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水土保持工程學 楊文利 主講 緒論 水土流失與水土保持 我國水土流失狀況及其危害 水土保持的成就與作用 水土保持的基本原則 水土保持工程學的研究對象和內容 水土保持工程發(fā)展簡史 水土保持工程學與其他學科的關系 水土流失與水土保持 水土流失（water and soil loss)：在水力、風力、重力等外營力的作用下，水土資源和土地生產力的破壞和損失。包括土地表層侵蝕及水的損失，也稱水土損失。 水土保持(water and soil conservation)：防治水土流失，保護、改良與合理利用山丘區(qū)和風沙區(qū)水土資源，維護和提高土地生產力，以利于充分發(fā)揮水土資源的經濟效益和社會效益，建立良好生態(tài)環(huán)境的事業(yè)。 水土保持工程學：應用工程原理，防治山區(qū)、丘陵區(qū)、風沙區(qū)水土流失，保護、改良與合理利用水土資源，以充分發(fā)揮水土資源的經濟效益和社會效益，建立良好生態(tài)環(huán)境的科學。 我國水土流失的現狀及危害 我國水土流失現狀 椐水利部遙感中心調查統(tǒng)計，全國土壤侵蝕面積達492萬km2，占國土面積的51%，其中輕度以上水蝕面積179萬km2，風蝕面積188萬km2，凍融侵蝕125萬km2。 水土流失危害 破壞土地吞食農田 降低土壤肥力，加劇干旱發(fā)展 淤積抬高河床，加劇洪澇災害 淤塞水庫湖泊，影響開發(fā)利用 水土保持的成就與作用 水土保持的作用 增強蓄水能力，提高降水資源的有效利用 消洪增枯，提高河川水資源的有效利用率 對河川年總徑流量的影響 控制土壤侵蝕，減少河流泥沙 改善水文環(huán)境，保護水質 促進區(qū)域社會經濟可持續(xù)發(fā)展 水土保持的成就 幾個階段：1980年小流域綜合治理、1991年水土保持法的頒布、1992年市場經濟的提出、1996年城市水土保持、1997年退耕還林、生態(tài)環(huán)境建設的提出（西部大開發(fā)）、2003年（振興東北老工業(yè)基地） 水土保持工程研究對象與內容 研究對象：山丘區(qū)及風沙區(qū)保護、改良與合理利用水土資源，防治水土流失的工程措施。 水土保持工程的內容 坡面工程 溝道工程 山洪排導工程 小型蓄水用水工程 水土保持工程發(fā)展簡史 我國水土保持工程的發(fā)展歷史悠久 公元前956年中國就有“平治水土”的記載 戰(zhàn)國末期（公元前221年）“高低畦田整地” 梯田早在漢代已經出現 淤地壩在黃河流域也有400年的歷史 引洪漫地，距今已有2000多年 國外水土保持工程的發(fā)展 歐洲文藝復興以后，采取以恢復森林為中心的復舊工程 奧地利1884年，總結出了一套防治荒溪侵蝕的森林-工程措施體系 1928年，日本的砂防工學 20世紀30年代，美國教授貝勒特創(chuàng)立土壤保持學 第二章 坡面集水保水工程 集水技術（雨水集蓄工程）簡介 水窖的設計 蓄水池的設計 截流溝 水平階、水平溝 保水技術 我國水資源的特點 水資源的總量不少，但人均、單位面積占有量少，人均為世界人均水量的1/4。 水資源地區(qū)分布不均勻，與人口、耕地分布不適應，南方水多地少，北方地多水少。 北方旱區(qū)水資源總量只占全國的14.4%， 水資源的匱缺是一個嚴峻的問題，特別的北方的干旱地區(qū)問題更嚴重。 雨水集蓄工程概述 是指人工對降雨進行收集、匯流、蓄存并進行調節(jié)利用的微型水利工程。 一般由集雨系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)和蓄水系統(tǒng)組成 集雨系統(tǒng)：收集雨水的場地，可以是庭院、屋面、道路、胡同和大田等，也可以是采用防滲材料鋪砌的地面 輸水系統(tǒng)：輸水溝和截流溝，其作用是將集雨場中的雨水收集起來并輸送到沉沙池。 蓄水系統(tǒng)包括蓄水建筑物及其附屬設施 蓄水建筑物主要是水窖（窯）和蓄水池 主要的附屬設施有沉沙池、攔污柵、進水管、消能設施、窖口平臺 水窖的功能與類型 水窖的功能 攔蓄雨水和地表徑流 提供人畜飲水和旱地灌溉的水源 減輕水土流失 水窖的類型 井窖 窯窖（挖窯式、屋頂式） 豎井式圓弧型混凝土水窖 隧洞型漿砌石水窖 雨水集蓄工程規(guī)劃（一） 規(guī)劃的主要任務 根據雨水資源、生產生活用水情況，合理確定工程的規(guī)模 合理布設集雨場、蓄水建筑物和附屬建筑物 工程投資估算、效益分析 規(guī)劃的主要原則 因地制宜，選用合適的集雨場和蓄水建筑物的形式 實現多目標利用 與當前農村管理體制相適應 突出效益發(fā)揮 雨水集蓄工程規(guī)劃（二） 基本資料的收集 水文計算（來水量、用水量、水量平衡計算、確定蓄水工程的數量和容積） 集雨場規(guī)劃 蓄水工程設計（選址、容積設計、結構設計、工程量計算） 配套設施設計 投資估算、效益分析 蓄水池的規(guī)劃設計 定義：用以攔蓄地表徑流為主，蓄水量在50~1000m3蓄水工程。 