水土保持工程学

1、水土保持工程学1. 梯田的规划与设计 梯田建设是山区水土保持和改变农业生产条件的一项重要措施。因此，梯田规划必须在山、水、田、林、路全面规划的基础上进行。规划中要因地制宜地研究和确定一个经济单位(乡或镇)的农、林、牧用地比例，确定耕作范围，制定建设基本农田规划。（一）梯田的规划 1. 耕作区的规划 耕作区的规划，必须以一个经济单位(一个镇或一个乡)农业生产和水土保持全面规划为基础。根据农林牧各业的发展需要，选出其中坡度较缓，土质较好，距村较近，水源和交通条件较好，有利于实现机械化和水利化的地方，建设高产稳产基本农田，然后根据地形条件划分耕作区。 (1)在塬川缓坡地区，一般以道路、渠道为骨干划分

2、耕作区; (2)在丘陵陡坡地区，一般按自然地形，以一面坡或峁、墚为单位划分耕作区，每个耕作区面积，一般以50100亩为宜。 如果耕作区规划在坡地的下部，其上部是林地，牧地或荒坡，有暴雨径流下泄时，应在耕作区上缘开挖截水沟，拦截上部来水，并引入蓄水池或在适当地方排入沟壑，保证耕作区的安全。2.田块规划:最重要是确定田面宽度和田坎高度。还要满足以下几点要求：（1）田块的平面形状，应基本上顺等高线呈长条形、带状布设。一般情况下，应避免梯田施工时远距离运送土方。（2）当坡面有浅沟等复杂地形时，地块布设必须注意“大弯就势，小弯取直”。（3）如果梯田有自流灌溉条件，则应使田面纵向保留1/3001/500的

3、比降，以利行水，在某些特殊情况下，比降可适当加大，但不应大于1/200。（4）田块长度,有条件的地方可采用300400m，一般150200m，如有地形限制，地块长度最好不要小于100m。（5）在耕作区和地块规划中，如有不同镇、乡的插花地，必须进行协商和调整，便于施工和耕作。 3.梯田附属建筑物规划（1）坡面蓄水拦沙设施的规划 梯田区的坡面蓄水拦沙设施的规划内容，包括“引、蓄、灌、排”的坑、凼、池、塘、埝等缓流拦沙附属工程。规划程序上可按“蓄引结合，蓄水为灌，灌余后排”的原则，根据各台梯田的布置情况，由高台到低台逐台规划，作到地(田)地有沟，沟沟有函，分台拦沉，就地利用。（2）梯田区的道路规划

4、山区道路规划总的要求，一是要保证今后机械化耕作的机具能顺利地进入每一个耕作区和每一地块。二是必须有一定的防冲设施，以保证路面完整与畅通，保证不因路面径流而冲毁农田。(3)灌溉排水设施的规划 梯田区灌溉排水设施的规划原则: 一方面要根据整个水利建设的情况，把一个完整的灌溉系统所包括的：水源和引水建筑、输水配水系统、田间渠道系统、排水泄水系统等工程全面规划布置。另一方面，就是要充分体现拦蓄和利用当地雨水的原则，围绕梯田建设，合理布设蓄水灌溉和排洪防冲以及冬水梯田的改良工程。 2. 梯田的断面设计 梯田断面设计的基本任务，是确定在不同条件下梯田的最优断面。所谓“最优”断面，就是同时达到下述三点要求:

5、1、是要适应机耕和灌溉要求；2、是要保证安全与稳定；3、是要最大限度地省工。最优断面的关键是确定适当的田面宽度和埂坎坡度，由于各地的具体条件不同，最优的田面宽度和埂坎坡度也不相同，但是考虑“最优”的原则和原理，是相同的。 1水平梯田的断面要素（1）.梯田的断面要素 （2）.各要素之间的关系2.梯田田面宽度的设计梯田最优断面的关键是最优的田面宽度，田面宽度设计，既要有原则性，又要有灵活性。原则性就是必须在适应机耕和灌溉的同时，最大限度的省工。灵活性就是在保证这一原则的前提下，根据不同地形和坡度条件，在不同地区分别采用不同的田面宽度，不能只根据某一具体宽度，一成不变。3. 梯田土方量的计算(1)梯

