沟头防护工程的设计

沟头防护工程的设计、计算（图）

文章来源：蓝白蓝网 2010-05-25 08:58

1、蓄水型沟头防护工程设计

1.1 来水量按下式计算：

W=10KRF

式中：W——来水量，m3；

F——沟头以上集水面积，hm2；

R——10年一遇3-6h最大降雨量，mm；

K——径流系数。

1.2 围梗断面与位置

1.2.1 围梗为土质梯形断面，梗高0.8-1.0m（根据来水量具体确定），顶宽

0.4-0.5m，内外坡比各约1:1。

1.2.2 围梗位置应根据沟头深度确定，一般沟头深10m以内的，围梗位置距沟头3-5m。

1.3 围梗蓄水量按下式进行计算：

式中：V——围梗蓄水层，m3；

L——围梗长度，m；

B——回水长度，m；

H——梗内蓄水深，m；

i——地面比降，%。

1.4 沟头围梗蓄水量示意图，见下图。

沟头围梗蓄水量示意图

1.5 当来水量（W）大于蓄水量（V）时，应在围梗上游附近建修蓄水池，蓄水池位置必须距沟头10m以上。如地形条件允许，也可在第一道围梗上游加修第二道乃至第三道围梗。

2、排水型沟头防护工程设计

2.1 设计流量按下式进行计算：

Q=278KIF10-6

式中：Q——设计流量，m3/s；

I——10年一遇1h最大降雨强度，mm/h；

F——沟头以上集水面积，hm2；

K——径流系数。

2.2 跌水式沟头防护建筑物。有进水口（按宽顶堰设计）、陡坡（或多级跌水）、消力池、出口海漫组成。

2.3 悬臂式沟头防护建筑物，主要用于沟头为垂直陡壁、高3-5m情况下，由引水

谷坊工程的设计、计算（图）

文章来源：蓝白蓝网 2010-05-25 09:06

一、土谷坊设计

1、土谷坊坝体断面尺寸，应根据谷坊所在位置的地形条件，参照下表进行。

2、溢洪口设计

2.1 图谷坊的溢洪口设在土坝一侧的坚实土层或岩基上，上下两座谷坊的溢洪口尽可能左右交错布设。

2.2 对沟道两岸是平地、沟深小于

3.0m的沟道，坝端没有适宜开挖溢洪口的位置，可将土坝高度修到超出沟床0.5-1.0m，坝体在沟道两岸平地上各延伸2-3m，并用草皮或块石护砌，使洪水从坝的两端漫至坝下农、林、牧地，或安全转入沟谷，不允许水流直接回流到坝脚处。

2.3 设计洪峰流量计算，按下式计算

Q=278KIF10-6

式中：Q——设计流量，m3/s；

I——10年一遇1h最大降雨强度，mm/h；

F——沟头以上集水面积，hm2；

K——径流系数。

2.4 土质溢洪口断面尺寸计算：

土质溢洪口其下紧接排洪渠，按明渠流计算。

A=Q/V

A=(b+ph)h

式中：A——溢洪口断面面积，m2；

Q——设计洪峰流量，m3/s；

V——相应的流速，m/s；

b——溢洪口底宽，m；

h——溢洪口水深，m；

p——溢洪口边坡系数。

2.5 明渠式溢洪断面示意图，见下图。

明渠式溢洪口断面示意图2.6 流速按下式进行计算：

式中：V——流速，m/s；

R——水力半径，m；

i——渠底比降，%；

C——谢才系数。

2.7 水力半径按下式进行计算：

R=A/x

式中：R——水力半径，m；

A——溢洪口断面面积，m2；

x——溢洪口断面湿周，m。

2.8 溢洪口断面湿周按下式进行计算：

2.9 谢才系数按下式进行计算：

式中：C——谢才系数；

n——糙率，土质渠一般取0.025左右。

上述计算过程中，A与R为不定式关系，需通过试算求解，实际工作中应根据各地具体条件，先求得Q等值，再假定不同的溢洪口断面尺寸，分别算得相应的A、R、C等值，结合已定的i值，最后求得适合的A值。

二、石谷坊设计

1、坝体断面尺寸有两种情况，见下图。

a）干砌阶梯式石谷坊断面示意图b）浆砌石谷坊断面示意图

石谷坊断面示意图

1.1 阶梯式石谷坊。一般坝高2-4m，顶宽1.0-1.3m，迎水坡1:0.2，背水坡1:0.8，坝顶过水深0.5-1.0m。一般不蓄水，坝后2-3年淤满。

1.2 重力式石谷坊。一般坝高3-5m，顶宽为坝高0.5-0.6倍（为便利交通），迎水坡1:0.1，背水坡1:0.5-1:1。此类谷坊在巩固沟床的同时，还可蓄水利用，质量要求较高，需作坝体稳定分析，有关技术参照各地小型水利工程手册或规范执行。

