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1、水土保持工程学1绪论v水土流失与水土保持我国水土流失状况及其危害水土保持的成就与作用水土保持的基本原则v水土保持工程学的研究对象和内容v水土保持工程发展简史v水土保持工程学与其他学科的关系2水土流失与水土保持v水土流失（waterandsoilloss)：在水力、风力、重力等外营力的作用下，水土资源和土地生产力的破坏和损失。包括土地表层侵蚀及水的损失，也称水土损失。v水土保持(waterandsoilconservation)：防治水土流失，保护、改良与合理利用山丘区和风沙区水土资源，维护和提高土地生产力，以利于充分发挥水土资源的经济效益和社会效益，建立良好生态环境的事业。v水土保持工程学：应
2、用工程原理，防治山区、丘陵区、风沙区水土流失，保护、改良与合理利用水土资源，以充分发挥水土资源的经济效益和社会效益，建立良好生态环境的科学。3我国水土流失的现状及危害v我国水土流失现状椐水利部遥感中心调查统计，全国土壤侵蚀面积达492万km2，占国土面积的51%，其中轻度以上水蚀面积179万km2，风蚀面积188万km2，冻融侵蚀125万km2。v水土流失危害破坏土地吞食农田降低土壤肥力，加剧干旱发展淤积抬高河床，加剧洪涝灾害淤塞水库湖泊，影响开发利用4水土保持的成就与作用v水土保持的作用增强蓄水能力，提高降水资源的有效利用消洪增枯，提高河川水资源的有效利用率对河川年总径流量的影响控制土壤侵蚀
3、，减少河流泥沙改善水文环境，保护水质促进区域社会经济可持续发展v水土保持的成就几个阶段：1980年小流域综合治理、1991年水土保持法的颁布、1992年市场经济的提出、1996年城市水土保持、1997年退耕还林、生态环境建设的提出（西部大开发）、2003年（振兴东北老工业基地）5水土保持工程研究对象与内容v研究对象：山丘区及风沙区保护、改良与合理利用水土资源，防治水土流失的工程措施。v水土保持工程的内容坡面工程沟道工程山洪排导工程小型蓄水用水工程6水土保持工程发展简史v我国水土保持工程的发展历史悠久公元前956年中国就有“平治水土”的记载战国末期（公元前221年）“高低畦田整地”梯田早在汉代已
4、经出现淤地坝在黄河流域也有400年的历史引洪漫地，距今已有2000多年v国外水土保持工程的发展欧洲文艺复兴以后，采取以恢复森林为中心的复旧工程奥地利1884年，总结出了一套防治荒溪侵蚀的森林-工程措施体系1928年，日本的砂防工学20世纪30年代，美国教授贝勒特创立土壤保持学7第二章 坡面集水保水工程v集水技术（雨水集蓄工程）简介v水窖的设计v蓄水池的设计v截流沟v水平阶、水平沟v保水技术8我国水资源的特点v水资源的总量不少，但人均、单位面积占有量少，人均为世界人均水量的1/4。v水资源地区分布不均匀，与人口、耕地分布不适应，南方水多地少，北方地多水少。v北方旱区水资源总量只占全国的14.4%
5、，v水资源的匮缺是一个严峻的问题，特别的北方的干旱地区问题更严重。9雨水集蓄工程概述v是指人工对降雨进行收集、汇流、蓄存并进行调节利用的微型水利工程。v一般由集雨系统、输水系统和蓄水系统组成集雨系统：收集雨水的场地，可以是庭院、屋面、道路、胡同和大田等，也可以是采用防渗材料铺砌的地面输水系统：输水沟和截流沟，其作用是将集雨场中的雨水收集起来并输送到沉沙池。蓄水系统包括蓄水建筑物及其附属设施v蓄水建筑物主要是水窖（窑）和蓄水池v主要的附属设施有沉沙池、拦污栅、进水管、消能设施、窖口平台10水窖的功能与类型v水窖的功能拦蓄雨水和地表径流提供人畜饮水和旱地灌溉的水源减轻水土流失v水窖的类型井窖窑窖（
6、挖窑式、屋顶式）竖井式圆弧型混凝土水窖隧洞型浆砌石水窖11雨水集蓄工程规划（一）v规划的主要任务根据雨水资源、生产生活用水情况，合理确定工程的规模合理布设集雨场、蓄水建筑物和附属建筑物工程投资估算、效益分析v规划的主要原则因地制宜，选用合适的集雨场和蓄水建筑物的形式实现多目标利用与当前农村管理体制相适应突出效益发挥12雨水集蓄工程规划（二）v基本资料的收集v水文计算（来水量、用水量、水量平衡计算、确定蓄水工程的数量和容积）v集雨场规划v蓄水工程设计（选址、容积设计、结构设计、工程量计算）v配套设施设计v投资估算、效益分析13141516蓄水池的规划设计v定义：用以拦蓄地表径流为主，蓄水量在50
7、1000m3蓄水工程。v功能：拦蓄地表径流、减轻水土流失、人畜饮水和灌溉。v类型圆形、矩形封闭式和敞开式v布置形式：平地涝池、结合沟头防护、沟底坡脚布置、连环涝池v选址：村旁、路边、梁峁坡和沟头上部17水窖、蓄水池的管护v水窖和蓄水池正常运行的要求蓄水渗漏量小水窖和蓄水池内淤积量较小（20%）保证水窖内常年有水，水窖水位不低于0.2米v管护蓄水时的管护:清淤、清理杂物、疏通进水管日常管护：定期检查维修水窖（蓄水池），使其完好无损。18山边沟v在坡面上沿等高线方向，每隔适当距离修建的浅三角形沟。山边沟原是美国实行的一种坡面水土保持措施，1956年廖绵睿将此措施引入台湾省。19水平竹节沟v在坡面上
