细说水土保持方案中截排水设计流量的计算

四）、排水沟汇流历时t ₂ 计算

排水沟内汇流历时，即在汇流坡面对应下侧这段排水沟里，坡面汇集的雨水从排水沟上游起点流到排水沟出口所需要的时间。

用满宁公式计算沟道内汇流历时，所采用的流量即是汇水区内降雨量计算到沟口的洪峰流量Q _m 。

如果上一级截排水沟的流量没有外排而进入本级，计算沟道内汇流历时的时候要加上修正后的上一级排水沟的流量。

沟道内汇流历时t ₂ 在统计中仅9个报告进行了计算。除了其计算过程复杂外，还因《公路排水设计规范》（JTJ018-97）的两个例题，以及该规范9.1.3条“路面汇流时间取5min”误导，许多报告把汇流时间t=t ₁ +t ₂ 直接取为10min或5min。

之所以沟道内汇流历时t ₂ 计算复杂，是因为沟道汇流时间t ₂ 是一个试算过程，即假定一个汇流时间——代入计算过程——计算出洪峰流量——计算排水沟汇流时间——再代入计算过程计算流量，如此重复直至最后两次的计算结果误差达到最小。

这里具体说一下沟道汇流时间的计算过程，计算过程中同时也把排水沟断面尺寸给予拟定。设定项目为矩形排水沟：

（1）假定其沟宽b=0.6m，根据初步计算的流量Q=0.32m ³ /s，采用矩形渠道水深h迭代公式h _（j+1） =（nQ/i ^0.5 ）0.6x（b+2h _（j） ） ^0.4 /b计算。

其中：i为排水沟比降，该段排水沟原始比降为1:29.49，由于此比降陡于临界坡比，为了使其排水沟水深及其以后的流速计算符合满宁公式，这里将排水沟比降调为1:100，该段排水沟多余的高差用跌水坎处理。出现这种情况要在报告中专门说明，并附工程措施和工程量。

n为排水沟糙率，混凝土表面取0.017。

用电子表格编一组公式，录制一个迭代计算宏，使用起来非常快捷。也可以手算迭代，大学课程有过。

本例计算得出渠道水深h=0.316m。

（2）计算排水沟流速

过水面积：A=0.316×0.6=0.189m ²

流速：V=Q/A=0.32/0.189=1.69m/s

（3）排水沟汇流时间：

排水沟长度：236.6m

排水沟汇流时间t2=236.6/1.69/60=2.335min

五）汇流时间t

t=t ₁ +t ₂ =9.021+2.2.335=11.356min

六）60min转换系数C ₆₀

查《设计规范》图A.4.1-2得项目处60min转换系数C ₆₀ 为0.41。C ₆₀ 查取的要点也和q _5,10 一样，注意位置的准确性，内于两张图的参照点都一样，图A.4.1-1位置确定了，就容易确定图A.4.1-2的位置。查C60没有替代方法，仅此一张图。

七）雨历时转换系数C _t

类似C _p ，规范给出的只有10min历时降雨强度，当我们通过计算得到的降雨历时不等于10min时，就要将10min历时降雨强度换算到相应历时降雨强度到，C _t 值换算就是这个系数。

根据汇流时间t=11.356min和60min转换系数C ₆₀ =0.41从表A.4.1-3中查得降雨历时转换系数C _t =0.952。

在这里确定C _t 值难度要稍微大些，它由“表A.4.1—3降雨历时转换系数（C _t ）表”的最左列“C ₆₀ ”和顶行的“降雨历时t（min）”组合，查取中间的Ct值。水力学许多系数查取就有类似表格，数学上属二维插值。但为难了许多学水工或不是学水工的编制人员，到这里就会有一种无从下手的感觉，然后就大致给一个数值。

在这里首先根据C ₆₀ =0.41查取C ₆₀ 为0.4、0.45两行数据，通过线性插值，得到C ₆₀ =0.41一行的数据。

其次根据t=11.356min，在C ₆₀ =0.41那行数据上查取t为10、15的两列数据1、0.824。通过线性插值，得到t=11.356对应的Ct数据0.952。如下图。

