沟道治理工程水土保持北京林大.ppt
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北京林业大学精品课程讲义,*,*,第二部分 山沟治理工程,,山沟治理工程,的作用在于防止沟头前进、沟床下切、沟岸扩张，减缓沟床纵坡、调节山洪洪峰流量，减少山洪或泥石流的固体物质含量，使山洪安全地排泄，对沟口冲积堆不造成灾害属于山沟治理工作的措施有：,沟头防护工程,、，以拦蓄调节泥沙为主要目的的各种,拦沙坝,，以拦泥淤地、建设基本农田为目的,淤地坝,及,沟道护岸工程,等9/12/2024,1,一、谷坊、拦砂坝,二、拱坝,三、淤地坝,山,,沟,,治,,理,,工,,程,四、小型水库,9/12/2024,2,1.1谷坊,,谷坊又名防冲坝，沙土坝，闸山沟等，是水土流失地区沟道治理的一种主要工程措施，谷坊一般布置在小支沟，冲沟或切沟上，稳定沟床，防止因沟床下切造成的岸坡崩塌和溯源侵蚀，坝高3-5m，拦沙量小于1000m,3,，以节流固床护坡为主9/12/2024,3,1.1.1谷坊的作用,,1.固定与抬高侵蚀基准面，防止沟床下切；,,2.抬高沟床，稳定山坡坡脚，防止沟岸扩张及滑坡；,,3.减缓沟道纵坡，减小山洪流速，减轻山洪或泥石流灾害；,,4.使沟道逐渐淤平，形成坝阶地，为发展农林业生产创造条件。
1.1.2谷坊的种类,,1、根据谷坊所用的建筑材料的不同，大致可分为以下几类：,土谷坊,；,干砌石谷坊,；,枝梢（梢柴）谷坊,；,插柳谷坊（柳桩编篱）,；,浆砌石谷坊,；,竹笼装石谷坊,；,木料谷坊,；,混凝土谷坊,；,钢筋混凝土谷坊,；,钢料谷坊,；,,2、根据使用年限不同，可分为,永久性谷坊,和,临时性谷坊,3、按谷坊的逶水性质，又可分为,透水性谷坊,与,不透水性谷坊,9/12/2024,4,1.1.3谷坊位置的选择,,谷坊修建的主要目的是固定沟床，防止下切冲刷因此，在选择谷坊坝时，应考虑以下几方面的条件1．谷口狭窄；,,2．沟床基岩外露；,,3．上游有宽阔平坦的贮砂地方；,,4．在有支流汇合的情形下，应在汇合点的下游修建谷坊；,,5．谷坊不应设置在天然跌水附近的上下游，但可设在有崩塌危险的山脚下1.1.4谷坊设计,,1.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9/12/2024,5,2.谷坊的断面规格,,谷坊的高度，应依建筑材料而定，一般情况下，土谷坊不超过5m，浆砌石谷坊不超过4m，干砌石谷坊不超过2m，柴草、柳梢谷坊不超过1m。
3.溢流口设计,,为避免暴雨造成洪水漫顶冲毁谷坊，石谷坊可在谷坊顶部中央留溢水口，土谷坊要在谷坊一端留溢水口9/12/2024,6,1.2 拦砂坝,,拦砂坝是以拦蓄山洪泥石流沟道中固体物质为主要目的的挡拦建筑物拦沙坝多建在主沟或较大的支沟内，通常坝高大于5m，拦沙量在10,3,—100,3,m,3,之间，甚至更大9/12/2024,7,1.2.1拦沙坝的作用,,1．拦蓄泥沙（包括块石）调节沟道内水沙，以免除对下游的危害，便于下游河道整治2．提高坝址的侵蚀基准，减缓坝上游淤积段河床比降，加宽河床，减小流速，从而减小了水流侵蚀能力3．稳定沟岸崩塌及滑坡，减小泥石流的冲刷及冲击力，防止溯源侵蚀，抑制泥石流发育规模1.2.2坝型选择,,1.按结构分：,,,重力坝,：依自重在地基上产生的摩擦力来抵抗坝后泥石流产生的推力和冲击力，其优点是：结构简单、施工方便，就地取材，耐久性强切口坝,：又称缝隙坝，是重力坝的变形即在坝体上开一个或数个泄流缺口，主要用于稀性泥石流沟，有拦截大砾石，滞洪，调节水位关系等特点9/12/2024,8,9/12/2024,9,错体坝,拱坝,钢索坝,格,,栅,,坝,9/12/2024,10,2.按建筑材料分：,,砌石坝、混合坝、铁丝石笼坝,混合坝,铁丝石笼坝,9/12/2024,11,1.2.3坝高与拦沙量的确定,,,,（一）拦沙坝坝高的确定,,,拦沙坝的高度由下列条件决定：,,（1）坝址处地基及岸坡的地质条件,,（2）坝址处地形条件,,（3）拦沙坝的设计目标，实现最好的防护效益,,（4）合理的经济技术指标，主要是坝高与拦淤库容的关系。
一般拦沙坝分为：,,小型拦沙坝 坝高：5-10m,,中型拦沙坝 坝高：10-15m,,大型拦沙坝 坝高：>15m,,（二）拦沙量计算,,,拦沙量的设计可按下法推求：对坝高已定的拦沙坝库容的计算可按下列步骤进行：,9/12/2024,12,（1）在方格纸上给出坝址以上沟道纵断面图，并按山洪或 泥石流固体物质的回淤特点，画出回淤线2）在库区回淤范围内，每隔一定间距测绘横断面图3）根据横断面图的位置及回淤线，求算出每个横断面的淤积面积4）求出相邻两断面之间的体积，,,计算公式为：,,式中：V—相邻两横断面之间的体积（m,3,）；W,1,，W,2,—相邻横断面面积（m,2,）；L—相邻横断面之间的水平距离（m）,,（5）将各部分体积相加，即为拦沙坝的拦沙量推求拦沙量还可根据下式计算：,,,式中： V—拦沙量（m,3,）；b,h—拦沙坝堆沙段平均宽度，高（m）；1/n —原沟床纵坡比降；1/m—堆沙区表面比降当堆沙表面比降采用原沟床比降1/2时，m=2n，,9/12/2024,13,1.2.4拦沙坝的断面设计,,,拦沙坝的断面设计任务是，确定既符合经济要求又保证安全的断面尺寸，其内容包括：断面轮廓的初步设计拟定，坝的稳定设计和应力计算，溢流口计算，坝下冲涮深度估算，坝下消能，本节主要介绍最常用的,浆砌石重力坝的断面设计,。
