水土保持工程学：水土保持工程学 word版

第一章 绪 论 该门课程属于必修专业课，请同学们认真学习，努力掌握！ 水土流失（soil erosion and water loss）是指“在水力、风力、重力等外营力作用下，山丘区及风沙区水土资源和土地生产力的破坏和损失。水土流失包括土壤侵蚀及水的损失，也称水土损失”（见《中国大百科全书?水利卷》第400页）。土壤侵蚀的形式除雨滴油蚀、片蚀、细沟侵蚀以及滑坡等形式侵蚀。水的损失一般是指植物截留损失、地面及水面蒸发损失、植物蒸腾损失、深层渗漏损失、坡地径流损失。在中国水土流失概念中水的损失主要指坡地径流损失。 水的损失过程与土壤侵蚀过程之间，既有紧密的联系，又有一定的区别。水的损失形式中如坡地径流损失，是引起土壤水蚀的主导因素，水冲土跑，水土损失是同时发生的。但是，并非所有的坡面径流以及其他水的损失形式都会引起土壤侵蚀。因此，有些增加土壤水分贮存量，抗旱保墒的水分控制措施不一定是为了控制土壤侵蚀。中国不少水土流失严重的地区如黄土高原，位于干旱、半干旱的气候条件下，大气干旱、土壤干埋与土壤侵蚀作用同样地对生态环境与农业生产造成严重危害。因此，水的保持与土壤保持具有同等重要的意义。 第一节 水土保持的历史与现状 一、历史 在古代，人类主要是结合农业生产采取水土保持工程措施。 公元前956年中国古代《吕刑》:“平水土”“平治水土”的记载，相当于现代的水土保持工程。 涉及水土保持理论的文献最早见于《国语》（公元前550年）。书中指出：“古之长民者，不堕山，不崇薮，不防川，不窦泽”。古代先王有不毁坏山陵，不垫高薮泽，不在河流修堤防，不宣泄沼泽的说法。这样的认识对当时保护森林和保持水土，都起了一定的作用。 中国历代劳动人民还创造了许多行之有效的工程措施。战国末期（公元前221年），劳动人民就已采用“高低洼整地”的方法蓄水保墒，商代已创造了防止坡地水土流失的“区田”法，此法颇似今天山区群众采用的“掏种”和“坑田”法。 中国早在西汉已经出现了梯田。水平梯田是我国年代久远的水土保持方法，且驰名于世。事实上，水平梯田几乎与农业一样古老，广泛地分布于世界许多地区。如北非、地中海沿岸、法国、中美洲及亚洲、日本、印度、菲律宾、韩国及东南亚等地。日本占领时代，则曾在蔗园、茶园和桑园推广，现今仍是台湾省的主要水土保持措施，占全省水土保持工作量的50%以上。 筑淤地坝是黄河流域群众具有独创性的水土保持工程措施。黄土高原山西汾西县修筑淤地坝约有400余年的历史。洪洞、赵城等县的坝地，不仅有100多年的历史，且比较集中连片，已形成沟地川台化，充分发挥了增产、减沙作用。 引洪漫地，充分利用水沙资源，在我国黄土高原也有悠久的历史，陕西省富平县赵老峪的引洪漫地，起源于战国时的秦国，距今已有2000多年，它使“地土干燥的穷乡僻壤”变为“土润而腴”的肥沃良田。赵老峪与定边八里河、礼泉赵镇、泾阳冶峪河合称陕西四大古老引洪渠，发展引洪漫地数千公顷。 国外水土保持工程的发展特点与各国自然条件及社会经济条件关系密切。欧洲文世复兴以后，围绕因滥伐山地森林而引起的山地的荒废，阿尔卑斯山区各国采取了以恢复森林为中心的森林复旧工程，取得一定的成效。奥地利1884年制定了世界上第一部“荒溪治理法”，总结出一定完整的防治荒溪侵蚀的森林—工程措施体系，把森林与工程结合在一起。1886年，日本明治维新以后，以日本关东山洪及泥石流灾害为契机，在原有的“治水在于治山”传统思想的基础上，于1928年创立了具有日本特色的砂防工学（即水土保持工程学）。欧洲阿尔卑斯山区各国及日本主要针对山洪及泥石流灾害修筑水土保持工程学。另一方面，随着土壤科学及山地农业开发利用技术的发展，开始形成土壤侵蚀及其防治学。 二、现状 （一）土壤侵蚀状况 我国是世界上土壤侵蚀最严重的国家之一，土壤侵蚀遍布全国，而且强度高，成因复杂，危害严重，以西北的黄土、南方的红壤和东北的黑土水土流失最为强烈。侵蚀主要有水蚀、风蚀、冻融侵蚀等类型。据水利部遥感中心1990年调查统计，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。详见表1-1。 表1-1 全国土壤侵蚀强度面积统计 万km2 项目 土壤侵蚀 土壤水蚀 土壤风蚀 冻融侵蚀   面积 % 面积 % 面积 % 面积 %  轻度侵蚀 254.03 51.59 91.91 51.23 94.11 50.16 68.01 54.23  中度侵蚀 135.05 27.42 49.78 27.74 27.87 14.86 57.40 45.77  强度侵蚀 47.64 9.67 24.46 13.63 23.17 12.35    极强度侵蚀 25.76 5.23 9.14 5.08 16.62 8.86    剧烈侵蚀 29.96 6.08 4.12 2.30 25.84 13.77    中度以上 238.41 48.41 87.51 48.77 93.50 49.84 57.40 45.77  轻度以上 492.41 100.00 179.42 100.00 187.61 100.00 125.41 100.00  表1-2 全国土壤侵蚀强度面积统计（1999） 万km2 项目 土壤水蚀 土壤风蚀   面积 % 面积 %  轻度侵蚀 83 50.30 79 41.36  中度侵蚀 55 33.33 25 13.09  强度侵蚀 18 10.91 25 13.09  极强度侵蚀 6 3.64 27 14.14  剧烈侵蚀 3 1.82 35 18.32  合计 165 100 191 100  1999年，水利部组织开展了全国第二次水土流失遥感调查。20世纪90年代末全国水土流失总面积356万平方公里(占国土面积37.4%)，其中：??水蚀165万平方公里(17.4%)；??风蚀191万平方公里(20%)；??在水蚀和风蚀面积，水蚀风蚀交错区水土流面积为26万平方公里。其中云南省水蚀面积14,2562km2，风蚀0km2。 动态变化： 水土流失总面积减少：?全国水土流失面积由20世纪80年代末的367万平方公里减少到90年代末的356万平方公里，10年间减少了11万平方公里。 水蚀面积减少，侵蚀强度降低 ：?全国水蚀面积由20世纪80年代末的179万平方公里送还和到90年代末的165万平方公里，10年间减少了14万平公里。中度以上的水蚀面积由88万平方公里减少到82万平方公里，强度以上的水蚀面积由38万平方公里减少到27万平方公里。 风蚀面积略有增加，侵蚀强度升高：??全国风蚀面积由20世纪80年代末的188万平方公里增加到90年代末的191万平方公里，10年间增加了3万平方公里。中度以上的风蚀面积由94万平方公里增加到112万平方公里，强度以上的风蚀面积由66万平方公里增加到87万平方公里。 （二）我国干旱地区状况 据有关文献资料的综合分析统计，我国干旱半干旱地区的土地面积占全国土地面积52.5%，即达1/2以上。其中干燥指数在2.0以上，年平均降水量在250mm以下，没有灌溉就没有农业的干旱区，约占国土总面积的30.8%，达1/3以上；干燥度在1.5~2.0，年平均降水量多为250~600mm，降水变率在38%以上，在没有灌溉的条件下，尚可种植农作物，但旱灾频率很大，收成很不稳定，且易引起风沙侵蚀的半干旱区，约占国土总面积的21.7%。据联合国有关机构关于干旱地区的概念和划分办法，加上半湿润偏旱地区（即干燥的半湿润区）的面积，即在52.5%的基础上，加上约占国土总面积7%的半湿润偏旱区，则全国干旱地区的总面积即占全国土地面积的59.5%。 三、水土流失危害 水土流失在我国的危害已达到十分严重的程度，它不仅造成土地资源的破坏，导致农业生产环境恶化，生态平衡失调，水旱灾害频繁，而且影响各业生产的发展。具体危害如下： 1. 坡坏土地资源，蚕食农田 土壤是人类赖以生存的物质基础，是环境的基本要素，是农业生产的最基本资源。年复一年的水土流失，使有限的土地资源遭受严重的破坏，地形破碎，土层变薄，地表物质“砂化”“石化”，特别是土石山区，由于土层殆尽、基岩裸露，有的群众已无生存之地。据初步估计，由于水土流失，全国每年损失土地约13.3万hm2，按每公顷造价1.5万元统计，每年就损失20亿元。更严重的是，水土流失造成的土地损失，已直接威胁到水土流失区群众的生存，其价值是不能单用货币计算的。 2. 削弱地力，加剧干旱发展 由于水土流失，使坡耕地成为跑水、跑土、跑肥的“三跑田”，致使土地日益瘠薄，而且土壤侵蚀造成的土壤理化性状的恶化，土壤透水性、持水力的下降，加剧了干旱的发展，使农业生产低而不稳，甚至绝产。据观测，黄土高原多年平均每年流失的16亿t泥沙中含有氮、磷、钾总量约4000万t，东北地区因水地流失损失的氮、磷、钾总量约317万t。资料表明，全国多年平均受旱面积约2000万hm2，成灾面积约700万hm2，成灾率达35%，而且大部分在水土流失严重区，这更加剧了粮食和能源等基本生活资料的紧缺。 3. 淤积河床，加剧洪涝灾害 水土流失使大量泥沙下泄，淤积下游河道，削弱行洪能力，一旦上游来洪量增大，常引起洪涝灾害。建国以来，黄河下游河床平均每年抬高8~10cm，目前已高出两岸地面4~10m，成为地上“悬河”，严重威胁着下游人民生命财产的安全，成为国家的“心腹大患”。近几十年来，全国各地都有类似黄河的情况，随着水土流失的日益加剧，各地大、中、小河流的河床淤高和洪涝灾害也日益严重。由于水土流失造成的洪涝灾害，全国各地几乎每年都不同程度地发生，不胜枚举，所造成的损失，令人触目惊心。 4. 泥沙淤积水库湖泊，降低其综合利用功能 水土流失不仅使洪涝灾害频繁，而且产生的泥沙大量淤积水库、湖泊，严重威胁到水利设施和效益的发挥。初步估计，全国各地由于水土流失而损失的水库、山塘库容量累计达200亿m3以上，相当于淤废库容1亿m3的大型水库200多座，按每立方米库容0.5元计，直接经济损失约100亿元，而由于水量减少造成的灌溉面积、发电量的损失以及库周生态环境的恶化，更是难以估计其经济损失。 5. 影响航运，破坏交通安全 由于水土流失造成河道、港口的淤积，致使航运里程和泊船吨位剧降低，而且每年汛期由于水土流失形成的山体塌方、泥石流等造成的交通中断，在全国各地时有发生，据统计1949年全国内河航运里程为15.77万km，到1985年，减少为10.93万km，1990年，又减少为7万km，已经严重影响着内河航运事业的发展。 6. 水土流失与贫困恶性循环，同步发展 我国大部分地区的水土流失，是由陡坡开荒，破坏植被造成的，而逐渐形成了“越垦越穷，越穷越垦”的恶性循环，这种情况是历史上遗留下来的。而建国以后，人口增加更快，情况更严重，水土流失与贫困同步发展。这种情况如不及时扭转，水土流失面积日益扩大，自然资源日益枯竭，人口日益增多，群众贫困日益加深，后果不堪设想。 综上所述，我国的水土流失是相当严重的，已经给与群众生产生活相关的生态环境和国民经济发展带来了巨大危害。 第二节 水土保持的基本原则 为了有效地保护、改良与合理利用水土资源，在开展水土保持综合治理时，要求遵循以下原则。 （一）把防止与调节地表径流放在首位的原则 应设法提高土壤透水性及持水能力；在斜坡上建造拦蓄径流或安全排导径流的小地形；利用植被调节、吸收或分散径流的侵蚀能力，以预防侵蚀发生为主，使保水与保土相结合。 （二）提高土壤的抗蚀能力 应当采用整地、增施有机肥料、种植根系固土作用强的作物，施用土壤聚合物等。 （三）重视植被的环境保护作用 营造水土保持林，调节径流，防止侵蚀，改善小气候，保护生物多样性。 （四）在已遭受侵蚀的土地上防止水土流失 注意采用改良土壤特性、搞土壤肥力的措施，把保护土地与改良土地结合起来。 （五）采用综合措施防治的原则 综合措施包括水土保持土地规划、水土保持农技术措施、水土保持林草措施及水土保持工程措施。以小流域为单元形成一个各项措施之间互相联系、相辅相成的综合措施体系。 （六）因地制宜 针对不同的水土流失类型区的自然条件制定不同的综合体系，提出保护、改良与合理利用水土资源的合理方案。 （七）生态-经济效益兼优的原则 在设计水土保持综合治理措施体系过程中，应当提出多种方案，选用生态-经济效益兼优的方案。在确定水土保持综合治理方案中，全面估计方案实施后的生态效益及经济益，预测水土保持措施对保土作用及环境因素的影响，使发展生产与改善生态环境标准相结合，实现持续发展。 （八）以“可持续发展”的理论指导区域（或流域）的综合整治与经营 使某一区域（或流域）的经济发展建立在区域生态环境不断得以改善的基础上。采用综合措施综合经营区域内（流域内）以水、土为主的各种自然资源，建立优化的区域人工生态经济系统。 第三节 水土保持工程学的研究对象和内容 一、研究对象 水土保持工程学是应用工程原理，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科学。水和土是人类赖以生存的基本物质，是发展农业生产的基本要素。水土保持对发展山区、丘陵区、风沙区的生产和建设，整治国土，治理江河，减少水、旱灾害，防止土地退化，维持生态系统平衡，具有重要意义。 