功能：攔蓄地表徑流、減輕水土流失、人畜飲水和灌溉。 類型 圓形、矩形 封閉式和敞開式 布置形式：平地澇池、結合溝頭防護、溝底坡腳布置、連環(huán)澇池 選址：村旁、路邊、梁峁坡和溝頭上部 水窖、蓄水池的管護 水窖和蓄水池正常運行的要求 蓄水滲漏量小 水窖和蓄水池內淤積量較小（20%） 保證水窖內常年有水，水窖水位不低于0.2米 管護 蓄水時的管護:清淤、清理雜物、疏通進水管 日常管護：定期檢查維修水窖（蓄水池），使其完好無損。 山邊溝 在坡面上沿等高線方向，每隔適當距離修建的淺三角形溝。山邊溝原是美國實行的一種坡面水土保持措施，1956年廖綿睿將此措施引入臺灣省。 水平竹節(jié)溝 在坡面上沿等高線開挖蓄水水平溝，溝內每隔一定距離培筑橫向擋水土堤，水平溝截成竹節(jié)樣的長方形蓄水坑，分段攔蓄雨水和坡面徑流，在平面上看，又酷似隔坡如剖開的楠竹，在綜斷面上看，有酷似隔坡梯田。水平溝是干旱、半干旱丘陵山區(qū)一種很重要的造林整地措施。 水平竹節(jié)溝，由于其上方坡段要退耕種草或栽植林灌，徑流將大為消減，因而水平溝的蓄水容積Q可按攔蓄10年一遇的3h暴雨標準來設計，即 Q=F(h-f)+LBha+U1+Fh0 式中，F為每個竹節(jié)的沉雨面積；h為10年一遇3h暴雨量；f為竹節(jié)形水平溝內土壤入滲水量；L為二水平溝間的斜坡長度；B為竹節(jié)的寬度；a 為徑流系數；U1為水平溝每竹節(jié)寬度坡面上3年累計沖刷下來的土量；h0為水平溝蓄水埂安全超高。 截流溝設計（一） 定義：在斜坡上每隔一定距離橫坡修筑的具有一定坡度的溝道。 功能 截短坡長、阻截徑流，減免徑流沖刷 將分散的坡面徑流集中起來，輸送到蓄水工程或直接輸送到農田、草地或林地 與等高耕作、梯田、溝頭防護等措施結合，對保護其下部的農田、防止溝頭前進，維護村莊和公路、鐵路的安全有重要作用。 截水溝布置：截水溝間距確定（間距隨坡度增大而減�。� 截水溝斷面設計（縱坡確定、設計洪峰流量、過水斷面確定） 截流溝設計（二） 底坡的確定 決定于地面坡度和土質 滿足不沖不淤流速要求 底坡的確定與斷面設計互為依據、相互聯(lián)系 斷面尺寸確定 明渠均勻流公式：Q=C.A（Ri)1/2 洪峰流量計算：Q=K×Im×Fn 設計步驟 假設橫斷面h或b 計算流速v，判斷是否屬不沖不淤流速，校核流量 否則，改變斷面尺寸，重新設計 第三章 梯田 梯田的發(fā)展歷史 梯田的分類 水平梯田 隔坡梯田 坡式梯田 （一）水平梯田 梯田附屬建筑物規(guī)劃 坡面蓄水攔沙設施規(guī)劃 梯田區(qū)的道路規(guī)劃 灌溉排水設施的規(guī)劃 （二）隔坡梯田 定義 優(yōu)點 隔坡梯田的優(yōu)化設計 隔坡梯田定義 隔坡梯田是根據攔蓄利用徑流的要求，在一個坡面上修建的每一臺水平梯田，其上方都留出一定面積的原坡面不修，坡面產生的徑流攔蓄于下方的水平田面上。這種平、坡相間的復式梯田布置形式，叫做隔坡梯田。水平梯田與間隔的自然坡面占地之比稱為平坡比。 隔坡梯田的優(yōu)點 修筑省工。 據尹傳淞等人的實驗，一般修建每公頃連臺水平梯田需用工727個，而修建隔坡梯田僅150-255個。 利于實施徑流農業(yè)，防旱、抗旱。 隔坡梯田的水平田面除承納自身的雨水之外，還能攔蓄上方坡地的來水和泥沙，增加土壤水分、養(yǎng)分。根據延安水土保持研究所1982年的調查，隔坡梯田的攔泥效益在94.1%以上。 根據尹傳淞連續(xù)3年在5-10月逐旬測定結果，水平田面1m深土層內的土壤水分含量比坡地增加了3.3%-12.2%。 水平田面的作物產量比一般坡地能增加22%-111%。蘭州水土保持實驗站觀測表明，平坡比為1:3的隔坡梯田水平田面的小麥產量比連臺水平梯田增產13.3%-106.4%，比坡耕地增產91.9%-133.3%。 隔坡梯田水土保持效益 隔坡梯田的優(yōu)化設計 平坡比的選定是隔坡梯田設計中的主要矛盾。 以水沙平衡基本原理設計隔坡梯田斷面 隔坡梯田坡段部分產水、產沙量的估算 平坡比m=B/l=nh/(a-a0) 以農業(yè)系統(tǒng)工程設計隔坡梯田斷面 影響隔坡梯田優(yōu)化設計的三個主要因素：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產量為主要目標建立目標 計算結果 黃土高原丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)，平坡比宜為1:2~1:3，坡段的土地利用方式可考慮水平階種草、水平溝種草、密叢草地或草糧等高帶狀間作來選配。 長城沿線的干旱、半干旱長梁緩坡類型區(qū)，平坡比可大于1:3。 （三）坡式梯田 在較為平緩的坡地上沿等高線構筑攔水攔泥土埂，埂間仍維持原有坡面不動，借雨水沖刷和逐年耕翻，使埂間坡面漸漸變平，最終成為水平梯田。 地埂攔蓄量可按最大一次暴雨徑流深、年最大沖刷深與多年平均沖刷深度之和進行計算。 地埂培修好后應逐年加高，一般每三年見高一次。 黃土高原坡式梯田規(guī)格參考 土方量計算（一）方格網法 方格網法適用于比較復雜的地形，在田塊平面形狀比較方正的情況下，測量計算都比較方便，而且精度高。 具體步驟 打樁：在要測量的梯田田塊內，劃分成10-20米見方的方格，各方格頂點用木樁標定。 整樁：在地面起伏不平的地塊上，會有個別樁點的高程不能代表它周圍地面的高程，進行調整。 測量：按各個木樁編號順序進行高程測量，并作記錄，讀數到厘米即可。 計算①田塊的平均高程②各樁點的設計高程③挖填深度④挖填土方量⑤確定開挖線 土方量計算（二）散點法 適用于地形雖有起伏，但變化比較均一，不太復雜的地形。散點法的特點是測點位置不受限制，可以根據地形情況，布置測點，求平均高程方法簡便。 具體步驟 打樁：選擇地面上的特征點打樁 測量高程 計算地面的平均高程Ha 計算挖填土方總量 土方平衡計算 開挖線調整 土方量計算（三）縱斷面法 第四章 山坡固定工程 斜坡：向一個方向傾斜的地段。 斜坡有多種分類方式，例如可根據成因、巖土性質、邊坡高度等。 邊坡的破壞類型（淺層破壞） 剝落、落石、崩塌、堆塌、表層溜塌、風化剝落、錯落、坡面淺層滑坡 影響邊坡穩(wěn)定的因素 巖土性質、巖體結構、水的作用、風化作用、地形地貌、地應力、人為因素 邊坡穩(wěn)定的工程措施 采用支擋結構穩(wěn)定邊坡 坡面防護的工程措施 表土的固定及改良方法 邊坡的排水工程設計 坡頂排水溝 平臺排水溝 縱向排水溝 涌水處理 表土的固定及改良方法 表土固定方法 工程方法 框架工程 鋪網工程 化學方法 薄膜覆蓋型 滲透填充型 滲透連接型 植 被 護 坡 植物護坡設計的原則 確定邊坡類型 邊坡穩(wěn)定性設計 植物護坡的總體設計模式 關于景觀效果設計 選擇植被類型時，應考慮邊坡所在地的植物類型、植被環(huán)境 合理選擇主景 工程固坡的結構物應盡量隱蔽，突出植被景觀 坡面植物群落設計 常見的坡面植物群落類型 森林型：以喬木、亞喬木為主要組成樹種而建造的植物群落，樹高一般3-4米以上。周圍為森林、山地、丘陵、城鎮(zhèn)等場所較適宜。 草灌型:灌木、草本類為主要植物物種而建造的植物群落，其中灌木高度一般為3-4米以下。在陡坡、易侵蝕坡面及周圍為農田、山地等適用。 草本型：以多種鄉(xiāng)土草或外來草為主要物種而建造的植物群落。除可應用于一般坡地外，還適用于及陡邊坡、巖石邊坡等。 觀賞型：以草本類、花草類、低矮灌木以及攀緣植物的數種為主要物種而建造的植物群落。適用于在城市、旅游景點等人口聚集區(qū)的邊坡營造特殊植物群落。 理想的植物群落 一般認為，與自然相協(xié)調的植物群落可以認為是極為理想的。 與自然協(xié)調的植物群落必須滿足三個條件 植物生物學、生態(tài)學特性適用于自然環(huán)境 植物群落所具有的功能近似于自然 景觀上近似于自然 建立植物群落的指導思想 人工輔助自然植物群落的建立 植物種以外來的草本型先鋒植物為主，灌木種為輔 建立坡面植物群落應以播種為主，栽植為輔 護坡植物種類的選擇原則 適用當地的氣候條件 適應當地的土壤條件（水分、PH值、土壤性質等） 抗逆性（包括抗旱性、抗熱性、抗旱性、抗貧瘠性、抗病蟲害性等）強 地上部較矮，根系發(fā)達，生長迅速，能在短期內覆蓋坡面 越年生或多年生 適應粗放管理，能產生適量種子 種子易得且成本合理 常用草坪植物（華東） 狗牙根 假儉草 鋪草皮護坡 將培育的生長優(yōu)良健壯的草坪，用平板鏟或其草皮機鏟起，運至需綠化的坡面，按照一定的大小規(guī)格重新鋪植，使坡面迅速形成草坪的護坡綠化技術。 鋪草皮護坡的特點 成坪時間短 護坡功能見效快 施工季節(jié)限制少 前期管理難度大 草皮生產技術 普通草皮生產 地毯式草皮生產技術 適用邊坡 各類土質邊坡 強風化巖質邊坡 路堤邊坡 坡比：一般不超過1:1，局部可不陡于1:0.75 坡高：一般不超過10米 穩(wěn)定邊坡 植生帶護坡 參考書 《植被護坡工程技術》 人民交通出版社 《地面綠化手冊》中國建筑工業(yè)出版社 《現代陡坡地水土保持》九州出版社 《中國水土保持》科學出版社 溝道治理工程 用于防止溝道侵蝕的工程措施，其目的在于：保護溝頭、制止溝道溯源侵蝕；防止溝岸坍塌擴張；抬高溝道侵蝕基準面，制止溝床下切。 溝道治理工程措施有：溝頭防護工程、溝坡整地造林工程、谷坊、崩崗治理、淤地壩和小水庫等。 溝道治理措施總體布局原則 以小流域為單元全面規(guī)劃的原則 坡溝兼治原則 水資源合理利用的原則 溝頭防護工程 為了制止溝頭前進，在溝頭修建的一種排（蓄）坡面徑流的工程措施。 溝頭防護工程分蓄水型和排水型兩類。 