这个二维插值可以在电子表格中通过查表和拟合函数建立计算模块，利用已有的C ₆₀ 和t值，可直接得出结果。

八）设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度

九）径流系数

φ按表A.4.1-1查取，由于φ值对截排水设计流量结果影响大，按《设计规范》要求“若汇水面积内有两种或两种以上不同地表种类时，应按不同地表种类面积加权求得平均径流系数”。本文例题：耕地面积40%，取φ=0.6；灌木林地50%，取φ=0.5；水泥地面10%，取φ=0.9。

合计：φ=0.4×0.6+0.5×0.5+0.1×0.9=0.58

或者：(0.768hm ² ×0.6+0.96hm ² ×0.5+0.192hm ² ×0.9）/1.92hm ² =0.58。

十）集雨面积F

汇入该段排水沟集雨区的投影面积，本例0.0192km2。因为本公式适用于小区域的排水计算，集雨面积的应用范围不是很大，限定是多少相关规范都没说明，但从以下两点可以推证。

其一按照《公路排水设计规范》（JTGTD33-2012）规定“梯形、矩形边沟不宜超过500m，多雨地区不宜超过300m”；

其二按《公路排水设计规范》（97、2012版）均规定，坡面流平均长度≤370m。

因此本公式集雨面积应用的上限是0.185km ² 。

工程实际应用如果集雨面积超过这个值，就应采用项目所在地区的洪水计算公式。

实际上当集雨面积达到0.185km ² 、坡度1:500时洪峰流量达1.84m ³ /s，过水断面1m×0.71m，这不是排水沟，而是排洪沟了，设计标准的要求也就不同了。

十一）截排水设计流量计算

根据前面计算得到的数据，代入公式得截排水设计流量：

Qm=16.67ΦqF=16.67×0.58×1.74×0.0192=0.32（m ³ /s）。

十二）根据排水沟流量成果Q _m 修正汇流历时t ₂

利用上一步的流量成果，从前面第“四）”步开始重新计算t ₂ ，直到t ₂ 或Q _m 值与前一次计算结果相同为止。

整个过程我利用电子表格编制了一个带宏的模块，输入参数后，数次按动宏按钮，即可完成整个截排水设计流量计算过程。

四、截排水沟截排水设计流量计算注意事项

一）、本文公式只适用于水土保持工程截排水沟截排水设计流量，即《设计规范》“5.6坡面截排水工程”“11坡面截排水工程”条款中涉及的排水流量计算，它的应用范围其实很小的。涉及《设计规范》中其它工程项目比如：山区、丘陵区4级弃渣场排洪工程防洪标准，设计30~20年、校核50~30年，对此本文公式就无法计算了。这时应按照《水利水电工程设计洪水计算规范(GB50012--2006)》要求计算。涉及其他行业如交通、住建行业的排水沟应执行其行业标准。不能在方案报告编制中，不论工程类型，不论防洪标准，不管集雨面积大小，都采用截排水设计流量计算公式。

二）、本文公式适用于汇水区域处于截排水沟一侧的情况（坡里排水），当汇水区域处于排水沟两侧（沟道排水）时，理论上应采用地区暴雨洪水公式计算。当沟道排水总的集雨积不大时，也可以采用本公式，但相关参数如坡长、坡角、粗度等要用面积加权平均值。

三）、应用本文公式时一般情况下汇水面积不宜超过0.185km ² ，汇水坡面长度不宜超370m，若超过宜增加截水沟；排水沟长度不宜超500m，若超过宜增加出水口；若前面两种方法都不行，采用相应的地区洪水计算公式计算洪峰流量，并对排水沟进行专项设计。

四）、在t2计算时，排水沟的纵坡不能陡于临界坡，原因是排水沟流速是按满宁公式计算的，在急流情况不可用。在进行了流量计算的67个报告中有9个报告存在这个问题。如果工作实践中遇到这种情况应该采取措施进行处理：一种方法是减缓坡比，多余的高差用跌水坎消除，但方案中同步进行工程措施设计并计入工程量；另一种方法是按急流计算t2，但仍然要采取消能等工程措施。关于排水沟临界坡比的复核，我在“水土保持截(排)水沟设计排水流量计算”计算模板中增加一个临界坡比计算项目，在确定排水沟段面尺寸时一并复核了。