2、溢洪口尺寸，石谷坊的溢洪口一般设在坝顶，采用矩形宽顶堰公式计算：

Q=Mbh3/2

式中：Q——设计流量，m3/s；

b——溢洪口底宽，m；

h——溢洪口水深，m；

M——流量系数，一般采用1.55。

三、植物（柳、杨）谷坊设计

1、多排密植型

1.1 在沟中已定谷坊位置，垂直于水流方向，挖沟密植柳杆（或杨杆）。沟深0.5-1.0m，杆长1.5-

2.0m，埋深0.5-1.0m，露出地面1.0-1.5m。

1.2 每处（谷坊）栽植柳（或杨杆）5排以上，行距1.0m，株距0.3-0.5m。埋杆直径5-7cm。

2、柳桩编篱型

2.1 在沟中已定谷坊位置，打2-3排柳桩。桩长1.5-2.0m，打入地中0.5-1.0m。排距1.0m，桩距0.3m。

2.2 用柳梢将柳桩编制成篱。在每排篱中填入卵石（或块石），再用捆扎柳梢盖顶。

2.3 用铅丝将前后2-3排柳桩联系绑牢，使之成为整体，加强抗冲能力。

谷坊工程技术（图）

文章来源：蓝白蓝网 2010-05-26 09:00

谷坊是水土流失地区沟道治理山洪与泥石流的一种主要工程措施。谷坊是指在山区沟道内为防止沟床冲刷及泥沙灾害而修筑的横向挡拦建筑物。又名防冲坝、沙土坝、闸山沟。一般布设在小支沟、冲沟或切沟上，以稳定沟床，防止沟床下切、岸坡崩塌和溯源侵蚀为主，坝高3-5米，拦沙量小于1000方，以截流固床护坡为主。

一、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、逐渐淤平沟道，形成坝阶地，为当地农林生产创造条件。

谷坊的主要作用是防止沟床下切冲刷。沟道内是否修筑谷坊以沟道内是否会发生沟床下切为主。

沟床发生下切与沟床的土壤、地质条件、植被状况、纵坡、山洪流速、流量等关系密切。当洪水流速大于沟道允许最大流速时须修建谷坊。

二、谷坊的种类：

（一）根据所用材料可分为：

①土谷坊；②干砌石谷坊；③枝梢谷坊；④插柳谷坊；⑤浆砌石谷坊；⑥竹笼装石谷坊；⑦木料谷坊；⑧混凝土谷坊；⑨钢筋混凝土谷坊；⑩钢料谷坊。

（二）根据使用年限可分为：永久性谷坊（⑤⑧⑨）和临时性谷坊（①②③④⑥⑦⑩）

（三）按谷坊的透水性质可分为：透水性（②③④⑥⑦⑩）和不透水性谷坊（①⑤⑧⑨）。透水性谷坊只起拦沙挂淤作用。

干砌石谷坊浆砌石谷坊

枝俏谷坊混凝土谷坊

谷坊工程技术的基本规定和规划（图）

文章来源：蓝白蓝网 2010-05-25 09:01

一、基本规定

1、谷坊工程必须在以小流域为单元的全面规划、综合治理中，与沟头防护、淤地坝等沟壑治理措施相互配合，以收到共同控制沟壑侵蚀的效果。

2、谷坊工程主要修建在沟底比降较大（5%-10%或更大）沟底下切剧烈发展的沟段，其主要任务是巩固并抬高沟床，制止沟底下切，同时，也稳定沟坡、制止沟岸扩张（沟坡崩塌、泄溜等）。