一）断面轮廓尺寸的初步拟定,,,坝的断面轮廓尺寸是指,坝高,、,坝顶宽度,、,坝底宽度以及上下游边坡,等日本防沙工程设计拦沙坝断面时，根据坝顶溢流水深h,1,及上游坝坡系数m用经验公式推求坝顶宽度b：,,b≥(0.8,～0.6m,)h,1,,一般也可根据坝高h确定坝顶宽度b:,,h=3,～,,5m时,b=1.5m，,,h=6,～,,8m时,b=1.8m，,,h=9,～,,15m时,b=2.0m,9/12/2024,14,拦沙坝,下游坝坡系数n,可用下列公式估算：,,式中：n——下游坝坡系数；,,V——下游最小石砾的始动流速(m/s)；,,h——坝高(m),,上游坝坡,与坝体稳定性关系密切，m值愈大，坝体抗滑稳定安全系数愈大，但筑坝成本愈高，因此，m值应根据稳定计算结果确定二）坝的稳定与应力计算,,,一座拦沙坝在外力作用下遭破坏，有以下几种情况：,（1）坝基摩擦力不足以抵抗水平推力，因而发生滑动破坏；（2）在水平推力和坝下渗透压力的作用下，坝体绕下游坝址的倾覆破坏；（3）坝体强度不足以抵抗相应的应力，发生拉裂或压碎在设计时，由于不允许坝内产生拉应力，或者只允许产生极小的拉应力，因此对于坝体的倾覆稳定，通常不必进行核算，一般所谓的坝体稳定计算，均指抗滑稳定而言。
计算时，首先根据初步拟定的断面尺寸，进行,作用力计算,，然后进行,稳定计算,和,应力计算,，以保证坝体在外力作用下不致于遭到破坏9/12/2024,15,1.作用力计算,,作用在单位坝上的力，按其性质不同可分为坝体自重、坝上下游面的淤积物重，坝前水沙压力、泥石流冲击力以及坝基扬压力等见右图,,①坝体重力G：,,G=V·γ,d,·b,,式中：G——坝体重力(t)；,,V——坝体横断面积(m,2,);,,γ,d,——坝体容重(t/m,3,)；,,b——单宽(b=1m),,,,②淤积物重量：作用在坝体上游面上的淤积物重量等于淤积体积乘以淤积物容重③水压力：,,式中：P——静水压力(t),,γ——水的容重(t/m3)，取1；,,h——坝前水深(m)；,9/12/2024,16,④泥沙压力：,,式中：,,P,泥,——坝前泥沙压力(t); b——单位宽度(b=1m)；,,γ,c,——堆沙容重(t/m,3,); H——坝前淤积物的高度(m)；,,φ——淤积物的内摩擦角，用公式表示为：,作用在下游坝基上的泥沙压力为被动土压力：,,,,,式中：E——被动土压力(t)； H,1,——坝基础深度(m)；,,γ,c,,φ——同前式； b——单位宽度(b=1m)。
⑤坝基扬压力：主要为渗透压力当坝体是实体坝，而又无排水的条件下，下游边缘的渗透压力为零，上游边缘的渗透压力为：,,,,,式中：W,φ,——渗透压力(t)； B——坝底宽度(m)；,,γ——水的容重(t/m,3,)； b——单宽(b=1m)；,,H——坝高(m)； a,1,——基础接触面积系数，取a,1,=19/12/2024,17,⑥泥石流冲击力：即泥石流的动压力，计算公式如下：,,,式中：p,冲,——泥石流冲击力(t/m,2,)；,,K——泥石流动压力系数，决定于龙头特性，一般取1.3根据云南省东川蒋家沟实测资料分析，K=2.5,～,4.0γ,c,—泥石流容重(t/m,3,)；g—重力加速度(为9.81m/s,2,)；,,V,c,—泥石流流速(m/s)； a—泥石流流向与坝轴线的交角(°),,⑦地震力：在地震区大型拦沙坝的设计应考虑地震力的作用地震作用通常有两种力,即地震惯性力及地震泥沙压力地震惯性力,地震泥沙压力,式中：S—水平地震惯性力(t)； Qc——地震作用下的泥沙压力(t)； φ——淤积物的内摩擦角；K,e,——地震系数；,,a—建筑物的惯性分布指数,9/12/2024,18,2.坝体抗滑稳定计算,,,坝体是否滑动，主要取决于坝体本身重量压在地面上所产生的摩擦力大小。