五）、在编制的水土保持方案报告书中应列齐参与计算的所有参数，并完整书写计算过程，保证报告中“任何一个参数都要有据可查，任一个结果都要有据可循”，这是按照审查要点判定“截排水沟工程的水文及水力计算应准确”的唯一依据。从统计的104个报告来看，没有一个报告参数是完整的，只是缺得多少而已。

六）、截排水沟超高的问题，在《设计规范》中规定的截排水工程等级为1、2、3三个等级，截排水沟的超高有0.3m、0.2m两种。而统计104个中有23个报告未按要求设计超高，或没有考虑超高。

七）、严格按照满宁公式复核或计算截排水沟流量。统计的报告中最低级错误就是渠宽、水深、过水面积、湿周、水力半径之间没有逻辑联系，这纯粹是数据造假。方案编制资质要求取消后，大量非专业人员涌入这个行业，一般情况可以参照现有报告修改，但是一旦遇到稍微专业的东西就乱干。统计中有13个报告存在类似问题。

八）、为了准确反映项目截排水沟的排水能力，收集或测绘项目区地形图时，除反映工程影响范围外，也应反映项目区涉及分水岭（或汇水面积）以内的地形，这是准确计算截排水设计流量基本条件。

五、本文例题计算成果

一）、参数

1.截(排)沟汇水面积：F=0.0192km ² 。

2.排水沟长：L _i =236.6m。

3.坡面流平均长度：L _s =91.81m。

4.地面粗度系数m1，查表A.4.2-1，综合取m1=0.4。

5.坡度：i _s =0.529（1/1.89），折合坡角：0.4867弧度，27.88度。

6.排水沟比降：i _g =0.01（1/100）。工程实地平均比降1/29.49，属急流，所以需要采用工程方式调缓排水沟坡度。

7.排水沟长度：l _i =236.6m。

8.径流系数：φ（查表A.4.1-1）。现场耕地面积占40%，取φ=0.6；灌木林地面积占50%，取φ=0.5；水泥地面面积占10%，取φ=0.9，平均φ=0.58。

9.5年重现期和10min降雨q _5,10 （查图A.4.1-1），q _5,10 =2.2mm/min。

10.设计重现期：工程等级三级，重现期3年一遇（P=33.3%）。

11.重现期转换系数分区：2（黑龙江、吉林、辽宁、北京、天津,河北、山西、河南、山东、四川、重庆、西藏）。

12.重现期转换系数：C _p （查表A.4.1-2)C _p =0.83。

13.60min转换系数：C ₆₀ （查图A.4.1-2)C ₆₀ =0.41。

14.排水沟糙率n：0.017。

15.排水沟比降i：0.01。

16.排水沟底宽B:0.6m。

17.排水沟过水深h ₀ ：0.316m。

18.排水沟左坡比m：1：0。

18.排水沟右坡比m：1：0。

二）、计算结果

六、典型问题案例

一）、14号案例，基本参数缺失。

这个报告在参与统计的报告中相对做得细致的，但仍有不少瑕疵。

1.缺少工程等级和排水标准，只能从C _p =1推证5年一遇。

2.60min转换系数C60缺失。根据报告提供的经纬度还原，线性工程长50km，C ₆₀ 为0.4～0.42之间，从复核成果看大约取的0.41，但仍然不能还原其成果。

3.坡面流长度取值小于平均坡长，逻辑不符。有一种可能，双面坡算的平均值，但无专文表述。这也是报告不完善的地方。

4.缺少一对一排水沟纵坡，笼统地取排水纵坡比0.02，并且这个值还大于临界坡比。

二）、9号案例，基本参数缺失、计算过程缺失

1.缺少工程等级和排水标准。

2.这个报告截排水设计流量计算的参数基本没有，计算过程也未体现，根本无法判断其计算结果是否准确。特别是q值出现唐突。

3.渠道过流量计算时未考虑超高。说明中超高0.1m错误，按《设计规范》规定截排水沟只有0.2m、0.3m两种超高。

三）、50号案例，基本参数缺失、计算过程缺失

1.缺少工程等级；

2.截排水设计流量计算的参数基本没有，计算过程也未体现，根本无法判断其计算是否准确。

3.C _t 取1简单粗暴，隐形t=10min。

4.q _5,10 根据“《设计规范》附录‘图A.4.-1中国5年一遇10min降雨强度q _5,10 等值图’”查得1.5mm；根据《四川省暴雨统计参数》查得1.70mm（q ₁₀ 为13mm，C _v 为0.45）；根据《中国暴雨统计参数图集》查得1.54mm（q ₁₀ 为12mm，C _v 为0.4）。因此q _5,1 0涉及非《设计规范》取值应在报告中说明。但无论什么方法本报告取值2.0mm都是错误的。