3、谷坊工程在制止沟蚀的同时，应利用沟中水土资源，发展林（果）牧生产和小型水利，做到除害与兴利并举。

4、谷坊工程的防御标准为10-20年一遇3-6h最大暴雨。根据各地降雨情况，分别采用当地最易产生严重水土流失的短历时，高强度暴雨。

二、规划

1、选定谷坊类型

根据谷坊的建筑材料，分土谷坊、石谷坊、植物谷坊三类。

石谷坊

土谷坊

柳编谷坊

2、确定谷坊位置

2.1 通过沟壑情况调查，选沟底比降大于5%-10%的沟段，系统地布设谷坊群，用手水准（或水平仪）测出其比降，绘制沟底比降（纵断面）图。

2.2 根据沟底比降图，从下而上初步拟定每座谷坊位置，一般高2-5m，下一座谷坊的顶部大致与上一座谷坊基部等高，见下图。

谷坊布设示意图

2.3 谷坊坝址要求

2.3.1 “口小肚大”，工程量小，库容大。

2.3.2 沟底与岸坡地形、地质（土质）状况良好，无孔洞或破碎地层，没有不易清除的乱石和杂物。

2.3.3 取用建筑材料（土、石、柳桩等）比较方便。

3、谷坊间距计算

下一座谷坊与上一座谷坊之间的水平距离按下式计算：

式中：L——谷坊间距，m；

H——谷坊底到溢水口底高度，m；

i——原沟床比降，%；

i’——谷坊淤满后比降，%。

不同淤积物质，淤满后形成的不冲比降见下表。

4、对不适于修谷坊局部沟段的处理

比降特大（15%以上）或其他原因，不能修建谷坊的局部沟段，应在沟底修水平阶、水平沟造林，并在两岸开挖排水沟，保护沟底造林地。

淤地坝筑坝规划新技术应用探讨（图）

文章来源：蓝白蓝网 2010-05-26 09:33

为了充分发挥淤地坝的经济效益，保持坝区稳定安全，做到生态平衡，就必须对淤地坝体系进行创新研究，以实现坝区经济长期可持续发展。目前，坝区创新体系主要包括理论创新、材料创新、技术创新，以做到统一规划、科学施工、严格管理。

1、筑坝技术的应用

1.1梯级成坝技术

由于淤地坝作用的不可持续性，运行后期，淤地坝已经不能起到挡水淤地的作用，坝地也相应转入生产阶段，所以在淤地坝规划建设阶段，必须充分考虑坝体作用的有效期限，合理规划坝系布置，使淤地坝作用得到充分发挥。用科学的规划推动理论创新，将技术的改进与生态和谐并举，争取使淤地坝发挥最佳效益。

梯级成坝技术是人们在长期实践过程中进行的一项技术创新，主要采取两种方式：①自下而上，先干流后支流，依次梯级成坝。即先在沟口修建第1道坝，淤满后再在上游打第2道坝，依此循环。但是由于淤积范围及各种地形条件的限制，修筑完第1道坝后，淤积库容很可能会影响第2道坝坝址的选择，因此建议在充分考虑地形地质条件后，可以在上游修筑一道副坝，以限制下游坝体的淤积范围；②自上而下，先支流后干流。即从支沟开始打坝，淤满后在下游修筑第2道坝，自上而下逐步形成坝系。不过，这种坝系规划方式对坝体结构要求较高，尤其在汛期或者上下游坝体距离较近时，因此成本有所增加，对技术要求也更严格。

1.2滑坡筑坝技术

传统的淤地坝筑坝方式工程土方量相对较少，机械操作化程度要求较高，投资大，施工慢且受季节影响大，伴随对滑坡技术的研究，人们开始探索一种新的筑坝方式———利用滑坡体筑坝。通过对天然滑坡体的研究，人们渐渐了解了滑坡体的形成机理，掌握了滑坡体运动的一些规律，并且模拟天然滑坡规律制造人为滑坡体，以达到工程需要。筑坝时，选择地形高差大，滑体质量大的山体做坝身，人工营造滑体软弱面，采用爆破技术科学利用滑体自然力，根据天然滑坡整体性规律及滑坡蠕动时效动态特点，建立滑坡监测预报方程组，使滑体滑动过程中受力均匀，最大限度保持滑块整体稳定性。

由于滑坡坝不受施工条件的限制、造价低、人为操作简单、施工量小，具有较高的推广价值，不过滑坡坝对于地形地质要求较高，技术依赖性较强，目前还处于探索阶段。

1.3其他筑坝技术

在淤地坝成坝技术方面，还可以参考和采用一些其他坝体的筑坝技术。例如：①参考尾矿坝筑坝技术，起初先建一座基础坝，库区淤满后再利用淤土加高坝体，使坝体持续发挥作用。采用这项技术，初期建坝需要外部土体原料，后期续坝就可利用淤土，既节省劳动力，又降低了成本，特别是大大降低了初期投资成本，这种建坝方式比较适合西北经济吃紧的地区。②新淤土筑坝，坝体强度比较低，需长期固结以达到坝坡稳定，因此可以利用真空抽水加速坝体固结，即在淤土表面铺设砂填层，预埋虑水管，利用真空泵边筑子坝边抽水固结。③如果库区淤积较少，可以利用“水力拉沙”来加速淤积。④土工合成材料的应用，大大加速了坝体建设的革新。在淤地坝建设中，可以利用土工布构筑临时泄洪通道，防止水流冲刷；可以用土工膜防渗，拦水入库，保证农业生产或蓄水养殖；同样可以利用土工膜渗透过滤，拦淤过水，加快库区淤地速度；还可以利用土工格栅稳定坝身结构。