6、田土方量的计算在挖填方相等时，梯田挖(填)方的断面面积可由下式计算：(2)每亩土方量 每亩田面长度 每亩土方量4. 坎埂外坡的设计：梯田埂坎外坡的基本要求是，在一定的土质和坎高条件下，要保证埂坎的安全稳定，并尽可能地少占农地，少用工。（1） 稳定性分析（2） 不同田坎高度下的田坎坡度（3） 田坎宽度的计算（4） 坎埂占地的计算5. 梯田需功量的计算3. 田坎外坡的稳定因素：（1） 梯田田坎坡度（2） 田坎高度（3） 土壤的内聚力（4） 土壤的内摩擦角（5） 土壤的湿容重（6） 田面的外部荷载4. 最危险滑裂面圆弧位置的确定方法（1）如图，将距坝顶2H，坝脚4.5H的点定为M1点；（2）作Aa和

7、Bb两直线，其交点为M2，此两线的方向按角1和2来确定，两脚的值随坡度而变。（3）连M1M2且延长至M，M2M即为所寻找最危险滑裂圆心的大致范围。（4）在坝坡中点作一铅垂线，并且在该点作另一直线与坡面成85度角。（5）以坝坡中点为圆心，以R1、R2为半径，分别作弧，交以上两直线成扇形。R1 、 R2值随坡度而变。（6）在cd线上取O1、O2、O3，以这些点作为圆心，O1B、O2B、O3B为半径做圆弧。（7）求得各圆弧的稳定安全系数K，标于O1、O2、O3上方，并连成K的变化曲线，其中最小的K值对应的圆心点可能即为通过坡脚B点的最危险滑弧面的圆心点；（8）若不是，通过K值最小的一点做NN 线垂直

8、于cd线。在此线上定几点O1、O2 、O3 ，并以此几点为圆心，亦通过B点作滑弧，求得各滑弧的K 值，并将其标于O1、O2 、O3 的上方，做K 曲线，找出最小的一点。在多数情况下，这个最小点的K 值即为通过B点滑弧的最小稳定安全系数。（9）对于B1、B2、B3点按以上方法求得各点的最小K值，比较这些K值，其中最小的K值相应的滑动圆弧即为所寻找的最危险滑裂面圆弧。5. 土方量的计算A求田块的平均高程B计算各桩点的设计高程Hij=H0+Lxix+LyiyHij该点设计高程，H0为田块的平均高程，C计算各桩点的挖填深度：设计高程-实测高程D计算零点位置方格边线一端施工高程为“+”,若另一端为“-”

9、,则沿其边线必然有一不挖不填的点，即“零点” 。将这些零点连接起来就为零线。零点位置按下式计算：式中：x1、x2 角点至零点的距离,m； h1、h2 相邻两角点的挖填高度(均用绝对值),m； a 方格网的边长，m. E计算挖、填土方量填方总量方格面积×各角点填高之和/42(各边点填高之和)/44(各中间点高之和)/4 方格面积×各角点填高之和/4各边点填高之和/2各中间点填高之和同理可得：挖方总量=方格面积×各角点挖深之和/4各边点挖深之和/2各中间点挖深之和。上述两个公式的填高及挖深数，以米为单位，每一小方格面积以平方米为单位。 6. 土方量计算实例 某地块局部

10、高程如图1所示，其中方格网边长a=20m，各方格角点的自然地面标高、设计高程、各角点的挖填深度标于图上，设计规定地块中心标高70.29m，设计坡度ix=0.2%,iy=0.3%，不考虑土壤可松性的影响，试计算修建该梯田土方量。（3）确定零线运用零点位置计算公式，得到： X1=17.04 X2=2.96角点1和角点2之间的零点位置为： h1=70.09-70.32=0.23 h2=70.40-70.36=0.04 同理计算出6号角点与7号角点、 10号角点与11号角点、 15号角点与16号角点之间的零点位置，（由同学们自己计算）连接这些零点位置为一直线，即为图中的虚线。(4)计算土方量图中方格1