当坝体属平面滑动时(图5-17，1)，坝的抗滑稳定计算，公式如下：,式中：,,Ks——抗滑稳定安全系数，要求Ks=1.0-1.05;,,N—坝体垂直力的总和，向下为正，向上为负；,P—坝体水平作用力的总和，向下游为正，向上游为负；,,f—坝体与基础的摩擦系数；,如果坝的基础设有齿墙，且齿墙的深度相同（图5-17，2），则坝体抗滑稳定计算公式为：,,,式中：f,0,—摩擦系数，当齿墙较薄，b’较大时，f,0,=tg,ψ;,,b’—两齿墙间距离，m； K,s,、N、P—同上式；,,C—坝基土的黏结力9/12/2024,19,3.坝基应力计算,,,浆砌石坝设计时，不容许使坝体上游面出现拉应力如果坝脚上下游垂,,直应力不超过允许值就认为满足强度要求计算公式如下：,,上游面应力 ： 下游面应力 ：,,,式中：σ,上,——上游面坝基应力，当σ,上,＞0时，不产生拉应力(kg/cm,2,)；,,σ,下,——下游面的坝基应力(kg/cm,2,);,,b——坝底宽(m); e——合力作用点至坝底中心点的距离(m);,,,,M——所有作用在坝上的各力对坝底中心点力矩的代数和(t-m)，,,顺时针为负，逆时针为正；,,N——同上式。
9/12/2024,20,(三)溢流口设计,,1．确定溢流口形状和两侧边坡,,一般溢流口的形状为梯形，边坡坡度为1：0.75—1：1对于含固体物很多的泥石流沟道，可为弧形2．计算坝址处设计洪峰流量计算山洪泥石流的设计洪峰流量可参考第三节进行计算，如果缺乏观测资料，泥石流的洪峰流量，可用泥痕调查法进行计算3．选定单宽溢流流量q（m,3,/s），估算溢流口宽度B,9/12/2024,21,4．根据选择的溢流口形状，流速及洪峰流量，用计划处法求出过坝溢流深度h,0,，高含沙山洪的流速v,c,可采用下列公式计算：,,v,c,= R,2/3,I,3/8,,,,式中：R、I—水力半径及水面纵坡（%）；a—阻力系数；,,a=[φ/γ,H,+1],1/2,,,,,,式中：φ——改正系数；γ,H,——山洪中固体物质比重，一般为2.4-2.7t/m,3,，γ,c,——山洪容重5．计算溢流口高度h=h,0,+Δh，Δh为超高，一般采用0.5-1.0m9/12/2024,22,（四）坝下消能与冲刷深度计算,,,1．坝下消能,,拦沙坝坝下消能措施常见的有如下几种：,,（1）子坝（副坝）消能,,它适用于大中型山洪或泥石流荒溪。
这种消能设施的构造是，在主坝的下游设置一座子坝，形成消力池，以消煞过坝山洪或泥石流的能量（见下页图5-20）子坝的坝顶应高出原沟床0.5-1.0m，以保证子坝回淤线高于主坝基础顶面子坝与主坝间的距离，可取2-3倍主坝坝高在沟内修成坝系的情况下，只要保证下一座坝的回淤线高于上一座坝的基础顶面，便可达到防冲要求9/12/2024,23,（2）护坦消能,,这种消能措施仅适用于小型沟道护坦多用浆砌块石砌筑，其长度为2—3倍主坝高护坦厚度可用下列经验公式估算：,,,式中：b——护坦厚度(m)；,,q——单宽流量(m,3,/s/m),,z——上下游水位差(m),,σ——经验系数，在0.175-0.2之间9/12/2024,24,2．坝下冲刷深度计算,,坝下冲刷深度估算的目的在于合理确定坝基的埋设深度决定冲刷深度需要考虑建筑物的形式、泄流状态以及河床的地形、地质等条件，是一个相当复杂的问题通常只有采用模型试验以及对比实际工程资料，才能得到较为可靠的结果除此之外，在初步设计时也可参照过坝水流的公式进行粗略的估算：,,,,式中：T—从坝下原沟床面起算的最大冲刷深度(m)；,,q—单宽流量(m,3,/s/m)； h,t,—坝下沟床水深（m）,,d,m,—坝下沟床的标准粒径（mm），一般可用泥石流固体物质的d,90,代替。
以重量计，有90%的颗粒粒径比d,90,小；,,Schoklitsch经验公式：,,式中符号同前式9/12/2024,25,3.1,拱坝,,拱坝在平面上成,拱形,，可由混凝土和浆砌石筑成，其荷载主要借助拱的作用转给两岸具有工程量小，投资少、工期短，见效快等优点二滩水电站拱坝,9/12/2024,26,（一）,拱坝对坝基及坝头的要求,,,拱坝对基础的地质条件的要求比重力坝严格 拱坝应修建在岩石,坚硬完,,整、均匀、变形小,，,耐风化、透水性弱,，,上下游岸坡稳定,，以及没有较大,,断层破碎带的地区坝的两端潜入基岩内，因此对两岸坝头岩体的稳定性,,要求较高二）拱坝对地形的要求,,拱坝受的荷载大部分靠拱的作用传给两岸，还有一部分由垂直方向的悬臂,,梁的作用传给河底通常用L/H来判断是否适宜修建拱坝，L/H代表地形特点，L为坝顶高程处河谷宽度，H为最大坝高L/H < 2.0—3.0时，可修建拱坝,,L/H =3.0—3.5时， 可修建重力拱坝,,L/H >3.5—4.0时， 修建拱坝不经济，但也不是绝对的河谷形状不同，拱所发挥的作用也不同三角形河谷最佳,，梯形次之，矩,,形最差3.1.1拱坝的修建特点及修建条件,9/12/2024,27,当天然地形不够理想时，可进行人工处理：,重力墩,、,垫座,（三）拱坝的分类,,按拱和悬臂梁分摊的荷载的比例来分类可分为,薄拱坝,、,拱坝,、,重力拱坝,。
