淺談排澇工程設計

1、論文淺 談 排 澇 工 程 設 計X X縣X X局 XXX【摘要】 隨著全球氣候變化的加劇，我國洪澇災害十分頻繁,幾乎每年都有發(fā)生,加上水利工程及城市、鄉(xiāng)村的防洪標準普遍偏低, 導致我國洪澇災害損失十分嚴重。為減輕洪澇災害損失，排澇工程設計在水利工程中顯得至關重要。本文對排澇溝工程的一些常規(guī)內(nèi)容進行探討，對實際工作中排澇溝工程的設計具有一定的現(xiàn)實指導意義?！娟P鍵詞】 排澇溝 工程 設計一 排澇工程的意義土地是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本生產(chǎn)資料，是一切生產(chǎn)和一切存在的源泉。隨著人口的增加，住房占地將不斷擴大，工業(yè)和交通運輸業(yè)的發(fā)展也要占用更多的土地，耕地面積將隨之減少，水資源

2、的供求矛盾將進一步加劇，我們必須充分利用現(xiàn)有的土地資源生產(chǎn)出社會發(fā)展所需的糧食。所以隨著人口的不斷增長和國民經(jīng)濟的發(fā)展，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水利建設的要求越來越高。勤勞智慧的中國人民自古以來就借助有利的自然條件，發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，積累了利用自然和改造自然的豐富經(jīng)驗。中國的水利事業(yè)取得了巨大的成就，但與建設現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的要求相比，還有很大的差距，旱澇災害對農(nóng)業(yè)的威脅還遠沒有消除，每年平均受災面積約占耕地面積的四分之一，全國還有一半以上的耕地沒有灌排工程設施，無法抗御旱澇災害的侵襲。近年來，我縣烤煙產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但由于自然降水時空分布不均，XX鎮(zhèn)、xx鄉(xiāng)等一些相對平坦開闊的地區(qū)，受旱澇（尤其是漬澇）災害影響，造

3、成減產(chǎn)、失收甚至絕收的情況時有發(fā)生。實踐證明，農(nóng)作物（尤其是烤煙）的受淹時間和淹水深度如果超出允許的淹水時間和淹水深度，將影響作物正常生長，田間積水會使土壤水分過多，氧氣缺乏，影響作物根系呼吸的正常進行，作物根系長期在無氧或缺氧條件下進行呼吸，所產(chǎn)生的乙醇可使作物中毒而死亡。為了使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)達到穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，防止洪澇災害的發(fā)生，對低洼易澇農(nóng)田，必須通過修建排澇溝工程滿足農(nóng)作物對農(nóng)田除澇排水的要求，及時排除由于降雨產(chǎn)生的田面積水，減少淹水時間和淹水深度，以保證作物正常生長。因此，排澇溝工程設計對防治洪澇災害的發(fā)生至關重要。二 排澇工程設計排澇系統(tǒng)由各級固定排澇溝道以及建在溝道上的各種建筑物所組成，主要

4、任務是排除澇水和控制地下水位。（一）排澇方式根據(jù)各地區(qū)和各灌區(qū)的排澇類別基本上可以將排澇溝的排澇方式歸納為以下幾種：1、汛期排澇和日常排澇 汛期排澇是為了防止耕地、農(nóng)田受澇水淹沒。日常排澇是為了控制某地區(qū)的地下水位和農(nóng)田水分。兩者排澇任務雖然不同，但目的都是為了保障農(nóng)、林、牧業(yè)的生產(chǎn)，所以在規(guī)劃布置排澇溝系時，應能同時滿足這兩方面的要求。2、自流排澇和抽水排澇 當承泄區(qū)水位低于排澇干溝出口水位時，一般進行自流排澇，否則需要采取抽水排澇或抽排與滯蓄相結(jié)合的除澇排澇方式。3、水平排澇和垂直(或豎井)排澇  對于主要由降雨和灌溉滲水成澇的地區(qū)，常采用水平排澇方式；如由于以地下深層承壓水補給