水土保持工程学的研究对象是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。水土流失的形式包括土壤侵蚀及水的损失。土壤侵蚀除雨滴溅蚀、片蚀、细沟侵蚀、泥石流侵蚀以及滑坡侵蚀等形式。 水的损失（water loss）形式按降水（P：包括降雨及降雪）在到达地面之前及到达地面以后，其损失形式可分为植物体截留损失（I）、地面蒸发损失（E）、杂草蒸腾损失（T）、坡地径流损失（R）、深层（根系分布层以下）渗透损失（D）等。 坡地径流损失是水分损失的主要形式，它不仅减小土壤含水量，影响作物产量以及乔灌木、牧草的生长状况，而且是引起坡地土壤侵蚀的主要营力。控制坡地径流损失是当前我国干旱的水土流失地区大力提倡的“径流农业”“径流林业”的重要环节，它有利于充分利用天然降水为发展农、林、牧等生产事业服务。 二、水土保持工程的内容 水土保持工程措施是小流水土保持综合治理措施体系的组成部分，它与水土保持生物措施同等重要，不能互相代替。另外，水土保持工程措施与生物措施之间是相辅相成、互相促进的。 围绕山地荒废与册洪及泥石流灾害问题，开展了荒溪治理工作。当地农民修建干砌石谷坊、原木谷坊、铁线石笼拦沙坝等工程，固定沟床、拦蓄泥沙、调节洪峰流量以减小山洪及泥石流灾害。奥地利的荒溪治理工程、日本的防沙工程均相当于我国的水土保持工程。美国则在50年代出版了《水土保持工程学》包括6项内容：①侵蚀的控制；②排水；③灌溉；④防洪；土壤水分保持；水资源开发。 我国根据兴修目的及其应用条件，水土保持工程可分为以下4种类型：①山坡防护工程；②山沟治理工程；③山洪排导工程；④小型蓄水用水工程。 山坡防护工程的作用在于改变小地形的方法防止坡地水土流失，将雨水及雪水就地拦蓄，使其渗入农地、草地或林地，减少或防止形成坡面径流，增加农作物、牧草以及林木可利用的土壤水分。同时，将未能就地拦蓄的坡地径流引入小型蓄水工程。在有发生重力侵蚀危险的坡地上，可以修筑排水工程或支撑建筑物防止滑坡作用。属于山坡防护工程的措施有：梯田、拦水沟埂、水平沟、水平阶、水簸箕、鱼鳞坑、山坡截留沟、水窑（旱井）、蓄水池以及稳定斜坡下部的挡土墙等。 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，对沟口冲积圆锥不造成灾害。属于山沟治理工程的措施有：沟头防护工程、谷坊工程，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。 小型蓄水用水工程的作用在于将坡地径流及地下潜流拦蓄起来，减少水土流失危害，灌溉农田，提高作物产量。小型蓄水用水工程包括小水库、蓄水塘坝、淤滩造田、引洪漫地、引水上山等。 在规划布设小流域综合治理措施时，不仅应当考虑水土保持工程措施与生物措施、农业耕作措施之间的合理配置；而且要求全面分析坡面工程、沟道工程、山洪排导工程及小型蓄水用水工程之间的相互联系，工程与生物相结合，实行坡沟兼治，上下游治理相配合的原则。水土保持工程措施的洪水设计标准根据工程的种类、防护对象的重要性来确定。坡面工程均按5~10a一遇24h最大暴雨标准设计。治沟工程及小型蓄水工程防洪标准根据工程种类、工程规模确定。淤地坝、拦沙坝、小型水库一般按10~20a一遇的洪水设计，50~100a一遇的洪水校核。引洪漫地工程一般按5~10a一遇的洪水设计。 小流域综合治理一项系统工程，包括多种措施。随着系统工程的发展，在水土保持工程规划设计中，将会更广泛地应用系统工程理论。另外，为了使水土保持工程的设计与施工现代化，将逐步推广应用计算机辅僵设计方法与先进的施工机械设备。
二、水土保持的成就与作用 （一）水土保持的成就 水土保持（soil and water conservation）是指防治水土流失，对山丘区、风沙区水土资源的保护、改良与合理利用。（《中国大百科全书?水利卷》第394页）。从这个定义中可以看出： （1）水土保持是山丘区和风沙区水及土地两种自然资源的保护、改良与合理利用，而不仅限于土地资源，水土保持不等同于土壤保持。 （2）保持（conservation） 含义不仅限于保护，而是保护、改良与合理利用（protection,improvement and rational use）。水土保持不能单纯地理解为水土保护、土壤保护，更不能等同于土壤侵蚀控制（erosion control）。 （3）水土保持的目的在于充分发挥山丘区和风沙区水土资源的生态效益、经济效益和社会效益，改善当地农业生态环境，为发展山丘区、风沙区的生产和建设，整治国土、治理江河，减少水、旱、风、沙灾害等服务。 中国大百科全书中关于水土保持学科的概念与1991年颁布的《中华人民共和国水土保持法》中所规定的水土保持学工作的业务范围是一致的。《水土保持法》第一条规定：“为预防和治理水土流失，保护和合理利用水土资源，减轻水、旱、风沙灾害，改善生态环境，发展生产，制定本法”。 50年代以来，在党中央和国务院的重视和关怀下，我国的水土保持由试验、示范、推广到全面发展，取得了显著的成绩。据统计，截止1998年底，全国累计完成综合治理面积78万km2，其中，修梯田、建坝地等共11.87万km2，栽植水土保持林和经济林40万km2，种草4万km2，还兴修了上亿处蓄水保土工程。就黄河流域而言，到1997年底，全流域治理了41.1%的水土流失面积。其中，黄土高原地区共在坡耕地上修建水平梯田4.32万km2，建设其他类型基本农田1.33万km2，在沟道和田间修建各类小型水利水土保持工程300多万处（座）、淤地坝10万座，在多沙、粗沙区结合小流域综合治理建设治沟骨干工程984座。全区治理面积累计达16.6万km2。从长江流域来看，据《长江流域水利统计年鉴》所示，至1997年底，全流域已累计治理水土流失面积21.04万km2，从海河流域来看，据统计年鉴所示，从1949~1997年，全流域累计治理水土流失面积7.99万km2。这些水土保持措施，在改变农业生产条件，促进农业持续发展和脱贫致富，减少江河湖库泥沙淤积，改善生态环境方面发挥了十分显著的作用。 （1）1980年“水土保持小流域治理”正式提出以后，使以往的由措施单一的分散治理转向以大流域为骨干，以小流域为单元，实行全面规划，林草措施、工程措施与保土耕作措施相结合，山、水、田、林、路统筹安排，进行综合治理的全新阶段。水土流失治理速度由原来每年治理几千平方公里发展到3万km2，1998年首次突破5万km2。 （2）由多年来单纯抓治理逐步转向以预防为主，加强了监督管理，部分地区初步改变了边治理边破坏、破坏大于治理的局面。尤其从1991年《水土保持法》颁布实施以来，开始进入了依法防治水土流失的新阶段。 （3）1992年以来，为了顺应社主义市场经济的发展，水土流失治理由单纯的生态防护型合理转向综合开发型治理，综合经营流域自然资源。治理保护与开发利用相结合，经治理促开发，以开发保治理。通过治理将大量水土流失严重的低产劣质土地改造成为高产、优质、高效的土地。以市场为导向，发展小流域经济，在保持水土、改善环境的同时，争取最大的经济效益。生态效益、经济效益与社会效益融为一体，使农民得到实惠，也使水土保持获得了强大的生命力。 （4）突出重点，集中治理，形成了点面结合的新格局。80年代以来，国家和地方开始选择一些水土流失严重地区作为治理重点，实行集中治理、连续治理和规模治理，发挥整体效益，对面上治理起到了示范推动作用，也充分体现了水土保持在生态环境建设中的主体地位。20年来，全国列入试点、重点治理的小流域已达2万余条，已完成5000多条。 （5）水土保持改革日渐深入，全社会办水土保持的新机制逐步形成。治理的组织形式由集体统一治理发展为承包、租赁、股份合作等多种形式。在建立多元化、多渠道、多层次的水土保持投资体系方面取得进展，拓宽了资金渠道。拍卖“四荒”（荒山、荒沟、荒丘、荒滩）使用权，加快了治理开发步伐。城市水土保持正在成为水土保持工作的新领域。水土保持部门增强了自身活力，提高了服务功能。 （二）水土保持的作用 江河上游水土保持即从小流域为单元的水土保持综合治理，包括调整土地利用结构、林草措施、工程措施、农业技术措施以及监督管理措施。山区水土保持小流域综合治理的作用，主要有以下几方面： 1. 增加蓄水能力，提高降水资源的有效利用 水土保持流域综合治理措施可增加拦蓄降水资源的能力，在解决山丘区农村人畜饮水困难的同时，可缓解农业生产缺水问题，增加抗御旱灾能力。同时，水土保持综合治理增加了植物（含作物）的面积和生物产量，改水分无效蒸发为有效蒸腾，提高了降水资源的利用率。 黄河流域中上游部分地区经水土流失综合治理后，90年代与50~60年代初相比，平均每年多拦蓄降水3.17万m3/km2，相当于32mm的降水量，即综合治理可提高蓄水能力近32mm。地处半湿润地区海河流域和湿润地区的长江流域，水土保持增加拦蓄降水的能力比黄河流域还要成倍增加，但目前仅有小流域的观测结果。在海河流域，面积为21.8km2的北京市延庆县汉家川小流域，经多年治理后，流域的降水拦蓄能力增加了11.2万m3/（km2?a），相当于112mm；长江流域的江西省兴国县塘背河小流域，水土流失综合治理年增加降水拦蓄能力达210mm。 2. 削洪增枯，提高河川水资源的有效利用率 由于水土流失综合治理增加了流域降水的拦蓄能力，改变了地表径流和地下径流的分配格局和时序，从而在一定程度上改变河川径流的年内分配，削减洪峰流量，增加枯水流量。水土保持的削峰作用大小以决于雨情、地形、土壤、基岩、流域前期储水状况、水土保持措施实效及流域尺度等许多因素。但总的来看，在小流域尺度上，水土保持对洪水的消减能力是显著的，可达30%%~70%。在大江大河洪峰流量的形成主要受流域降雨因素的影响，其中包括雨区范围、暴雨中心位置、降雨的时空变化、前期降雨（流域土壤湿润）状况等，大流域尺度效应对洪峰流量的影响很大，局部地区的水土保持削峰效应相当于大流域的洪峰流量难以显示出来，但是，随着大流域内水土流失综合治理面积的扩大和治理程度的提高，其消减洪峰流量的作用也必将在大流域内显示出来。 由于水土保持改善了流域水文环境，减小了洪流量，促进了降水资源向地下水的转化进而增加枯水期对河川径流的补给量，黄河流域的大理河（流域面积3560km2）在每年7~9月拦蓄的洪水径流，有40%在非汛期释放出来，增加了河川基流。 3. 对河川年总径流量的影响 水土流失综合治理拦蓄了降水用于当地的生产、生活和改善生态环境，就必然在一定程度上减少进入河川的总径流量。水土保持对于湿润地区的河川年径流量影响不大。对于大部分面积处于干旱半干旱地区的黄河流域而言，水土保持减少黄河年总径流的作用随着治理面积的扩大和治理程度的提高逐渐加强。据统计分析，目前，黄土高原水土流失综合治理面积约占总流失面积的1/3，且治理标准不太高的情况下，由于水土保持措施而减少的河川径流总量为8亿~10亿m3。 长江流域渠江碧溪水文站，流域面积1970km2，1989年实施重点治理后，8年多年均径流量减少了4.512亿m3，占治理前年径流量的27.2%。通过水文分析，求得降雨因素的影响使径流量减少了2.122亿m3，水土保持因素使年径流量减少了2.390亿m3，占治理前多年年均径流量的14.4%，相当于减少径流约12.0万m3/（km2?a）。采用此项指标推算，长江全流域现已治理面积21.04万km2，每年减少河川径流总量约250亿m3。 4. 控制土壤侵蚀，减少河流泥沙 水土流失综合治理对于土壤水蚀采取了层层设防的措施，通过以坡改梯为主体的基本农田建设、林草植被建设、土壤耕作制度的改进以及沟道以淤地坝为主体的工程建设，可以大大降低土壤侵蚀模数，显著地减少进入河川的泥沙量。 在土厚易蚀的黄土高原，水土流失综合治理的减蚀减沙效益极为显著。一般小流域经过综合治理，土壤侵蚀模数可以从每年每平方公里1万~2万减少到2000~3000t，如陕西安塞县纸坊沟小流域经过综合治理，土壤侵蚀模数由14 000t/（km2?a）减少到3000 t/（km2?a），减少了11000 t/（km2?a）。如果治理措施得当、治理质量达到规范标准，将侵蚀模数降低到1000 t/（km2?a）的允许水平以下是可能的。在治理初期，沟道治理工程对拦沙起决定性作用，随着时间的推移，基本农田建设工程和植被建设会发挥越来越大的作用。在中尺度流域，水土保持减沙效益很显著，如黄河中游一级支河无定河，流域面积30261km2，水土流失治理面积占总流失面积的56.76%，90年代水土保持综合治理减少河流泥沙59.0%。大量研究结果表明，黄河流域水土保持在大尺度上也可减少河流含沙量和输沙量，减少了水利工程的淤积。治理黄河以来，水土保持累计保土拦泥106.55亿t，每年平均减少入黄泥沙3亿t，是黄河多年平均输沙量16亿t的18%。 水土保持的减蚀减沙效应在其他流也是明显的。长江流域水土持综合措施可减少土壤侵蚀模数2000~2500 t/（km2?a）以上，现有水土流失重点治理面积5.86万km2，减少输沙模数500 t/（km2?a），每年可减少入江泥沙约3000万t，由于影响长江干流泥沙的因素十分复杂，目前，水土保持对长江干流泥沙的影响还十分明显，但是，随着治理面积的扩大和治理程度的提高，水土保持减沙作用必将逐渐显示出来。 