8、沿等高线开挖蓄水水平沟，沟内每隔一定距离培筑横向挡水土堤，水平沟截成竹节样的长方形蓄水坑，分段拦蓄雨水和坡面径流，在平面上看，又酷似隔坡如剖开的楠竹，在综断面上看，有酷似隔坡梯田。水平沟是干旱、半干旱丘陵山区一种很重要的造林整地措施。v水平竹节沟，由于其上方坡段要退耕种草或栽植林灌，径流将大为消减，因而水平沟的蓄水容积Q可按拦蓄10年一遇的3h暴雨标准来设计，即Q=F(h-f)+LBha+U1+Fh0式中，F为每个竹节的沉雨面积；h为10年一遇3h暴雨量；f为竹节形水平沟内土壤入渗水量；L为二水平沟间的斜坡长度；B为竹节的宽度；a为径流系数；U1为水平沟每竹节宽度坡面上3年累计冲刷下来的土量；
9、h0为水平沟蓄水埂安全超高。20截流沟设计（一）v定义：在斜坡上每隔一定距离横坡修筑的具有一定坡度的沟道。v功能截短坡长、阻截径流，减免径流冲刷将分散的坡面径流集中起来，输送到蓄水工程或直接输送到农田、草地或林地与等高耕作、梯田、沟头防护等措施结合，对保护其下部的农田、防止沟头前进，维护村庄和公路、铁路的安全有重要作用。v截水沟布置：截水沟间距确定（间距随坡度增大而减小）v截水沟断面设计（纵坡确定、设计洪峰流量、过水断面确定）21截流沟设计（二）v底坡的确定决定于地面坡度和土质满足不冲不淤流速要求底坡的确定与断面设计互为依据、相互联系v断面尺寸确定明渠均匀流公式：Q=C.A（Ri)1/2v洪峰
10、流量计算：Q=KImFnv设计步骤假设横断面h或b计算流速v，判断是否属不冲不淤流速，校核流量否则，改变断面尺寸，重新设计22第三章 梯田v梯田的发展历史v梯田的分类v水平梯田v隔坡梯田v坡式梯田23（一）水平梯田24梯田附属建筑物规划v坡面蓄水拦沙设施规划v梯田区的道路规划v灌溉排水设施的规划25（二）隔坡梯田v定义v优点v隔坡梯田的优化设计26隔坡梯田定义v隔坡梯田是根据拦蓄利用径流的要求，在一个坡面上修建的每一台水平梯田，其上方都留出一定面积的原坡面不修，坡面产生的径流拦蓄于下方的水平田面上。这种平、坡相间的复式梯田布置形式，叫做隔坡梯田。水平梯田与间隔的自然坡面占地之比称为平坡比。27
11、隔坡梯田的优点修筑省工。v据尹传淞等人的实验，一般修建每公顷连台水平梯田需用工727个，而修建隔坡梯田仅150-255个。利于实施径流农业，防旱、抗旱。v隔坡梯田的水平田面除承纳自身的雨水之外，还能拦蓄上方坡地的来水和泥沙，增加土壤水分、养分。根据延安水土保持研究所1982年的调查，隔坡梯田的拦泥效益在94.1%以上。v根据尹传淞连续3年在5-10月逐旬测定结果，水平田面1m深土层内的土壤水分含量比坡地增加了3.3%-12.2%。v水平田面的作物产量比一般坡地能增加22%-111%。兰州水土保持实验站观测表明，平坡比为1:3的隔坡梯田水平田面的小麦产量比连台水平梯田增产13.3%-106.4%
12、，比坡耕地增产91.9%-133.3%。28隔坡梯田水土保持效益处理径流量冲刷量效益 % mm% t/km2% 减少径流减少泥沙坡耕地53.210019660100/平坡比1:14.48.3190.191.799.9平坡比1:24.528.51150.691.599.4平坡比1:312.0522.75152.677.397.4注：引自尹传淞等人1983年的观测资料。29隔坡梯田的优化设计v平坡比的选定是隔坡梯田设计中的主要矛盾。v以水沙平衡基本原理设计隔坡梯田断面隔坡梯田坡段部分产水、产沙量的估算处理频率/% 一次最大净径流量/mm 频率/% 一次最大净径流量/mm年最大冲刷深度/mm第一种情
13、况109.55155.5第二种情况 10 21.052812.0 陕北黄土丘陵区不同频率下一次降雨最大净径流量与全年最大冲刷深度30平坡比m=B/l=nh/(a-a0) 第一种情况第二种情况地面坡度水平梯田面宽隔坡长度平坡比蓄水埂高度水平梯田面宽隔坡长度平坡比蓄水埂高度518.054.01:30.3018.027.01:1.50.301012.036.01:30.3012.018.01:1.50.30158.525.51:30.308.512.81:1.50.30206.516.31:2.50.306.56.51:10.30255.012.51:2.50.305.05.01:10.30陕北黄土
14、丘陵区隔坡梯田断面规格参考值31v以农业系统工程设计隔坡梯田断面影响隔坡梯田优化设计的三个主要因素：地面坡度、平坡比和坡段土地利用方式以控制水土流失增加作物产量为主要目标建立目标计算结果v黄土高原丘陵沟壑区第二副区，平坡比宜为1:21:3，坡段的土地利用方式可考虑水平阶种草、水平沟种草、密丛草地或草粮等高带状间作来选配。v长城沿线的干旱、半干旱长梁缓坡类型区，平坡比可大于1:3。32（三）坡式梯田v在较为平缓的坡地上沿等高线构筑拦水拦泥土埂，埂间仍维持原有坡面不动，借雨水冲刷和逐年耕翻，使埂间坡面渐渐变平，最终成为水平梯田。v地埂拦蓄量可按最大一次暴雨径流深、年最大冲刷深与多年平均冲刷深度之和