5、潛水而致漬澇，則應考慮采用豎井排澇方式；對于旱澇兼治地區(qū)，如地下水質(zhì)和含水層出水條件較好，宜實行井灌井排，配合田間排澇明溝，形成垂直與水平相結(jié)合的排澇系統(tǒng)。4、地面截流溝和地下截流溝排澇 對于由外區(qū)流入排澇區(qū)的地面水或地下水以及其它特殊地形條件下形成的澇漬，可分別采用地面或地下截流溝排澇的方式。（二）排澇溝的布置原則1、排澇溝應布置在各自控制范圍的最低處，以便能排除整個排澇地區(qū)的多余水量。2、應盡量做到高水高排，低水低排，自排為主，抽排為輔；即使排澇區(qū)全部實行抽排，也應根據(jù)地形將其劃分為高、中、低等片，以便分片分級抽排，節(jié)約排澇費用和能源。3、排澇干溝出口應選在承泄區(qū)水位較低和河床比較穩(wěn)定的地

6、方。4、下級溝道的布置應為上級溝道創(chuàng)造良好的排澇條件，使之不發(fā)生壅水。5、各級溝道要與灌溉渠系的布置、土地利用規(guī)劃、道路網(wǎng)、林帶和行政區(qū)劃等協(xié)調(diào)。6、要遵循“工程費用小，排澇安全及時，便于管理”的基本要求。7、在有外水入侵的排澇區(qū)或灌區(qū)，應布置截流溝或撇洪溝，將外來地面水和地下水引入排澇溝或直接排入承泄區(qū)。排澇溝的布置，應盡快使排澇地區(qū)內(nèi)多余的水量泄向排澇口。選擇排澇溝線路，通常要根據(jù)排澇區(qū)或灌區(qū)內(nèi)、外的地形和水文條件，排澇目的和方式，排澇習慣，工程投資和維修管理費用等因素，編制若干方案，進行比較，從中選用最優(yōu)方案。（三）排澇承泄區(qū)排澇系統(tǒng)的承泄區(qū)是指位于排澇區(qū)域以外，承納排澇系統(tǒng)排出水量的河

7、流、湖泊或海洋等。承泄區(qū)一般應滿足下列要求：一是在排澇地區(qū)排除日常流量時，承泄區(qū)的水位應不使排澇系統(tǒng)產(chǎn)生壅水，保證正常排澇；二是在汛期，承泄區(qū)應具有足夠的輸水能力或容蓄能力，能及時排泄或容納由排澇區(qū)排出的全部水量。此時，不能因承泄區(qū)水位高而淹沒農(nóng)田，或者雖然局部產(chǎn)生浸沒或淹沒，但淹水深度和淹水歷時不得超過耐淹標準；三是要具有穩(wěn)定的河槽和安全的堤防。排澇承泄區(qū)的規(guī)劃一般涉及排澇系統(tǒng)排澇口位置的選擇和承泄區(qū)的整治，現(xiàn)分別介紹如下。1、排澇口位置的選擇排澇口的位置主要根據(jù)排澇區(qū)內(nèi)部地形和承泄區(qū)水文條件決定，即排澇口應選在排澇區(qū)的最低處或其附近，以便澇水易于集中；同時還要使排澇口靠近承泄區(qū)水位低的位置

8、，爭取自排。由于平時和汛期排澇區(qū)的內(nèi)、外水位差呈現(xiàn)出各種情況，所以排澇口的位置可以選擇多處，排澇口也可以有多個，以便于排泄和符合經(jīng)濟要求為準。另外，在確定排澇口的位置時，還應考慮排澇口是否會發(fā)生泥沙淤積，阻礙排澇；排澇口基礎是否適于筑閘建站；抽排時排澇口附近能否設置調(diào)蓄池等。由于排澇承泄區(qū)水位和排澇區(qū)之間往往存在矛盾，一般可采取以下措施處理：（1) 當外河洪水歷時較短或排澇設計流量與洪水并不相遇時，可在出口建閘、防止洪水侵入排澇區(qū)，洪水過后再開閘排澇。（2) 洪水頂托時間較長，影響的排澇面積較大時，除在出口建閘控制洪水倒灌外，還須建泵站排澇，待洪水過后再開閘排澇。（3) 當洪水頂托、干溝回水影