5. 改善水文环境、保护水质 水土保持综合治理对水资源的影响不仅表现在量的方面，同时还表面在质的方面，综合措施在保水的同时还保土、保肥，从而减小河川水体的面源污染，发挥水质保护水质作用。水土保持林草措施通过其特有的防护作用，吸收和过滤水体中的一些有害物质，使水体质量显显改善。 6. 促进区域（流域）社会经济可持续发展 水土保持加快脱贫致富的步伐，促进流域社会经济的可持续发展。流域生态环境的改善和保护，是维护健康的流域水文环境，实现水资源可持续发展战略的保证。 黄土高原的水土流失综合治理有效地改变了一些地区的农业生产条件，促进了这一地区群众脱贫治富步伐。黄土高原现有水土保持措施，每年可增产粮食40亿kg，生产果品150亿kg，使1000多万农民解决了温饱和农村生活用水问题，缓解了水土流失地区群众的“三料”（肥料、饲料、燃料）困难。黄土高原列入国家“八七”扶贫攻坚计划的贫困人口数量已由2300万人减少到目前的1350万人。 长江流域“长治”工程实施10年来，已累计粮食30亿kg，治理区农业人均产粮由治理前的300kg提高到440kg。800多万人摆脱贫困走上了致富之路，并出现了一批小康户、小康村。 第四节 水土保持工程学与其他学科的关系 水土保持工程学与一些其他基础性自然科学、应用科学和环境科学均有紧密的关系。在基础科学方面：①水土保持学与气象学、水文学的关系：各种气候因素和不同气候类型对水土流失都有直接或间接的影响，并形成不同的水文特征。②水土保持工程学与地貌学的关系：地形条件是影响水土流失的重要因素之一，而水蚀及风蚀等水土流失过程又对塑造地形起重要作用。③水土保持工程学与地质学的关系：水土流失与地质构造、岩石特性有很大关系。许多水土流失作用如滑坡、泥石流等均与地质条件有关，水土保持工程的设计与施工涉及地基、地下水等方面的问题，需要运用第四纪地质学、水文地质学及工程地质学的专业知识。④水土保持工程学与土壤学的关系：土壤是水蚀和风蚀的主要对象，不同的土壤具有不同的渗水、蓄水和抗蚀能力。改良土壤性状，保持与提高土壤肥力与防止水土流失有很大的关系。⑤水土保持工程学与应用力学关系密切：为了查明水土流失原因，确定防治对策，还需要土力学、岩石力学等方面的知识。在应用科学方面，水土保持工程学与农学、林学及农田水利学、水利工程学等均有密切关系。 第二章 坡面集水保水工程 第一节 概述 一、水资源分布概况 水是农业的命脉，尤其是旱地农业区，由于水资源的匮乏，水资源的状况对其生产更有着持别重要的意义。 地球上的水资源主要包括三个方面，一是天然降水，二是河川径流，即地表水，三是地下水。在这三种水资源中，天然降水是最基本的水资源。因为河川径流和地下水都是以天然降水为补给源的。 据有关资料统计，地球上138.6×108亿m3水体的97.5%为咸水，汇聚于海洋和成水湖泊。仅有约2.5%，即3.5×108亿m3的淡水可为人类生活、生产取用。淡水的68.7%成为极圈冰盖和高山冰川，加上30.8%的深层地下水，均为难以利用的淡水资源。河流、湖泊及浅层地上水，约占总淡水量的0.5%。换言之，地球生命界需用淡水的绝大部分，依赖于地球水文的循环。这种水文循环主要依赖于河湖、海洋主要水域及水量的土壤水，经太阳热力的作用，直接蒸发和间接蒸腾成为水汽.随气流上升进入大气循环。 联合国粮农组织1994年2月公布的1950～2000年世界各地区人均占有水资源的情况表明，水资源匮乏问题在全球各地的发展趋势都是非常严峻的。平均每10年递减20%左右，预计2OOO年比1980年要减少34.5%。其中，非洲和拉丁美洲分别减少45.7%和42%，亚洲减少35.3%。详见表2—1。 表2-1　1950～2000年世界各地区人均占有水资源 亿m3 地 区 1950 1960 1970 1980 1990 2000年比1980年减少的百分数  非洲 亚 洲 拉丁美洲 欧 洲 北美洲 206 96 1 050 59 373 165 79 802 54 302 127 61 617 49 252 94 51 488 44 213 51 33 283 4l 175 45.7 35.3 42 6.8 17.8   资科来源：联合国粮农组织1994年公布资料。 根据中国水利年鉴1990年的统计结果，中国三种水资源的总状况是；①降水。全国多年平均降水总量为6l 889亿m3，平均年降水深为648.8mm。既小于全世界陆地平均降水深800mm。也小于亚洲平均年降水深749mm②地表水。全国多年平均年地表水资源量27 115亿m3，平均年径流深为284mm。③地下水。全国多年平均年地下水资源总量为8 288亿m3，其中山区6 726亿m3，平原1 874亿m3。 从水资源的分布地区来看：①多雨丰水带（即南方两广、江浙一带），年降水量大于l 600mm，年径流深超过800mm，年径流系数在0.5以上。年降水日数为160d以上；②湿润多水带（包括秦岭南、长白山、淮河两岸），年降水量800～1 600mm，年径流深200～800mm，年径流系数为0.25～0.5，年降水日数为120d以上；③半湿润过渡带（包括黄淮海、东北、晋、陕、甘、青东南、四川、新疆部分地区），年降水量400～800mm，年径流深50～200mm，年径流系数为0.1～0.23，年降水日数为80～l00d；④半干旱少水带（包括黄土高原及北方大部分旱农地区），年降水量为200～400mm，年径流深10～50mm，年径流系数在0.1以上，年降水日数为60～80d；⑤干旱于涸带（包括西北、内蒙古等地的荒漠地区），年降水量小于200mm，径流深不足10mm，降水日数少于60d。 从中国水资源的主要特征来看：①水资源的总量不少，但人均，亩均较.少，河川径流量少于巴西、前苏联、加拿大、美国和印度尼西亚，居世界第6位。人均水量只有2 710m3，为世界人均水量的1／4.居世界第88位。亩①均水量1 770m3，约为世界亩均水量的3／4，低于巴西、加拿大、日本和印度尼西亚。②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。北方旱区（不含内陆区）水资源总量只占全国的14.4%， 耕地却占全国58.3%；人口占全国49.2%.人均水量为938m3／人（南方为4 170m3／人），亩均水量为454m3／亩（南方为4 134m3／亩）。南方与北方相比，南方人均水量为北方的4.4倍，亩均水量为北方的9.1倍。 以上情况总的说明，从全球全国和我国北方旱区的水资源状况分析，可以看出，水资源的匮乏是一个严峻的问题，特别是在中国的北方旱区，问题更为严重。 二、集水技术和径流农业 集水技术是在干旱地区充分利用降水资源为农业生产和人畜生活用水服务的—种技术措施。在降水是惟一水源或主要水源的旱农业地区，根据水量平衡原理，为了增加土壤的贮水量，只有通过减少地表径流，抑制土壤无效蒸发，才能达到预期的目的，其中集水技术是一种最有效的方法。这是一种为了弥补农田水分不足把较大范围上的降水聚集到小面积的农田上使用的一种方法。也就是将旱地农业区有限的、季节分布不均的降水量，尽量保留和集中在农田里，供农作物生长发育之需，从而获得稳产高产的一种技术措施。在旱农地区，降水的主要特点是降水较少且非常不稳定和无法预测。 因此，集水技术对旱地农业的降水起调剂作用，是充分利用降水资源使旱地农业稳产高产的一种重要的技术措施。 集水技术的另一术语是“雨量增值”或“降雨增效”这一术语指将非耕地里的降雨径流集中到耕地里使其获得足够的水分以种植作物。这样给耕地里的水要比直接接受的雨水多，因而雨量增值。 据山西省水土保持科学研究所曾伯庆在晋西黄土丘陵沟壑区所作的实测资料表明，在同样降雨条件下，不同地类的径流量不同，如一次降雨60mm，梯田不发生径流，林地、草地、坡耕地和道路分别可产生径流2.5、4.6、8.0和14.5mm。这些径流如不利用，它就由坡面汇集于沟道，并在流动中冲蚀土壤。当把它收集贮存起来，就可增加基本农田的降水量，从他们在9个不同径流面积组合中所计算出来的径流水量来看，每亩基本农田可蓄积利用的地面径流量为11.2～40.3m3。 集水技术是干旱地区发展径流农业（或称聚流农业）的基础。所谓径流农业或聚流农业，就是充分利用现有的降水资源和径流资源把集水技术与农业生产相结合的农业生产技术的总称。 利用集水技术发展径流农业，在干旱地区的农业生产中是一种古老的农业生产技术，已有4 000多年的历史。从青铜器时代开始，大量的调查证明，在古代中东地区，农民利用简单的集水技术，如清理岗顶上杂物以增加径流，又沿等高线堆置石坝汇集径流，并把水引入较低的农田或蓄水池内，以利于从事旱农生产或补充灌溉，从而使平均年降水量为100mm的荒漠地区的农业得到了发展。 对现代来说，在干旱地区采用集水技术发展径流农业已经证明是可靠的.措施。作为一项工程，它在以色列的涅杰夫沙漠地区已再新生。现在在干旱地区许多国家，如墨西哥、印度、巴基斯坦、澳大利亚、叙利亚、也门和非洲的一些国家都有集水农场。在阿富汗的考斯省，使用集水方法来种植小麦和果树的面积就超过了70 000hm2。印度西北地区还研究提出了暴雨集水法。 本章主要介绍的集水蓄水工程包括水窑（又名旱井）、涝池（又名蓄水池）、山边沟渠工程、鱼鳞坑和保水抟术等. 第二节 水窖 一、水窖的定义与功能 （一）定义 修建于地面以下并具有一定容积的蓄水建筑物叫水窖，水窖由水源、管道、沉沙、过滤、窖体等部分组成。 （二）功能 （1）拦蓄雨水和地表径流； （2）提供人畜饮水和旱地灌溉的水源； （3）减轻水土流失。 二、水窖的类型 水窖可分为井窖、窑窖、竖井式圆弧形混凝土水窖和遂洞形（或马鞍形）浆砌石水窖等形式。水窖可根据实际情况采用修建单窖、多窖串联或并联运行使用，以发挥其调节用水的功能。 （一）井窖 在黄河中游地区分布较广。主要由窖筒、旱窖、散盘、水窖、窖底等部分组成。见图2-1。 （1）窖筒 在黏土区，窖简直径可挖到0.8～1.0m，在较疏松的黄土上，一般为0.5～0.7m。 窖筒深度，在坚硬的黏土上1～2m即可，在疏松黄土上需3m左右。 （2）旱窖 指窖筒下口到散盘这一段，一般不上胶泥，也不能存水，所以叫做旱窖。 （3）散盘 旱窖与水窖连接的地方叫散盘。 （4）水窖 四周窖壁捶有胶泥以防渗漏，主要用来蓄水。
图2—1井窖各部分名称示意图 1-窖口； 2-沉沙池；3-进水管；4-散盘；5-旱窖； 6-胶泥层；7-玛眼；8-水害 （5）窖底 窖底直径随旱井的形式而定，一般为1.5～3.0m，最小的0.7m左右。 （二）窑窖 窑窖与西北地区群众居位的窑洞相似，其特点是容积大，占地少，施工安全，取土方便，省工省料.窑窖答积一般为300～500m3。窖高2m以上，窖长6～25mm。上宽2.0～3.5m，底宽0.5～2.5m，根据其修筑方法不同又可分为挖窑式和屋顶式两种。见图2-2、图2-3。
（三）竖井式圆弧形混凝土水窖 竖井式圆弧形混凝土水窖（云南省巍山彝族回族自治县）示意图，见图2-4。
（四）隧洞形浆砌石水 隧洞形浆砌石水（贵州省毕节地区） 三、水窖的规划与设计 修建水窖要根据年降水量、地形、集雨坪（径流场）面积等条件因地制宜进行合理布局。规划要结合现有水利设施，建设高效能的人畜饮水、旱地灌溉或两者兼顾的综合利用工程。 水源高于供水区的，采取蓄、引工程措施；水源低于供水区的，采取提、蓄工程措施；无水源的采取建塘库、池窖，分散解决的工程措施。 （一）水窖的规划原则 1. 在有水源保证的地方，修建水窖以分配（或调节）用水量，根据地形及用水地点，修建多个水窖，用输水管（渠）串联或并联运行供水。 2. 在无水源保证的地方。可修建容积较大的水窖，其蓄水调节能力，一般应满足当地3～4个月的供水。 （二）水窖的设计 1. 设计原则 （1）因地制宜，就地取材，技术可靠，保证水质、水量，节省投资。 （2）充分开发利用各种水资源（包括现有水利设施），使灌溉与人畜饮水结合。 （3）防止冲刷，确保工程安全。 （4）为了调节水源，可将水窖串联联合运行。 供饮水的水窖，一般要求人均3～5m3，兼有水浇地任务的是人均5～7m3，以l户1窖或3～5户联窖为宜 2. 设计所需材料 （1）气象资料，附近雨量站（气象站）的多年降雨量（以月为单位），年最大24h平均降雨量，以及年最低、最高气温，日照天数，最大蒸发量等。 （2）水源的水位资料，包括枯流量、基流量、丰水期流量及最大洪水流量，干旱期实测值和水质化验报告。 （3）水源工程、输水工程及窖体的地质、地形图。 （4）当地建材的分布调查。 （5）当地的社会经济情况调查。 （6）1：10 000或1 ：50 000地形图。 （7）灌溉面积（需水）分布情况及人畜饮用需求调查。 （8）现有水利设施情况。 3. 工程布置原则 （1）以饮用水为主的窖池，应远离污染源。 （2）水源地（或调节池）应置于高位点，以便自压供水。 （3）应避开不良地质地段。 4. 水源工程 水窖的水源有雨水、泉水、裂隙水、山沟水、库水以及提水入窖（池）等。 （1）雨水作为水窖7K源在没有地表水源的情况下，直接拦蓄雨水时，需要有集雨坪、汇流沟等水源配套工程。此项工程可利用现有的房屋、晒坝（坪）、冲沟、道路等集水，也可修建集雨坪、拦山沟等工程拦截雨水，汇流入窖。 ①集雨坪位置的选择：根据地形情况，集雨坪的位置应选定在高于水窖进水口lm以上。集雨坪的面积可利用自然的山坡，修建一定长度的拦水沟， 将一定面积内的雨水拦入水窖；也可人工平整土地，水泥砂浆抹面防渗。 ②集雨坪面积的计算： 云南巧家县采用以下公式计算：