15、进行计算。v地埂培修好后应逐年加高，一般每三年见高一次。33黄土高原坡式梯田规格参考田面坡度/()梯田间距/m埂高/m侧坡底宽/m内外内外3400.300.471:01:0.23.45200.310.481:51:0.21.910150.430.731:31:0.21.715100.560.921:21:0.21.52080.661.021:11:0.21.134土方量计算（一）方格网法v方格网法适用于比较复杂的地形，在田块平面形状比较方正的情况下，测量计算都比较方便，而且精度高。v具体步骤打桩：在要测量的梯田田块内，划分成10-20米见方的方格，各方格顶点用木桩标定。整桩：在地面起伏不平的地
16、块上，会有个别桩点的高程不能代表它周围地面的高程，进行调整。测量：按各个木桩编号顺序进行高程测量，并作记录，读数到厘米即可。计算田块的平均高程各桩点的设计高程挖填深度挖填土方量确定开挖线35土方量计算（二）散点法v适用于地形虽有起伏，但变化比较均一，不太复杂的地形。散点法的特点是测点位置不受限制，可以根据地形情况，布置测点，求平均高程方法简便。v具体步骤打桩：选择地面上的特征点打桩测量高程计算地面的平均高程Ha计算挖填土方总量土方平衡计算开挖线调整36土方量计算（三）纵断面法37第四章 山坡固定工程v斜坡：向一个方向倾斜的地段。v斜坡有多种分类方式，例如可根据成因、岩土性质、边坡高度等。v边坡
17、的破坏类型（浅层破坏）剥落、落石、崩塌、堆塌、表层溜塌、风化剥落、错落、坡面浅层滑坡v影响边坡稳定的因素岩土性质、岩体结构、水的作用、风化作用、地形地貌、地应力、人为因素38边坡稳定的工程措施v采用支挡结构稳定边坡v坡面防护的工程措施v表土的固定及改良方法v边坡的排水工程设计坡顶排水沟平台排水沟纵向排水沟涌水处理39表土的固定及改良方法v表土固定方法工程方法v框架工程v铺网工程化学方法v薄膜覆盖型v渗透填充型v渗透连接型v表土改良方法有机土壤改良剂v泥炭v锯屑无机土壤改良剂v沙子v煅烧粘土v硅藻土v蛭石返回40植被护坡41植物护坡设计的原则v确定边坡类型v边坡稳定性设计v植物护坡的总体设计模式
18、v关于景观效果设计选择植被类型时，应考虑边坡所在地的植物类型、植被环境合理选择主景工程固坡的结构物应尽量隐蔽，突出植被景观42坡面植物群落设计v常见的坡面植物群落类型森林型：以乔木、亚乔木为主要组成树种而建造的植物群落，树高一般3-4米以上。周围为森林、山地、丘陵、城镇等场所较适宜。草灌型:灌木、草本类为主要植物物种而建造的植物群落，其中灌木高度一般为3-4米以下。在陡坡、易侵蚀坡面及周围为农田、山地等适用。草本型：以多种乡土草或外来草为主要物种而建造的植物群落。除可应用于一般坡地外，还适用于及陡边坡、岩石边坡等。观赏型：以草本类、花草类、低矮灌木以及攀缘植物的数种为主要物种而建造的植物群落。
19、适用于在城市、旅游景点等人口聚集区的边坡营造特殊植物群落。43理想的植物群落v一般认为，与自然相协调的植物群落可以认为是极为理想的。v与自然协调的植物群落必须满足三个条件植物生物学、生态学特性适用于自然环境植物群落所具有的功能近似于自然景观上近似于自然44建立植物群落的指导思想v人工辅助自然植物群落的建立v植物种以外来的草本型先锋植物为主，灌木种为辅v建立坡面植物群落应以播种为主，栽植为辅45护坡植物种类的选择原则v适用当地的气候条件v适应当地的土壤条件（水分、PH值、土壤性质等）v抗逆性（包括抗旱性、抗热性、抗旱性、抗贫瘠性、抗病虫害性等）强v地上部较矮，根系发达，生长迅速，能在短期内覆盖坡
20、面v越年生或多年生v适应粗放管理，能产生适量种子v种子易得且成本合理46常用草坪植物（华东）v狗牙根v假俭草47铺草皮护坡v将培育的生长优良健壮的草坪，用平板铲或其草皮机铲起，运至需绿化的坡面，按照一定的大小规格重新铺植，使坡面迅速形成草坪的护坡绿化技术。v铺草皮护坡的特点成坪时间短 护坡功能见效快施工季节限制少 前期管理难度大v草皮生产技术普通草皮生产 地毯式草皮生产技术v适用边坡各类土质边坡 强风化岩质边坡 路堤边坡坡比：一般不超过1:1，局部可不陡于1:0.75坡高：一般不超过10米 稳定边坡48植生带护坡49参考书v植被护坡工程技术 人民交通出版社v地面绿化手册中国建筑工业出版社v现代
21、陡坡地水土保持九州出版社v中国水土保持科学出版社50沟道治理工程v用于防止沟道侵蚀的工程措施，其目的在于：保护沟头、制止沟道溯源侵蚀；防止沟岸坍塌扩张；抬高沟道侵蚀基准面，制止沟床下切。v沟道治理工程措施有：沟头防护工程、沟坡整地造林工程、谷坊、崩岗治理、淤地坝和小水库等。v沟道治理措施总体布局原则以小流域为单元全面规划的原则坡沟兼治原则水资源合理利用的原则51沟头防护工程v为了制止沟头前进，在沟头修建的一种排（蓄）坡面径流的工程措施。v沟头防护工程分蓄水型和排水型两类。v蓄水式沟头防护工程埂墙涝池式围埂林带式多级坝埂式沟埂片林式v排水式沟头防护悬臂式陡坡式52谷 坊v修建在沟谷底部用以固定沟