5.临时排水沟前后表述不一致，安全超高0.1m错误。

四）、45号案例，基本参数缺失、计算过程缺失

1.未明确工程等级。

2.截排水设计流量计算的参数基本没有，计算过程也未体现，根本无法判断其计算是否准确。

3.C _t 取1简单粗暴，隐形t=10min。

4.q _5,10 根据“《设计规范》附录‘图A.4.-1中国5年一遇10min降雨强度q _5,10 等值图’”查得1.7mm；根据《四川省暴雨统计参数》查得1.49mm（q ₁₀ 为12mm，C _v 为0.32）；根据《中国暴雨统计参数图集》查得1.54mm（q ₁₀ 为12mm，C _v 为0.4）。因此q _5,10 涉及非《设计规范》取值应说明方法。但无论什么方法本报告取值2.0mm都是错误的。和前一个报告雷同，但非一家单位编制。

5.排水沟糙率n=0.005偏小，一般浆砌石排水沟糙率0.02~0.025，混凝土排水沟糙率0.013~0.018。塔基排水沟过流能力校核表中“糙率、渠道比降、渠深、底宽、顶宽、断面面积、过流能力”之间没有逻辑关系，有数据造假之嫌。

五）、26号案例，基本参数缺失、计算过程缺失

1.未明确工程等级。

2.截排水设计流量计算的参数大量缺失，计算过程也未体现，根本无法判断其计算结果是否准确。

3.q值出现唐突。

4.渠道过水断面尺寸与水力半径、过水流量无逻辑关系。

六）、68号案例，计算过程缺失、概念不清

1.未明确工程等级。

2.截排水设 计流量计算的参数大量缺失，计算过程也未体现，根本无法判断其计算结果是否准确。

3.降雨强度“10年一遇1小时最大降雨量”不是本公式的概念，“设计洪峰流量计算表”内数据找不到逻辑关系。

七、结语

开发建设项目水土保持方案是一个指导工程实施的技术方案，也就是工程设计。既然是工程设计，就要求基础资料详实可靠，过程严谨，逻辑清楚，结果准确。对于编制人员来说，既然进入这个行业，就必须遵守本行业规定，严格按照国家标准、行业规范、主管部门要求从业，不能随心所欲。

笔者根据本文思路编写了一个“水土保持截(排)水沟设计排水流量计算（GB51018-2014）”excel模板，可计算截排水设计流量、拟定截排水沟断面尺寸、复核临界坡比，附赠按“暴雨统计参数图集求q5,10”。同步发一个50次试用版到土木在线，有兴趣的可以下载。支持excel2010以下，请允许使用用宏，密码1234。使用中若禁用“宏”或输入密码错误无法打开excel，请启动任务管理器—进程—结束“EXCEL. EXE *32”进程即可。暂时不支持wps，原因是手上没有带vba的wps版本。也不要试图用wps打开，也防出现意想不到的错误。

作者简介：

罗太君，合江县水务局高工，四川省水利风景区专家库专家、眉山市涉水技术咨询活动评审专家，合江县荔城专家服务团成员。长期从事水电工程设计、涉水技术咨询和施工管理工作，曾组织和参与设计小水电工程设计数十座，参 与 县内绝大部份防洪堤施工管理。于上世纪 80 年代末独立安装调试完成了县内第一台具有国内最先进水平的可控硅励磁系统（装机 2 × 1250kW ），独立完成一座 2000kW 水轮机组自动化系统安装调试，独立编制完成了优于同类的“四川省小型水库洪水计算塈调洪演算 Excel 模板”，曾为县领导出谋划策解决困扰多年的县城城西公园渗漏问题。善长水电工程规划、小型水电站电气一二次设计与施工、小型水电站电站水力机械选型设计、水文水能计算、水资源分析计算、小型水电站水工结构设计、水土保持方案编制等，善长利用 Excel 进行工程设计。

来源：水土保持之点滴

编辑：水土保持技术服务