　　　　　　　　 　 　（2-1） B. 贵州省毕节地区采用以下公式计算：
　　　　　　　 　　 （2-2） 式中：F——集雨坪有效集水面积； V——水窖的有效容积；
——水窖年蓄水量； W——年均降水量，mm，可查水文手册； a——降雨（或径流）利用系数，对于透水平坦地面取0.3，对于天然 不透水山坡取0.5～0.6，较好屋面及人工集雨坪取0.8； 0.8——降雨利用系数； 1.5——考虑到干旱年份或特别干旱年份等情况的加大系数。 ③集水池：在集雨坪面积较大、拦截雨水较多的情况下，应在集雨坪下方建一个集水池。 集水容积建议用下式计算：
=（1／3一l／5）
W’ （2—3）
=aFH24／1 000 （2—4） ④拦山沟；利用天然山坡作为集雨坪时，在山坡的下方应挖凿拦截雨水的拦山沟。拦山沟要拦截的集雨面积，应用公式（2-1）、（2-2）计算。拦山沟积的增大（或不量的增大）可逐步加大。考虑山坡陡峻或拦截面积上水土流失等对拦山沟的淤塞和冲刷，拦山沟的过水断面应比计算断面大50％左右。 （2）库水作为水窖水源水库就是水窖的调节池、沉淀池。水库的水通过链、渠进入水窖， （3）泉水、裂隙水、河水作为水窖水源在水源处修建一集水池或取水口，将水集中起来，通过输水管或暗（明）渠进入水窖。 ②集水池窖大小的确定，主要根据来水量（水源）和供水量（引用）情况，以满足有一定的沉沙、调节能力，节省投资为原则。 （4）渠水作为水窖水源一般来说，渠水水源均能满足水窖对水量的要求，作为饮用水，浑浊度小于10°的可不考虑过滤设施，这样进水池和沉沙厂可合二为一。 （5）输配水工程输配水工程的作用是将水源水输入水窖（池），由水窖（池）最后分配到用水点。该工程一般可位于净化设施之后，也可位于净化设施之前。 （6）净化设施利用自然山坡汇集雨水，必须经沉沙过滤后方能进入水窖。沉沙过滤池的结构视集雨坪面积的大小而定 （三）水窑总容积的确定 水窖总容积是水窖群容积的总和，应与其控制面积相适应。如果来水量不大，可设1～2个水窖；如果来水量过大，则应修水窖群拦蓄来水，水窖群的布置形式有以下几种： 1.梅花形 见图2-6。将若干水窖按梅花形布置成群，用暗管连通，从中心水窖提水灌溉。 2.排子形水窖群
这种水窖群布置在窄长的水平梯田内，顺等高线方向筑成一排水窖群，窖底以暗管连通，在水窖群的下一的过水断面，应根据过水流量计算确定。始端断面可稍小，随着拦截降雨面台梯田地坎上设暗管直通窖内，窖水可自然灌溉下方农田。见图2-7。
为了就地拦蓄坡面径流，减少流水的位能损失，增加自流灌溉的面积，应使窖群均匀地分布在坡面上，而不是使水窖集中在坡面下部。 （四）窖址的选择 （1）有足够的水源。 （2）有深厚而坚硬的土层，水窖一般应设在质地均匀的土层上，以黏性土壤最好，黄土次之。 （3）在石质山区，多利用现有地形条件，在无泥石流危害的沟道两侧的不透水基岩上，加上修补，做成水窖。 （4）窖址应便于人蓄用水和灌溉农田。
第三节 涝池 涝池又叫蓄水池或塘堰.可用以拦蓄地表径流，防止水土流失，也是山区抗旱和满足人蓄用水的一种有效措施。涝池一般为圆形和椭圆形。大的涝池可占几亩地，容积可达几百立方米，甚至几千立方米。山坡地上的涝池，因受地形条件限制要小一些，蓄水量一般为10～80m。 修涝池的技术简单，容易掌握，而且修筑省工，但涝池的蒸发量太，占地也较多，在干旱面蒸发量太大的地区，不宜修筑涝池。 一、涝池的定义与功能 （一）定义 以拦蓄地表径流为主而修建的。蓄水量在50～1 000mm3的蓄水工程，称为涝池。 （二）功能 拦蓄地表径流，充分和合理利用自然降雨或泉水，就近供耕地、经济林果浇灌和人畜饮水需要，减轻水土流失。 二、涝池的类型 按材料可分为土池、三合土池、浆砌条石池、浆砌块石池、砖砌池和钢筋混凝土池等按形式可分为圆形池、矩形池、椭圆形池等几种类型。此外，蓄水池还可分为封闭型和敞开式两大类。 圆形池、矩形池平面布置图分别见图2—8和图2—9。
三、涝池位置的选择 涝池一般都修在乡村附近、路边、梁峁坡和沟头上部。池址土质应坚实，最好是黏土或黏壤土。硬性大的土壤容易渗水和造成陷穴，都不宜修涝池。此外，选择涝池的位置还应注意以下几点： （1）有足够的来水量。 （2）涝池池底稍高于被灌溉的农田地面，以便自流灌溉。能离沟头、沟边太近，以防渗水引起坍塌。 四、涝池的规划 蓄水池一般规划分布设在坡面水汇流的低凹处。并与排水沟、沉沙池形成水系网络.以满足农、林用水和人畜饮水需要为规划设计原则。规划布设中应尽量考虑少占耕地，来水充足，蓄引方便，造价低，基础稳固等条件。 蓄水池的配套设施有：引水渠、排水沟、沉沙池、过滤池（有人畜饮水要求的蓄水池）、进水和取水设施（放水管或梯步）。 房屋前后或道路旁的开敞式蓄水池环应加栏杆或围坪，人畜饮水用的蓄水池一般为封闭式，确保用水清洁卫生和安全。 五、涝池的布置形式 （一）平地涝池 修在平地的低凹处，一般是把凹处再挖深些，将挖出的土培在周围。 （二）结合沟头防护 在沟头附近适当距离处挖涝池，拦蓄坡面汇集的地表径流，防止沟头前进，见图2-l0。 （三）开挖小渠将地下水引入涝池 沟底坡脚常有地下水渗出，给很多地方造成泥流及滑塌。可在附近挖涝池，并开小渠使地下水引入涝池，用以灌溉或人蓄饮用，也可避免塌岸。
（四）结合山地灌溉，开挖涝池 其布置形式渠道连结涝池见图2-11。 在山地渠道上，每隔适当的距离挖一个涝池，涝池与渠道连接处设立闸 门，将多余的水蓄在池内，以备需水时灌溉。 （五）连环涝池 涝池与涝池之间小水渠连接起来，多修在道路的一侧，以防止道路冲刷，有时也修在坡面上的浅凹地上，一般为方形或长方形，蓄水量可达10～15m3。
六、涝池容积计算 涝池蓄水量加上超高的容积即为涝池总容量。由总容量及池的形状可以定出池的具体尺寸。池的形状随地形变化而异，其不同形状的涝池总容量计算方法如下： （一）矩形
　　　 （2-5） 式中：V——总容量，m3　　； h水——水深，m； h——超高，m； A池口——池口面积，m2； A池底——池底面积，m2。 （二）平底圆形 V=
（R2池口+R2池底）×（h水+
m）　　　　　　　　（2-6） 式中：V——总容量，m3； R池口——池口半径，m； R池底——池底半径，m； H水深——水深，m； h——超高，m；
——圆周率，3.1416。 （三）“U”字形 V=
（R2池口）×（
） （2-7） （四）椭圆形 V=
（R长·r短）x（
） （2-8） 式中：R长——长半轴m； r短——短半轴，m；
——圆周率，3. 1416。
第四节 山边沟渠工程 一、沟渠工程的定义与功能 （一）定义 为防治坡面水土流失而修建的截排水设施，统称坡面沟渠工程.坡面沟渠工程是坡面治理的重要组成部分。 （二）功能 1.拦截坡面径流，引水灌溉； 2.排除多余来水，防止冲刷； 3.减少泥沙下泻，保护坡脚农田； 4.巩固和保护治坡成果。 二、沟渠工程的类型 （1）截水沟　　水平沟、沿山沟、拦山沟、环山沟、山圳以及梯田内的边沟、背沟； （2）排水沟　　撇水沟、天沟、排洪沟； （3）蓄水沟　　水平竹节沟； （4）引水渠　　堰沟； （5）灌溉渠 三、沟渠工程规划与设计 （一）规划原则 1. 坡面沟渠工程应与梯田、耕作道路、沉沙蓄水工程同时规划，并以沟渠、道路为骨架，合理布设截水沟、排水沟、蓄水沟、引水渠、灌溉渠、沉沙池、蓄水池等工程，形成完整的防御、利用体系。 2. 根据不同的防治对象，因地制官确定沟渠工程的类型、数量，并按高水高排或高用、中水中排或中用、低水低排或低用的原则设计。 以修梯田、保土耕作、经济林果为主的坡面，应根据降雨和汇流面积合理布设截水沟、排水沟，并结合水源规划引水渠、灌溉渠；以保土耕作为主的坡面还应配合等高种植，规划若干道蓄水沟；以种植林草为主的坡面，沟渠工程应采用均匀分布的蓄水沟，上方有较大来水面积的应规划截水沟或排洪沟。 3. 在坡面上一般应综合考虑布设截排、引、灌溉渠工程。截水沟、排水沟司兼做引水渠、灌溉渠。 4. 截水沟一般应与排水沟相接，并在连接处前后作好沉沙、防冲设施。 5. 梯口区域内承接背沟两端的排水沟，一般垂直等高线布设.并与梯田两端的道路同向，呈路边沟或路代沟（为凹处）状，土质排水沟应分段设置跌水 6. 截水沟和排水沟、引水渠、灌溉渠在坡面上的比降。应视其截、排、用水去处（蓄水池或天然冲沟及用水地块）的位置而定。当截、排、用水去处的位置在坡面时，截水沟和排水沟可基查沿等高线布设，沟底比降应满足不冲不淤流速；沟底比降过大或与等高线垂直布设时，必须作好防冲措施。 7. 一个坡面面积较小的沟渠工程系统，可视为一个排、引、灌水块.当坡面面积较大 8. 坡面沟渠工程规划还应尽量擗开滑坡体、危岩等地带，同时注意节约用地，使交叉建筑物（如涵洞等）最少，投资最省。 （二）设计 1. 暴雨径流的设计 （1）设计标准根据水土保持国家标准GB／T 16453.1—16453.6《水土保持综合治理技术规范》1996，小型蓄排水引水工程中规定。防御暴雨标准，按10年一遇24h最大降雨量设计。 （2）坡面径流量、洪峰流量与土壤侵蚀量的确定 目前，长江流域各地均用了大量中小河流实测资料的小区径流观察资料，编制有《水文手册》，应查阅当地《水文手册》介绍的不同的暴雨径流量与土壤侵蚀量。以一次暴雨径流模数Mω（m3／km2）、设计频率暴雨坡面最大径流量（或设计洪峰流量）Q（m3／s）和年均土壤侵蚀模数Ms（t/km2）表示。 2.截水沟的容积尺寸 每道截水沟的容量（V）按式（2—9）计算： V＝Vω+Vs （2-9） 式中：V——截水沟容量，m3； Vω——一次暴雨径流量，m3； Vs——1～3年土壤侵蚀量，m3； Vs的计量单位，应根据各地土壤的容重，由吨折算为立方米。 上式中Vω和Vs值按式（2-10）、（2-11）计算。 Vω= Mω× F （2-10） Vs=3M×F， （2-11） 式中：F——截水沟的集水面积，km3； Mω——一次暴雨径流模数，m3／km2； M——年均土壤侵蚀模数，t／km2； 3、截水沟断面设计 （1）截水沟断面设计公式截水沟断面积A：，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。
　　　　　　（2—13） 式中：A2——截水沟过水断面面积，m2； Q——设计坡面汇流洪峰流量，m3／s； C——谢才系数； R——水力半径，m； i——截水沟沟底比降。 ①Q值的计算：坡面小汇水面积的设计洪峰流量的计算，常采用区域任经验公式。 QP＝
KI”P（适用于F≥10km2的小流域） （2-14） QP=
（适用于lkm2<F<10km~的小流域） （2-15） QP=
（适用于F-<Ikm2的小流域） （2-16） 这些区域性经验公式，主要因子是地面坡度和设计暴雨情况下的下垫面一因素，用主要因子建立查算表，使用十分方便。 将地面平均坡度划分为5°、10°、15°、20°、25°、30°以上6级，使每个级差的设计洪峰流量均有一定差异。坡以及裸露土石山坡等不同下垫面下垫面因素，可用暴雨径流系数表示，暴雨径流系数可参考下列情况取用：梯田、林草地面积占70％以上取0.70；梯田或林草地、坡耕地面积各占50％左右取0.80；坡耕地、荒坡面积占70％以上取0.90；基岩裸露面积占50％左右的瘠薄坡耕地取0.95。 确定了地面平均坡度和暴雨径流系数后，可根据排水块汇水面积，查出设计洪峰流量。 ②R值的计算： R=A2 /x （2-17） 式中：x——截水沟断面湿周，系指过水断面水流与沟槽接触的边界总长度。 矩形断面： X=b+2h （2-18） 梯形断面： X=b+2h
（2-19） 式中：b——沟槽底宽，m； h——过水深，m； m——沟槽内边坡系数。 ③C值的计算：一般采用满宁公式。
（2-20） 式中：n——沟槽糙率。与土壤、地质条件及施工质量等有关，一般土质截水沟取0.025左右。 ④ i值的选择：截水沟沟底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。 表2-3截水沟不淤流速 m／s 土壤质地 不淤流速  重黏壤土 中黏壤土 轻黏壤土 粗沙土（d=1～2mm） 中沙土（d=0.5mm） 细沙土（d=0.05～0.1mm） 淤土 0.75～1.25 0.65～1.00 0.60～0.90 0.50～0.65 0.40～0.60 0.25 0.20  Vk=

（2-21） 式中：Vk——最小不淤流速，m／s； R——水力半径，m；
系数，可在表2-4中选用。 . 表2-4不同泥沙
值 泥沙类别 
值 泥沙类别 