22、床、稳定边坡、制止沟蚀的工程。v根据建筑材料将其分为土谷坊、石谷坊和植物谷坊。v谷坊的布设高度：干砌石1.5米；浆砌石3.5米；土谷坊：3-5米；柳谷坊1.0米左右，宜在流域面积1km2以下的沟道采用。间距：“顶底相照原则”（）粗沙兼有卵石时0.02;粘土为0.01；黏壤土为0.008；砂土为0.05。53淤地坝v在沟壑中筑坝拦泥，巩固并抬高侵蚀基准面，减轻沟蚀，减少入河泥沙，变害为利，充分利用水沙资源的一项水土保持治沟工程措施。v淤地坝是黄土高原独特的一项治理措施，由于淤成的坝地水肥条件优越，已成为黄土高原建设高产稳产基本农田的一项重要内容。54淤地坝发展概况v最初的淤地坝是自然形成的，距今
23、已有400多年。明代隆庆三年（公元1569年），陕西子洲县黄土洼，因自然滑坡、坍塌，形成天然聚湫，后经加工而形成高60米、淤地800余亩的淤地坝。人工修筑淤地坝的历史记载，最早见于山西省汾西县志。水利专家李仪祉先生于1927年提出在沟中筑坝淤地、防止沟道扩张、减少入黄泥沙的技术方案，作为治黄方略的一个重要组成部分。1945年黄委会批准关中水土保持试验区在西安市荆峪沟流域修建淤地坝一座，是黄河水利委员会在黄土高原地区修建的第一座淤地坝。v新中国成立后，经过水利水保部门总结、示范和推广，淤地坝建设得到了快速发展。大体经历了四个阶段：二十世纪50年代的试验示范，60年代的推广普及，70年代的发展建设
24、和80年代以来以治沟骨干工程为骨架、完善提高的坝系建设阶段。v据调查统计，经过50多年的建设，黄土高原地区现有淤地坝11万余座，淤成坝地450多万亩，可拦蓄泥沙210亿m3。主要分布在陕西（36816座）、山西（37820座）、甘肃（6630座）、内蒙（17819座）、宁夏（4936座）、青海（3877座）、河南（4147座）等七省（区），其中陕、晋、蒙三省区共有淤地坝9万余座，占总数的82.5%。551、拦泥保土，减少入黄泥沙v黄河泥沙主要来源于黄河中游黄土高原的千沟万壑。据有关调查资料，大型淤地坝每淤一亩坝地，平均可拦泥沙8720吨，中型6720吨，小型3430吨。尤其是典型坝系，拦泥效果
25、更加显著。v据对内蒙古准格尔旗西黑岱小流域坝系调查，该流域总面积32平方公里，从1983年开始完善沟道坝系建设，到目前建成淤地坝38座，累计拦泥645万吨，已达到泥沙不出沟。v延安市已建成的1.14万座淤地坝已累计拦蓄泥沙17亿吨，相当于全市6年输入黄河的泥沙总量。根据黄河水利委员会黄河上中游管理局初步调查统计，黄土高原区11万多座淤地坝可拦泥280亿吨，对黄河安澜起到了极其重要的作用。淤地坝效益562、淤地造田，提高粮食产量v坝地主要是由小流域坡面上流失下来的表土层淤积而成，含有大量的牲畜粪便、枯枝落叶等有机质，土壤肥沃，水分充足，抗旱能力强，成为高产稳产的基本农田。v据黄河水利委员会绥德水
26、土保持试验站实测资料，坝地土壤含水量是坡耕地的1.86倍。v据黄土高原七省（区）多年调查，坝地粮食产量是梯田的2-3倍，是坡耕地的6-10倍。v在黄土高原区广泛地流传着宁种一亩沟，不种十亩坡、打坝如修仓，拦泥如积粮，村有百亩坝，再旱也不怕的说法。淤地坝效益573、防洪减灾，保护下游安全v以小流域为单元，淤地坝通过梯级建设，大、中、小结合，治沟骨干工程控制，层层拦蓄，具有较强的削峰、滞洪能力和上拦下保的作用，能有效地防止洪水泥沙对下游造成的危害。v1989年7月21日，内蒙古准格尔旗皇甫川流域普降特大暴雨，处在暴雨中心的川掌沟流域降雨118.9毫米，暴雨频率为150年一遇，流域产洪总量1233.
27、7万立方米，流域内12座治沟骨干工程共拦蓄洪水泥沙593.2万立方米，缓洪514.8万立方米，削洪量达89.7%，不但工程无一损失，还保护了下游3900亩坝地和5100亩川、台、滩地的安全生产，减灾效益达200多万元。v甘肃省庆阳县崭山湾淤地坝建成以后，下游80户群众财产安然无恙，道路畅通，600亩川台地得到保护，仅该坝保护的川台地年人均纯收入就达1680元。使烂泥沟变成了聚宝盆。淤地坝效益584、合理利用水资源，解决人畜饮水v淤地坝在工程运行前期，可作为水源工程，解决当地工农业生产用水和发展水产养殖业。对水资源缺乏的黄土高原干旱、半干旱地区的群众生产、生活条件改善发挥了重要作用。v环县七里沟
28、坝系平均每年提供有效水资源160多万立方米，常年供给厂矿企业，并解决了附近4个行政村7000多头（只）牲畜的用水问题。v十年九旱的定西县花岔流域，多年靠窖水和在几十里外人担畜驮解决人畜饮水。通过坝系建设，不仅彻底解决了水荒，而且每年还向流域外调水50多万立方米，发展灌溉2000余亩。淤地坝效益595、优化土地利用结构，促进退耕还林还草和农村经济发展v淤地坝建设解决了农民的基本粮食需求，为优化土地利用结构和调整农村产业结构，促进退耕还林还草，发展多种经营创造了条件。v昔日“靠天种庄园，雨大冲良田，天旱难种田，生活犯熬煎”的清水河县范四夭流域，坚持以小流域为单元，治沟打坝，带动了小流域各业生产，2
