致冲坏渠道。

4）对通过城镇、交通要道或人口密集地区的渠段，为保证安全，应在堤顶设置安全警示标志或必要的防护设施。

（2）封顶板。为了防止堤顶、高边坡以及渠坡上的雨水流入衬砌防渗层的下部造成破坏，各种衬砌防渗材料的渠道，在边坡衬砌防渗层的顶部，均应设置封顶板。封顶板的宽度宜为15～30cm，厚度一般与衬砌防渗层相同。当衬砌防渗结构层下有砂砾石置换层时，封顶板的宽度还应大于二者之和再加10cm；当衬砌防渗层高度小于渠深时，应将封顶板作嵌入渠堤处理。

三、梯形渠道断面设计

梯形断面（矩形断面可视为边坡系数m＝0的梯形断面）设计，通常是按上一节选择相关的设计参数后，通过水力计算确定防渗渠道的断面尺寸。

（一）一般梯形断面的水力计算

这是普遍使用的渠道设计方法。用试算法求解渠道的断面尺寸，具体步骤如下：

（1）假设渠底宽b、渠道水深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α，用公式h＝b/α计算相应的水深值。

（2）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χ、水力半径R和谢才系数C。计算公式如下：

（3）由式（2－2－34）计算渠道流量：

其余符号意义同前。

（4）校核渠道输水能力。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%，即设计渠道断面应满足的校核条件为

在试算过程中，如果计算流量和设计流量相差不大，只需修改h值，再行计算；如果两者相差很大时，就要修改b、h值，再行计算。为了减少重复次数，常用图解法配合：在底宽不变的条件下，用三次以上的试算结果绘制h－Q计算关系曲线，在曲线图上查出与渠道设计流量Q相应的设计水深hd。

（5）校核渠道流速。由式（2－2－36）校核渠道流速：

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。

（二）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：

（1）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式（2－2－27）和明渠均匀流流量公式式（2－2－34）推得水力最优断面的渠道设计水深为

（2）计算渠道的设计底宽：

（3）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，说明不宜采用水力最优断面形式。

需要指出的是，上述渠道水力计算方法适用于清水渠道或含沙量不多的渠道断面设计。

四、弧形底梯形渠道、U形渠道断面设计

（一）弧形底梯形渠道、U形渠道的断面设计

1.弧形底梯形渠道及U形渠道断面

弧形底梯形渠道及U形渠道断面如图2－2－8所示。

2.断面尺寸及各主要参数的计算

各断面尺寸的大小及参数可根据式（2－2－39）～式（2－2－42）计算：

对于U形渠道，当填方断面或渠顶以上挖深很小（接近0）、土质差时，Kr值常取为1.0～0.8；当渠顶以上挖深不超过1.5m、直线段边坡系数m≤0.3、渠线经过耕地时，Kr值可按表2－2－17选用。