11、-3,2-3的4个角点全部为挖方，方格2-1,3-1的4个角点全部为填方，其土方量分别为：V1-3挖=20×20×（0.55+0.99+0.36+0.84）/4=274（m3）V2-3挖=20×20×（0.36+0.84+0.10+0.63）/4=193（m3）V2-1填=20×20×（0.56+0.13+0.83+0.43）/4=194（m3）V3-1填=20×20×（0.83+0.43+1.04+0.56）/4=286（m3）方格2-2的4个角点两挖两填。即V2-2挖=20×（14.69+3.77）（

12、0.36+0.10）/8=21.23（m3）V2-2填=20×（5.31+16.23）（0.13+0.43）/8=30.16（m3）方格1-1，3-2的4个角点为三填一挖，方格1-2,3-3的4个角点为三挖一填，公式计算为：V1-1挖 =0.09（m3）；V1-1填 =72.32（m3）V1-2挖 =68.30（m3）；V1-2填 =1.76（m3）V3-2挖 =1.05（m3）；V3-2填 =74.45（m3）V3-3挖 =93.26（m3）；V3-3填 =0.01（m3）最后计算总填方量V填总 =658.7（m3）总挖方量V挖总 =655.55（m3）挖填方基本平衡。7. 斜坡固

13、定工程（1） 挡墙：重力式、半重力式、倒T型、扶壁式、支垛式、棚架扶壁式等。（2） 抗滑桩（3） 削坡和反压填土（4） 排水工程（5） 护坡工程（6） 滑动带加固工程（7） 植物固坡措施（8） 落石防护工程等。8. 排水工程（一）排出地表水工程一是拦截病害斜坡以外的地表水，二是防止病害斜坡内的地表水大量渗入，并尽快汇集排走。1. 防渗工程：（1） 整平夯实：斜坡上有松散的土体分布时，应填平坑洼和裂缝并整平夯实。（2） 铺盖阻水：铺盖阻水是一种大面积防止地表水渗入坡体的措施，铺盖材料有粘土、混凝土和水泥砂浆，粘土一般用于较缓的坡。 2. 水沟工程：（1） 排水沟:布设在病害斜坡体上，一般呈树枝状

14、分布。（2） 截水沟：截水沟是布置在病害斜坡范围外，拦截旁引地表径流。（2） 排出地下水工程其作用是排除和截断渗透水。（1） 暗沟（2） 明暗沟（3） 渗沟（4） 排水孔（5） 排水洞（6） 截水墙9. 沟头防护工程1.蓄水式沟头防护工程: 适宜于沟头上部来水较少，且有适宜的地方修建沟埂或蓄水池。（1）沟埂式沟头防护工程是在沟头上部的山坡上修筑与沟边大致平行的若干道封沟埂，同时在距离封沟埂上方1-1.5m处开挖与封沟埂大致平行的蓄水沟，用以拦蓄坡面径流。沟头坡地地形较完整，坡面较平缓，做成连续式围梗；沟头坡地地形较破碎，地面坡度变化较大，坡度15°左右，可做成断续式围梗。（2）围梗蓄

15、水池式沟头防护工程沟头以上有低洼地段或较平缓时，可在该低洼或者平缓处修建蓄水池，蓄水池与围梗互通。2. 泄水式沟头防护工程适用于坡面来水量较大，坡面地形、地质受到限制不能采用蓄水式时，可采用泄水式沟头防护工程，将坡面径流汇至集中地点，导入排水沟泄走。依据跌水的结构形式不同，可分为：悬臂跌水式台阶跌水式陡坡跌水式竖井跌水式10. 涝池（蓄水池）容积设计及计算1.运用调节水量计算法设计（1）按日调节进行设计： A.当来水流量用水流量 B.而昼夜来水量可以满足日用水量时，按日调节设计蓄水池容积。实例：灌溉面积为50亩，设计灌水定额20m3/亩，稳定流量7m3/h，每天灌水10h，一次灌水时间为7天，