29、001年流域人均纯收入达1970元，电视、电话、摩托车等高档产品也普遍进入寻常百姓家。v绥德县王茂庄小流域，有坝地400多亩，在人口增加，粮食播种面积缩小的情况下，粮食总产却连年增加，使大量坡耕地退耕还林还草，土地利用结构发生了显著变化，耕地面积由占总面积的57%下降到28%，林地面积由3%上升到45%，草地面积由3%上升到7%。坝地面积占耕地面积的15%，产量却占流域粮食总产的67%。实现了人均林地36亩，草地5亩，粮食超千斤。v环县赵门沟流域依托坝系建设，累计退耕还林还草3250亩，发展舍饲养殖1575个羊单位，既解决了林牧矛盾，保护了植被，又增加了群众收入。目前黄土高原区已涌现出一大批沟
30、里坝连坝，山上林草旺，家家有牛羊，户户有余粮的富裕山庄。淤地坝效益60淤地坝组成61淤地坝分类62淤地坝建筑物组成及坝型选择v建筑物组成 包括坝体、放水工程、溢洪道，参见图；也有“两大件”，包括坝体和放水工程；还有仅设土坝“一大件”的。近年来新建的骨干坝则多数为“两大件”。v三种组成方案的特点 “三大件”方案 这种方案包括坝体、放水工程、溢洪道三部分，其对于洪水泥沙的处理，是以排为主，工程建成后运用较安全，上游淹没损失小。但工程量较大，工程建设、维修及运行费均较高v（二)“两大件”方案这种方案包括坝体、放水工程，对洪水泥沙的处理，是以滞蓄为主，无溢洪道，库容大，坝较高，工程量大，上游淹没损失大
31、。但石方和混凝土工程量小，工程总投资较小。v(三）“一大件”方案这种方案仅有土坝坝体，洪水泥沙的处理为全拦全蓄，仅适用于集水面积较小的小型淤地坝。为了增加其安全性，一般坝顶布设溢流口。对于沟深坡陡，地形破碎，且局部短历时的暴雨，雨洪径流一般峰高量小，采用较大库容的办法，易取得较好的效果。63v（二）方案选择淤地坝建筑物布设，根据自然条件、流域面积、暴雨特点、建筑材料、环境状况（如道路、村庄、工矿等）和施工技术水平选择方案。v“三大件”方案适用于起控制性的骨干坝，流域面积较大，土料粘粒含量大、水坠施工困难，以排为主。“两大件”方案适用于流域面积一般3-5km2,筑坝土料粘粒含量适中，水坠、碾压施
32、工均可选择，以滞蓄为主的情况。在具体设计时究竟如何选择，还须从技术经济方面作一比较。64建筑物的“三大件”与“两大件”比较v拦泥。“三大件”泄洪安全优于“两大件”，但“两大件”采用高坝大库容，全拦全蓄，以较大的库容量拦蓄洪水，且能减少泄洪对下游的危害，拦蓄泥沙较“三大件”多。v工程投资。“三大件”工程因建溢洪道，其工程投资一般大于“两大件”。v施工。“两大件”施工速度较快，工艺相对简短，施工费用低，工程维修方便。v综合分析在设计标准相同和放水工程投资相近的情况下，当用“两大件”方案造成的上游淹没损失和加高土坝土方投资总和大于“三大件”投资时，应选用“三大件”方案,若相近时采用“两大件”方案；在
33、“V”字型断面沟道筑坝，当地无建筑溢洪道石料，需外运时，应考虑“两大件”方案； 控制流域面积较大，坝系规划中属控制性的工程，下游又有重要交通道路或村镇、工矿时，应选用“三大件”； 控制流域面积一般3-5km2，坝址下游无重要建筑物时，应选用“两大件”方案。65二、坝型选择v坝型选择应本着因地制宜，就地取材的原则，结合当地的自然经济条件、坝址地形地质条件，以及施工技术条件，进行技术经济比较，合理选择。v淤地坝多采用土坝。按土坝土料组合防渗设施的位置等不同，可分为均质土坝，心（斜）墙坝和土石混合坝等；按施工方法的不同，又可分为碾压坝、水坠坝等。v当沟道两岸及河床均为岩石基础，石料丰富，相对容易采集
34、，但土料缺乏，设计中多采用浆砌石拱坝或砌石重力坝。定向爆破土坝和土石混合坝在个别地区也进行过一些试验，但由于施工技术较难掌握，并有特殊的地形、地质条件要求，故目前尚未大范围推广。从近二十年骨干坝的建设情况来看，绝大多数工程为碾压坝和水坠坝，占到工程建设总数的v 99%，而土石混合坝和浆砌石拱坝数量极少，只占到工程建设总数的1%。6667淤地坝设计资料的测量与计算v流域地形图流域地形图主要是宏观上反映流域的地理位置、水系从属关系和行政区划，并能准确显示流域范围内地形、地貌特征，各类土地区界、地物和干、支、毛沟的相对位置等。该图主要用来了解流域概况，量算各类型土地面积与总面积。淤地坝建设所用的地形
35、图一般要求比例尺不小于1:1000。v工程布局平面图工程布局平面图主要反映干、支、毛沟的水土保持治理情况与中小淤地坝、小水库、骨干坝的数量与相对位置。该图要求比例尺寸不得小于1:1000 ，一般可根据相应比例的地形图转绘，并进行现场校正填图。v库区地形图库区地形图主要反映淤地坝淹没面积范围内的地形变化情况，以用来计算不同水位时相应的库容和淤地面积数量，绘制水位库容关淤系曲线和水位地面积关系曲线。库区地形图要求比例一般为1:50001:2000。68v坝址地形图坝址地形图是进行坝址地形、地质图填绘、淤地坝建筑物工程布设和施工场地布置等工作的基本依据。该图比例一般采用1:10001:500,为保证