T/H （T－坝底厚度；H－最大坝高）,,T/H <10%为薄拱坝，10－40%为拱坝，40－60%为重力拱坝，60－80%为重力坝9/12/2024,28,3.1.2拱坝的平面布置,1、确定坝顶拱圈的位置和坝顶高程,,在地形图上确定坝顶两端的位置，选取适当中心角，定出圆心，得外半径，画出外圆弧；选取坝顶厚度，求出内半径，画出内圆弧2、剖面的拟定,,,拱坝的基本剖面采用上游垂直，下游有一定坡度的形式坝基处最大断面拱圈厚度可按圆筒公式计算3、其他拱圈的布置,,将坝沿高度n等分．得n+1个拱圈，对每个拱圈（除坝顶），用同一圆心和外半径绘制上游圆弧，据相应位置的坝厚度确定内半径，绘下游面圆弧中心角由图上量出4、绘制拱坝的平面图,,,将各高程拱圈的下游端点连接起来，就得到拱圈平面图注：上述步骤仅仅是初步结果，需再进行应力分析如果不合适，还需要修改剖面和平面布置,9/12/2024,29,3.1.3 坝身构造和坝基处理,（一）坝顶与坝面,,坝顶构造与其用途有关，没有交通要求的,,非溢流拱坝，顶宽一般采用2.0～4.0m，,,有交通要求时，可用悬臂加宽坝顶，,,并按公路级别确定宽度溢流拱坝的,,头部应按水流作成流线型，见右图。
砌石拱坝应注意上游面的防渗问题，,,可用水泥砂浆勾缝防渗二）排水设备,,由于渗透压力对拱坝的稳定影响很小，一般可不考虑排水设备，但重力,,拱坝则需设置排水设备9/12/2024,30,（三）坝与地基及两岸的连接,,在地基及与两岸相接的地方，应将所有破碎的岩石挖除，对坚固岩石中的,,裂隙应加以灌浆为了防止基础渗漏在上游面应设置截水齿墙，井在其下,,作帷幕灌浆拱端支撑处的河岸岩石要很好处理，为满足坝头稳定的要,,求，圈拱轴线与地形等高线的夹角一般不小于30°，拱端与岩石接触面应,,作成半径方向一致，使拱能支撑在垂直的径向平面上[图(a)］同时，为,,减少岩石的开挖量，宜将拱端支撑处的岩石作成阶梯形［图(b)］拱坝与两岸连接,拱坝坝址河谷狭窄不宜开挖溢,,洪道，多采用坝顶滥洪坝为避,,免下泄水流冲刷坝基，应对坝基,,附近岩石进行保护9/12/2024,31,4.1淤地坝,淤地坝指在沟道里为了,拦泥,、,淤地,所建的坝，坝内所淤成,,的土地称为,坝地,4.1.1 淤地坝的组成、分类与作用,（一）,淤地坝的组成,,淤地坝主要目的在于,拦泥淤地,，一,,般不长期蓄水，其下游也无灌溉要,,求，实际上坝体可以看作是一个,重,,力式挡泥(土)墙,。
一般淤地坝由,坝,,体、溢洪道、放水建筑物,三个部分,,组成9/12/2024,32,（二）淤地坝的分类和分级标准,1.淤地坝的分类,,淤地坝按,筑坝材料,可分为土坝、石坝、土石混合坝等；,,按坝的,用途,可分为缓洪骨干坝、拦泥生产坝等；,,按,建筑材料和施工方法,可分为夯碾坝、水力冲填坝、定向爆,,破坝、堆石坝、干砌石坝、浆砌石坝等2.淤地坝分级标准,,淤地坝一般根据,库容,、,坝高,、,淤地面积,、,控制流域面积,等因,,素分级参考水库分级标准并考虑群众习惯叫法，可分为,,大、中、小,三级9/12/2024,33,,,,表7—1为黄河中游水土保持治沟骨干工程技术规范所列分级标准，供参考表7—1淤地坝分级标准,,分级标准,库容(万m,3,),坝 高(m),单坝淤地面积(亩),控制流域面积(km,2,),大 型,500—100,＞30,＞150,＞15,中 型,100—10,30—15,150—30,15—1,小 型,＜10,＜15,＜30,＜1,9/12/2024,34,一般采用,10年一遇或20年一遇,目前我国还没有统一标,,准，表7—2和表7—3为黄河中游水土保持治沟骨干工程技术,,规范提出的淤地坝设计洪水标准，供参考。
三） 淤地坝设计洪水标准,9/12/2024,35,（四）淤地坝的作用,,,,淤地坝是小流域综合治理中一项重要的工程措施，也是最后一道防线，它在控制水土流失，发展农业生产等方面具有极大的优越性淤地坝的具体作用归纳如下：,,,1.稳定和抬高侵蚀基点，防止沟底下切和沟岸坍塌，控制沟头前进和沟壁扩张2.蓄洪、拦泥、削峰，减少入河、入库泥沙，减轻下游洪沙灾害3.拦泥、落淤、造地，变荒沟为良田，可为山区农林牧业发展创造有利条件9/12/2024,36,4.1.2 淤地坝工程规划,1.坝系布设,,（1）上淤下种，淤种结合,,（2）上坝生产，下坝拦淤,,（3）轮蓄轮种，蓄种结合,,（4）支沟滞洪、干沟生产,,（5）多漫少排，漫排兼顾,,（6）以排为主，漫淤滩地,,（7）高线排洪、保库灌田,,（8）隔山凿洞，邻沟分洪,,（9）坝库相间，清洪分治,,“拦洪蓄清”方式；,,“导洪蓄清”方式；,,“排洪蓄清”方式；,（一）坝系规划和布局,9/12/2024,37,2.坝系形成和建坝顺序,（1）坝系形成的顺序,,流域坝系形成的顺序根据其控制流域面积的大小和人,,力、财力等条件合理安排，一般有三种：,,先支后干,；符合先易后难、工程安全和见效快的原则。