16、输水系统的水分利用系数为0.95，确定蓄水池的容积。解答：计算如下： 日来水量：W来=7×24=168 m3 日用水流量：Q用=（50×20）/（7×10×0.95）=15 m3 日用水量：W用=15×10=150 m3 W来W用，需要进行日调节蓄水。 日灌溉10小时来水量W1=10×7=70 m3 日用水量W2=15×10=150 m3 缺水量：150-70=80 m3，需要由蓄水池提供。 故蓄水池容积为至少为80 m3（2）多日调节进行设计 A.来水流量用水流量（Q来Q用） B.昼夜来水量不能满足日用水量时（W日来 W日

17、用） C.但在一定周期内，W总来能够满足 W总用，可以考虑多日调节。实例：上例中，灌溉面积为增加到120亩，设计灌水定额20m3/亩，稳定流量7m3/h，每天灌水10h，一次灌水时间为7天，两次灌水间可允许有不超过10天的间隙时间，若取输水系统水的水分利用系数为0.95，确定蓄水池的容积。解答： 日来水量：W来=7×24=168 m3， 日用水流量：Q用=（120×20）/（7×10×0.95）=36m3， 日用水量：W用=36×10=360 m3 W用 W来，需要考虑多日调节蓄水， 轮灌周期为t=10+7=17d，期间来水量W1=17

18、5;24×7=2856 m3 一次灌水总量W2=20×120/0.95=2526 m3 W1W2，故可以一个轮灌周期（17d）为调节周期。 灌水的7d来水量为7×24×7=1176 m3 ， 缺水量：2526-1176=1350 m3，需要由蓄水池提供。故蓄水池容积为1350 m311. 截水沟设计（1）蓄水型截水沟工程设计：A. 暴雨径流的设计 设计标准：根据水土保持国家标准水土保持综合治理技术规范。坡面径流量、洪峰流量与土壤侵蚀量的确定：查阅当地水文手册。B.蓄水型截水沟的容积尺寸每道截水沟的容量（V）：VV+Vs 式中：V截水沟容量，m3； V=M

19、× F； Vs=3M×F；F截水沟的集水面积，km3；M一次暴雨径流模数 截水沟的断面面积A1=V/L （L为截水沟的长度） 断面面积计算出来后，设计坡度、底宽、沟深等。C.截水沟断面设计步骤：过水深h计算：一般断面形式设计公式；宽深比计算确定底宽b：用求得的h、b和已知的n、m、i计算A1、x、R、C等水力要素：按明渠均匀流公式计算截水沟输水能力，并校核流量和流速。截水沟输水能力应等于大于设计频率洪峰流量，流速应满足不冲不淤流速（即：QQ设 ，V不淤VV不冲），否则应适当调整h、b值及其沟底比降i值，重新计算再校核，直到满足输水能力和流速条件为止。 (2)排水型截水沟工程

20、设计 多蓄少排型：参照蓄水型截水沟设计，沟底取1%左后的比降。 少蓄多排型：参照排水沟设计，沟底取2%左右的比降。12. 排水沟设计（1）排水沟断面设计公式：排水沟断面积A2，根据设计频率暴雨坡面汇流洪峰流量，按明渠均匀流公式计算。 式中：A2排水沟过水断面面积，m2； Q设计坡面汇流洪峰流量，m3s； C谢才系数； R水力半径，m； i排水沟沟底比降。Q值的计算：坡面汇水面积的设计洪峰流量的计算，计算公式为： Ir-设计频率10mm最大雨强（mm/min） Ip-相应时段土壤平均入渗强度（mm/min） F-汇水面积(hm2)R值的计算：R=A2 /x式中：x排水沟断面湿周，系指过水断面水流