蓄水式溝頭防護工程 埂墻澇池式 圍埂林帶式 多級壩埂式 溝埂片林式 排水式溝頭防護 懸臂式 陡坡式 谷 坊 修建在溝谷底部用以固定溝床、穩(wěn)定邊坡、制止溝蝕的工程。 根據建筑材料將其分為土谷坊、石谷坊和植物谷坊。 谷坊的布設 高度：干砌石1.5米；漿砌石3.5米；土谷坊：3-5米；柳谷坊1.0米左右，宜在流域面積1km2以下的溝道采用。 間距：“頂底相照原則”　　①�。蹋剑瑁�ｉ�、冢蹋剑瑁�（ｉ－ｉｃ） 粗沙兼有卵石時ｉｃ＝0.02;粘土為0.01；黏壤土為0.008；砂土為0.05。 淤地壩 在溝壑中筑壩攔泥，鞏固并抬高侵蝕基準面，減輕溝蝕，減少入河泥沙，變害為利，充分利用水沙資源的一項水土保持治溝工程措施。 淤地壩是黃土高原獨特的一項治理措施，由于淤成的壩地水肥條件優(yōu)越，已成為黃土高原建設高產穩(wěn)產基本農田的一項重要內容。 淤地壩發(fā)展概況 最初的淤地壩是自然形成的，距今已有400多年。明代隆慶三年（公元1569年），陜西子洲縣黃土洼，因自然滑坡、坍塌，形成天然聚湫，后經加工而形成高60米、淤地800余畝的淤地壩。人工修筑淤地壩的歷史記載，最早見于山西省《汾西縣志》。水利專家李儀祉先生于1927年提出在溝中筑壩淤地、防止溝道擴張、減少入黃泥沙的技術方案，作為治黃方略的一個重要組成部分。 1945年黃委會批準關中水土保持試驗區(qū)在西安市荊峪溝流域修建淤地壩一座，是黃河水利委員會在黃土高原地區(qū)修建的第一座淤地壩。 新中國成立后，經過水利水保部門總結、示范和推廣，淤地壩建設得到了快速發(fā)展。大體經歷了四個階段：二十世紀50年代的試驗示范，60年代的推廣普及，70年代的發(fā)展建設和80年代以來以治溝骨干工程為骨架、完善提高的壩系建設階段。 據調查統(tǒng)計，經過50多年的建設，黃土高原地區(qū)現有淤地壩11萬余座，淤成壩地450多萬畝，可攔蓄泥沙210億m3。主要分布在陜西（36816座）、山西（37820座）、甘肅（6630座）、內蒙（17819座）、寧夏（4936座）、青海（3877座）、河南（4147座）等七省（區(qū)），其中陜、晉、蒙三省區(qū)共有淤地壩9萬余座，占總數的82.5%。 1、攔泥保土，減少入黃泥沙 黃河泥沙主要來源于黃河中游黃土高原的千溝萬壑。據有關調查資料，大型淤地壩每淤一畝壩地，平均可攔泥沙8720噸，中型6720噸，小型3430噸。尤其是典型壩系，攔泥效果更加顯著。 據對內蒙古準格爾旗西黑岱小流域壩系調查，該流域總面積32平方公里，從1983年開始完善溝道壩系建設，到目前建成淤地壩38座，累計攔泥645萬噸，已達到泥沙不出溝。 延安市已建成的1.14萬座淤地壩已累計攔蓄泥沙17億噸，相當于全市6年輸入黃河的泥沙總量。根據黃河水利委員會黃河上中游管理局初步調查統(tǒng)計，黃土高原區(qū)11萬多座淤地壩可攔泥280億噸，對黃河安瀾起到了極其重要的作用。 2、淤地造田，提高糧食產量 壩地主要是由小流域坡面上流失下來的表土層淤積而成，含有大量的牲畜糞便、枯枝落葉等有機質，土壤肥沃，水分充足，抗旱能力強，成為高產穩(wěn)產的基本農田。 據黃河水利委員會綏德水土保持試驗站實測資料，壩地土壤含水量是坡耕地的1.86倍。 據黃土高原七�。▍^(qū)）多年調查，壩地糧食產量是梯田的2-3倍，是坡耕地的6-10倍。 在黃土高原區(qū)廣泛地流傳著"寧種一畝溝，不種十畝坡"、"打壩如修倉，攔泥如積糧，村有百畝壩，再旱也不怕"的說法。 3、防洪減災，保護下游安全 以小流域為單元，淤地壩通過梯級建設，大、中、小結合，治溝骨干工程控制，層層攔蓄，具有較強的削峰、滯洪能力和上攔下保的作用，能有效地防止洪水泥沙對下游造成的危害。 1989年7月21日，內蒙古準格爾旗皇甫川流域普降特大暴雨，處在暴雨中心的川掌溝流域降雨118.9毫米，暴雨頻率為150年一遇，流域產洪總量1233.7萬立方米，流域內12座治溝骨干工程共攔蓄洪水泥沙593.2萬立方米，緩洪514.8萬立方米，削洪量達89.7%，不但工程無一損失，還保護了下游3900畝壩地和5100畝川、臺、灘地的安全生產，減災效益達200多萬元。 甘肅省慶陽縣嶄山灣淤地壩建成以后，下游80戶群眾財產安然無恙，道路暢通，600畝川臺地得到保護，僅該壩保護的川臺地年人均純收入就達1680元。使爛泥溝變成了"聚寶盆"。 4、合理利用水資源，解決人畜飲水 淤地壩在工程運行前期，可作為水源工程，解決當地工農業(yè)生產用水和發(fā)展水產養(yǎng)殖業(yè)。對水資源缺乏的黃土高原干旱、半干旱地區(qū)的群眾生產、生活條件改善發(fā)揮了重要作用。 環(huán)縣七里溝壩系平均每年提供有效水資源160多萬立方米，常年供給廠礦企業(yè)，并解決了附近4個行政村7000多頭（只）牲畜的用水問題。 "十年九旱"的定西縣花岔流域，多年靠窖水和在幾十里外人擔畜馱解決人畜飲水。通過壩系建設，不僅徹底解決了水荒，而且每年還向流域外調水50多萬立方米，發(fā)展灌溉2000余畝。　　 