先干后支,；干沟宽阔成地多，群支汇干淤地快，但工程设,,计标准高，需投入较多的财力和人力以干分段,；,按支分片，段片分治；当流域面积较大乡村多,,时，可以按坝系的整体规划，分段划片实行包干治理9/12/2024,38,（2） 坝系中建坝的顺序,,坝系中建坝的顺序有两种；,,,自下而上,：从下游向上游逐座兴建，形成坝系这种顺序,,可集中全部泥沙于一坝，淤地快，收益早；淤成一坝，上游,,始终有一个一定库容的拦洪坝，确保下游坝地安全生产，并,,能供水灌溉；同时上坝可修在下坝末端的淤积面上，有利减,,少坝高和节省工程量，但采用这种顺序打坝，初期工程量较,,大，需要的投工，投资也多自上而下,：从上游向下游逐座修建，上坝修成时，再修下坝，,,依次形成坝系这种顺序，单坝控制流域面积小，来洪少，,,可节节拦蓄，工程安全可靠，且规模不大，易于实施但坝,,系成地较慢，上游无坝拦蓄洪水，坝地防洪保收不可靠，初,,期防洪能力较差9/12/2024,39,3.流域建坝密度,,,流域建坝密度应根据降雨情况，沟道比降，沟壑密度，建坝淤地条件，按梯级开发利用原则，因地制宜的规划确定据各地经验，在沟壑密度5—7/km,2,，沟道比降2—3%，适宜建坝的黄土丘陵沟壑区，每平方公里可建坝3—5座；在沟壑密度3—5km/km,2,，适宜建坝的残垣沟壑区，每平方公里建坝2—4座；沟道比较大的土石山区，每平方公里建坝5—8座比较适宜。
9/12/2024,40,（二）坝址选择,,坝址选择一般应考虑以下几点：,,1.坝址在地形上要求,河谷狭窄、坝轴线短,，,库区宽阔容量大,，,沟底比较平缓,2.坝址附近应有,宜于开挖溢洪道的地形和地质条件,最好有鞍形岩石山凹或红粘土山坡还应注意到大坝分期加高时，放、泄水建筑物的布设位置3.坝址附近应有,良好的筑坝材料,(土、砂、石料)，取用容易，施工方便，因为建筑材料的种类、储量、质量和分布情况，影响到坝的类型和造价4.,坝址地质构造稳定,，两岸无疏松的坍土、滑坡体，断面完整，岸坡不大于60°坝基应有较好的均匀性，其压缩性不宜过大岩层要避免活断层和较大裂隙，尤其要避免有可能造成坝基滑动的软弱层9/12/2024,41,5.坝址应,避开沟岔、弯道、泉眼,，遇有跌水应选在跌水上方坝扇不能有冲沟，以免洪水冲刷坝身6.,库区淹没损失要小,，应尽量避免村庄、大片耕地、交通要道和矿井等被淹没有些地形和地质条件都很好的坝址，就是因为淹没损失过大而被放弃，或者降低坝高，改变资源利用方式，这样的先例并不少见7.坝址还必须,结合坝系规划统一考虑,有时单从坝址本身考虑比较优越，但从整体衔接、梯级开发上看不一定有利，这种情况需要注意。
9/12/2024,42,4.1.3土坝设计,（一）,土坝枢纽布置与坝型选择,,1.土坝枢纽布置,,,土坝枢纽布置是根据综合利用的要求，把各项建筑物有机,,地、互相关联地妥当安排，各得其所既要,安全可靠,，又,,要,经济合理,，要尽可能避免施工干扰，还要考虑运行管理,,方便在,高山深谷地带,，河谷窄山坡陡，建筑物不易分散,,布置，只能紧凑一起，如岸坡溢洪道常与土坝连接，见下,,页图7-9丘陵地带,河谷宽山坡平缓，而且常有垭口可布置,,溢洪道，建筑物可分散布置，施工方便，见下页图7-10总之，应根据地形地质条件合理安排9/12/2024,43,9/12/2024,44,2.土坝坝型选择,,土坝是由土料填筑而成的挡水建筑物，它是淤地坝和小型水,,库采用最多的一种坝型1）均质土坝：用一种土料筑成的坝称为均质土坝这种坝型的优点是就地取材，施工简单，投资也少，对坝基地条件要求较低缺点是由于透水性大，抗渗透破坏的能力弱需要平缓坝坡，因而工程量较大2）心墙土坝：在坝体中用透水性小的粘性土作防渗心墙，置于坝体中部，构成不透水心墙 ，而心墙两侧的坝体则用透水性较强的土料(砾石或风化土料等)填筑而成，这种坝体称为心墙土坝。
9/12/2024,45,（3）斜心墙土坝,,对于,土石坝,，用斜心墙较好；,,（4）多种土质坝,,有的坝址，储藏着,多种土质,，例如粘土、轻沙壤土、风化岩等，本着就地取材、因材设计的精神，把各种土料合理地配置在适当部位，就形成了多种土质坝5）土石坝,,,土石组合坝简称土石坝,，采用土石坝可以充分利用坝址附近的土石料，可以充分利用基坑开挖、溢道开挖的弃渣筑坝，这对于山谷地址尤其重要根据石料配置的部位不同，土石坝可有几种坝型，如图7—11所示9/12/2024,46,9/12/2024,47,（6）水力冲填坝,,水力冲填坝是利用丘陵沟壑区的天然地形，,用水将沟壑两岸高处的冲成,,泥浆,，通过较陡的输泥沟送到两边筑有围埂的坝面沉淀池中，泥浆经脱,,水固结，形成均匀密实的坝体不均匀系数小的砂、粉制壤土、砂壤土等形成均质坝不均匀系数大的,,砾砂、风化碎屑土、含砾土形成心墙坝沉淀池宽则形成的心墙较宽，,,沉淀池窄形成的心墙较窄，但心墙与边棱没有明确的分界线9/12/2024,48,（二）,土坝断面尺寸的拟定,,,1.坝顶宽度,,坝顶的宽度与坝高有关，坝体愈高则坝顶也应愈高，可参考表7—9选定当坝顶有交通要求时，应根据交通部门有关公路等级规定来确定其宽度，,一般单车道为5m，双车道为7m,。