36、主要枢纽建筑物的计算精度还应配合测绘一定数量的纵横断面图，以弥补坝址地形图的不足。v库区地质平面图和坝址地质剖面图库区地质平面图和坝址地质剖面图主要反映库区坝址地质状况，包括地表组成物质、岩石类型、构造特征、覆盖厚度、区界和泉水露头位置等。地质平面图常需配合一定数量的地质剖面图，以作为库坝选址与确定施工方案的主要依据。淤地坝地质平面图一般应结合流域现场勘测岩石露头分布和必要的勘探工作进行地质测绘与填图。比例尺同相应库区与坝址地形图。坝址典型剖面图的比例可根据具体情况适当放大。v料场地形图料场地形图主要反映坝址与库区范围内，砂、土、石等可以利用的建筑材料类别、分布范围和储量等情况，以作为坝型选择
37、、用工量计算依据。该图主要利用库区地形图、坝址地形图，结合现场踏勘、丈量进行绘制。69水位与库容、淤地面积关系曲线的绘制v淤地坝水位库容 、水位淤地面积关系曲线绘制一般采用等高线法和断面法。v等高线法利用库区地形图，由最低点开始量出逐根等高线与坝轴线所组成的封闭图形的面积，直至略高于设计坝顶高程。v断面法首先测出坝轴线处的横断面，然后在库内沿沟道施测一条与坝轴线垂直的纵断面，其桩号位置应根据两岸山坡及河槽河滩变化定出，量出桩号间的距离，并测出各桩号处的横断面。计算库容与淤地面积时，在各横断面图上以不同水位为顶线，求出各横断面图上不同水位高程以下的横断面面积与相应水面，然后将相邻的两断面面积与水
38、面宽的均值乘以相应的断面间距，便得出此二断面间不同水位时的容积和可能淤地面积。最后把各段容积、可能淤地面积按不同水位相加，即得出不同水位时的库容与淤地面积。70淤地坝设计水文计算71淤地坝坝高规划v淤地坝除了拦泥淤地外，还有防洪的要求。所以，淤地坝的库容由两部分组成：一部分为拦泥库容，另一部分为滞洪库容（flood detention storage）。而相应于该两部分库容的坝高，即为拦泥坝高和滞洪坝高。因此，淤地坝的总高等于拦泥坝高、滞洪坝高及安全超高之和（图36）72影响拦泥坝高的因素v淤地面积 淤地坝的淤地面积是随着坝高的增加而增大的，但增长速度逐渐趋于缓慢，甚至近于停止。所以，设计拦泥
39、坝高时需要作技术、经济方案比较，应以较少的筑坝投资获得较大的淤地面积。v淤满期限 它是确定拦泥坝高的重要参数，其值应在安全防洪的前提下，用尽早受益的原则来确定。例如，山西省根据群众筑坝经验，淤地坝淤平年限定为：1015年，中型淤地坝510年，小型淤地坝5年以下。 v工程量和施工方法 淤地坝一般在当年汛期前达到防汛坝高。所以应根据设计洪水、施工方法和劳力等情况，估算可能完成的工程量，分析完成设计坝高的可能性。73拦泥坝高的确定v设计时，首先分析该坝的坝高淤地面积库容关系曲线，初步选定经济合理的拦泥坝高，再由其关系曲线中查得相应坝高得拦泥库容，其次由初拟坝高加上滞洪坝高和安全超高的初估值，一般为3
40、.04.0m，作为全坝高来估算其坝体的工程量。根据施工方法、工期和社队经济情况等，判断实现初选拦泥坝高的合理性。然后由该坝所控流域内的年平均输沙量求得淤平年限。v最后，根据淤地面积、工程量、淤平年限、施工方法和工期等进行技术经济方案比较，在用较少的筑坝投资获得较大的淤地面积的总原则下，确定设计拦泥坝高 。74滞洪坝高v为了保证淤地坝工程安全和坝地的正常生产，必须修建泄洪建筑物。排泄多少洪水，决定于库区产多少洪水量和水库滞纳多少洪水量。在淤地坝设计中除有拦泥（淤地）库容外，必须有一个滞洪库容，用以滞蓄由防洪建筑物暂时排泄不走的洪水，为此，需进行调洪演算。调洪演算的任务是根据设计洪水的大小，确定防
41、洪建筑物的规模和尺寸，确定滞洪库容和相应的滞洪坝高。75安全超高的确定v淤地坝的安全超高主要取决于坝高的大小，根据各地经验可采用表35的数值。坝高（m）20安全超高（m）0.51.0 1.01.5 1.52.0淤地坝安全超高表76坝体设计v坝顶宽度土坝的坝顶宽度，可根据坝高、施工、构造和交通等方面的要求综合考虑后确定，当坝顶有交通要求时，还应满足交通需要。无交通要求时，按表确定。77v碾压土坝的坝坡选择一般遵循以下规律：上游坝坡在汛期蓄水时处于饱和状态，为保持坝坡稳定，上游坝坡应比下游坝坡缓；粘性土料的稳定坝坡为一折线面，上部坡陡，下部坡缓，所以用粘性土料做成的坝坡，常沿高度分成数段，每段10
42、-20m ,从上而土料作成的坝坡，常沿高度分成数段，每段下逐段放缓，相邻坡率差值取0.25。由粉土，砂、轻壤土修建的均质坝，透水性较大，为了保持渗流稳定，一般要求适当放缓下游坝坡；当坝基或坝体土料沿坝轴线分布不一致时，应分段采用不同坡率，在各段间设过渡区，使坝坡缓慢变化。v水坠坝上、下游坝坡，当采用砂壤土、壤土筑坝时，可采用同一坝坡。砂岩、花岗岩、风化残积土水坠坝的经验坝坡为：上游坡的坡率一般为2.5-2.75，下游第一级坡的坡率一般为2.5-2.25，以下各级坡的坡率较上一级增加0.25-0.5。7879v马道又称戗 台。土坝坝坡（主要是下游坡）常沿高程每隔10-15m设置一条马道。其作用是