值  粗 沙 中 沙 0.65～0.7S 0.55～0.65 细 沙 极细沙 0.45～0.55 0.35～0.45  ⑤m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，应采用较大的优值；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塌，因此，截水沟的m值一般应比灌溉渠的m值大。山丘区截水沟内边坡系数可参考表2-5确定。 （2）截水沟断面设计步骤 ①过水深h计算： A. 一般断面形式设计公式；
（2-22） 式中：h——过水深，m； a——常数，a=0.58～0.94，一般采用0.76； Q——设计洪峰流量，m3／s。 B.水力最优断面设计公式：
（2-23） 式中：h——过水深，m； n——沟槽糙率； Q——设计洪峰流量，m3／s； m——截水沟沟内边坡系数； i——截水沟沟底比降。 ② 宽深比计算确定底宽b：

（2-24）
（2-25） 式中：
——宽深比系数，
=b/h（或b=
·h） m——截水沟内边坡系数； N——常数，N=2.35～3.25，一般采用2.8；N=1.8～3.4，一般采用2.6。 ③用求得的h、b和已知的n、m、i计算以A2、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：Q≥Q设 ，V不淤≤V≤V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。
第五节 鱼鳞坑、水平沟和水平阶 一、鱼鳞坑 鱼鳞坑是陡坡地（45°）植树造林的整地工程，多挖在石山区较陡的梁峁坡面上，或支离破碎的沟坡上。由于这些地区不便于修筑水平沟，因而采取挖坑的办法分散拦截坡面径流。 鱼鳞坑的布置是从山顶到山脚每隔一定距离成排地挖月牙形坑，每排坑均沿等高线挖，上下两个坑应交叉丽又互相搭接，成品字型排列（图2-13和图2-14）。等高线上鱼鳞坑间距（株距）字母l为1.5～3.5m（约坑径的2倍），上下两排坑距b为1.5m，月牙坑半径r为0.4～0.5m，坑深为0.3～0.5m挖坑取出的土，培在外沿筑成半圆埂，以增加蓄水量。埂中间高两边低，使水从两边流入下一个鱼鳞坑。表土填入挖成的坑内，坑内种树。 坡面修建鱼鳞坑有两种状态：一种是当降雨强度小，历时短时，鱼鳞坑不可能漫溢，因此，鱼鳞坑起到了完全切断和拦截坡面径流的作用；另一种是当降雨强度大，历时长时，鱼鳞坑要发生漫溢，因鱼鳞坑的埂中间高两边低这样就保证了径流在坡面上往下运动时不是直线和沿着一个方向运动，从而避免了径流集中，坡面径流受到了行行列列鱼鳞坑的节节调节就使径流冲刷能力减弱。 鱼鳞坑虽是用于植树造林，但它是水土保持治坡工程，因而必须按工程设计标准进行设计。鱼鳞坑设计标准从暴雨频率和造林成活保证率两方面来考虑，选用多大合适，各地应因地、因时、因树种而定。鱼鳞坑布置形式和多少决定于不同树种对造林密度的要求。；不同规格，单坑所榨制面积大小：不同树种合理的株、行距及土疑抗冲的最大流速。每树一坑，一般每公顷挖2 250～3 000个。
图2-14 鱼鳞坑 二、水平沟 在坡面不平、覆盖层较厚、坡度较大的丘陵坡地，采用水平沟，即沿等高线修筑。用来拦截坡地上游降雨径流，使其变为土壤水（图2-15）。水平沟的设计和修筑需依据坡面坡度、土层厚度、土质和设计雨量而定。其原则是；水平沟的沟距和断面划、，应以保证设计频率暴雨径流不致引起坡面水土流失。陡坡、土层薄、雨量大，沟距应小些；反之可大些。坡陡，沟深而窄；坡缓，沟浅而宽。一般沟距为3～5m，沟口宽0.7～1m，沟深0.5～1.0m。水平沟容积比鱼鳞坑大，故蓄水量也大。为防止山洪过大冲坏地埂，每隔5～10m，设置泻洪口，使超量的径流导入山洪沟中。为使雨水在沟中均匀，减少流动，每隔5～10m，留一道土挡，其高度为沟深的1／2～1／3。
水平阶是沿等高线自上而下里切外垫，修成 台面口台面外高里低，一以尽量蓄水，减少流失，但其效果不如水平沟（见图2-16）。在山石多、坡度大（10°～25°）坡面上采用。水平阶的设计计算类同梯田，如采用断续水平阶，实际相当于窄式隔坡梯田。阶面面积与坡面面积之比为l：l～4。可应用梯田的计算方法。
第六节 保水技术 一、保水技术概述 保水技术同集水技术一样，也是在干旱地区充分利用降水资源为农业生产和人畜生活用水服务的一种技术措施。保水技术就是在降雨量较少的地区或干旱季节，采取必要的技术措施，使仅有的天然降水尽可能地免于或减少蒸发、蒸腾或渗漏而引起的损失。这实际上也是“雨量增值”或“降雨量增效”的一个重要的内容。保水技术包括抑制水分蒸发。抑制水分蒸腾和减少水分渗漏三个方面。抑制水分蒸发包括抑制地面（土壤）蒸发和水面蒸发两个内容；抑制水分蒸腾包括农作物叶面蒸腾和杂草蒸腾两个内容；减少渗漏包括土壤渗漏、水池渗漏和渠道及水库渗漏四个内容。 在最干旱的季节空气湿度低，蒸发是最大的时候，抑制水分的蒸发、蒸腾最为重要，在旱地农业生产中，它比集水技术更有经济意义。在蓄水保水性能较差的土壤地质条件下，抑制渗漏最为重要。保水技术对干旱地区的旱地农业和灌溉农业都有重要的意义。特别是在抑制蒸发和渗漏方面，旱地农业生产更为重要。抑制蒸发就是通过生物的、化学的或工程的手段，尽可能减少土壤表面和水面的水分蒸发损失。实际上是增加旱地农田供水量，增加土壤和库、池的蓄水保水能力。同时，抑制蒸发还抑制了因蒸发而引起的盐分浓度的增加，这对防止土壤碱化有一定的作用。与用其他方法收集和储存水分比较，抑制蒸发在很多情况下，其所花成本较低，因为它不需要增加新的建筑物。据报道，在1年蒸发达200cm的地带里，用较好的材料进行蒸发控制，所提供的水分成本低于0.025美元／m3。 抑制渗漏就是采用使土壤不渗水或少渗水的方法以控制水库和其他集水结构的水分漏失。在某些地区抑制渗漏还能带来解决周围土壤滞水渍水和盐碱化等问题。另外，也是使在沙土上生产出更多粮食的一种方法，即可利用地下挡水层仰制土壤水分渗漏。 抑制蒸腾就是采用一些生物或工程技术措煎尽可能地减少水分通过植物体以水汽状态散失于大气。 保水技术的应用，有些方面在干旱地区很早就已实行。但是大多数技术，还是处于 试验阶段，尚未广泛检验，广泛采用。如在抑制十面蒸发方面·虽然利用岩块，砾石和作物残余作为覆盖层是古老的保水办法，但直到今天，人们还未能完全领会它的广阔前景。对于那些非多孔质的保水覆盖层，如沥青、纸制的、石油的、塑料的和乳胶的覆盖层，只是最近二三年内才出现的。利用地下挡水层抑制土壤水分渗漏也只是在最近才被人们认识到。保水技术在我国北方干旱地区具有很重要的意义。这是由它的气候和土壤特点所决定的。从气候特点来说，这里降水少而且集中在夏季，时空分布很不平衡，加强保水可以使少量降水得到充分利用；另外，这里全年晴天日数多，太阳辐射十分充足，因此水分蒸发量较大。从土土壤特点来说土壤比较疏松，含砂量较大，水分的渗漏现象比较严重。 二、抑制水面蒸发的技术 一般来说，抑制水面蒸发的方法是用一层阻止水分汽化的阻挡层来霜盖水面。对于小水池在水池上加上池盖或顶棚就行了。但对较大的蓄水结构来说，就需要采取必要的工程技术。现在国内外经过试验的抑制水面蒸发的工程技术措施主要有以下几种： （一）液态化学制剂 脂族醇，例如十六醇，是细长的分子，在水面上能并排的排列，形成一个分子厚的一层盖在水面上的薄膜 可以阻止水分汽化，抑制水面蒸发。这种液态化学制剂只需极少量的材料，1hm2水面用量少于60g。它不限制氧气传入水中，其组成成分对鱼和人无毒，但易受风浪影响。 （二）石蜡蒸发抑制剂 漂浮的石蜡板放在水面上，在太阳光下石蜡融化，伸展成一个柔软的谇续薄膜，可以抑制水面蒸发。在美国亚里桑那州，一个贮水池的石蜡覆盖层用了4年，起蒸发抑制效率超过85%。 （三）固态板 用轻质水泥、聚苯乙烯、橡胶和塑料等制成的固态板，覆盖水面可以减少产生蒸发的面积，为了克服抑制蒸发所引起的水体增温问题，选用绝热，浅色、能避免太阳能进入水体的反射材料来解决这个问题。 （四）沙、石填充法 用沙和粗石填充贮水池和水库，把水贮存在沙、石之间的空隙中，水位保持在地表下30cm以上，可以避免水面蒸发。在美国亚里桑那州沙弗得附近建造的贮水池，就是塑料薄膜衬底和池壁，然后用粗石填满贮水池。这些粗石使小贮水池的体积减少约55%，但减少蒸发约90%。 修造填沙坝：也是抑制水面蒸发的一种形式。这种沙坝可长时期的贮存水分，比露天贮水池贮存的时间长得多。在干旱年份也能提供水分，因为当水位降到沙面以下1m时，蒸发实际上就停止了。 三、抑制农用水池和渠道渗漏的技术 农用水池和渠道的防渗技术一般都要首先采取措施压实土壤，以封闭土壤空隙。最简单的办法是用人工或蓄力压实（如脚踩、打夯、牛羊踏实等），大的水池或水库可用轮式拖拉机压宴。必要时还可用胶泥、黏土或1：5的石灰土铺在池底或搪在池壁，以形成防渗层。或在池内放如浅水，反复进行水耕水耙，把水搅浑，使细泥沉降并填塞于土壤孔隙之中，以减低渗漏。 现代工业技术提供了很多廉价防水材料，可以阻止贮水、输水工程的底、壁透水。 有一种商品胶质黏土。叫做“膨润土”，它的_钠盐起絮凝作用，并且分散细小颗粒起封闭作用。一种良好的土壤大约需要膨润土5kg／m2，沙土则需高达20kg／m2。 还有一些化学制剂，如聚乙烯和聚丙烯塑料薄膜及丁烯橡胶、塑料布、塑料纤维或玻璃纤维，增强的沥青和水泥等材料，也可用于水池和渠道防渗。 浅的土质和蓄水池、库、渠（深度小于3m），可用成本低的聚乙烯和聚丙烯薄膜作为防渗材料，也可用水泥制品或敷设沥青防渗层进行防渗。不过在塑魁薄膜或沥青防渗层上仍要铺填30～60cm的土层并夯宴，以保护薄膜或沥青防渗层被氧化或冻裂。更要尽量防止蓄水池和库庠渠干涸。以免防渗层千裂。较深的库、池或建筑在石质土壤上的库、池需要采用较厚的韧性较强的乙烯基或加强的聚丙烯薄膜 现代的欧美许多国家，异丁橡胶越来越多地被用来铺补水库、沟渠和蓄水池，它坚固、耐久、抗风化和虫害。但用于防渗成本较高。 据国外报道，在修好的池库内如同时加入土壤分散剂，如碳酸钠等钠盐处理土壤，可使渗漏大大下降。美国亚里桑那州的一个l 000m2的蓄水池原先每天渗漏5～12cm水层，经过清除石块和杂草后，用人工铺撒了lt的碳酸钠.然后用小拖拉机带圆盘耙将碳酸钠与8cm的土层混合。经过处理后，土壤的 团聚体就被分散为减缓渗漏的细粒，填塞于土壤的孔隙之中，是渗漏量下降到每天只有O.4cm水层，只有原来渗漏量的3％剑。在最初处理的3个月，又补施一次钠盐（200kg），于是这样低的渗漏率就一直保持了5年。 水泥质的材料，例如掺用水泥加固的土壤，钢丝网水泥和用水泥填充的纤维制品，用作防渗材料，在国内外应用也很普遍。 四、抑制农田水分渗漏的技术 在旱农地区的多种土壤中，中、轻壤土（特别是沙土）的水分渗漏问题是对旱地农业生产的一大棘手问题。 抑制农田水分渗漏损失的工程技术主要有以下两种： （一）建造人工地下挡水层 建造人工地下挡水层就是在保留适当土层厚度的条件下，设置不透水层，以抑制水分渗漏，提高土壤供水的有效性。建造这种挡水层，可保持水分和养分不致渗漏到根层以下。 地下挡水层的建造方法，就是在土壤耕层以上的适当深度处，即土表以下60～70cm处用抗水材料组成的连续薄膜铺置。在有排水需要的地方，隔一定距离（每排150m左右）需留间隙，以利排水。 大多数地下挡水层所用的挡水材料基本上都是用沥青做成的.但任何耐用的、不透水的材料都可使用.如塑料薄膜，含胶体丰富的堆肥或厮肥层。 铺设挡水层的一个方法是，移走表土，手工铺置挡水层，然后把表土回填。 地下挡水层的铺设技术在许多国家和地区都已开始投入生产应用。在埃及、南非和斯威士兰的大田作物和蔬菜上（灌水或不灌水），在美国的干旱地区和湿润地区，在我国台湾省和盈田和甘蔗田上都开始应用。在东非的挡水材料是塑料薄膜，在匈牙利则用含胶体丰富的堆肥或厮肥层。 在目前条件下，地下挡水层比较多的用在收益高的作物上。随着人类对土地面积的需求不断增长和技术改进，面积将不断扩大。在土壤下层存在沉积盐层和地方发展灌溉（包括限量供水），用这一办法可有效防止土壤的次生盐渍化。 与其他许多土壤不同，砂性强的土壤表面抗得住中耕和栽培作业的翻动；它能很快的渗入降雨和灌溉水；它的良好的通气性能有利于作物根的发育；它的表面往往能形成一覆盖层来抑制蒸发。由于地下挡水层的存在，可以有效地改变其保水能力差的缺点。可节省50％～70％的灌溉用水； 挡水层可保水保肥，阻止水肥降至根层以下，因此，有挡水层的沙性土壤上的作物产量可相当于该地区最好土壤的产量，与原来沙土产量相比要高得多。 建造地下挡水层目前成本很高，而且比较费工。在美国利用机器铺设挡水层的成本为625.5～750美元／hm2。因此，只适用于栽培价值较高的作物和供水短缺以及不用此法就不能利用的土壤。 深扎的植物根部能穿透挡水层，但在其下的干燥土壤中。根不能生长。因此，深根作物（尤其是主根系的作物）最终会多处穿透挡水层，使挡水效果下降。 （二）施用改土物质改良土壤的保水性能 吸水的土壤改良剂是一种有希望的土壤保水技术。吸水（能吸持水分）化学制剂能够吸收水分，使水分不至于大量蒸发或淋失，与这种制剂混合的土壤能截流水分并较长久的保持水分，而这种水分对植物根来说是可以随时吸以研究制成的化学制剂可暖收本身重量20倍的水分。 在表土中掺入5％的_粉碎褐堪也可以改善沙土的持水能力，可使其有效水分增加1倍，使用有机肥料和塘泥来改善沙土的持水性能，也是抑制土壤渗漏的一种有效手段。 