21、与沟槽接触的 边界总长度。矩形断面： X=b+2h梯形断面： X=b+2h 式中：b沟槽底宽，m； h过水深，m； m沟槽内边坡系数。C值的计算：一般采用满宁公式。式中：n沟槽糙率。与土壤、地质条件及施工质量等有关，一般土质排水沟取0.025左右。 i值的选择：排水沟沟底i值与断面设计是互为依据、相互联系的，不能把它们截然分开确定，而应交替进行，反复比较，最后确定合理的方案。m值的确定；截水沟内边坡系数m值的确定，主要取决于沟深和土质。土壤松散、沟槽较深，应采用较大的值；反之，土质坚硬，淘槽较栈，m值可小。由于坡面暴雨径流的冲刷和截水沟洪水易涨易落及其渗透压等原因，土质截水沟边坡容易坝垮塌，因

22、此，截水沟的m值一般应比灌溉渠的m值大。13. 谷坊间距的确定 谷坊间距与谷坊高度及淤积泥沙表面的临界不冲坡度有关。当连续修建谷坊时，上一座谷坊脚与下一座谷坊顶大致水平，或略有坡度（稳定坡度）。按下式计算： L谷坊间距（m） H-谷坊溢水口底到谷坊底高度（m） i-原沟床比降，% i-谷坊淤满后的稳定坡降，%14. 谷坊的施工（1）土谷坊施工 A.定线：在谷坊位置，按设计的尺寸，在上面划出坝基轮廓线。 B.清基：将轮廓线内的浮土、草皮、乱石、树根全部清除。 C.挖结合槽：沿坝轴线中心，从沟底至两岸沟坡开挖结合槽，宽深各0.5-1.0m。 D.填土夯实：填土前先将坚实的土层深松3-5cm，每层填

23、土厚0.25-0.3m，夯实一次；将夯实土表面刨松3-5cm，再上新土夯实，要求土的干密度1.4-1.5t/m3。如此分层填筑，直到设计坝高。（2）石谷坊施工 A.定线：同土谷坊 B.岩基沟床清基：清除表面的强风化层，基岩面应凿成向上游倾斜的锯齿状，两岸沟壁凿成竖向结合槽。 C.砌石：根据设计尺寸，从下向上分层垒砌，逐层向内收坡，块石应首尾相接，错缝砌筑，大石压顶。石料厚度不小于30cm，接缝宽度不大于2.5cm，同时应做到“平、稳、紧、满”（砌石顶部要平，每层铺砌要稳，相邻石料要紧靠，缝间沙浆要灌满）。（3）柳谷坊施工A.桩料选择：选择生长能力强的活立木B.埋桩：按设计深度打入土内，桩身与地

24、面垂直，勿伤柳桩外皮，芽眼向上，各排桩位呈品字形错开。C.编篱与填石：以柳桩为经，从地表以下0.2cm开始，进行横向编篱，到与地面齐平时，在背水面最后一排桩间铺柳枝厚0.1-0.2m，桩外露枝梢约1.5m，作为海漫。各排编篱中填入卵石（块石），靠篱处填大块，中间填小块，编篱顶部做成下凹弧形溢水口。编篱与填石完成后，在迎水面填土，高与厚各约0.5m。 15. 拦沙坝坝高的确定 拦沙坝的高度由下列条件决定： A.坝址处地基及岸坡的地质条件 B.坝址处地形条件 C.拦沙坝的设计目标，实现最好的防护效益 D.合理的经济技术指标，主要是坝高与拦淤库容的关系。（1）用于拦挡沟谷泥石流的拦砂坝：坝高与库容主

25、要由坝址上游沟道泥石流固体物质的多少和地形特点决定。先绘制好坝高与库容的关系曲线。再根据历次泥石流流量估算出一次最大泥石流的总量，可确定坝高与库容。结合地形条件，确定合理的坝高与库容。(2)用于稳定滑坡的拦砂坝：防止滑坡造成更大规模泥石流。依据泥石流堆积物所形成的高度和重量来稳定滑坡体，用所需淤积物的高度来确定拦砂坝的坝高和库容。A.当滑坡轴线与拦砂坝轴线近乎正交时，要稳定滑坡体必须满足两个条件：第一个条件：坝内淤积物所产生的抗滑力应大于或等于滑坡体下滑时的力（即滑坡体下滑力的水平分力），即： W-滑坡剪出口高程以上淤积物的单宽质量（t/m） f - 淤积物内摩擦系数 P -滑坡体单宽剩余下滑