（二）弧形底梯形渠道水力最佳断面及实用经济断面设计

1.弧形底梯形渠道的水力最佳断面设计

弧形底梯形渠道的水力最佳断面可按式（2－2－43）～式（2－2－47）计算：

2.弧形底梯形渠道水力最佳断面与实用经济断面的关系

弧形底梯形渠道水力最佳断面及实用经济断面之间应符合式（2－2－48）～式（2－2－52）的规定。

3.弧形底梯形渠道实用经济断面计算步骤

（1）在已知渠道流量Q、渠道比降i、渠道糙率n的条件下，选定渠道边坡系数m，并计算水力最佳断面的水深H0、过水断面面积ω0、湿周χ 0。

（2）选择几种拟采用进行比较的α值。

（3）针对每种α值按式（2－2－49）～式（2－2－52）计算出相应的渠底圆弧半径与水深之比值Kr，Kr＝r/H。

（4）按式（2－2－53）～式（2－2－57）计算出相应于不同α值的各项实用经济断面指标。

（5）对不同α值的实用经济断面进行综合比较后确定选用方案。

4.不同α值相应的Kr、H0/H、b/H、χ/χ

各种不同α值相应的K、H/H、b/H、χ/0χ可由表2－2－18～表2－2－21查出。

r00

五、弧形坡脚梯形渠道断面设计

1.弧形坡脚梯形渠道断面设计

弧形坡脚梯形渠道断面如图2－2－9所示。

断面尺寸及各主要参数按式（2－2－58）～式（2－2－61）计算：

2.弧形坡脚梯形渠道水力最佳断面及实用经济断面设计

（1）弧形坡脚梯形渠道水力最佳断面参数计算。在已知Q、n、i、m、r10并拟定Kr的条件下，可按式（2－2－62）～式（2－2－66）计算：

（2）弧形坡脚梯形渠道的水力最佳断面和实用经济断面之间应符合式（2－2－67）～式（2－2－73）的规定。

（3）弧形坡脚梯形渠道实用经济断面的计算步骤如下：

1）在已知渠道流量Q、渠道比降i、渠道糙率n的条件下，选定渠道断面上部直线段的边坡系数m，并拟定涉及断面型式的Kr值。

2）按式（2－2－48）～式（2－2－52）计算水力最佳断面条件下的H0、r10、ω0、χ0、b10。

3）当认为水力最佳断面的渠道宽深比不够理想需要进行调整时，可先拟定不同的α值，再按式（2－2－54）或表2－2－22得出Kb。

（4）按式（2－2－74）求出实用经济断面的水深H。

按式（2－2－55）求出实用经济断面渠底水平段宽b1，按式（2－2－58）求出实用经济断面渠底坡脚圆弧半径r1，再按式（2－2－53）求出实用经济断面的过水断面面积ω和实用经济断面湿周χ。

（5）校核各种α条件下的渠道流速是否满足不冲不淤的要求，并通过比较，选定渠道的断面尺寸。

六、暗渠防渗断面设计

暗渠常见断面的几种型式如图2－2－10所示。其宽深比应按施工要求并通过经济比较确定，从水力最优及工程量最小考虑，宜采用窄深式断面。水面以上净空高度e0的取用：箱形可采用e0≥Hg（Hg为暗渠断面的总高度），城门洞形及正反拱形可采用e0≥Hg。

1.城门洞形断面设计

城门洞形暗渠断面的尺寸及各主要参数按式（2－2－75）～式（2－2－78）计算：

2.正反拱形断面设计

正反拱形断面的尺寸及各主要参数按式（2－2－79）～式（2－2－83）计算：

七、挖方和填方渠道断面设计

1.挖方渠道设计

挖方渠道一般是由地面线向下开挖而成的，大多用于干渠。对挖方渠道，为了防止坡面径流的侵蚀、渠坡坍塌以及便于施工和管理，除正确选择边坡系数外，当渠道挖深大于5m时，应每隔3～5m高度设置一道平台。第一级平台的高度和渠岸（顶）高程相同，平台宽度约1～2m。如平台兼做道路，则按道路标准确定平台宽度。在平台内侧应设置集水沟，汇集坡面径流，并使之经过沉沙井和陡槽集中进入渠道，如图2－2－11所示。当渠道挖深大于10m时，不仅施工困难，边坡也不易稳定，应改用隧洞等。第一级平台以上的渠坡根据干土的抗剪强度而定，可尽量陡一些。

2.填方渠道设计

填方渠道是由地面线向上填筑的，大多数用于渠道通过低洼地区或地面坡度较为平缓的地区。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2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。填方渠道断面结构见图2－2－12。

3.半挖方半填方渠道设计

半挖方半填方渠道一般用于支渠或斗渠，特别适用于渠底坡降等于或接近于地面坡降时。半挖半填渠道的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时，工程费用最少。挖填土方相等时的挖方深度x可按下式计算：

式中符号的含义如图2－2－13所示。系数1.1～1.3是考虑土体沉陷而增加的填方量，砂质土取1.1，壤土取1.15，黏土取1.2，黄土取1.3。

为了保证渠道的安全稳定，半挖半填渠道堤顶的宽度B应满足以下条件：