渠道防洪改造及排水流量处理

山丘地区，渠道盘山修建，必然要截断天然汇流途径，造成一系列没有排水出路的排水块（指沿渠有明显沟溪的集水面积或无明显沟溪的山坡坡面）。如不妥善处理，暴雨之后，山洪夺渠而入，便会冲毁渠堤及建筑物，淹没庄稼及村庄。

渠道防洪改造的任务，就是要校核被渠道截断的排水块排水流量，解决其排水出路问题。

丘陵地区渠道防洪工程的特点是：小型分散、处数多、工程量大。由于它是确保渠道安全的重要措施，必须予以充分重视。

（一）改造原则与设计标准

1.改造原则

（1）在条件允许时，尽量采用渠下泄洪建筑物，不让洪水入渠，减轻渠道的泄洪负担，管理较为方便。

（2）对入渠的排水块洪水，如小于渠道泄洪能力，利用渠道作临时撇洪渠，输送到泄洪闸（堰）泄入天然溪沟；如因渠道泄洪能力太小，需要泄洪闸过多，或无适宜的天然溪沟退水，以及天然溪沟泄洪能力不够时，可以考虑适当增加渠道的超高，或疏浚整直天然溪沟，以提高渠道或天然溪沟泄洪能力，减少泄洪闸的处数。从渠道分段管理和维修考虑，泄洪闸不宜过少，以免过多地增加渠道和溪沟的泄洪负担。

（3）有些建筑物可以考虑与其他建筑物结合，以减少渠道建筑物数量。如渠上泄洪渡槽与人行桥结合；较大的多孔渠下涵与人行道结合，洪水时泄洪，枯水时留1～2孔过人。

2.设计标准

渠道防洪标准是指设计洪水的标准，应根据洪水危害程度分别拟定。如入渠洪水的标准高，主要渠道的防洪标准高；而不入渠洪水或小渠道的防洪标准低。对于大型灌区，拟定以下标准，供设计时参考。

（1）不入渠洪水一般采用5年一遇的设计标准。

（2）总干或干渠入渠洪水一般采用10年一遇的设计标准，重要工程可采用20年一遇的设计标准。

（3）不入渠洪水经建筑物漫溢后，有可能进入渠道者，应按入渠洪水标准设计。

（4）支渠及以下渠道一般按5年一遇设计。

（二）设计洪水计算

设计洪水计算包括两方面的内容：一是在确定的防洪标准下，通过暴雨洪水计算，推求各排水块的设计最大洪峰流量；二是入渠洪水的组合计算。

1.排水块设计洪水计算的特点

被渠道截断的排水块或汇流坡面，在设计洪水计算方面，具有如下特点：

（1）集雨面积小。除极少数应做交叉建筑物的沟溪外，绝大部分都在1km2以内，最小者仅二三亩面积，均无实测暴雨洪水资料。

（2）坡降陡。排水沟溪干流一般为50%左右，在没有明显沟谷的坡面，坡降可达300‰，甚至更大。

（3）山坡植被一般较差，且大多没有塘、库调蓄。

（4）流量模数大。据韶山灌区1km2以下的排水块统计，5年一遇和20年一遇的洪峰流量模数分别为9～11m3/（s·km-2）和5～17m3/（s·km-2）。

2.设计洪水计算方法

鉴于排水块设计洪水的计算具有上述特点，故主要采用暴雨推求小汇水面积洪水的方法进行计算。依排水块的面积大小及地形特征，可采用下述两类方法计算洪峰流量。

（1）溪沟汇流计算。当排水块集雨面积较大，且具有明显溪沟时，应采用推理公式或地区经验公式计算设计洪水。推理公式的形式及解法多种多样，所涉及的参数地区性也很强，可依各地特点及习惯，选定比较合适的公式。至于地区经验公式，各地亦有规定，读者可参考当地有关水文图集及资料，此处不再赘述。

（2）坡面汇流计算。当排水块集雨面积很小且无明显溪沟时，应采用坡面汇流法计算设计洪水。坡面汇流计算方法很多，例如适用于无资料地区的铁道部第一设计院推荐的计算方法等。