43、：拦截雨水、防止冲刷坝坡；同时便于进行坝体检修和观测；增加坝底宽度，有利于坝体稳定。马道宽为1-1.5m。马道一般设在坡度变化处。80边埂宽度v砂壤土、壤土水坠坝边埂宽度根据坝高和土料类别（指坝的上部距1/31/4范围内的边埂，下同），可按表经验值选用，但最小宽度 不应小于3m。81淤地坝的构造v坝顶淤地坝一般对坝顶构造无特殊要求，可直接采用碾压土料，如兼做乡村公路，可采用碎石、粗沙铺坝面，厚度20cm-30cm。为了排除雨水，坝顶面应向两侧或一侧倾斜，作成2%3%的坡度。v护坡土坝上游坡面要经受顺坡水流冲刷、冰层和漂浮物等的危害作用；下游坝坡要遭受雨水、大风和冻胀干裂等因素的破坏作用，因此在
44、坝坡应设置护坡。土坝上游坡设计淤积面以上及下游坝坡必须设置护坡，护坡材料应因地制宜，就地取材，或铺砌砾石，或种植多年生牧草及灌木。为避免雨水径流冲刷坝坡，在下游坡还应设置纵横向排水沟。纵向排水沟设置高程一般宜与马道一致，并设于马道内侧，沟的尺寸和底坡按集水面积计算确定。横向排水沟一般每隔50-100m设置一条，坝体与岸坡 连接处也必须设置排水沟。排水沟一般采用混凝土和浆砌石砌筑，若用预制件拼装时，务使接缝牢固，形成整体。位于严寒地区的粘性土坝坡，为使护坡不致因坝坡土冻胀而变形，应设防冻垫层，其厚度不得小于当地的冻结深度。82坝体排水v对土坝较高，且兼蓄水任务的淤地坝，为了保证下游坝坡更加稳定，
45、要设排水体。v碾压坝设排水主要是在蓄水运行期排出渗透水、降低坝体浸润线、防止坝体和地基产生渗透破坏；水坠坝设排水除满足运行期排水要求外，主要是加速冲填泥浆的脱水固结，减少孔隙水压力。v常用的排水形式主要有：棱柱排水、贴坡排水、褥垫排水、砂井（沟）排水、聚乙烯微孔波纹管网状排水和土工织物排水等。83棱柱排水v棱柱排水又称滤水坝趾，它是在下游坝脚处用块石堆成的棱体。v棱体顶宽不小于1.0m，排水体高度可取坝高的1/51/6，顶面高出下游最高水位0.5m以上，而且应保证浸润线位于下游坝坡面的冻层以下。v棱体内坡根据施工条件决定，一般为1:11:1.5，外坡取为1:1.51:2。v棱体与坝体以及土质土
46、基之间均应设置反滤层，在棱体上游坡脚处应尽量避免出现锐角。84贴坡排水v贴坡排水又称表面排水，它是用一、二层堆石或砌石加反滤层直接铺设在下游坝坡表面，不伸入坝体的排水设施。v排水顶部需高出浸润线逸出点1.5m以上，排水体的厚度应大于当地的冰冻深度。排水底脚处应设置排水沟或排水体，并具有足够的深度，以便在水面结冰后，下部保持足够的排水断面。85褥垫排水v褥垫排水是沿坝基面平铺的由块石组成的水平排水层、外包反滤层。v伸入坝体内的深 度一般不超过坝底宽的1/22/3，块石层厚约0.40.5m。v 这种排水倾向下游的纵坡一般为0.0050.1。86坝体排水87溢洪道设计v溢洪道是用于渲泄设计库容所不能
47、容纳的洪水，防止洪水漫溢坝顶，保证大坝安全。v溢洪道按其构造类型可分为开敞式和封闭式两种类型。开敞式溢洪道包括正槽溢洪道和侧槽溢洪道两种。v正槽式溢洪道是从面向坝库的溢流堰泄流，堰的轴线与下游泄槽的中轴线正交。这种形式的优点是构造简单，水流顺畅，施工和运用都比较简便可靠，当坝址附近有天然马鞍形哑口时，修建这种型式更为有利。淤地坝一般采用正槽溢流堰式溢洪道。v开敞式河岸岸边溢洪道都是以宽顶堰或实用堰作为控制堰，它在淤地坝蓄水时与拦河坝一道组成挡水前缘，泄洪时堰顶以上的水量通过堰顶泄走。由于堰流的流量与堰顶水头的次方成正比，所以，溢洪道的泄流量随库水位的抬高而迅速增大，这对淤地坝泄洪是很有利的。8
48、8一、溢洪道位置选择v溢洪道的位置，应根据坝址的地形、地质条件进行技术经济比较来选定，并应注意以下几个方面：要尽量利用天然的有利地形条件， 如分水鞍（或山坳）。在地质条件上要求溢洪道两岸山坡比较稳定，防止泄洪时发生滑塌等事故。在平面布置上，溢洪道应尽量做到直线布置，力求泄洪时水流顺畅。溢洪道进出口离坝端应不小于10m,出口应离下游坝脚至少20m以上。溢洪道布置应尽可能不和泄水洞放在同一侧，以免造成水流干扰和影响卧管安全。89二、开敞式溢洪道结构布置v开敞式溢洪道通常由进口段、陡坡段和出口段三部分组成。90（一）进口段v进口段由引水渠、渐变段和溢流堰组成。v 引水渠的作用是将坝内的洪水平顺地引送
49、到溢洪道。引水渠应尽量缩短长度，以减少工程量和水头损失。断面一般采用梯形，新岩石的边坡，可采1:0.11:0.3，风化岩石大多采用1:0.51:1，土坡可采用1:1.51:3。v 进口渐变段是由引水渠到溢流堰的过渡段。它的断面应由梯形变为矩形的扭曲面。其作用是使洪水平顺地流到溢流堰上去。v 溢流堰采用矩形宽顶堰，由浆砌石、灰土、水泥土等做成，堰顶长度不得超过堰上水深的3-6倍，溢流堰两端应布设与岸坡连接的边墩，墩顶应比最高洪水位高出0.5m左右；堰底靠上游端应做砌石齿墙，以减少渗流和增加稳定性。91(二）陡坡段v溢流堰下游衔接一段坡度较大（大于临界坡度）的急流渠道称为陡坡段。v从溢流堰下泄的水