据报道，最近制成的吸水性淀粉聚合物，可吸收它本身重量1 500倍的水。 五、用环境控制的手段抑制农田水分的蒸腾和蒸发 用环境控制的手段抑制农田水分的蒸腾和蒸发，不但可以提高作物产量，而且能使农产品的质量大大改善。 采用封闭半封闭_农业环境的办法，把作物种植在环境控制的农业装置里，是抑制旱地农田水分蒸腾和蒸发的一种现代化的工程技术措施。在这个装置里，水可以得到保持并被重新利用，不但保水效率很高，而且能使作物产量趋近其潜在产量的上限。 （一）封闭的温室农业 这个封闭系统就是把作物栽种在充气的塑料温室内，温室与外界大气很少或没有联系。温室内是靠携带空气的水流循环来降温和增温的。由于湿度很高，从而抑制了蒸腾和蒸发，在冬季温室冷壁上凝结的水可以收集起来重 （二）局部开放的温室农业 即在局部封闭的温室内，可以把新鲜空气连续送到棚内，并把废气排出。水流携带卒气而行进，使室内湿化，从而抑制了水分的蒸腾和蒸发。 （三）塑料棚 即利用低矮的塑料棚盖住植物，以便减少蒸腾和蒸发，这是环境控制农业的初级形式。由于其造价低，技术难度小，人工控制比较容易且效益较高而被国内外广泛采用。 此外，用农田机械和化学除草剂清除农田杂革和湿生植物，摘除非生产性的叶片，把更大的植物成行地交错种植，构或风障，以减少作物上空的空气运动等，这些措施是用环境手段抑制植物蒸腾，减少水分耗损的比较简单有效的方法。 第三章 梯田 第一节 梯田发展概况 梯田的修筑不仅历史悠久，而且普遍分布于世界各地，尤其是在地少人多的第三世界国家的山丘地区。中国是世界上最早修筑梯田的国家之一，在西汉时代坡地上已出现了梯田雏形。但“梯田”一词的正式记载则首见于南宋范成大的《骖鸾集》（成书于1172年），“仰山，缘山腹乔松之磴甚危；岭阪上皆禾田，层层而上至顶，名梯田。”元王祯《农书》也有关于梯田的记述：“梯田，谓梯山为田也”，清蒲松龄将梯田的作用也说得很清楚：“一则不致冲决，二则雨水落淤，名为天下。”新中国成立后，修筑梯田发展很快，据不完全统计，目前全国共修梯田1亿多亩，其中黄土高原新建和改造旧梯田约4000万亩（内条田约1500万亩）。成为发展农业生产的一项重要措施。 梯田是山区、丘陵区常见的一种基本农田，它是由于地块顺坡按等高线排列呈阶梯状而得名。在坡地上沿等高线修成阶台式或坡式断面的田地，梯田可以改变地形坡度，拦蓄雨水。增加土壤水分，防治水土流失，达到保水、保土、保肥目的，同改进农业耕地作技术结合，能大幅度地提高产量，从而为贫困山区退耕陡坡，种草种树，促进农、林、牧、副业全面发展创造了前提条件。所以，梯田是改造坡地，保持水土，全面发展山区、丘陵区农业生产的一项措施。我国规定，25°以上的则应退耕植树种草。 第二节 梯田的分类 （一）按断面形式可分为阶台式梯田和波浪式梯田两类 1. 阶台式梯田 在坡地上沿等高线修筑成逐级升高的阶台形的田地。 （1）水平梯田 田面呈水平，适宜于种植水稻和其他旱作、果树等。 （2）坡式梯田 顺坡向每隔一定间距沿等高线修筑地埂而成的梯田。依靠逐年耕翻、径流冲淤并加高地埂，使田面坡度逐年变缓，终至成水平梯田，所以这也是一种过渡的形式。 （3）反坡梯田 田面微向内侧倾斜，反坡一般可达2°，能增加田面蓄水量，并使暴雨时过多的径流由梯田内侧安全排走。适于栽植旱作与果树。干旱地区造林所修的反坡梯田，一般宽仅1~2m，反坡为10°~15°。 （4）隔坡梯田 相邻两水平阶台之间隔一斜坡段的梯田，从斜坡段流失的水土可被截留于水平阶台，有利于农作物生长；斜坡段则种草、种经济林或林粮间作。一般在25°以下的坡地上修隔坡梯田可作为水平梯田的过渡。 2. 波浪式梯田 在缓坡上修筑的断面呈波浪式的梯田，一般是在小于7°的缓坡地上，每隔一定距离沿等高线方向修软埝和截水沟，两埝之间保持原来坡面。这种梯田美国较多，前苏联、澳大利亚等国也有一些。 （二）按田坎建筑材料分类 按田坎建筑材料分类，可分为土坎梯田、石坎梯田、植物田坎梯田。黄土高原地区，土层深厚，年降水量少，主要修筑土坎梯田。土石山区，石多土薄，降水量多，主要修筑石坎梯田。陕北黄土丘陵地区，地面广阔平缓，人口稀少，则采用以8灌木、牧草为田坎的植物田坎梯田。 （三）按土地利用方向分类 按土地利用方向分类，有农田梯田、水稻梯田、果园梯田、林木梯田等。以灌溉与否可分为旱地梯田、灌溉梯田。 （四）按施工方法分类 有人工梯田、机修梯田。 第三节 梯田的规划与设计 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。 在梯田规划中，要根据耕作区地形情况，合理布设道路，搞好地块规划与设计，确定施工方案，作好施工进度安排。在地块规划设计中，最重要的是确定适当的田面宽度和地坎坡度。 一、梯田的规划 （一）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。研究确定农、林、牧业生产的用地比例和具体位置，选出其中坡度较缓、土质较好、距村较近，水源及交通条件比较好，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。 在塬川缓坡地区，一般以道路、渠道为骨干划分耕作区，在丘陵陡坡地区，一般按自然地形，以一面坡或峁、梁为单位划分耕作区，每个耕作区面积，一般以50~100亩为宜。 如果耕作区规划在坡地下部，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，保证耕作区不受冲刷。 （二）地块规划 1.地块的平面形状，应基本上顺等高线呈长条形、带状布设。 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”，不强求一律顺等高线。 3.如果梯田有自流灌溉条件，则应使田面纵向保留1/300~1/500的比降，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.地块长度规划，有条件的地方可采用300~400m，一般是150~200m，在此范围内，地坡越长，机耕时转弯掉头次数越少，工效越高，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。 （三）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、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，藻余后排”的原则，由高台到低台逐台规划，作到地（田）地有沟，沟沟有，分台拦沉，就地利用。其拦蓄量，可按拦蓄区内5~10年一遇的一次最大降雨量的全部径流量加全年土壤可蚀总量为设计依据。 2. 梯田区的道路规划 山区道路时代总的要求，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。 （1）丘陵陡坡地区的道路规划，首重点在于解决机械上山问题 西北黄土丘陵沟壑区的地形特点是，上部多为15°~30°的坡耕地，下部多为40°~60°的荒陡坡，沟道底部比降较小。 因此，机械上山的道路，也应相应地分上、下两部分。下部一般顺沟布设，上部道路，一般应在坡面上呈“S”形盘旋而上。 道路的宽度，主干线路基宽度不能小于4.5m，转弯半径不小于15m，路面坡度不要大于11%（即水平距离100m，高差下降或上升11m）。
图3-6 丘陵地区道路布设 （2）塬、川缓坡地区的道路规划由于塬、川地区地面广阔平缓，耕作区的划分主要以道路为骨干划定，因此，相邻的两条顺坡道路的距离，就是梯田地块的长度。 ①根据前述地块长度的要求，确定顺坡道路间的距离，一般是200~400m。 ②若地块布设基本旧顺等高线，横坡道路的方向，也应基本上顺等高线。 山坡道路还应该考虑路面的防冲措施，根据晋西测定：5°~6°的山区道路，每100m2上产生年径流量为6~8m3，即每亩年径流量40~50m3，如果路面没有防冲措施，那么只要有一二次暴雨就可以冲毁路面，切断通道。所以必须搞好路面的排水、分段引水进地或引进旱井、蓄水池。
图3-7 塬、川缓坡区道路布设 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。 灌排设施的重点：坡地梯田区以突出蓄水灌溉为主，布设池、塘、埝、库等蓄水和渠系工程；冲沟梯田区，不仅要考虑灌溉用水，而且排洪和排涝设施也十分重要。 二、梯田的断面设计 梯田的断面关系到修筑时的用工量，埂坎的稳定，机械化耕作和灌溉的方便。 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3点要求：一是要适应机耕和灌溉要求；二是要保证安全与稳定；三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。 （一）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 一般根据土质和地面坡度选定田坎高和侧坡（指田坎边坡），然后计算田面宽度，也可根据地面坡度、机耕和灌溉需要先定田面宽，然后计算田坎高。从图可以看出，田面愈宽，耕作愈方便，但田坎愈高，挖（填）土方量愈大，用工愈多，田坎也不易稳定。在黄土丘陵区一般田面宽以30m左右为宜，缓坡上宽些，陡坡上窄些，最窄不要小于8m；田坎高以1.5~3m为宜，缓坡上低些，陡坡上高些，最高不要超过4m。 各要素之间具体计算方法分述如下： 田面毛宽（m） Bm=H?ctgθ （3-1） 埂坎占地（m） Bn= H?ctgα （3-2） 田面净宽（m）B=Bm-Bn=H（ctgθ-ctgaα） （3-3） 埂坎高度（m）
（3-4） 田面斜宽（m）
（3-5）
图3-8 梯田断面要素 θ-地面坡度，°；H-埂坎高度，m；α-埂坎坡度； B-田面净宽，m；Bn-埂坎占地，m；Bm-田面毛宽，m； B1-田面斜宽，m。 从上述关系式可以看出，埂坎高度（H）是根据田面宽度（B）、埂坎坡度（α）和地面坡度（θ）3个数值计算而得。其余3个要素：田面毛宽（Bm）、埂坎占地（Bn）、田面斜宽（B1）都可根据H、α、θ3个数值计算而得。对于一个体具地块来说，地面坡度（θ）是个常数，因此，田面宽度（B）和埂坎坡度（α）是断面要素中起决定作用的因素。在梯田断面计算中，主要研究这两个因素。 3. 梯田土方量的计算 （1）土方断面 在挖填方相等时，梯田挖（填）方的断面面积可由下式计
（3-6） （2）每亩土方量 因为 每亩田面长度
所以 每亩土方面
（3-7） 根据上述公式可以计算出不同田坎高的每亩土方量（指挖方）。 表3-1 不同田坎高与土方量关系 埂坎高（m） 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0  每亩土方量（m3） 83 125 167 208 250 292 333  （二）梯田的需功量 1. 梯田需功量的概念 梯田的需功量或梯田土方运移工作量，是指土方乘运距（m3?m）。这里，我们先不研究它所需的“力”和“功”，只研究它搬运土方的体积和运距。 2. 梯田需功量的计算 每亩梯田需功量 Wa=V?S0 （3-8） 式中：Wa——每亩梯田需功量，m3?m； V——梯田每亩土方量，m3； S0——修梯田时土方的平均运距，m。 根据数学原理
而V=83.3H 所以
所以
则
（3-9） 由此可知，梯田每亩土方需动功量是与田面宽度的平方成正比关系。 3. 梯田需功量的意义 （1）计算施工工效 在坡地修梯田时，计算人工或机械施工的工效，可采用下述公式：
（3-10） 式中： Ta——修成每亩梯田所需人工或机工时，h； Wa——修成每亩梯田的土方需功量，m3?m； P——人工或机械的运土工率，m3?m/h。 例：机引梨修梯田的工效计算。 当拖拉机带机引梨前进时，其向下翻土的工率： P机引梨=q?μ?ν 式中：q——拖拉机前进1m时向下移动的土方量，m3； q=H×b×L H——耕深 ，m； b——每铧耕幅，m； L——表示拖拉机前进距离，m； u——向下移动土方的距离，m。 u=M?b M——机引梨铧数； b——每铧耕幅，m； V——拖拉机前进速度，m/s。 由此可得： P=M?H?b2?L?V（m2?m/s） 这是机引梨翻土工率的一般关系式。 设机引梨铧数为3，耕深为0.3m，每铧耕幅为0.35m，前进速度为2.2m/s，（L=1），代入上式得： P=3×0.3×0.352×2.2=0.243（m2?m/s） 乘以60s即得P=14.58（m3?m/min） 根据式（3-10）计算得机引梨修梯田每亩所需的机工时间是：
（2）提高相对工效的途径 从
的关系式中可以看出，要提高相对工效，也就是要求修成每亩梯田所需的人工或机械用时Ta为最小，这就是必须：一是要求梯田每亩需功量Wa为最小，二是要求人工或机械的运土工率为P最大。 （3）断面设计与梯田需功量的关系 根据关系式：