9、響不遠，可在出口修建回水堤，使上游大部分排澇區(qū)仍可自流排澇，溝口附近低地則建站抽排。（4) 若地形條件許可，將干溝排澇口沿承泄區(qū)下游移動，爭取自排。當采取上述措施仍不能滿足排澇區(qū)排澇要求或者雖然能滿足排澇要求但在經(jīng)濟上不合理時，就需要對承泄區(qū)進行整治。2、承泄區(qū)整治降低承泄區(qū)的水位，以改善排澇區(qū)的排澇條件，這是整治承泄區(qū)的主要目的，而整治承泄區(qū)的主要措施一般有以下幾點：(1) 疏浚河道：通過疏浚，可以擴大泄洪斷面，降低水位。但疏浚時，必須在河道內(nèi)保留一定寬度的灘地，以保護河堤的安全。(2) 退堤擴寬：當疏浚不能降低足夠的水位以滿足排澇系統(tǒng)的排澇要求時，可采取退堤措施，擴大河道過水斷面。退建堤段

10、應盡量減少挖壓農(nóng)田和拆遷房屋，退堤一般以一側(cè)退建為宜，另一側(cè)利用舊堤，以節(jié)省工程量。(3) 裁彎取直，整治河道：當以江河水道為承泄區(qū)時，如果河道過于彎曲，泄水不暢，可以采取截彎取直措施，以短直河段取代原來的彎曲河段。由于河道流程縮短，相應底坡變陡，流速加大，這樣就能使本河段及上游河段一定范圍內(nèi)的水位降低。裁彎取直通常只應用于流速較小的中、小河流。對于水流分散，斷面形狀不規(guī)則的河段，應進行各種河道整治工程，如修建必要的丁壩、順堤等，以改善河道斷面，穩(wěn)定河床，降低水位，增加泄量，給排澇創(chuàng)造有利條件。(4) 修建減流、分流河道：減流是在作為承泄區(qū)的河段上游，開挖一條新河，將上游來水直接分泄到江、湖和

11、海洋中，以降低用作排澇承泄區(qū)的河段水位。這種新開挖的河段常稱減河。分流一般是在河段的上游，新開一條新的河渠，分泄上游一部分來水、但分泄的來水，繞過作為承泄區(qū)的河段后仍匯入原河。(5) 清除河道阻障：臨時攔河壩、捕魚柵、孔徑過小的橋涵等，往往造成壅水，應予清除或加以擴建，以滿足排澇要求。以上列舉了一些承泄區(qū)的整治措施，但各種措施都有其適用條件，必須上下游統(tǒng)一規(guī)劃治理，不能只顧局部，造成其他河段的不良水文狀況，應該通過多方案比較，綜合論證，擇優(yōu)選用。（四）排澇溝的設計流量排澇流量是確定各級排澇溝斷面、溝道上建筑物規(guī)模以及分析現(xiàn)有排澇設施排澇能力的主要依據(jù)。計算排澇流量的常用方法主要有以下三種：1、

12、排澇模數(shù)經(jīng)驗公式法該法適用于大型澇區(qū)，需求出最大排澇流量的情況，其計算公式為：式中：q設計排澇模數(shù)，m3/(s·km2)；F排澇溝設計斷面所控制的排澇面積，km2；R設計徑流深，mm；K綜合系數(shù)(反映河網(wǎng)配套程度、排澇溝坡度、降雨歷時及流域形狀等因素)；m峰量指數(shù)(反映洪峰與洪量的關系)；n遞減指數(shù)(反映排澇模數(shù)與面積的關系)。公式中考慮了形成最大流量的主要因素。首先是反映了隨著排澇面積(或流域)的增大及其自然調(diào)蓄作用的增加而排澇模數(shù)減少的情況；其次還考慮了一次徑流過程的峰量關系等。在應用該公式時，應根據(jù)該地區(qū)的除澇排澇標準，選用接近設計標準的河流或排澇系統(tǒng)的實測資料進行大量統(tǒng)計分析