韶山灌区在渠道防洪规划中，对于坡面汇流的洪峰流量计算，曾采用下述简化计算公式，可供参考：

式中：Qm为相应于某一频率的洪峰流量，m3/s；Sp为设计雨强，即1h的雨量，mm/h；F为坡面面积，km2。

由于在一定的灌区范围内，相应于某一设计频率的雨强为一固定数值，故简化计算公式的洪峰流量只与集雨面积成比例关系，计算十分简捷。

但在利用以上这类方法推算排水块的设计洪水时，还应针对渠道防洪改造工程的特点，注意下列问题：

1）对于公式中的一些参数，尽可能根据灌区具体条件进行检验，得出符合本灌区实际情况的参数值。

2）对已受洪水破坏的渠道工程，应补测渠道带状地形图，结合对沿渠排水块的特性进行调查，重新规划过渠工程的类型，以便确定防洪标准。

3）由于渠道防洪规划中排水块及汇流坡面很多，洪水计算工作量很大，在设计中应对计算工作及时进行总结，简化步骤，提高精度和速度。

3.入渠洪水的组合

入渠洪水，常常经过一段渠道，沿途汇集几个排水块的洪水后，再经过泄洪闸（堰）排入天然沟道，如图6-9。设计泄洪闸（堰）的流量应按组合洪水确定。洪水组合计算包括各排水块的设计洪水过程线计算与洪水过程线的叠加计算。

图6-9　洪水入渠示意图(www.xing528.com)

（1）设计洪水过程线。进行洪水组合，必须先确定洪水过程线。洪水过程线可以用概化的等腰三角形表示，以二倍的汇流时间为底宽，最大洪峰流量为高，因为短历时暴雨对小汇水面积的洪峰起主要作用，洪水历时很短，用概化等腰三角形表示误差不会太大，如图6-10。

汇流时间可选择典型排水块，其坡降及流域形状具有代表性，按照推理公式或坡面汇流公式计算汇流时间τ典型，然后按各排水块的干流长度（坡面为平均长度）的比例求得各排水块的汇流时间τi，即

图6-10　洪水过程线概化

图6-11　洪水组合图解法示例

（2）洪水过程线的叠加。在洪水组合计算中，为了简化计算工作，在保证基本精度的前提下，作如下假定：①洪水进入渠道后，洪水过程线不发生变形，即不考虑渠槽调蓄作用。实际上由于渠道水位的升高，渠槽调蓄减小了洪峰流量。②洪水在渠道中的传播速度是均匀的，按渠道设计流量确定。实际上开始时流速小，只有满渠后才达到设计流速。③对于一些较小的汇流坡面，可简化为某一个平均位置进入渠道，如图6-11中之b点。

计算步骤：首先量得各排水块洪水入渠处的相互间距L，根据渠道流速v设计，求得各段传播时间t=；而后错开传播时间，从下游向上游顺时序将洪水过程线上量得的逐时流量叠加，即为叠加后的洪水过程线。具体叠加方法可用图解法及列表法进行。图6-11为用图解法进行洪水组合的示例。

（三）渠道防洪建筑物的选择

1.渠道防洪建筑物的类型

渠道防洪建筑物可分为入渠泄洪建筑物和非入渠泄洪建筑物两大类。

（1）入渠泄洪建筑物。入渠泄洪建筑物是将排水块山洪引入渠内，灌溉季节可增辟灌溉水源，非灌溉季节及洪水超过渠道泄洪能力时，由泄洪闸（堰）排泄入天然溪沟。它包括有消能沉砂设备的陡坡、跌水、压力涵管等。其特点是规划布置比较容易，工程结构简单，每座工程量虽然不大，但座数多，对渠道防洪安全影响大。

（2）非入渠泄洪建筑物。山洪不进入渠道的建筑物，包括渠下泄洪涵洞（管）、渠下倒虹吸管及渠上泄洪渡槽等。不入渠泄洪建筑物设计时，应注意防止淤积和堵塞的问题，尤其是比较小的渠下涵管，更易因下游排泄不畅而淤塞。