5、優(yōu)化土地利用結構，促進退耕還林還草和農村經濟發(fā)展 淤地壩建設解決了農民的基本糧食需求，為優(yōu)化土地利用結構和調整農村產業(yè)結構，促進退耕還林還草，發(fā)展多種經營創(chuàng)造了條件。 昔日“靠天種莊園，雨大沖良田，天旱難種田，生活犯熬煎”的清水河縣范四夭流域，堅持以小流域為單元，治溝打壩，帶動了小流域各業(yè)生產，2001年流域人均純收入達1970元，電視、電話、摩托車等高檔產品也普遍進入尋常百姓家。 綏德縣王茂莊小流域，有壩地400多畝，在人口增加，糧食播種面積縮小的情況下，糧食總產卻連年增加，使大量坡耕地退耕還林還草，土地利用結構發(fā)生了顯著變化，耕地面積由占總面積的57%下降到28%，林地面積由3%上升到45%，草地面積由3%上升到7%。壩地面積占耕地面積的15%，產量卻占流域糧食總產的67%。實現了人均林地36畝，草地5畝，糧食超千斤。 環(huán)縣趙門溝流域依托壩系建設，累計退耕還林還草3250畝，發(fā)展舍飼養(yǎng)殖1575個羊單位，既解決了林牧矛盾，保護了植被，又增加了群眾收入。目前黃土高原區(qū)已涌現出一大批"溝里壩連壩，山上林草旺，家家有牛羊，戶戶有余糧的富裕山莊。 淤地壩組成 淤地壩分類 淤地壩建筑物組成及壩型選擇 建筑物組成 包括壩體、放水工程、溢洪道，參見圖；也有“兩大件”，包括壩體和放水工程；還有僅設土壩“一大件”的。近年來新建的骨干壩則多數為“兩大件”。 三種組成方案的特點 “三大件”方案 這種方案包括壩體、放水工程、溢洪道三部分，其對于洪水泥沙的處理，是以排為主，工程建成后運用較安全，上游淹沒損失小。但工程量較大，工程建設、維修及運行費均較高 （二)“兩大件”方案 這種方案包括壩體、放水工程，對洪水泥沙的處理，是以滯蓄為主，無溢洪道，庫容大，壩較高，工程量大，上游淹沒損失大。但石方和混凝土工程量小，工程總投資較小。 (三）“一大件”方案 這種方案僅有土壩壩體，洪水泥沙的處理為全攔全蓄，僅適用于集水面積較小的小型淤地壩。為了增加其安全性，一般壩頂布設溢流口。對于溝深坡陡，地形破碎，且局部短歷時的暴雨，雨洪徑流一般峰高量小，采用較大庫容的辦法，易取得較好的效果。 （二）方案選擇 淤地壩建筑物布設，根據自然條件、流域面積、暴雨特點、建筑材料、環(huán)境狀況（如道路、村莊、工礦等）和施工技術水平選擇方案。 “三大件”方案 適用于起控制性的骨干壩，流域面積較大，土料粘粒含量大、水墜施工困難，以排為主。 “兩大件”方案適用于流域面積一般3-5km2，筑壩土料粘粒含量適中，水墜、碾壓施工均可選擇，以滯蓄為主的情況。在具體設計時究竟如何選擇，還須從技術經濟方面作一比較。 建筑物的“三大件”與“兩大件”比較 攔泥。“三大件”泄洪安全優(yōu)于“兩大件”，但“兩大件”采用高壩大庫容，全攔全蓄，以較大的庫容量攔蓄洪水，且能減少泄洪對下游的危害，攔蓄泥沙較“三大件”多。 工程投資。“三大件”工程因建溢洪道，其工程投資一般大于“兩大件”。 施工。“兩大件”施工速度較快，工藝相對簡短，施工費用低，工程維修方便。 綜合分析 在設計標準相同和放水工程投資相近的情況下，當用“兩大件”方案造成的上游淹沒損失和加高土壩土方投資總和大于“三大件”投資時，應選用“三大件”方案，若相近時采用“兩大件”方案；在“V”字型斷面溝道筑壩，當地無建筑溢洪道石料，需外運時，應考慮“兩大件”方案； 控制流域面積較大，壩系規(guī)劃中屬控制性的工程，下游又有重要交通道路或村鎮(zhèn)、工礦時，應選用“三大件”； 控制流域面積一般3-5km2，壩址下游無重要建筑物時，應選用“兩大件”方案。 二、壩型選擇 壩型選擇應本著因地制宜，就地取材的原則，結合當地的自然經濟條件、壩址地形地質條件，以及施工技術條件，進行技術經濟比較，合理選擇。 淤地壩多采用土壩。按土壩土料組合防滲設施的位置等不同，可分為均質土壩，心（斜）墻壩和土石混合壩等；按施工方法的不同，又可分為碾壓壩、水墜壩等。 當溝道兩岸及河床均為巖石基礎，石料豐富，相對容易采集，但土料缺乏，設計中多采用漿砌石拱壩或砌石重力壩。定向爆破土壩和土石混合壩在個別地區(qū)也進行過一些試驗，但由于施工技術較難掌握，并有特殊的地形、地質條件要求，故目前尚未大范圍推廣。從近二十年骨干壩的建設情況來看，絕大多數工程為碾壓壩和水墜壩，占到工程建設總數的 99%，而土石混合壩和漿砌石拱壩數量極少，只占到工程建設總數的1%。 淤地壩設計資料的測量與計算 流域地形圖 流域地形圖主要是宏觀上反映流域的地理位置、水系從屬關系和行政區(qū)劃，并能準確顯示流域范圍內地形、地貌特征，各類土地區(qū)界、地物和干、支、毛溝的相對位置等。該圖主要用來了解流域概況，量算各類型土地面積與總面積。淤地壩建設所用的地形圖一般要求比例尺不小于1:1000。 工程布局平面圖 工程布局平面圖主要反映干、支、毛溝的水土保持治理情況與中小淤地壩、小水庫、骨干壩的數量與相對位置。