13、，確定公式中的各項系數(shù)和指數(shù)。但必須指出，公式中將很多因素的影響都綜合在K值中，因而K值變動幅度較大，一般規(guī)律是；暴雨中心偏上，凈雨歷時長、平槽以下徑流深大，地面坡度小，流域形狀系數(shù)小，河網(wǎng)調(diào)節(jié)程度大，則K值小；反之則大。當流域或地區(qū)較大時，如果不考慮條件的差別，采用統(tǒng)一的K值，將會影響計算成果精度。在推求設計徑流深時，要先確定設計暴雨。設計暴雨一般包括暴雨歷時、暴雨的大小分布諸因素，它們都和除澇排澇面積的大小有關。根據(jù)實測資料分析證明，對于100500km2的排澇面積，洪峰流量主要由一日暴雨形成；而對于5005000km2的排澇面積，洪峰流量面積一般由三日暴雨形成；所以在上述兩種情況下，應分

14、別采用一日和三日作為設計暴雨歷時。推算設計暴雨的方法有兩種，一種是典型年法，即采用排澇地區(qū)內(nèi)某個澇災嚴重的年份作為典型年，以這一年的某次最大暴雨作為設計暴雨；另一種是頻率法，即當流域內(nèi)有足夠的測站和較長的降雨資料，用各年最大的一次面平均降雨量，直接進行面雨量的頻率計算，求得設計標準的暴雨量。2 、平均排除法平均排除法是以排澇面積上的設計凈雨在規(guī)定的排澇時間內(nèi)排除的平均排澇流量或平均排澇模數(shù)作為設計排澇流量或排澇模數(shù)的方法，即              或 

15、 對于水田                         對于旱田                          

16、     式中：Q設計排澇流量，m3/s；q設計排澇模數(shù)，m3/(s·km2)；F排澇溝控制的排澇面積，km2；R設計徑流深，mm；a徑流系數(shù)；P設計暴雨量，mm；h田蓄水田滯蓄水深，mm，由水稻耐淹水深確定；E在t時間內(nèi)水田田間騰發(fā)量，mm；，e為日耗水量；t規(guī)定的排澇時間，d，主要根據(jù)作物的允許耐淹歷時確定。對于水田，一般選35d排除；對于旱地、因耐淹較差，排澇時間應當選得短些，一般取l3d。如排澇區(qū)既有旱地又有水田時，則首先按上式分別計算水田和旱地的排澇模數(shù)，然后按旱地和水田的面積比例加權(quán)平均，即得綜合排澇模數(shù)。3 、排澇流量過

17、程線法當排澇區(qū)內(nèi)有較大的蓄澇區(qū)時，即蓄澇區(qū)水面占整個排澇區(qū)面積的5%以上時，需要考慮蓄澇區(qū)調(diào)蓄澇水的作用，并合理確定蓄澇區(qū)和排澇閘、站等除澇工程的規(guī)模。對于這種情況，就需要采用概化過程線等方法推求設計排澇流量過程線，供蓄澇、排澇演算使用。（五）排澇溝設計水位排澇溝設計水位是設計排澇溝的重要內(nèi)容和依據(jù)，需要在確定排澇溝斷面尺寸(溝深與底寬)之前，加以分析擬定。排澇溝的設計水位可以分為排漬水位和排澇水位兩種：1、排漬水位(即日常水位)這是排澇溝經(jīng)常需要維持的水位，在平原地區(qū)主要由控制地下水位的要求(防漬或防止土壤鹽堿化)所決定。為了控制農(nóng)田地下水位，排澇農(nóng)溝(末級固定排澇溝)的排漬水位應當?shù)陀谵r(nóng)田

18、要求的地下水埋藏深度，離地面一般不小于0.91.2m；有鹽堿化威脅的地區(qū)，輕質(zhì)土不小于2.22.6m，如下圖所示。 排漬水位與地下水位控制的關系圖而斗、支、干溝的排漬水位，要求比農(nóng)溝排漬水位更低，因為需要考慮各級溝道的水面比降和局部水頭損失，例如排澇干溝，為了滿足最遠處低洼農(nóng)田降低地下水位的要求，如下圖所示：干、支、斗、農(nóng)排澇溝排漬水位關系圖其溝口排漬水位可由最遠處農(nóng)田平均田面高程(A0)，考慮降低地下水位的深度和斗、支、干各級溝道的比降及其局部水頭損失等因素逐級推算而得，即Z攙漬A0D農(nóng)Liz式中：Z排漬排澇干溝溝口的排漬水位，m；A0最遠處低洼地面高程，m；D農(nóng)農(nóng)溝排漬水位離地面距離，m；