表7—9 坝顶宽度参考表,坝高（m）,〈10,10-20,20-30,〉30,坝顶宽（m）,2,2-3,3-4,4-6,9/12/2024,49,2.土坝坝坡,,,,土坝坝坡的陡缓是决定坝体稳定的主要条件之一，可根据坝高、土料、施工方法和坝前是否经常蓄水等条件，参考已建成的同类土坝等拟定水坠坝的坝坡还应考虑冲填泥浆浓度、冲填速度和围埂宽度等施工条件确定水坠坝的坝坡应满足在施工期间的坝体稳定，不发生滑坡事故，其坝坡应比夯碾坝要缓些对坝高超过15m的土坝，背水坡应加设马道，以增加坝身稳定和减少暴雨对坝坡的冲刷,马道宽为1.5—2.0m一般在马道处变坡，上陡下缓，表7—10所列山西省的土坝坡的经验数据，可供选用坝坡时参考9/12/2024,50,9/12/2024,51,3.最大铺底宽度的计算,,坝体沟床的最大铺底宽度（见图7—13），可按下式计算：,,,式中：,,Bm —土坝最大铺底宽（m）;,,b—坝顶宽；,,n—上下游坝坡马道总数；,,m,1,—上游坡比；,,m,2,—下游坡比；,,H—最大坝高，m；,,b,1,—马道高9/12/2024,52,4.1.4 放水建筑物设计,（一）放水建筑物,,,放水建筑物主要由,取水和输水,两部分组成。
取水建筑物的,,形式有,卧管和竖井,；对水头较高，流量较大或兼有排沙要求,,的水库可采用放水塔输水建筑物有,输水涵洞,，它与卧管或,,竖井连接，埋在坝下，与坝轴线基本垂直放水建筑物是淤地坝工程不可少的组成部分它的主要作,,用是：,,1．对于未淤满的淤地坝，能排泄小型洪水，放空库容，蓄洪落淤，拦蓄连续洪水，保证坝体安全2．对于淤满或计划淤种的淤地坝，能及时排泄沟道常流水和坝内积水，及早利用坝地，发展生产3．对于暂作蓄水防洪坝使用时，可对下游土地放水灌溉9/12/2024,53,放水建筑物的位置选择，应考虑以下几方面：,,1．在地质上，应最好修筑在,岩石或坚硬的地基,上，以免发生不均匀沉陷，引起漏水，影响坝体安全2．涵洞的放水高程应,按淤地面积大小,决定，哪个高程能较快地淤出一定面积可供利用的耕地，就可放在哪个高程，而不同于小型水库按“寿命”决定如果下游有引用坝内排水灌溉时，还应满足下游自流灌溉的要求3．在平面布置上，,尽可能放在沟道一侧,，使水流沿坡脚流动，防止切割坝地，同时对坝地安全生产也是有利的9/12/2024,54,（二）竖井设计,,竖井是淤地坝放水建筑物经常采用的一种形式其结构简,,单，易掌握。
竖井一般采用浆砌石修筑，布置在坝体上游坡脚，如图其断面形状多采用圆环形，也有方形的其内圆直径（d）为,,0.5—2.0m壁厚随竖井的高度而异，一般为0.3—0.6m9/12/2024,55,（三）分级卧管设计,,卧管是修筑在坝体上游山坡,,上的浆砌石或混凝土放水,,管，如右图卧管的构造简,,单，管理运用方便，不易漏,,水，而且卧管可使用砖、石,,等材料建筑，不需金属闸门,,和启闭设备等，因此在淤地,,坝和小型水库中应用比较广,,泛卧管适用于5—25cm水,,头，放水流量在0.1—,,4.0m,3,/s9/12/2024,56,（四）输水涵洞设计,,,水流经卧管或竖井消能后，即通过埋设在坝下的涵洞输,,入坝体下游，输水涵洞常用的断面形式有,圆形、矩形和拱顶,,矩形,3种根据其水流状态的不同，又可分为,有压和无压输,,水涵洞,两种在淤地坝和小型水库中,多采用无压输水涵洞,，,,其中方形涵洞是采用较多的一种，构造简单，用块石砌筑洞,,底和两边侧墙，用条石盖板或混凝土盖板，它适用于流量较,,小、洞身填土较低的中小型淤地坝拱形涵洞，多适用于,,流量较大，洞身填土较高的大型淤地坝，一般多采用等截面,,半圆型砌拱涵。
9/12/2024,57,9/12/2024,58,1.涵洞断面尺寸的确定,,水流在涵洞内同样要求保持无压状态，洞内水深不应超,,过涵洞净高的75%涵洞断面开头确定后，其尺寸的大小，,,一般按明渠均匀流公式试算确定对方形涵洞，其水力要素可按以下简化方法确定：当充,,水度（即水深与涵洞高的比值）为3/4（即75%）时，方涵,,过水断面，水力半径R=0.3B2.涵洞的结构设计,,坝下涵洞主要承受填土压力，在外力作用下，洞身将产,,生弯矩及轴向力，如果涵洞的材料强度不够，则会引起涵,,洞的破坏因此结构计算的目的，就是根据外力的大小和,,组合，确定涵洞各部分的尺寸及配筋等，使涵洞的设计符,,合经济、安全的原则9/12/2024,59,4.1小型水库,4.1.1 概述,水库由,挡水坝、溢洪道、放水建筑物,三部分组成，通常称为,,水库的“三大件”如图所示在我国干旱、半干旱的水土流失地区，以灌溉为主，同时考虑综合利用、坝高在30m以下的小型水库是我们研究的主要对象按国家规定标准，库容100万--1000万m,3,的叫“小Ⅰ型水库”，库容10万--100万m,3,的叫“小Ⅱ型水库”9/12/2024,60,（一）库 址 选 择,库址选择是水库工程中有关全局的问题，应从经济、安全、合理几方面考虑。
