一、渠道设计

    1、坡降选择

渠道设计的坡降主要决定于自然地面的坡降。总干渠的坡降是由渠首引水高程和灌区制高点分水岭海拔450米所决定的。渠首豳西省平顺县侯壁下海拔高程为465米，比分水岭海拔高15米，因此设计渠首渠底为海拔464.75米，设3.5米高的拦河坝引水。在分水岭南部山脉中，呈西南、东南伸出一、二干渠，在分水岭上向东北伸出三干渠。由于各种因素的限制，总干渠采取比较平缓的坡降1／8000，以争取较大的灌溉面积。各大型建筑物如渡槽、隧洞等，则采取了l／3500左右或更陡一些的坡降，以减少工程方量。一千渠为了减少水头损失，保证能把水送入英雄渠内，同时又不多占用耕地，采用平缓坡降1／4000—1／5000。二干渠山势较高，灌区较低，采取了1／1000—1／2000较陡的坡降，以减小过水断面，节省工程方量。随着灌区向下游逐渐低落的特点，沿渠线又建了6个跌水来调整坡降，既保持了较大的灌溉面积，又不致使渠线过高。三干渠由于地形限制灌溉面积较小，采取1／3000坡降。    

2、流量计算  
　　渠道流量大小，除主要与所控制的灌溉面积有关外，还与灌溉方式有关。如为续灌，流量就可小些；如为轮灌，流量则需大些。总干渠和三条干渠均采用续灌方式，支渠以下采用轮灌方式。其它如渠道渗漏损失、输水长度、水的利用系数和衬砌材料等，都在不同程度上影响流量计算。渠道流量由支渠开始推算，支渠以下则以渠系有效利用系数来概括其全部水量损耗。参照几个大型灌区的数据确定红旗渠的渠系有效利用系数n=0.83。（见表1-3-2）

   

从各斗渠的进水流量，以轮灌方式推算支渠的净流量和毛流量。同样以支渠轮灌组支渠口流量作为干渠的净流量，逐段向上推算渗漏流量和干渠毛流量，得出干渠进口流量。各干渠进口流量总和，即为总干渠的净流量，同时，总干渠设计流量也可算出。

3、过水断面设计

红旗渠各级渠道，绝大部分采用矩形过水断面，少部分采用半梯形或梯形过水断面。梯形断面在逐年维修中也被陆续改建为矩形断面。

矩形断面适用于山区渠道。山区石料丰富，可以就地取材，随挖随砌，减少弃方。同时占地面积小，开挖方量少，旋工技术简便，群众容易掌握。在红旗渠设计中，根据不同情况，选用了不同的型式。如渠道建在填方地基，采用了两侧均为重力墙形式，1-3-3(a)如建在岩石地基上，岩石质地良好，边坡稳定，则采用图1-3-3(b)型式，靠山一边只作衬砌，以防渗水和减少糙率；如渠道通过土质或岩石风化严重的地段，采用图1-3-3(c)型式，两侧均为重力墙；如渠道一侧为岩石，介于图(b)和图(c)之间的地质时，亦采用图(b)的断面型式。

一干渠全长39.7公里，其中有28.5公里设在土夹石堆积层和砂卵石洪积层上，故设计为梯形断面，并采用粘土防渗，片石护面结构。这样，可以缩短工期，降低造价，提前发挥灌溉效益。但是，三结合工程技术小组经过多次商讨，广泛征求群众意见后认为：梯形断面的弱点是多占地85亩。同时，干砌片石护面不能确保防渗层不受寒冻、冲刷的破坏，工程地质条件也不易保证防渗层和断面型式的稳定。此外，粘土来源有限，粉碎、夯实的任务也比较艰巨。所以，在施工时，改为浆砌石矩形断面。

在施工管理运用的实践中证明，采用矩形砌石渠道虽然在修建时多用一些工日和投资，但断面稳定，渠身牢固，有防渗、防冲，便于和建筑物联接等优点，同时给以后的管理维修工作也带来了方便。特别是少占耕地，对地少人多的山区来说意义更大。从长远来看，这种过水断面型式，在石料丰富的山区是可取的。

总干渠和三条干渠修建在太行山腰，因受地形限制，弯曲、迂回、盘旋绕行，这是山区渠道难以避免的。若使渠道顺直，必然大大增加工程量和投资。因此，在选线时，一般要求目测的弯道曲率半径不小于三倍水面宽度，并要求尽量顺直，避免陡弯，必要时削坡改线。

渠道糙率(n)，是决定过水能力的一个重要因素。在总干渠及干渠设计时采用n=0.0225，当时系假定全渠均用浆砌石衬砌。但在施工中，部分渠段岩石质量较好，渠底和靠山一边未衬砌。1963年，对红旗渠总干渠和英雄渠干渠进行了实测，结果n值均在0.028-0.031之间。分析其原因，在于渠道的部分地段没有衬砌，对糙率影响较大。此外，渠道弯曲也会对流速有一定的影响。根据以上情况，在红旗渠建成后，已对大部分衬砌不完整的渠段加以衬砌修补，不但改善了糙率，而且渠道防渗效果也明显好转。总干渠和各干渠过水断面计算成果见第三编表3-4-3。 渠道过水断面(矩形)的尺寸，根据已选定的坡降、流量和断面的几何形状，利用水力学明渠均匀流公式进行了计算确定。

4、渠墙断面设计

过水断面确定之后，即应设计出符合经济安全要求的渠墙尺寸，不致于出现地基变形的危险。关于这方面的计算，一般按两种最不利的工作条件来分析：一是墙内水深最大，墙外无依无靠(完全临空)，由水压作用和墙体自重来维持平衡，如图1-3-5(a)；二是墙内无水，墙外填土，由土压作用和墙体自重来的维持平衡，如图1-3-5(b)。上述两种情况的计算方法从略。