該圖要求比例尺寸不得小于1:1000 ，一般可根據相應比例的地形圖轉繪，并進行現場校正填圖。 庫區(qū)地形圖 庫區(qū)地形圖主要反映淤地壩淹沒面積范圍內的地形變化情況，以用來計算不同水位時相應的庫容和淤地面積數量，繪制水位~庫容關淤系曲線和水位~地面積關系曲線。庫區(qū)地形圖要求比例一般為1:5000~1:2000。 壩址地形圖 壩址地形圖是進行壩址地形、地質圖填繪、淤地壩建筑物工程布設和施工場地布置等工作的基本依據。該圖比例一般采用1:1000~1:500，為保證主要樞紐建筑物的計算精度還應配合測繪一定數量的縱橫斷面圖，以彌補壩址地形圖的不足。 庫區(qū)地質平面圖和壩址地質剖面圖 庫區(qū)地質平面圖和壩址地質剖面圖主要反映庫區(qū)壩址地質狀況，包括地表組成物質、巖石類型、構造特征、覆蓋厚度、區(qū)界和泉水露頭位置等。地質平面圖常需配合一定數量的地質剖面圖，以作為庫壩選址與確定施工方案的主要依據。淤地壩地質平面圖一般應結合流域現場勘測巖石露頭分布和必要的勘探工作進行地質測繪與填圖。比例尺同相應庫區(qū)與壩址地形圖。壩址典型剖面圖的比例可根據具體情況適當放大。 料場地形圖 料場地形圖主要反映壩址與庫區(qū)范圍內，砂、土、石等可以利用的建筑材料類別、分布范圍和儲量等情況，以作為壩型選擇、用工量計算依據。該圖主要利用庫區(qū)地形圖、壩址地形圖，結合現場踏勘、丈量進行繪制。 水位與庫容、淤地面積關系曲線的繪制 淤地壩水位~庫容 、水位~淤地面積關系曲線繪制一般采用等高線法和斷面法。 等高線法 利用庫區(qū)地形圖，由最低點開始量出逐根等高線與壩軸線所組成的封閉圖形的面積，直至略高于設計壩頂高程。 斷面法 首先測出壩軸線處的橫斷面，然后在庫內沿溝道施測一條與壩軸線垂直的縱斷面，其樁號位置應根據兩岸山坡及河槽河灘變化定出，量出樁號間的距離，并測出各樁號處的橫斷面。計算庫容與淤地面積時，在各橫斷面圖上以不同水位為頂線，求出各橫斷面圖上不同水位高程以下的橫斷面面積與相應水面，然后將相鄰的兩斷面面積與水面寬的均值乘以相應的斷面間距，便得出此二斷面間不同水位時的容積和可能淤地面積。最后把各段容積、可能淤地面積按不同水位相加，即得出不同水位時的庫容與淤地面積。 淤地壩設計水文計算 淤地壩壩高規(guī)劃 淤地壩除了攔泥淤地外，還有防洪的要求。所以，淤地壩的庫容由兩部分組成：一部分為攔泥庫容，另一部分為滯洪庫容（flood detention storage）。而相應于該兩部分庫容的壩高，即為攔泥壩高和滯洪壩高。因此，淤地壩的總高等于攔泥壩高、滯洪壩高及安全超高之和（圖3—6） 影響攔泥壩高的因素 淤地面積 淤地壩的淤地面積是隨著壩高的增加而增大的，但增長速度逐漸趨于緩慢，甚至近于停止。所以，設計攔泥壩高時需要作技術、經濟方案比較，應以較少的筑壩投資獲得較大的淤地面積。 淤滿期限 它是確定攔泥壩高的重要參數，其值應在安全防洪的前提下，用盡早受益的原則來確定。例如，山西省根據群眾筑壩經驗，淤地壩淤平年限定為：10—15年，中型淤地壩5—10年，小型淤地壩5年以下。 工程量和施工方法 淤地壩一般在當年汛期前達到防汛壩高。所以應根據設計洪水、施工方法和勞力等情況，估算可能完成的工程量，分析完成設計壩高的可能性。 攔泥壩高的確定 設計時，首先分析該壩的壩高—淤地面積—庫容關系曲線，初步選定經濟合理的攔泥壩高，再由其關系曲線中查得相應壩高得攔泥庫容，其次由初擬壩高加上滯洪壩高和安全超高的初估值，一般為3.0—4.0m，作為全壩高來估算其壩體的工程量。根據施工方法、工期和社隊經濟情況等，判斷實現初選攔泥壩高的合理性。然后由該壩所控流域內的年平均輸沙量求得淤平年限。 最后，根據淤地面積、工程量、淤平年限、施工方法和工期等進行技術經濟方案比較，在用較少的筑壩投資獲得較大的淤地面積的總原則下，確定設計攔泥壩高 。 滯洪壩高 為了保證淤地壩工程安全和壩地的正常生產，必須修建泄洪建筑物。排泄多少洪水，決定于庫區(qū)產多少洪水量和水庫滯納多少洪水量。在淤地壩設計中除有攔泥（淤地）庫容外，必須有一個滯洪庫容，用以滯蓄由防洪建筑物暫時排泄不走的洪水，為此，需進行調洪演算。調洪演算的任務是根據設計洪水的大小，確定防洪建筑物的規(guī)模和尺寸，確定滯洪庫容和相應的滯洪壩高。 安全超高的確定 淤地壩的安全超高主要取決于壩高的大小，根據各地經驗可采用表3—5的數值。 壩體設計 壩頂寬度 土壩的壩頂寬度，可根據壩高、施工、構造和交通等方面的要求綜合考慮后確定，當壩頂有交通要求時，還應滿足交通需要。無交通要求時，按表確定。 碾壓土壩的壩坡選擇一般遵循以下規(guī)律： 上游壩坡在汛期蓄水時處于飽和狀態(tài)，為保持壩坡穩(wěn)定，上游壩坡應比下游壩坡緩； 粘性土料的穩(wěn)定壩坡為一折線面，上部坡陡，下部坡緩，所以用粘性土料做成的壩坡，常沿高度分成數段，每段10-20m ，從上而土料作成的壩坡，常沿高度分成數段，每段下逐段放緩，相鄰坡率差值取0.25。 