19、L斗、支、干各級溝道長度，m，見上圖； i斗、支、干各級溝道的溝底比降；z各級溝道沿程局部水頭損失，如過閘水頭損失取0.050.1m，上下級溝道在排地下水時的水位銜接落差一般取0.10.2m。對于排漬期間承泄區(qū)(又稱外河)水位較低的平原地區(qū)，如干溝有可能自流排除排漬流量時，按上式推得的干溝溝口處的排漬水位，應不低于承泄區(qū)的排漬水位或與之相平。否則，應適當減小各級溝道的比降，爭取自排。2、 排澇水位(即最高水位)排澇水位是排澇溝宣泄排澇設計流量(或滿足滯澇要求)時的水位。由于各地承泄區(qū)水位條件不同，確定排澇水位的方法也不同，但基本上分為下述兩種情況:(1) 當承泄區(qū)水位較低，如汛期干溝出口處排澇

20、設計水位始終高于承泄區(qū)水位，此時干溝排澇水位可按排澇設計流量確定，其余支、斗、溝的排澇水位亦可由干溝排澇水位按比降逐級推得；但有時干溝出口處排澇水位比承泄區(qū)水位稍低，此時如果仍須爭取自排，勢必產(chǎn)生壅水現(xiàn)象，于是干溝(甚至包括支溝)的最高水位就應按壅水水位線設計，其兩岸常需筑堤束水，形成半填半挖斷面，如下圖：排澇出口壅水時干溝的半填半挖斷面示意圖（2) 在承泄區(qū)水位很高、長期頂托無法自流外排的情況。此時溝道最高水位是分兩種情況考慮，一種情況是沒有內(nèi)排站的情況，這時最高水位一般不超出地面，以離地面0.20.3m為宜，最高可與地面齊平，以利排澇和防止漫溢，最高水位以下的溝道斷面應能承泄除澇設計流量和

21、滿足蓄澇要求；另一種情況是有內(nèi)排站的情況，則溝道最高水位可以超出地面一定高度(不應大于23m)，相應溝道兩岸亦需筑堤。（六）排澇溝縱橫斷面設計1、排澇溝橫斷面設計根據(jù)排澇設計流量確定排澇溝的過水斷面，排澇溝設計流量一般是按恒定均勻流公式計算即Q = ACC = R1/6/n式中：Q排澇流量，m3/s；A過水斷面面積，m2；R水力半徑，m，由公式計算；n糙率；i溝底比降。根據(jù)以上公式來設計排澇溝橫斷面，但在承泄區(qū)水位頂托發(fā)生壅水現(xiàn)象的情況下，往往需要按恒定非均勻流公式推算溝道水面線，從而確定溝道的斷面以及兩岸堤頂高程等。但對于排澇溝道的斷面因素如底坡(i、糙率(n)、及邊坡系數(shù)(m)等應結(jié)合排澇

22、溝特點進行分析擬定。(1) 排澇溝的比降(i) ：主要決定于排澇溝沿線的實際地形和土質(zhì)情況，溝道比降一般要求與溝道沿線所經(jīng)的地面坡降相近，以免開挖太深。同時，溝道比降不能選得過大或過小，以滿足溝道不沖不淤的要求，即溝道的設計流速應當小于允許不沖流速和大于允許不淤流速(0.30.4m/s)。排澇溝允許不沖流速表土壤類別允許不沖流速(m/s)淤土0.2重粘壤土0.751.25壤土0.651.00輕粘壤土0.60.9粗砂土(d=12mm)0.60.75中砂土(d=0.5mm)0.40.6細砂土(d=0.050.1mm)0.25此外，排澇溝比降可在下列范圍內(nèi)選擇：干溝為至，支溝為至，斗溝為至