淤地坝筑坝规划新技术应用探讨（图）

文章来源：蓝白蓝网 2010-05-26 09:33

2、数字技术、可视化系统的应用

2.1 GIS在淤地坝规划中的应用

GIS在淤地坝中的应用主要包括以下几个方面：

（1）流域地形分析。流域地形分析、水系划分和汇水面积的计算主要通过数字高程模型（DEM）来实现。采用数字高程模拟（DEM）对洼地和平原区进行预处理后，可以使流域水流按照地表径流模型流到流域出口断面，并且进行流域流向判断。

（2）基础水文元素提取。采用单流向法（D8算法）或多流向法（FD8或TAPSE_C算法）进行流向判断；采用区域DEM水流方向矩阵进行流水模拟，得到区域水流累积数字矩阵；先确定主汇水线，分析支汇水线，进一步分析下一级支汇水线，依次深入，最终建立区域地形汇水线树状结构网，确定汇水面积；利用子流域坡度计算DR模型（数据精简模型）进行流域坡度提取分析（包括平

均地形坡度，平均流经距离坡度和球形坡度等）；利用DR模型（数据缩减模型），采用平均流经距离法或平均水流路径长法计算水流路径长度；依据投影面积计算法则进行淤地面积计算；根据不同的坝轴线计算各种库容，并且自动绘制特征曲线，为设计者提供了坝轴线的沟道断面图，并且可以显示一定坝高下的淹没情况，为设计者提供更直观的依据。

（3）填挖方量计算。利用格网数字高程技术，采用断面法或格网法来估算坝体、溢洪道、卧管的填挖土方量。断面法的原理先剖分计算区域，根据断面图计算每条断面线所围成的面积，以相邻两断面面积的平均值乘以等分的间距，得出相邻两断面间的体积，最后将各相邻断面的体积累加求出总体积；格网法是计算区域内所有格网的设计标高和实际格网标高的高差段的三棱柱和四棱柱的体积累加之和。

（4）降雨时空分析和调洪演算。降雨时空分析是利用周边测站的降雨信息，采用反距离加权等插值方法，计算各个网格的雨量值，再利用各网格雨量平均值计算得出流域平均降雨量。降雨时空分析应用ArcView软件对插值后的降雨空间分布进行绘图分析，得到直观的暴雨分布图，然后结合流域实测的流量过程线，对该流域暴雨特性进行分析。

在DEM形式的小流域三位场景中，还可以进行快速的单坝调洪或坝系调洪演算。在建立沟道拓扑关系、汇水面积和特征曲线模型，确定好坝址及坝体填坝属性（主要包括淤积年限、设计及校核标准、是否设置溢洪道等）后，就可以进行单坝调洪或坝系调洪演算了。

GIS的模型实现的结构示意图见图1。

图1 GIS模型实现结构示意图

GIS的应用为淤地坝规划提供了科学的依据，在坝系规划中除了需要应用GIS原有的模型外，还应结合一些基础模型，例如潜力分析模型、动态分析模型等。

2.2 GMS三维可视化系统的应用

地下水数值模拟系统（GMS）是综合性图形界面软件，具有良好的使用界面，强大的前处理、后处理功能及优良的三维可视效果，在淤地坝规划建设过程中有良好的应用前景。

（1）模拟可视化渗流过程。利用GMS中的modflow和seep2D软件包，可以建立坝库区任一水位对应的渗流场分布图。GMS以其强大的可视化处理效果，让你更清晰地了解坝库区渗流场。图2即用GMS模拟的某心墙堆石坝的材料分区及饱和渗流二维渗流场分布图，可以清楚的看到各材料分区带给渗流场的影响，当然GMS也可以用来做非饱和渗流场分析。

图2 某心墙堆石坝二维饱和渗流场等值线分布图

（2）拦蓄洪水计算，确定可利用水量。利用GMS对渗流场的模拟，可以清楚的计算出对应某水位时刻的渗流量，并结合洪水流量，可得出洪水积蓄流量。对于有蓄水要求的淤地坝，通过打放渗帷幕等形式来减小渗流量，可以利用GMS 计算对应不同防渗帷幕深度时的渗流量，从而确定帷幕深度。