由粉土，砂、輕壤土修建的均質壩，透水性較大，為了保持滲流穩(wěn)定，一般要求適當放緩下游壩坡； 當壩基或壩體土料沿壩軸線分布不一致時，應分段采用不同坡率，在各段間設過渡區(qū)，使壩坡緩慢變化。 水墜壩上、下游壩坡，當采用砂壤土、壤土筑壩時，可采用同一壩坡。 砂巖、花崗巖、風化殘積土水墜壩的經驗壩坡為：上游坡的坡率一般為2.5-2.75，下游第一級坡的坡率一般為2.5-2.25，以下各級坡的坡率較上一級增加0.25-0.5。 馬道 又稱戧 臺。土壩壩坡（主要是下游坡）常沿高程每隔10-15m設置一條馬道。 其作用是：攔截雨水、防止沖刷壩坡；同時便于進行壩體檢修和觀測；增加壩底寬度，有利于壩體穩(wěn)定。 馬道寬為1-1.5m。 馬道一般設在坡度變化處。 邊埂寬度 砂壤土、壤土水墜壩邊埂寬度根據壩高和土料類別（指壩的上部距1/3~1/4范圍內的邊埂，下同），可按表經驗值選用，但最小寬度 不應小于3m。 淤地壩的構造 壩頂 淤地壩一般對壩頂構造無特殊要求，可直接采用碾壓土料，如兼做鄉(xiāng)村公路，可采用碎石、粗沙鋪壩面，厚度20cm-30cm。為了排除雨水，壩頂面應向兩側或一側傾斜，作成2%~3%的坡度。 護坡 土壩上游坡面要經受順坡水流沖刷、冰層和漂浮物等的危害作用；下游壩坡要遭受雨水、大風和凍脹干裂等因素的破壞作用，因此在壩坡應設置護坡。 土壩上游坡設計淤積面以上及下游壩坡必須設置護坡，護坡材料應因地制宜，就地取材，或鋪砌礫石，或種植多年生牧草及灌木。為避免雨水徑流沖刷壩坡，在下游坡還應設置縱橫向排水溝�？v向排水溝設置高程一般宜與馬道一致，并設于馬道內側，溝的尺寸和底坡按集水面積計算確定。橫向排水溝一般每隔50-100m設置一條，壩體與岸坡 連接處也必須設置排水溝。排水溝一般采用混凝土和漿砌石砌筑，若用預制件拼裝時，務使接縫牢固，形成整體。 位于嚴寒地區(qū)的粘性土壩坡，為使護坡不致因壩坡土凍脹而變形，應設防凍墊層，其厚度不得小于當地的凍結深度。 壩體排水 對土壩較高，且兼蓄水任務的淤地壩，為了保證下游壩坡更加穩(wěn)定，要設排水體。 碾壓壩設排水主要是在蓄水運行期排出滲透水、降低壩體浸潤線、防止壩體和地基產生滲透破壞；水墜壩設排水除滿足運行期排水要求外，主要是加速沖填泥漿的脫水固結，減少孔隙水壓力。 常用的排水形式主要有：棱柱排水、貼坡排水、褥墊排水、砂井（溝）排水、聚乙烯微孔波紋管網狀排水和土工織物排水等。 棱柱排水 棱柱排水又稱濾水壩趾，它是在下游壩腳處用塊石堆成的棱體。 棱體頂寬不小于1.0m，排水體高度可取壩高的1/5~1/6，頂面高出下游最高水位0.5m以上，而且應保證浸潤線位于下游壩坡面的凍層以下。 棱體內坡根據施工條件決定，一般為1:1~1:1.5，外坡取為1:1.5~1:2。 棱體與壩體以及土質土基之間均應設置反濾層，在棱體上游坡腳處應盡量避免出現銳角。 貼坡排水 貼坡排水又稱表面排水，它是用一、二層堆石或砌石加反濾層直接鋪設在下游壩坡表面，不伸入壩體的排水設施。 排水頂部需高出浸潤線逸出點1.5m以上，排水體的厚度應大于當地的冰凍深度。排水底腳處應設置排水溝或排水體，并具有足夠的深度，以便在水面結冰后，下部保持足夠的排水斷面。 褥墊排水 褥墊排水是沿壩基面平鋪的由塊石組成的水平排水層、外包反濾層。 伸入壩體內的深 度一般不超過壩底寬的1/2~2/3，塊石層厚約0.4~0.5m。 這種排水傾向下游的縱坡一般為0.005~0.1。 壩體排水 溢洪道設計 溢洪道是用于渲泄設計庫容所不能容納的洪水，防止洪水漫溢壩頂，保證大壩安全。 溢洪道按其構造類型可分為開敞式和封閉式兩種類型。開敞式溢洪道包括正槽溢洪道和側槽溢洪道兩種。 正槽式溢洪道是從面向壩庫的溢流堰泄流，堰的軸線與下游泄槽的中軸線正交。這種形式的優(yōu)點是構造簡單，水流順暢，施工和運用都比較簡便可靠，當壩址附近有天然馬鞍形啞口時，修建這種型式更為有利。淤地壩一般采用正槽溢流堰式溢洪道。 開敞式河岸岸邊溢洪道都是以寬頂堰或實用堰作為控制堰，它在淤地壩蓄水時與攔河壩一道組成擋水前緣，泄洪時堰頂以上的水量通過堰頂泄走。由于堰流的流量與堰頂水頭的次方成正比，所以，溢洪道的泄流量隨庫水位的抬高而迅速增大，這對淤地壩泄洪是很有利的。 一、溢洪道位置選擇 溢洪道的位置，應根據壩址的地形、地質條件進行技術經濟比較來選定，并應注意以下幾個方面： 要盡量利用天然的有利地形條件， 如分水鞍（或山坳）。 在地質條件上要求溢洪道兩岸山坡比較穩(wěn)定，防止泄洪時發(fā)生滑塌等事故。 在平面布置上，溢洪道應盡量做到直線布置，力求泄洪時水流順暢。溢洪道進出口離壩端應不小于10m，出口應離下游壩腳至少20m以上。 溢洪道布置應盡可能不和泄水洞放在同一側，以免造成水流干擾和影響臥管安全。 二、開敞式溢洪道結構布置 開敞式溢洪道通常由進口段、陡坡段和出口段三部分組成。 （一）進口段 進口段由引水渠、漸變段和溢流堰組成。 引水渠的作用是將壩內的洪水平順地引送到溢洪道。