26、力（滑坡体下滑力的水平分力） （t/m）第二个条件：坝内淤积物不被滑坡推力所剪破，即被动土压力要大于或等于剩余下滑力，即： c-泥石流淤积物容重（t/m3） h-滑动面剪出口以上淤积物厚度（m） -淤积物内摩擦角 P-滑坡体单宽剩余下滑力（滑坡体下滑力的水平分力） （t/m） 当满足以上两个条件时，由两式可以求出h，在剪出口高度已知的条件下，即可求出坝高H=hc+h，hc为滑坡剪出口距坝底高度。坝高已知后，便可查出相应库容（查坝高与库容关系曲线）。hc通过现场调查确定。B.当滑坡轴线与拦砂坝轴线平行时，此时坝高因滑坡的剩余下滑力通过淤积物垂直传于对岸山体，第一个条件自然满足，因此坝高按第二个条

27、件确定即可。 上述两种情况，在考虑淤积比降特征后，可按下式计算总坝高H总。 H总=H+L（i-ic）=h+hc+L(i-ic)。 L-坝距滑坡体的平均距离。其它同上。16. 实例计算：某拦砂坝坝高5m，基础埋深2m,初步拟定上游坡1:0.8，下游坡1:0.6，坝顶宽2m。（图2）采用浆砌石砌筑，砌体容重为2.3t/m3，坝体与基础之间的摩擦系数f=0.5，泥石流容重和坝前淤积物的容重均为2.22.3t/m3，淤积物的内摩擦角为21°，宣泄设计流量时坝顶泥深3m，不考虑地震影响和泥石流的冲击力，试求坝的抗滑稳定系数和坝基应力？（tan55.5°=1.45, tan34.5&#

28、176;=0.69） 解答如下：计算各种受力和应力：（1）坝的作用力：G1=10*2*2.3=46t；G2=1/2*3.0*5*2.3=17.25t；G3=2*5*2.3=23；G4=1/2*4*5*2.3=23t坝上淤积物重：G5=1/2*4*5*2.2=22t；G6=0.5*5*2.2=5.5t泥沙压力：P泥=1/2*2.2*102*tg2（45°-21°/2）=51.7t坝基土压力：E=1/2*2.2*22*tg2（45°+21°/2）=9.3t坝基渗透压力： W=1/2*1*7*10*1=35t（2）坝体抗滑稳定系数计算：Ks=0.5*（46+1

29、7.25+23+23+22+5.5-35）/（51.7-9.3）=1.19（3）坝基应力分析：作用在坝上的各力对坝基断面中心点O的力矩归为下表： 17. 格栅坝的特点是拦、排兼备，变实体重力坝的全部拦挡为部分拦挡。格栅坝拦蓄泥石流中的大部分较大固体物质，排走泥沙、细砾和流体中的自由水，使进入坝库的泥石流很快被疏干，达到水土分离。可以减少下泄泥石流的密度、流量和规模，降低下游遭受泥石流危害的程度。确保一定库容，以延长格栅坝的使用年限。与实体重力坝相比，格栅坝具有良好的拦石排水效果，受力条件好且结构简单、施工周期短、工程费用低、利于库坝维护管理，在国内外泥石流防治工程中各种材料的格栅坝逐渐得到应用和迅速发展。格栅坝最适合于拦蓄含巨石、大漂砾的水石流、稀性泥石流和挟带大量推移质的高含沙洪水，也可布置在粘性泥石流与洪水相间出现的沟道；而不适用于拦蓄崩滑体和间发性粘性泥石流以及细颗粒的泥流、水沙流等泥石流河沟。18. 淤地坝的组成、分类与作用一般淤地坝由坝