可知梯田每亩需功量（Wa）与田面宽度（B）的平方成正比，因此，断面设计中，只要在保证适应机耕和灌溉要求的前提下，应尽量不要采用过宽的田面。 （三）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，所谓“最优”田面宽度，就必须是保证适应机耕和灌溉的条件下，田面宽度为最小。 1. 在残原、缓坡地区，农耕地一般坡度在5°以下 在实现梯田化以后，可以采用较大型拖拉机及其配套农具耕作。实践证明，当拖拉机带悬挂农具时，掉头转弯所需最小直径为7~8m；当拖拉机带牵引农具时，掉头转弯需最小直径为12~13m。一般拖拉机翻地时，都把25~30m宽的田面作为一个耕作小区。因此，无论从机耕或灌溉的要求来看，太宽的田面没有必要，一般以30m左右为宜。 2. 丘陵陡坡地区 一般坡度10°~30°，目前很少实现机耕，根据实践经验，一般采用小型农机进行耕作，这种农具在8~10m宽的田面上就能自由地掉头转弯，这一宽度无论对于哇灌或喷灌都可以满足，因此，在陡坡地（25°）修梯田时，其田面宽度不应小于8m。 3. 特殊情况下的田面宽度 （1）丘陵陡坡区梁峁顶部，地面坡度较缓，如果设计田面宽在10m左右时，则推土机施工不便，工效较低，而田面宽度增大到20~30m时，虽然梯田需功量（Wa）大一些，但施工方便，推土工率（P）也大大提高，这对修成每亩梯田的所需机械工时（Ta）增加得并不多，在这种特殊情况下，适当加宽设计的田面宽度是可取的。 （2）当灌溉渠道高程已确定时，采取的田面宽度其相应的田面高程大于渠底高程时，这时应降低田面高程，可以加宽田面宽度，田面高程就可降低。 （3）有的缓坡地区，为了加快梯田建设，采取较窄的田面宽度15m左右，机械耕作时，相邻上下两台套起来，机械在道路上掉头转弯。 总之，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，根据具体条件，确定适当的宽度。 （四）埂坎外坡的设计 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。 在一定的土质和坎高条件下，埂坎外坡越缓则安全稳定性越好，但是它的占地和每亩修筑用工量也就越大。反之，如埂坎外坡较陡，则占地和每亩修筑用工量也产小，但是安全稳定性就较差。 1. 稳定性分析的基本概念 我们所研究的是黄土梯田埂坎的稳定性，是属于土力学中的土坡稳定问题。目前，对此有很多的理论和方法，就圆弧法而言，按其各种不同的假设，就有
法、条分法（瑞典法）、摩擦圆弧法、毕肖普（Bishop）法等，但其中应有最广泛的是条分法，现对条分法作一简介： 当某一土坡发生滑坡时，滑动土体是沿着滑动面整体下滑。这时，它同时存在着两个力的作用，即滑动力和抗滑力，简单说来，滑动力就是滑动土体的重力（G）沿滑动面方向的分力，抗滑力包括土壤的内聚力（C）和内摩擦力（
）产生的摩擦阻力。当滑动力等于抗滑力时（亦即稳定安全系数K=1.0时），土坡处于极限平衡状态。滑动力大于抗滑力时（稳定安全系数K<1.0时），则不论坎高如何，都不能维持稳定而发生滑坡。因此，梯田埂坎稳定必须使抗滑力大于滑动力，也就是说要求稳定安全系数K>1，一般设计中K值采用1.2~1.5。 用条分法分析土坡稳定性时，假定： （1）土是均匀而又各向同性的； （2）滑动面是通过坡脚的坡脚圆； （3）滑动土体地一个刚体； （4）不考虑土条之间相互作用力的影响； （5）按平面问题考虑等等。 计算稳定安全系数K值的基本公 （3-11） 式中：
——土的内摩擦角，°；
——i土条的重量，t；
——第i土条圆弧中点法线与沿垂线的夹角（见图3-9），°； LAC——圆弧AC的长度，cm或m。
图3-9 条分法示意图 式（3-11）只是考虑自重作用下的土坡稳定问题。 2. 梯田埂坎的稳定因素 根据土力学原理，梯田埂坎能否稳定，主要受5个方面因素的影响： 梯田埂坎坡度（α），°； 埂坎高度（H），m； 土壤的凝聚力，C； 土壤的内摩擦角（
）土壤的湿容重（γ），g/cm3； 田面的外部荷载。 土壤的抗剪强度指标（C和
）值，是随土壤性质和状态而变化的。 第一，的颗粒组成。即土壤物理性质是砂性的还是黏性的。一般黏性土壤的内聚力较大而内摩擦角较小，沙性土壤的内聚力较小而内摩擦角较大，但总体考虑，还是黏性土壤的抗剪强度较大，因此，黏性土壤地区的梯田埂直可以陡些，而沙性土壤地区的梯田埂坎则应缓些。 第二，土壤的密实程度。以土壤干容重表示。密实程度紧密的，则土壤的干容重、内聚力内摩擦角数值都相应增大，从而埂坎的稳定性提高。因此，在修梯田时，埂坎的密实程度是提高质量的关键，同时，埂坎坡度也可修得较陡些。一般要求压实后土壤干容重林大于1.35t/m3。 第三，土壤含水量。土中的含水量越大，则凝聚力和内摩擦角的数值都相应地减速小，同时土壤的湿容重增大，这使埂坎的稳定性降低。因此，一般在设计中采用土壤容重是以饱和含水量为标准。 3. 不同埂坎高度下的埂坎外坡 当已知土壤性质和状态（即当土壤的颗粒组成、密度程度、含水量情况等），通过土力学试验即可确定其内聚力（C）和内摩擦角以及湿容重（ｒ）。这样可以直接计算出不同坎高下的稳定埂坎外坡（采用一定安全系数K值）。 表3-2 不同埂坎高度条件下的埂坎外侧坡度 埂坎高度（H） 埂坎外侧坡度（a）  2m以下 2~4m 4~6 6~8 75°~80° 70°~75° 65°~70° 60°~65°  表3-2中，埂坎外侧坡度（a）的运用可采用下列情况：黏性土训右采用上限数值，即外侧坡可以陡一些。沙性土壤应采用下限数值。 4. 埂坎占地的计算 埂坎占地（Bn）可根据埂坎高度（H）和埂坎外坡（a），按公式Bn=Hctga进得计算，现将计算结果列于表3-3，供设计时参考： 但是，在修筑梯田时，一般在埂坎修成后，梯田田面外部，还修一个蓄水边埂，一般采用高30cm，顶宽20cm，内侧坡度为45°。 （五）梯田设计书快速图解决 梯田设计速算图是梯田设计快速图解法的专用计算工具。进行梯田设计计算，不必查用三角函数，也不需要经过计算手续，只需按照已知（即测得）的数据，如坡度、坡长，就可直接查到田坎高度、侧坡度和田面宽度（精度为两位小数）的答案，反之先定田坎高、田面宽和侧坡度，亦可求得地面坡长度和坡度，见图3-10。 三、土方量计算 土方平衡计算及测量的方法很多，它们分别适用于不同的地形条件和精度要求。在此简单介绍常用的方格网法、散点法和给断面法。 （一）方格网法 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，而且精确度高。具体步骤如下： 1. 打桩 在要测量的梯田区范围内，划分成10~20m见方的方格。各方格的顶点均用木桩标定。给予编号。见图3-11。 形成方格网，并画出草图。其方法是：先在田块内选一基线AM，在AM线上按10~20m定一木桩，然后置经纬仪或直角器于A点，作AM的垂直线AA7，在AA7线上也按10~20m定一木桩，同法在B、C、D…M和A1、A2、A3…A7各点分别作垂直于AM和AA7的直线BB7、CC7、DD7…MM7和A1M1、A2M2、A3M3…A7M7。这样就成了一张方格网图。 如果所需测量的范围较大，仪器需经一次或多次转移时，可在方格网中适当选择转点构成一水准路线，见图3-11中的C5-H6-K2-E1，并测定转点高程，经闭保差调整后，即又用作测量各桩点的依据。
图3-11 划分方格网示意图 2. 整桩 因各方格网顶点的木桩是按规定距离设置的，在地面起伏不平的地块上，会有个别桩点的高程不代表安周围地面的高程。这样就必须检查一方格顶点的桩点处地面高程的代表性，过高时要适当铲平，过低时要适当填起，然后踏平实。否则测量后，计算土方平衡时会出现偏差。 3. 测量 按各木桩编号顺序进行高程测量，并作记录，读数到厘米即可。 4. 计算 （1）求田块的平均高程
（3-12） 式中：
——田块平均高程，cm； n——方格总数；
各角点高程之各，cm，（见图3-11中的A、M、M7、A7）；
——各边点高程之各，cm（见图3-11中的B、C、D、…L；M1、M2、M3、…M6；B7、C、D7…L7；A1、A2、A3、…A6各点。）；
——各中间点高程这各，cm；（见图3-12中的B1、B2、…B6；C1、C2、…C6；L1、L2、…L6各点。）。 （2）计算各桩点的设计高程对于没有纵坡要求的水平梯田，田块平均高程即各桩点设计高程；对需留纵坡的梯田，则田块的平均高程作为田块中间断面的设计高程。按规定的地块纵向比降（如1/300~1/500）计算沿地长各排桩点的设计高程，写在各桩的高程下面，并加注三角符号以示区别。 （3）计算各桩点的挖填深度 用地块各排桩点的设计高程（即开挖的设计高程）与各桩点实测高程相比较，即可得出挖、填深度，并注明于方格网图上。一般填高数用红笔写，挖深数用蓝笔写。 （4）计算挖、填土方量 从上述求田块平均高程的过程中，可以看出，田块的每个角点（见图3-11中的A、M、M7、A7）的高程只有一个方格用了一次。每个边点（见图3-11中的B、C、D、…L；M1、M2、…M6；B7、C7、D7…L7；A1、A2…A6各点）的高程是二个方格共用的，即用了两次。而每个中间点（见图3-11中的B1、B2、B3…B6；C1、C2、…C6；L1、L2、…等各点）的高程是4个方格共用的，即用了4次。根据这一特点，田块挖、填土方量计算可用下列公式。 填方总量=方格面积×[各角点填高之和/4+2（各边点填高之和）/4+4（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] 一述两个公式的填方及挖深数，以米单位，每一小方格面积以平方米为单位。对不足10m或20m见方的“破格”，应分别计算挖、填土方量，然后加在挖、填方总量内。 （5）开挖线调整 求出挖、填土方总量后，若二者相差太多，需要进行升高或降低的调整，以求地块填挖土方平衡。其调整数值计算可用下列公式。 升高（或降低）数（cm）=
×10 按计算数值变更各个桩点设计高度，重新计算挖深填高和挖、填土方量，直至接近平衡为止。 （6）每一小方格的挖、填土方量的求法 如小方格的四个角均为填高或均为挖深，则相加后被4除即得平均填高（或挖深）数，再乘以方格面积即得方格填方（或挖方）量；如四个角上有的是填高数，有的是挖深数，则填、挖分别计算，不管是几个数，都各自可加被4除，不能互相抵销，这样计算的土方量，一般偏大。 （二）散点法（又叫多点平均法） 散点法适用于地形虽有起伏，但变化比较均，不太复杂的地形。这种方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，求平均高程方法简单。具体步骤如下： （三）纵断面法 纵断面法适用于地块地形比较规整，特别是田面宽度没有特殊不等宽的情况。这种方法的特点是：不需要烦琐的计算，能迅速确定修梯田的挖填分界线和不同部位上的挖填深度。 第四章 山坡固定工程 第一节 斜坡固定工程 向一个向倾斜的地段称为斜坡。斜坡由坡面、坡顶及其下部一定深度的坡体组成（图4-1）。按照物质组成可将斜坡分为岩质斜坡和土质斜坡。按人为改造程度，斜坡分为自然斜坡和边坡。自然斜坡即未经人为改造破坏的斜坡，如天然沟坡岸坡、山体斜坡等；边坡又叫人工斜坡，即人工改造了形状的斜坡，如坝坡、渠道边坡等。斜坡可按稳定性分为稳定斜坡、失稳斜坡和可能失稳斜坡，后两者又统称病害斜坡。按地貌部位，斜坡又分为山坡、梁峁坡、沟坡等。 斜坡固定工程是指为防止斜坡、岩体和土体的运动、保证斜坡稳定而布设的工程措施，包括挡墙、抗滑桩、排水工程、护坡工程、植物固坡措施等。斜坡固定工程在防治滑坡、崩塌和滑塌等块体协运动方面起着得要作用，比如，排水工程能降低岩土体的含水量，使之保持较大凝聚力和摩擦力，挡土墙、抗滑桩能增大坡体的抗滑阻力。 斜坡固定工程主要包括：挡墙、抗滑桩、削坡和反压填土、排水工程、护坡工程、滑动带加固工程、植物固坡措施和落石防护工程等。 一、挡墙 挡墙又叫挡土墙，可防止崩塌、小规模滑坡及大规模滑坡前缘的再次滑动。用于防止滑坡的又叫抗滑挡墙。 挡墙的构造有以下几类：重力式、半重力式、倒T型或L型、扶壁式、支垛式、棚架扶壁式和框架式等（图4-2）。
1 2 3 4 5 6 图4-2 挡墙横断面图 重力式挡墙可防止滑坡和崩塌，适用于坡脚较坚固、允许承载力较大、抗滑稳定较好的情况。根据建筑材料和形式，重力挡墙又分为片石垛、浆砌石挡墙、混凝土或钢筋混凝土挡墙和空心挡墙（明
图4-3 片石垛 洞）等。片石垛（图4-3）可就地取材，施要简单，透水性好，适用于滑动面在坡脚以下不深的中小型滑坡，不适于地震区的滑坡。 若滑动面出露在斜坡上较高位置，而坡脚基底较坚固，这时可采用空心挡墙（图4-4），即明洞。明洞顶及外侧可回填土石，允许小部分滑坡体从洞顶滑过。
图4-4 空心挡墙 1-夯埋土石；2-滑体；3-排水孔；4-明洞 浅层中小型滑坡的重力式挡墙宜修在滑坡前缘，若滑动南有几个，且滑坡体较薄，可分为支挡（图4-5）。