（3）计算库区水位变化曲线，确定坝地可耕作时间。通过利用GMS计算的渗流场，结合洪水流量，可以推算出坝库区一定时间内的枯水水位变化量，绘制成库水位变化曲线，最终确定坝库区水位放空时间，即库区可耕作时间。

（4）计算渗透坡降等参数，为结构设计提供依据。GMS对渗流场计算过程中同时会得到坝体流速分布曲线、渗流坡降分布曲线、压力水头分布曲线、毛管压力分布曲线等，这些数据对于分析坝体各种材料的渗透稳定性及结构的稳定性具有重要的意义，是坝体稳定分析中不可缺少的数据。

（5）坝库区溶质运移模拟，有效防止生态环境污染。应用GMS中的modflow 和modpath两个软件包，我们可以分析坝库区某些元素粒子的运移情况，从而快速得出某些污染物随渗流的扩散及传播情况，对于保护坝库区生态环境有积极的意义。2.3 GPS在淤地坝淤积监测中的应用

GPS技术对土壤侵蚀的监测是十分有效的，而且可以更直观、迅速的提供参照物的位置。宏观上它可以建立GPS控制网，用于宏观数据的采集和提取；微观上，可以进行梯田、坝体、树林、人工植草的监测；此外，还可以进行水土流

失的监测，甚至可以监测典型样点的水土流失量。目前，GPS监测技术已经在山西王茂沟下流域等地方取得理想的效果，而GPS的快捷、精确、无需通视的特点，必将使其在水土保持（包括淤地坝建设）方面发挥更大的作用。

3、数字流域的建立

在小流域淤地坝规划过程中，在评估建坝后减水减沙效益时无法获得建坝后水文资料。流域数字模型建立以后，可以通过计算模拟建坝前后流域出口径流和输砂率过程，通过建坝前后流域水沙变化过程分析，可以得到淤地坝的减水减沙效益，为淤地坝方案规划评价提供了依据。

数字流域模型以DEM数据及其存取系统为依托，以流域分级理论为依据，将坡面、小流域、区域、全流域4个层次的模型整合成一个完整的流域整体模型。数字流域模型的参数获取主要有两条途径：

（1）通过数字遥感技术获得植被覆盖率、土壤类别、土地利用情况等；

（2）通过降雨资料获得降雨数据随时空的变化。

利用数字领域模型计算减水减沙效益的原理是：先利用地形、土壤、植被覆盖、土地利用等下垫面数据构建数字流域模型，在模型上构筑淤地坝，然后进行产流产沙计算，比较构筑淤地坝前后流域出口断面的水沙变化过程，利用构筑淤地坝前后的计算结果，就可以得到淤地坝的减水量、减沙量及减水减沙比。

数字流域的建立是淤地坝建设可持续发展的迫切需要，是传统水土保持工程向现代转变的必然要求，它将水土保持基础图件与数据采集、水土保持规划与措施布局、水土流失监测、水土保持工程的概（预）算、经济效益分析等功能应用于坝区布局及效益分析，为淤地坝的科学规划提供了依据。

拦砂坝技术（图）

文章来源：蓝白蓝网 2010-05-26 09:26

拦砂坝是指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。一般设置在泥石流沟道形成区或形成区与流通区沟谷内，是泥石流综合治理的骨干工程。通常坝高大于5米，拦沙量在1000立方-100万立方。

1、拦砂坝的主要作用：

（1）拦蓄泥沙，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）提高坝址处的侵蚀基准，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，抵制泥石流发育规模。

2、天然坝址的选择

（1）地质条件：无断裂、无滑坡、崩塌，岸坡稳定性好，沟床有基岩外露，坝基岩石紧密坚硬；

（2）地形条件：坝址处沟谷狭窄，坝上游沟谷开阔，沟床纵坡较缓。

①泥沙形成区，沟道断面狭窄处；

②泥沙形成区与流过区交接段的狭窄处；

③流过区开阔段下游狭窄处；

④流过区与支沟汇合处下游狭窄处；

⑤流过区与沉积区连接段的狭窄处。

（3）建筑材料：坝址附近有充足的石料

（4）施工条件：坝址距离公路较近，有充足的水源。

3、拦砂坝的布置原则：

（1）与防治工程总体协调布置；

（2）能满足拦砂坝本身的设计要求；

（3）有较好的综合效益。

4、坝型选择：

拦砂坝坝型主要根据山洪或泥石流的规模及当地的材料来决定。

（一）按结构分：

（1）重力坝：依自重在地基上产生的摩擦力抵抗坝后产生的推力和冲击力。优点：结构简单，施工方便，就地取材，耐久性强。缺点：筑坝用料大。