根据经验应注意下列几个问题：,,1、地形要肚大口小2、有适宜的集水面积集水面积必须和蓄水库容相适应3、坝址和库址地质良好，基础稳固，无下陷情况4、库址靠近灌区且比灌区高5、坝址附近要有足够和适用的建筑材料6、坝址附近要有适宜开挖溢洪道的山垭7、水库上游宜草木丰茂，因光秃的山岭易受雨冲刷，水库容,,易淤积，影响水库寿命，另外，淹没损失要小除以上各点外，选择库址还要考虑施工、交通运输等条件9/12/2024,61,（二）地 质 调 查,,,水库地质是决定性因素，主要调查库底是否漏水，坝基,,是否坚固根据经验，主要调查下列几个问题：,,1、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2、调查库区、坝址区范围内的,地质构造,(断层、岩层产,,状、节理裂隙发育程度及规律、溶洞的分布范围及规律)3、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、地下水的成因类型)，在坝基最好没有,,承压水或高承压水9/12/2024,62,（三）地 形 测 量,,,1、坝址地形测量：测量范围包括,坝身、溢洪道及放水洞,等比例尺用,1/1000-1/2000,2、集水面积测量；,,3、库容测量与计算：,,库容测量在于绘出水库的水位——库容关系曲线。
4、建筑材料调查；,,5、水文资料的搜集与调查：径流资料、泥沙资料、洪水资料,；,,6、流域覆被、淹没迁移及社会经济调查： （1）调查库区,,林木生长、山坡陡缓,等情况；（2）调查水库库区内的,田地、,,成材林木及其它建筑物,；（3）调查灌区面积；（4）了解灌,,区主要农作物种类、面积、生长期、耕作制度等9/12/2024,63,4.1.2 水库的特征曲线和特征水位,（一）水库的特征曲线,,水库的特征曲线用以描述水库库区地形特征，一般包括水库面,,积曲线和水库容积曲线，它是水库规划的基本资料之一1.水库面积曲线,,水库建成后，随着水库水位(高程)不同，水库的水面面积也,,不同，这个,水位与面积,的关系曲线简称为水库面积曲线2.水库容积曲线,,水库容积曲线是表示水库各种,水位与库容,之间关系的9/12/2024,64,9/12/2024,65,（二）水库的特征水位,,一般表示水库工作状况的水位有四个(如图8-7)9/12/2024,66,1、设计低水位(死水位)(,H低,),,,保证放水建筑物泄放渠道设计流量的最低水位,；同时应满足水库泥沙,,淤积、发电、养鱼等多方面的要求设计低水位以下的库容称为,死库容,。
2、设计蓄水位(H,设,),,蓄水至满库时的水位称为设计蓄水位设计低水位以上，设计蓄水位以下所包围的库容叫,兴利库容(V,兴,),3、设计洪水位(,H,洪,),,当,水库遭遇到设计洪水溢洪时所达到的最高水位,它是设计坝高的依据设计蓄水位到设计洪水位之间的库容称为,防洪库容(,V,防,),4、校核洪水位(H校),,当,水库遭遇到比设计洪水更大的校洪水溢洪时所达到的最高水位,称为校核洪水位，设计洪水位到校核洪水位之间的库容称为,超高库容(V超),水库的总库容为: V总＝V死＋V兴＋V防＋V超,9/12/2024,67,4.1.3 死库容和死水位的确定,以灌溉为主的小型水库，死库容主要满足两个要求：,,死水位应保证水库自流灌溉,；,死库容应满足泥沙淤积要求,.,（一）死水位应保证水库自流灌溉,,死水位即,设计低水位,,主要是由灌区高程控制条件所决定由灌溉区规划可推算出渠首设计引水高程，也就是放水建筑物的下游水位如图8-8上的,B,点高程9/12/2024,68,然后加上泄放渠道设计流量时放水建筑物所必须的最小水头,H,min,，即可得到设计低水位在,规划阶段,，,H,min,可依经济指标估计，在,技术设计阶段,，则应根据渠道设计流量及放水建筑物的形式、尺寸进行详细的水力学计算推出。
在,特枯年份的抗旱季节,，往往不能按正常流量放水，只要水库有水就应尽量泄放，故设计低水位以下到放水建筑物进口底槛,A,点高程之间的水库库容也是可以利用的真正的死库容是,放水建筑物进口底槛高程以下的那部分无法自流的库容,9/12/2024,69,（二）死库容应满足泥沙淤积的要求,,以灌溉为主的水库，主要要求满足上述的条件但对于多,,沙性河流，必须校核死库容能否满足泥沙淤积的要求一般小,,型水库按,有泥沙观测资料,、,无泥沙观测资料,、用,坝前淤高估算,,水库使用年限,3种方法计算年淤积量及水库使用年限9/12/2024,70,4.1.4 水库兴利调节计算及设计蓄水位的确定,,设计低水位选定以后，就可依据水库来水及用水资料进行兴利调节计算，求出兴利库容，根据水库容积曲线，就可换算成设计蓄水位若灌溉面积大，天然径流量小，则还有一个经济比较的问题，即先拟定几个方案进行调节计算，选择出经济合理的灌溉面积，从而定出设计蓄水位9/12/2024,71,（一）水库的调节性能,,由对水库的来水和用水的特性分析可知，来水和用水之间，往往不相适应，这种不适应性，有的反映在1年内，如有的月份来水远远大于用水，有的月份来水小于用水，但整个年的来水量还是能满足年用水量要求；有的则不仅在年内，同时还存在于年与年之间。