二、建筑物设计

全灌区各级渠道的各种大小建筑物甚多，其中，总干渠和三条干渠较大主要建筑物有：总干渠渠首枢纽工程、青年洞、自家庄空心坝、南谷洞十孔渡槽、分水岭分水闸、一干渠的桃园渡桥、红英汇流、二干渠的夺丰渡槽、三干渠的曙光洞，还有三干渠三支渠的丁冶岭曙光渡槽等。这些重点建筑物的设计，这里不一一记述，仅根据1960年3月1日第一次编出的《林县引漳入林灌溉工程扩大初步设计书》中记载，将总干渠和三条干渠5处主要建筑物的设计分别作简要叙述(设计计算方法略)。

1、总干渠渠首枢纽工程设计

渠首枢纽工程由溢流坝、引水隧洞、引水渠、进水闸、泄水冲砂闸等建筑物联合组成。

(1)溢流坝。拦河溢流坝位于侯壁断下600米处、河床宽95米。考虑在不影响上游侯壁水电站出力的情况下，确定拦坝顶高程为468.9米(与枯水位相同)，坝底最低高程为465.4米，坝高为3.5米。坝址河床有石英砂岩露头，河床中间有突出孤石，可利用孤石分段截流筑坝。坝基和坝头都有石英砂岩接榫，并嵌入基岩0.3-0.4米，安全牢固，稳定可靠。坝下游也是裸露的厚层岩石，抗冲力强，无需做消力设备。据天桥断水文站考察，此段浊漳河历史上的最大洪水流量为7000立方米／秒，以此作为坝顶的最大漫溢流量来计算研究坝体安全程度。坝的断面采用克立格-奥非采罗夫非真空实用堰，坝的断面尺寸如图1-3-6。坝体采用水泥砂浆砌石重力坝结构，其单位重量2.3吨／立方米，浮托力系数采用1／2，流量系数采用0.49，坝体与基岩摩擦系数取用0.7，侧收缩系数用0.95，按最高水位和无水时进行应力分析计算(计算略)。经计算，抗滑安全系数Kc等于4.02>1.3，坝顶水头为10.5米。下游河槽，按底宽95米，边坡1:2，坡降1／200，糙率0.035，求得下游水深7.8米。

(2)闸门。引水隧洞长105米，位于溢流坝的右端，洞后经55米的明渠设单孔宽2米共3孔的进水闸。渠道设计加大流量25立方米／秒。进水闸底高程为463.75米，闸前底板上设有一道高0.5米的斜向栏砂槛，用此拦截粗粒砂石块，防止进入闸后渠内。冲砂泄水闸设在进水闸上游左侧，共2孔，单孔宽2米，冲砂闸底比渠底低一米，提开冲砂闸门，可将闸前渠内淤砂冲入河里。当洪水期流量超过25立方米／秒时，冲砂闸还可起到泄洪作用。

2、青年洞设计

青年洞是总干渠的咽喉工程之一，设计洞长616米，宽6.2米，高5米，为马蹄形无压隧洞，洞底纵坡1／1500，糙率(n值)采

用0.03，设计过水流量25立方米／秒(与明渠同)，洞的上、下游与渠深4.3米，底宽8米，纵坡1／8000的明渠连接。该隧洞上段为弓形顺山开洞，下段为216米的穿山直线洞。下段若采取绕山开明渠，需开渠道长约2000米，是钻洞长度的10倍，故选择钻洞方案。

隧洞过水断面按均匀流计算，经计算结果，过水流量为25.8立方米／秒，略大于明渠设计流量，符合设计要求。总水头损失为0.5米，其计算过程略。

3、自家庄空心坝工程设计   

总干渠到自家庄村西浊河处，经测量渠底设计高程与浊诃底平交。若使渠道再向上游绕行穿河底修筑涵洞过河，渠道要低于洪水位，不易防洪；若向下游移建跨河渡槽，投工投资太大，并且河床砂卵石覆盖层较深，当时经济又十分困难，也不易取。指挥部领导、技术人员和修渠工匠们一起深入现场考察，提出设计空心坝的方案，解决了总干渠与浊河的交叉矛盾，成为当时设计工作中的创举。

该空心坝按百年一遇洪水流量1500立方米／秒设计，拟定空心坝的形状和尺寸是：坝长166米，坝体呈弯曲弓形，既能使水流畅通，又可增强抵抗上游水压的能力。设计坝高6米，顶宽7米，底宽20.3米，坝基深埋1-2米。坝下游消力池长20米，宽103米，深1米，再以下为护坦及干砌大块石护底部分。坝体内的输水涵洞采用双孔拱形结构，每孔宽3米，高4.5米，洞底纵坡1／1818。过水流量25立方米／秒，总水头损失0.35米。坝体内外及消力池临水面部位，均采用水泥砂浆砌石，其它部位用石料石灰砂浆砌筑。

为了控制洪水流势，不使其漫入空心坝进出口段明渠中和危及下游白家庄的安全，在坝的两头各设有高4.4米的导水墙，直至下游护坦尽头处终止。

4、三干渠曙光洞工程设计

第三干渠曙光洞线太长，必须开凿竖井来增加工作面和通风、出碴。曲线隧洞放样复杂，较难准确掌握方向，一般很少采用，而多用折线隧洞。曙光洞长近4公里，就是采取由几段折线所组成，从中间设置了34个竖井，这样既提高了工程进度，还达到了工程质量要求。