23、。為了便于施工，同一溝道最好采用均一的底坡，在地面比降變化較大時，也要求盡可能使同一溝道的比降變化較少。(2) 排澇溝的邊坡系數(shù)(m)：主要與溝道土質(zhì)和溝深有關，土質(zhì)愈松，溝道愈深，采用的邊坡系數(shù)應愈大。由于地下水匯入的滲透壓力、坡面徑流沖刷和溝內(nèi)滯澇蓄水時波浪沖蝕等原因，溝坡容易坍塌，所以排澇溝邊坡一般比灌溉邊坡為緩。設計時可參考下表：土質(zhì)排澇溝邊坡系數(shù)表土質(zhì)邊 坡 系 數(shù)挖深<1.5m挖深1.53m挖深34m挖深45m砂土2.53.03.5455砂壤土22.53344壤土1.522.52.533粘土11.522 (3) 排澇溝的糙率(n)：對于新挖溝道，其糙率與灌溉渠道相同，約為0.

24、020.025，而對于容易長草的溝道，一般采用較大的數(shù)值，取0.0250.03。通過計算后確定的排澇溝橫斷面圖如下圖所示：排澇溝橫斷面圖排澇溝在多數(shù)情況下是全部挖方斷面，只有通過洼地或受承泄區(qū)水位頂托發(fā)生壅水時，為防止漫溢才在兩岸筑堤，形成又挖又填的溝道。從排澇溝挖出的土方，可用以修堤、筑路、填高農(nóng)田田面和居民點房基，或填平附近廢溝舊塘，不要任意亂堆在溝道兩岸，以免被雨水沖入溝中，影響排澇。通常堤與棄土堆距離溝的上口，不應小于1.0m，堤(路)高應超出地面或最高水位以上0.50.8m，堤頂寬取0.51.0m，若兼作各種道路，則結(jié)合需要另行確定。對于較大的排澇干溝，有時為了滿足排除澇水和地下水的

25、綜合要求，特別在排澇設計流量和排漬流量相差懸殊的情況下，排澇溝可以設計成復式斷面，這樣可節(jié)省土方和減少水下的施工。防止排澇溝的塌坡現(xiàn)象是設計溝道橫斷面的重要問題，特別是在砂質(zhì)土地帶，更需重視。排澇溝塌坡不但會使排澇不暢，而且增加清淤負擔。針對邊坡破壞的主要原因，在排澇溝設計中，除應用穩(wěn)定的邊坡系數(shù)外，還可以采取下列措施以穩(wěn)定排澇溝的邊坡。（1) 防止地面徑流的沖蝕，如利用截流溝、截流堤或溝邊道路防止地面徑流漫坡注入溝道；或采取護坡措施，如種植草皮和干砌塊石等；（2) 減輕地下徑流的破壞作用，排澇溝與灌溉渠道如采取相鄰布置的方式，則溝、渠之間可安排道路或使溝道采用不對稱斷面，即靠近灌渠一側(cè)采用較

26、緩的邊坡；（3) 對于較深和土質(zhì)松散的排澇溝，采用復式斷面，可以減少溝坡的破壞。復式斷面的邊坡系數(shù)，隨各種土質(zhì)而定，可選用一種或幾種數(shù)值。排澇溝開挖深度大于5.0m時，應在溝底以上每隔34m設置寬度不小于0.81.0m的戧臺。2、 排澇溝橫斷面校核平原區(qū)排澇溝的一個特點，就是汛期(510月)外江(河)水位高漲、關閘期間降雨徑流無法自流外排，只能依靠抽水機及時提水搶排一部分，大部分澇水需要暫時蓄在田間以及湖泊洼地和排澇溝內(nèi)，以便由水泵逐漸提排出去。除田間和湖泊蓄水外需要由排澇溝容蓄的水量(因蒸發(fā)和滲漏量很小，故不計)為h溝蓄Ph田蓄h湖蓄h抽排式中： h溝蓄排澇溝滯蓄水量；P設計暴雨量(一日暴雨或三日暴雨，以mm計)，按除澇標準選定；h田蓄田間蓄水量，水田地區(qū)按水稻耐淹深度確定，一般取3050mm，旱田則視土壤蓄水能力而定；h湖蓄湖泊洼地蓄水量，根