为了满足用水部门一定设计保证率下的用水要求，对于前一种情况，只要对径流的年内变化按用水要求作重新分配便可解决，这种调节周期不超过一年的调节称为,年调节,；对后一种情况，不但要对径流的年内变化，而且要对年与年之间的径流变化按用水量要求进行重新分配才能解决，此时径流调节周期超过一年，这种称为,多年调节,调节计算所需要解决的问题是：在来水、用水及灌溉设计保证率已定的情况下，,计算所需的兴利库容,有时也可以在兴利库容已知时，求水库在灌溉设计保证率下的供水能力(灌溉面积)或在供水能力(灌溉面积)一定的情况下，所能达的设计保证率9/12/2024,72,右图表示某水库来水W和用水M的频率曲线，二线在S点交，其交点所对应的频率为P,s,若来水与用水呈函数关系，当水库的设计保证率P,设1, 蒸发损失,:水库的蒸发损失,不是指水库的水面蒸发量,而是指水库建成后的水面蒸发量大于原有陆面蒸发量的那一部分额为蒸发损失｡,,渗漏损失,:水库的渗漏损失,包括,坝身渗漏,､,坝顶及坝端两岸的渗漏,､,库,,岸四周的渗漏,等,其中尤以库岸四周的渗漏为大｡要详细计算水库的渗漏,,是相当麻烦的,也不一定能提供可靠的数据,一般是多采用估算法｡较常,,用的是以一年或一月的渗漏损失为水库蓄水容积的一定百分数来估算｡,9/12/2024,79,②,计入损失的调节计算方法,,考虑水库水量损失计算兴利库容时,某一时段水库水量平衡方程可写成:,,,,其中W,损,包括时段内蒸发和渗漏损失水量｡,,问题是每一计算时段的损失量不能事先确定,因为蒸发量和渗漏量均与本,,计算时段内的水库蓄水量及蓄水面积的大小有关｡因此,要确定各时段水,,库损失量,必须知道水库各时段的蓄水情况｡为此,一般的计算方法都分两,,步,首先不考虑水量损失进行计算,近似求得各时段的蓄水情况,用各时段,,的损失量,然后用考虑水量损失的平衡方程逐时段计算｡,9/12/2024,80,（３）,计入损失的近似法,,在作初步计算时，或在水量损失所占总用水量的比重不大,,时，可以采用计入损失的近似法。 此法主要是根据不计入损,,失的初步计算所求得的水库年调节库容，找出全部库容(包,,括垫底库容)的平均值，然后依此平均值估算损失水量４）兴利库容的确定,,按上述方法进行每年的调节计算，可得到每年所需的年调,,节库容，则有多少年资料就可求得多少个年调节库容9/12/2024,81,（５）小型水库兴利库容的估算方法,小型水库兴利库容的估算方法,原则上可用上述所介绍的列表计算法｡但需要的资料较多,计算也比较复杂,应用于小型水库有一定的困难,为了适应小型水库资料少的特点,兴利库容可以用简单的估算方法确定｡,①,按来水量确定兴利库容,,,式中:,β——库容系数,各地均有统计数值,可查阅该地区水文手册确定;,,W,0,——多年平均径流流量,万m,3,;,,——多年平均径流深,mm,查该地区等值线图;,,F——流域面积,km,2,,从地形图上量得;,,1/10——单位换算系数｡,,有时,还可用更简化的公式:,,,,此法适用于灌溉面积较大,而水库流域面积较小的情况｡,9/12/2024,82,②,按用水量估算,,,式中:,,M——灌区实际灌溉用水量 , m,3,;,,m,毛,——干旱年份综合毛灌溉定额,依调查确定,m,3,/亩;,,,ω——灌溉面积,亩;,,,φ,——水库水量损失,一般以用水量的百分数计,如取,φ,,=10%M｡,,实际计算中,往往应用上述二方法估算出两个库容,从中选择一个较小者作为水库的兴利库容｡,9/12/2024,83,３、设计蓄水位的确定,,采用以上方法确定了水库,,兴利库容后，就可以在水库,,水位容积曲线上找出相应的,,设计蓄水位。 见右图9/12/2024,84,三、多年调节水库,,将丰、枯年份的年径流量径流年内变化都,加以重分配,的调节,,方式，称为多年调节多年调节的基本计算原理和程序与年调节计算相似，即先通,,过调节计算求得每年所需库容，再进行频率计算，以求得设,,计的兴利库容只是多年调节水库的蓄水期和供水期有时会,,出现长达几年、十几年，在这种情况下确定某些年份所需要,,的库容时，就不能象年调节水库那样单凭本年度供水期的不,,足水量来定，而必须联系到其前一年或前两年，甚至前面更,,多年份的不足水量情况，才能定出所需库容9/12/2024,85,本节完,9/12/2024,86,。