大部分泄洪建筑物，都存在消能问题，它对工程造价影响很大。规划布置时，应考虑地质好、落差小、尾水渠短、不增加或少增加溪沟的泄洪负担，少挖压耕地等因素，综合研究，妥善地选择布置方案。

2.泄洪建筑物形式的选定

选定泄洪建筑物的形式，要按因地制宜、就地取材、避繁就简和便于施工的原则选定，主要取决于渠道泄洪水位高程（H渠洪）、渠道底部高程（H渠底）、溪沟设计洪水位高程（H溪洪）及溪沟沟底高埕（H溪底）之间的相互关系，并通过实地调查研究分析后确定。

（1）挖方渠段，H溪洪＞H渠洪。

1）深切渠段，H溪洪＞H渠洪+超高Δh。当山洪流量大，不允许入渠时，可以采用渠上泄洪渡槽宣泄山洪；如排水块流量小，或渠道泄洪能力大，则可让洪水入渠，它比渠洪渡槽经济得多。

2）一般切方渠段，H溪洪＞H渠洪，且H溪底＞H渠底，可采用泄洪倒虹吸管、灌溉倒虹吸管、入渠陡坡等。

（2）半挖半填渠段。H溪洪≈H渠洪，且H溪底＞H渠底，可做泄洪倒虹吸管，或灌溉倒虹吸管。

（3）填方渠段，H溪洪＜H渠洪。

1）低填方渠段，H溪洪＜H渠洪，且H溪底≈H渠底，可采用泄洪倒虹吸。

2）高填方渠段，H溪洪＜H渠洪，且H溪底＜H渠底，可采用渠下涵洞或渠下涵管泄洪；或渠道放弃高填方，采用渡槽，洪水仍由溪沟宣泄。

（4）入渠洪水与泄洪闸。根据组合洪水过程线，校核泄洪建筑物的位置和规模，保证汛期渠道水位不超过灌溉的加大流量水位。泄洪闸可按组合后的洪峰流量设计，如组合洪峰流量小于灌溉设计流量，则应按灌溉设计流量设计。泄洪闸的位置，根据渠道防洪安全及运行管理方便，最好布置在大型建筑物（如渡槽、隧洞）进口上游或渠道高填方与深切方等难工险段上游，并有退水溪沟的地方。泄洪闸处一般应配合节制闸，帮助控制渠道水位。

溢流堰是渠道上的开敞式溢洪道，具有自由溢流、工程最小的优点。一般堰顶平渠道设计水位，溢洪时，堰前水位允许达到加大水位。这种溢流堰宣泄能力较小，往往不能全部排除区间径流，所以只能作为辅助泄洪建筑物，与泄洪闸配合使用。其位置按组合洪水过程线确定，溢流堰设计流量等于渠道加大流量与渠道设计流量之差或组合洪峰流量与渠道设计流量之差。

（四）泄（退）水渠道的设计

泄（退）水渠道的设计方法和步骤与灌溉渠道的相同，但其流量、流速和断面参数等有所不同，应符合下列规定。

（1）灌溉渠首段泄水、排沙渠道的设计流量不应小于灌溉渠首段下游渠道的设计流量。

（2）分水建筑物上游泄水渠道的设计流量可按分水建筑物下游最大一条分水渠道的设计流量确定，但不应小于分水建筑物上游渠道设计流量的50%，必要时也可按分水建筑物上游渠道的设计流量确定。

（3）用于调节渠道流量的泄水渠道条数可根据需要和具体条件而定，各泄水渠道的设计流量可按等于或略小于所在的渠段的设计流量确定。

（4）渠道末端退水渠道的设计流量不应小于渠道末端设计流量的50%。

（5）泄（退）水渠道的允许不冲流速可采用相同条件下灌溉渠道的1.1～1.2倍。

（6）泄（退）水渠道的纵、横断面设计方法与灌溉渠道相同，但其边坡系数应比相同条件下的灌溉渠道稍大。

（7）泄（退）水渠道的岸顶超高和宽度，可比相同条件下灌溉渠道的稍小。

（8）泄（退）水渠道出口与承泄区连接处的水位差过大时，应设置衔接建筑物。

（9）有条件时，应利用天然沟谷作为泄（退）水渠道。