引水渠應盡量縮短長度，以減少工程量和水頭損失。斷面一般采用梯形，新巖石的邊坡，可采1:0.1~1:0.3，風化巖石大多采用1:0.5~1:1，土坡可采用1:1.5~1:3。 進口漸變段是由引水渠到溢流堰的過渡段。它的斷面應由梯形變?yōu)榫匦蔚呐で�面。其作用是使洪水平順地流到溢流堰上去�? 溢流堰采用矩形寬頂堰，由漿砌石、灰土、水泥土等做成，堰頂長度不得超過堰上水深的3-6倍，溢流堰兩端應布設與岸坡連接的邊墩，墩頂應比最高洪水位高出0.5m左右；堰底靠上游端應做砌石齒墻，以減少滲流和增加穩(wěn)定性。 (二）陡坡段 溢流堰下游銜接一段坡度較大（大于臨界坡度）的急流渠道稱為陡坡段。 從溢流堰下泄的水流為急流，因此陡坡坡度應大于臨界坡度。通常采用的陡坡為1:3~1:5，在基巖上可達1:1。 陡坡橫斷面在基巖上為矩形，在土基上上的斷面為梯形，邊坡為1:1~1:2。 陡坡兩邊的邊墻高度應根據水面曲線來確定。水流在陡坡內產生降水曲線，隨陡坡底部高程的下降，槽內水深逐漸減小。如果陡坡有足夠長度，其水深減至槽內正常水深時，就不再減少了。 當槽內水流流速大于10m/s時，水流中會產生摻氣作用，槽內水深因而要增加，這樣邊墻的高度應以該處的水深和摻氣高度再加0.5m~0.7m的安全超高來確定。 （三）出口段 溢洪道的出口段一般由出口漸變段、消力池（或挑流消能）和下游尾渠組成。 出口漸變段及下游尾渠斷面尺寸的確定與進口段的漸變段及引洪渠相同。以下主要介紹消力池和挑流消能的結構及布置。 溢洪道下泄的洪水，到達陡坡段的末端時，具有很大的動能。為此，當采用底流消能時，出口常布置消力池，用以消能。其橫斷面宜采用矩形。一般可采用漿砌石、混凝土襯砌。消力池前端幾米內的底板應設幾排梅花形排水孔，以降低底板浮托力，減少底板厚度。消力池末端，應設置齒墻，以防止淘刷和攔截尾水可能流向消力池底部的滲水。 對于巖石地基的高中水頭淤地壩，一般適用于挑流消能。挑流消能設施的平面型式有等寬式、擴散式和收縮式。 溢洪道水力計算 溢洪道水力計算的主要任務是：根據調洪計算確定的溢洪道設計流量和地質、地形條件及建筑物布置要求等，計算溢流堰前沿寬，并決定進口導水墻的型式及尺寸；確定陡坡及其斷面的型式和各部位尺寸，計算水面曲線和流速大小，選擇護面型式及決定邊墻高度；計算消能設施的各部位尺寸，保證尾水渠不受沖刷。 進口段的水力計算 引水渠道中水流流速比較小，一般為1.0m/s~1.5m/s，其按明渠公式計算。 小型水庫 概 述 水庫由擋水壩、溢洪道、放水建筑物三部分組成。 按國家規(guī)定標準，小（一）型水庫，庫容在100—1000萬m3，�。ǘ�）型水庫，庫容在10—100萬m3。 （一）庫址選擇 地形要肚大口小 肚大是指庫址內地形寬廣，河流或溝道縱坡平緩，能多蓄水，效益大；口小是指壩短，工程經濟，同時應便于布置溢洪道和放水洞。 有適宜的集水面積 集水面積過小，則水源不足；過大則洪峰高，洪量大，需要開挖很大的溢洪道。因此集水面積必須和蓄水庫容相適應。 壩址和壩址地質良好，基礎穩(wěn)固，無下陷情況。庫底和山坡不漏水，如有裂縫，要能夠修補。 壩址靠近灌區(qū)且比灌區(qū)高。這樣可以自流灌溉。 壩址附近要有足夠的和適用的建筑材料。 壩址附近要有適宜開挖溢洪道的山埡。 淹沒損失要小。 （二）地質調查 調查庫區(qū)、壩址區(qū)的巖石種類、性質、分布規(guī)律及巖石的透水條件。 調查庫區(qū)、壩址區(qū)范圍內的地質構造（斷層、巖層產狀、節(jié)理裂縫發(fā)育程度及規(guī)律、溶洞的分布范圍及規(guī)律）。 調查庫區(qū)、壩址區(qū)的水文地質特征（含水層巖性、水位深度、水的化學性質、地下水的成因類型）。在壩基最好沒有承壓水或高承壓水。 地形測量 壩址地形測量 集水面積測量 庫容測量與計算 建筑材料調查 水文資料的搜集與調查 流域淹沒及經濟調查 特征曲線和特征水位 特征曲線 水庫面積曲線 水庫容積曲線 水庫特征水位----特征庫容 設計低水位（死水位）---死庫容 設計蓄水位----興利庫容 設計洪水位----防洪庫容 校核洪水位----超高庫容 死庫容和死水位的確定 拱壩地形、地質 拱壩的特點 拱壩對地形地質的要求 理想的地形：左右兩岸對稱，岸坡平順無突變，在平面上向上游收縮的峽谷段。 在工程中，常用壩頂高程的河谷寬度L與最大壩高的比值，即“高寬比”，L/H表示，拱壩的厚薄程度，以壩底最大厚度和最大壩高的比值，即“厚高比”，T/H表示。一般情況下，L/H即寬高比越小，T/H即厚高比越大小。 對地質要求：河谷兩岸的基巖必須能承受由拱端傳來的推力，要在任何情況下都能保持穩(wěn)定，不致危害壩體的安全。理想的地質條件是：基巖比較均勻、堅固完整、有足夠的強度、透水性小、能抵抗水的侵蝕、耐風化、岸坡穩(wěn)定。JpT紅軟基地

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