50、流为急流，因此陡坡坡度应大于临界坡度。通常采用的陡坡为1:31:5，在基岩上可达1:1。v陡坡横断面在基岩上为矩形，在土基上上的断面为梯形，边坡为1:11:2。v陡坡两边的边墙高度应根据水面曲线来确定。水流在陡坡内产生降水曲线，随陡坡底部高程的下降，槽内水深逐渐减小。如果陡坡有足够长度，其水深减至槽内正常水深时，就不再减少了。v当槽内水流流速大于10m/s时，水流中会产生掺气作用，槽内水深因而要增加，这样边墙的高度应以该处的水深和掺气高度再加0.5m0.7m的安全超高来确定。92（三）出口段v溢洪道的出口段一般由出口渐变段、消力池（或挑流消能）和下游尾渠组成。v出口渐变段及下游尾渠断面尺寸的确
51、定与进口段的渐变段及引洪渠相同。以下主要介绍消力池和挑流消能的结构及布置。v溢洪道下泄的洪水，到达陡坡段的末端时，具有很大的动能。为此，当采用底流消能时，出口常布置消力池，用以消能。其横断面宜采用矩形。一般可采用浆砌石、混凝土衬砌。消力池前端几米内的底板应设几排梅花形排水孔，以降低底板浮托力，减少底板厚度。消力池末端，应设置齿墙，以防止淘刷和拦截尾水可能流向消力池底部的渗水。v对于岩石地基的高中水头淤地坝，一般适用于挑流消能。挑流消能设施的平面型式有等宽式、扩散式和收缩式。93溢洪道水力计算v溢洪道水力计算的主要任务是：根据调洪计算确定的溢洪道设计流量和地质、地形条件及建筑物布置要求等，计算溢
52、流堰前沿宽，并决定进口导水墙的型式及尺寸；确定陡坡及其断面的型式和各部位尺寸，计算水面曲线和流速大小，选择护面型式及决定边墙高度；计算消能设施的各部位尺寸，保证尾水渠不受冲刷。v进口段的水力计算引水渠道中水流流速比较小，一般为1.0m/s1.5m/s，其按明渠公式计算。94小型水库95概述v水库由挡水坝、溢洪道、放水建筑物三部分组成。v按国家规定标准，小（一）型水库，库容 在 1001000万m3，小（二）型水库，库容在10100万m3。96（一）库址选择v地形要肚大口小 肚大是指库址内地形宽广，河流或沟道纵坡平缓，能多蓄水，效益大；口小是指坝短，工程经济，同时应便于布置溢洪道和放水洞。v有适
53、宜的集水面积 集水面积过小，则水源不足；过大则洪峰高，洪量大，需要开挖很大的溢洪道。因此集水面积必须和蓄水库容相适应。v坝址和坝址地质良好，基础稳固，无下陷情况。库底和山坡不漏水，如有裂缝，要能够修补。v坝址靠近灌区且比灌区高。这样可以自流灌溉。v坝址附近要有足够的和适用的建筑材料。v坝址附近要有适宜开挖溢洪道的山垭。v淹没损失要小。97（二）地质调查v调查库区、坝址区的岩石种类、性质、分布规律及岩石的透水条件。v调查库区、坝址区范围内的地质构造（断层、岩层产状、节理裂缝发育程度及规律、溶洞的分布范围及规律）。v调查库区、坝址区的水文地质特征（含水层岩性、水位深度、水的化学性质、地下水的成因类
54、型）。在坝基最好没有承压水或高承压水。98地形测量v坝址地形测量v集水面积测量v库容测量与计算v建筑材料调查v水文资料的搜集与调查v流域淹没及经济调查99特征曲线和特征水位v特征曲线水库面积曲线水库容积曲线v水库特征水位-特征库容设计低水位（死水位）-死库容设计蓄水位-兴利库容设计洪水位-防洪库容校核洪水位-超高库容100水库的特征水位示意图101死库容和死水位的确定102拱坝地形、地质U形河谷靠近底部拱的作用显著降低,大部分荷载有梁的作用来承担,故厚度较大 V形河谷最适于发挥拱的作用，靠近底部水压强度最大，但拱跨短，底拱厚度较薄。 103拱坝的特点拱坝的工作特点：拱坝是固接于基岩的空间壳体结
55、构，在平面上呈凸向上游的拱形，其拱冠剖面既有拱的作用又有梁的作用。其承受的水平荷载一部分通过拱的作用压向两岸，另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩，坝体的稳定主要依靠两岸拱端的作用，并不全靠坝体自重来维持。由于拱是一种主要承受轴向压力的推力结构，拱内弯矩较小，应力分布较为均匀，有利于发挥材料强度。104拱坝对地形地质的要求v理想的地形：理想的地形：左右两岸对称，岸坡平顺无突变，在平面上向上游收缩的峡谷段。在工程中，常用坝顶高程的河谷宽度L与最大坝高的比值，即“高宽比”，L/H表示，拱坝的厚薄程度，以坝底最大厚度和最大坝高的比值，即“厚高比”，T/H表示。一般情况下，L/H即宽高比越小，T/H即
56、厚高比越大小。v对地质要求对地质要求：河谷两岸的基岩必须能承受由拱端传来的推力，要在任何情况下都能保持稳定，不致危害坝体的安全。理想的地质条件是：基岩比较均匀、坚固完整、有足够的强度、透水性小、能抵抗水的侵蚀、耐风化、岸坡稳定。105拱坝的形式v单曲拱坝：单曲拱坝：在接近矩形或较宽的梯形河谷，适于等半径的拱坝。当河谷上宽下窄变化较大，为改变下部拱的中心角减少，拱作用降低，必须加大坝体下部的厚度。这种坝体上游面都是铅直的，仅在水平面呈曲线形，叫单曲拱坝。单曲拱坝。v双曲拱坝：双曲拱坝：宜将各层拱圈的外半径从上到下逐渐减小，以使各层拱圈的中心角尽量接近，这种布置，坝体在水平面和铅直面均呈曲线形，称双曲拱坝。双曲拱坝。106