图4-5 分级支挡 重力挡墙的稳定计算方法与重力坝相同，参见后面有关章节。 其他几种类型的挡墙多用于防止斜坡崩塌，一般用钢筋混凝土修建。倒T型因材料少，自重轻，还要利用坡体的重量，适用于4~6m的高度；扶壁式和支垛式顺有支挡，适用于5m以上的高度；棚架扶壁式只用于特殊情况。框架式也称垛式，是重力式的一个特例，由木材、混凝土构件、钢筋混凝土构件或中空管装配成框架，框架内填片，它又分叠合式、单倾 斜式和以倾斜式。框架式结构较柔韧，排水性好，滑坡地区采用较多。 二、抗滑桩 抗滑桩是穿过滑坡体将其固定在滑床的桩柱。使用抗滑桩，土方量小，省工省料，施工方便，工期短，是广泛采用的一种抗滑措施。 根据滑坡体厚度、推力大小，防水要求和施工条件等。选用木桩、钢桩、混凝土桩或钢筋（钢轨）混凝土桩等。木桩可用于浅层小型土质滑坡或对土体临时拦挡，木桩可很容易地打入，但其强度低，抗水性差，所以滑坡防治中常用钢桩和混凝土桩。 三、削坡和反压填土 削坡主要用于防止中小规模的土质滑坡和岩质斜坡崩塌。削坡可减缓坡度，减小滑坡体体积，从而减小下滑力。滑坡体可分为主滑部分和阻滑部分，主滑部分一般地滑坡体的后部，它产生下滑力，阻滑部分即滑坡体前端的支撑部分，它产生抗滑阻力，所民削坡的对象是主滑部分，如果对阻滑部分进行削坡肥而有利于滑坡。 当斜坡高度较大时，削坡常分级留出平台，台阶高度可参照第二节中介绍的滑体稳定极限高度图解法来确定。 反压填土是在滑坡体前面的阻滑部分堆土加载，以增加抗滑力，填土可筑成抗滑堤，主要分层夯实，外露坡面应干砌片石或种植草皮，堤内侧要修渗沟，土堤和老土间修隔渗层土时不能堵住原来的地下水出口，要先做好地下水引排工程。
图4-6 反压土堤 四、排水工程 排水工程可减速免地表水对坡体稳定性的不利影响，一方面能提高现有条件下坡体的稳定性，另一方面允许坡度增加而不降低坡体稳定性。排水工程包括排除地表水工程和排除地下水工程。 （一）排除地表不工程 排除地表水工程的作用，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。它包括防渗工程和水沟工程。当斜坡上有松散易渗水的土体分布时，应填平坑洼和裂缝并整平夯实。铺盖阻水是一种大面积防止地表水渗入坡体的措施，铺盖材料有黏土、混凝土和水泥浆，黏土一般用于较缓的坡。铺土要均匀，厚度1~5m，一般为水头的1/10。有破碎岩体裸听斜坡，可用水泥砂浆勾缝抹面。水上斜坡铺盖后，可栽植植物以防水流冲刷。坡体排水地段不能铺盖，以免阻挡地下水外流造成渗透水压力。 水沟旁工程包疾截水沟和排水沟（图4-7）。截水沟布置在病害斜坡范围外，拦截旁引地表径流，防止地表水向病害斜坡汇集。参见“山坡截流沟”一节。 排水沟布置在病害斜坡上，一般呈树枝状，充分利用自然沟谷。在斜坡的湿是和泉水出露处，可设置明沟式渗沟等引水工程将水排走。水沟工程可采用砌石、沥青铺面、半圆形钢筋凝土槽、半圆形波纹管等形式，有时采用不铺砌的沟渠，其渗透和冲刷较强、效果差些。
图4-7 滑坡区的水沟工程 1-泻水孔；2-截水沟；3-湿地；4-泉；5-滑波周界 （二）排除地下水工程 排除地下水工程的作用地排除和截断透水。它包括渗沟、明暗沟、排水孔、排水洞、截水墙等。 渗沟的作用是排除土壤水和支撑局部土体，比如可在滑坡体前缘布设渗沟。有泉眼的斜坡上，渗沟应布置在泉眼附近和潮湿的地方。渗沟深度一般大于2m，以便充分疏干土壤水。沟底应置于潮湿带以下较稳定的土层内，并应铺砌防渗。渗沟上方应修挡水埂，防止坡面上方水流流入。表面成拱形，以排走坡面流水（4-8）。
图4-8 渗沟结构示意图 1-干砌片石表面砂浆勾缝；2-反滤面；3-较干燥稳定土层上界线；4-浆砌石；5-不稳定土层 排除浅层（约3m以上）的地下水可用暗沟和明暗沟。暗沟分为集水暗沟和排水间沟。集水暗沟用来汇集浅层地下水，排水暗沟连接集水暗沟，把汇集的地下水作为地表水排下走。暗沟结构参见图4-9，其底部设有孔的钢筋混凝土管、波纹管、透水混凝土管或石笼，底部可铺设不透水的杉皮、聚乙烯布或沥青板，侧面和上部设置树枝及砂砾组成的过滤层，以防淤塞。
（a） （b） （c） 图4-9 暗沟横截面图 1-回填土；2-树枝；3-砂砾；4-卵石；5-泻水孔；6-桩 明暗沟即在暗沟上同时修明沟，可以排除滑坡区的浅层地下水和地表水。 排水孔是利用钻孔排除地下水或降低地下水位。排水孔又分垂直孔、仰斜孔和放射孔。 垂直孔排水是钻孔穿透含水层，将地下水移到下伏强透水岩层，从而降低地下水位。见图4-10，是将钻孔穿透滑坡体及其下而的隔水层，将地下水排至下伏强透水层。
图4-10 滑坡区垂直孔排水 1-滑坡体；2-原地下水位；3-现地下水位；4-隔水层；5-强隔水层 仰斜孔排水是用接近水平的钻孔把地下水引出，从而疏干斜坡（图4-11），仰斜孔施工方便，节省劳力和材料，见效快。当含水层透水性强时效果尤为明显；裂隙含水类型，可设不同高程的排水孔。根据含水类型、地下水埋藏状态分布情况等布置钻孔，钻孔要穿透主要裂隙组，从百汇集较多的裂隙水。对含水层透水性差的土质斜坡（如黄土斜坡），可采用沙井和仰斜孔联合排水（图4-12），即用沙井聚集含水层的地下水，仰斜孔穿连沙井底部将水排出。
图4-11 仰斜孔排水 1-沙井；2-砂砾滤层；3-挡墙；4-仰斜排水孔
图4-12 沙井和仰斜孔联合排水 放射孔排水即排水孔呈放射状布置，它是下文所述的排水洞的辅助措施。 排水洞的作用是拦截和疏导深层地下水。排水洞分截水隧洞和排水隧沿。截水隧洞修筑在病害斜坡外围，用来拦截旁引补给水；排水隧洞布置在病害斜坡内，用于排泄地下润滑。滑坡的截水隧洞洞底应低于隔水层顶板，或在坡后部滑动面之下，开挖顶线必须切穿含水层，其衬砌拱顶又必须低于滑动面，截水隧洞底应布置在含水层以下，在滑坡区应位于滑动面以下，平行于滑动方向布置在滑坡前部。 如果地下水沿含水层向滑坡区大量流入，可在滑坡区外布设截水墙，将地下水截断，再用仰斜孔排出（图4-13）。注意不要将截水墙修筑在滑坡体上，因为可能诱导滑坡发生。修筑截水墙有两种方法，一是开挖到含水层后修筑墙体，二是灌注法。含水层较浅时用第一种方法，当含水层在2~3m以下是采用灌注法较经济。灌注材料有水泥浆和化学药液，当含水层大孔隙多且流量流速小时，用水泥浆较经济，但因黏性大，凝因时间长，压入小孔隙需要较大的压力，而灌注速度大时则可能在凝固前流失，因此，有时与化学药液混合使用。化学药液可以单独使用，其胶凝时间从必秒钟到几小时，可以自由调节，黏性也小。具体灌注方法可参阅有关资料。
图4-13 截水墙布置图 五、护坡工程 为防止崩塌，可在坡面修筑护坡工程进行加固，这比削坡节省投工，速度快。常见的护坡工程有：干砌片石和混凝土砌块护坡、浆砌片石和混凝土护坡、格状框条护坡、喷浆和混凝土护坡、锚固法护坡等。 干砌片石和混凝土砌坡用于坡面不涌水、坡度小于1：1，高度小于3m的情况，涌水较在时应设反滤层，涌水很大时最好采用盲沟。 伤口状框条护坡是用预制构件在现场装配或在现场直接浇制混凝土和钢筋混凝土，修成格式建筑物，格内可进行植被防护。有涌水的地方干砌片石。 在基岩裂隙小，没有大崩塌发生的地方，为防止基岩风化剥落，进行喷浆或喷混凝土护坡。若能就是取材，用可塑胶泥喷涂则较为经济，可塑胶泥也可做喷浆的热层。注意不要在有涌水和冻胀严重的坡面喷浆或喷混凝土。 在有裂隙的坚硬的岩质斜坡上，为了增大抗滑力或固定危岩，可用锚固法，所用材料为锚栓或预应力钢筋。在危岩上钻孔直达基岩一定深度将锚栓插入，打入楔子并浇水泥砂浆固定其末端，地面用螺母固定。采用预应力钢筋，将钢筋末端固定后要施加预应力。 六、滑动带加固措施 防治沿软弱夹层的滑坡，加固滑动带是一项有效措施。即采用杨械的或物理化学的方法，提高滑动带强度，防止软弱夹层进一步恶化，加固方法有普通灌浆法、化学灌浆法、石灰加固法和焙烧法等。 普通灌浆法采用由水泥、黏土等普能材料制成的浆液、用杨械方法灌浆为较好地充填固结滑动带，对出露的软弱滑动带，可以撬挖掏空、并用高压气水冲洗清除，也可钻孔至滑动面，在孔内用炸药爆破，以增大滑动带和滑床岩土体的裂隙度，然后填入混凝土，或借助一定的压力把浆液灌入裂缝。 由于普通灌浆法需要爆破或开挖清除软弱滑动带，所以化学灌浆法比较省工。化学灌浆法采用由各种高分子化学材料配制的浆液，借助一定的压力把浆液灌入钻孔。浆液充满裂隙后不仅可增加滑动带强度，还可以防渗阻水。 石灰加固法是根据阳离子的扩散效应，由溶液中的阳离子交换出土吉的阴离子而使土体稳定。具体方法地在滑坡地区均匀布置一些钻孔，钻孔要达到滑动面下一定深度，将孔内水抽干，加入生石灰小块达滑动带以上，填实后加水，然后用土填满钻孔。 焙烧法是利用导洞焙烧滑动带的沙黏土，使之形成地下“挡墙”，从而防止滑坡。沙黏土用煤烘烧后可变行像砖块一样结实，增加了抗剪强度和抗水性。 七、植物固坡措施 植被能防止径流对坡面的冲刷，在坡度不很大（小于50°）的坡上，能在一定程度上防止崩塌和小规模滑坡。 植树造林种草可以降低地表径流流量和流速，从面减轻地表侵蚀，保护坡脚。植物蒸腾和降雨截持作用能调节土壤水分，控制土壤水压力。植物根系可增加岩土体抗剪强度，增加斜坡稳定性。 植物固坡措施包括面防护林、坡面种草和坡面生物一工程综合措施。 坡面固坡措施包括破面防护林、坡面种草和坡面生物一工程综合措施。 坡面防护林对控制坡面面蚀、细沟状侵蚀及浅层块体运动起着重人作用。深根性和浅根性树种结合的乔灌木混交林，对防止浅层块体运动有一定效电动机。 坡面种草可提高坡面抗蚀能力，减小径流速度，增加入渗，防止面蚀和细沟状侵蚀，也有助于防止块体运动。坡面种草方法有：播种法、覆盖草垫法、植饼法和坑植法等。 坡面生物一工程综合措施，即在布置有拦挡工程的坡面或工程措施间隙种植植被，例如，在挡土石墙、木框墙、石笼墙、铁丝链墙、格栅和格式护墙加上植物措施，可以增加这些挡墙的强度。 八、落石防护工程 悬崖和陡坡上的危石会对坡下的交通设施、房屋建筑及人身安全产生很大威胁，常用的落石防治工程有：防落石棚、挡墙加拦石栅、囊式栅拦、利用树木的落石网和金属网覆盖等。 修建落石棚，将铁路和公路遮盖起来是最可靠的办法之一，防落石棚可用混凝土和钢材制成。 在挡墙上设置拦石栅是经常采用的一种方法。囊式栅拦即防止落石坠入线路的金属网。在距落石发生源不远处，如果落石能量不大，可利用树木设置铁丝网，其效果很好，可将1t左右块拦住。 在特殊需要的地方，可将坡面覆盖上金属网或合成纤维网，以防石块崩落。 斜坡上很大的孤石有可能滚下时，应立即清除，如果清除有困难，可用混凝土固定或用粗螺栓锚固。 除子上述8种固坡工程外，护岸工程、拦沙坝、淤地坝也能起到固定斜坡的作用，如在滑坡区的下游沟道修拦沙坝，可以压埋坡脚。这些工程将在后面的章节介绍。 第二节 沟头防护工程 黄土区侵蚀沟沟头侵蚀的几种主要形式了是斜坡块体运动，沟头前进主要由串球陷穴和陷穴间孔道的塌陷引起，沟谷扩张则由沟坡崩塌、滑塌和泻溜引起。由于黄土入渗力强、多疏松、湿陷性大，经暴雨径流冲刷，岸坡稳定性差，沟蚀剧烈，沟头溯源侵蚀速度很快，一般沟头每年可前进2~3m，沟谷扩宽2m以下。沟头侵蚀发生在有集中径流的地方，沟坎高差多在10m以下。 沟头侵蚀对工农业生产危害很大，主要表现为： （1）造成大量土壤流失 沟头集不面积小而侵假冒量大，崩塌、滑坡的疏松土体和沟床下切是沟蚀的主要侵假冒泥沙源，大大增加沟道输量。 （2）毁坏农田 沟头延伸和扩张，毁坏了大量农耕地，使可耕地面积逐年减小，沟谷逐年扩大。 （3）切断交通 沟头侵蚀如不防治，延伸将无休止，直到溯源侵蚀至分水岭后，这样，原来的交通要道或生产道路就会被数十米的沟壑隔断，严重影响山区交能和农业生产。 沟头侵蚀的防治，应按流量大小和地形条件采取不同的沟头防护工程。 一、蓄水式沟头防护工程 当沟头上部来水较少时，可采用蓄水式沟头防护工程，即沿沟边修筑一道或数道水平半圆环形沟埂，拦蓄上游坡面径流，防止径流排入沟道。 （一）沟埂式沟头防护 沟埂式沟头离护是在沟头以上的山坡上修筑与沟边大致平得的若干道封沟埂，同时在距封沟埂上方1.0~1.5m处开挖下封沟埂大致平得的蓄水沟，拦截与蓄存从山坡汇集而来的地表径流。 沟埂式沟头防护，在沟头坡地地形较完整时，可做成连续式沟埂；若沟头坡地地形较破碎时，可做成续式沟埂。在其设计中主要注意4个问题，即封沟埂位置的确定、封沟埂的高度、蓄水沟的深度、沟埂的长度及道数。 第一道封沟埂与沟顶的距离，一般等于2~3倍沟深，至少相距5~10m，以免引起沟壁崩塌。各沟埂间距可用下式计算： L=H/I （4-1） 式中：L——封沟的间距，m； H——埂高，m： I——最大地面坡度，%。 沟埂长度、埂高和沟深等尺寸，视沟头地形坡度、所能获得和蓄水容积、设计来水量、土质等条件决定（图4-15）。 计算步骤如下：先初步拟定沟埂的尺寸及长度，算出沟埂的蓄水容积V，若蓄水容积V接近设计来水量W（可按10~20a一遇暴雨计算）则设计的沟埂断面满足要求；若W比V小得多，可缩小沟埂的尺寸及长度；若W大于V，则需要增设第二道沟埂。 在上方封沟埂蓄满水之后，水将溢出。为了确保封沟埂安全，可在埂顶每隔10~15m的距离挖一个深20~30cm，宽1~2m的溢流口，并以草皮铺盖或石块铺砌，使多余的水通过溢流口流入下方蓄水沟埂内。 （二）埂墙涝池式沟头防护 当沟头以上汇水面积较大，并有较平缓的地段时，则可开打官司涝池群。各个涝池应互相连通，组成连环流，以最大限度地拦蓄地表径流，防止和控制沟侵蚀作用。同时涝池风存蓄的水也可得以利用。 涝池的尺寸与数量等应该与设计来水量相适应，以避免水少池干或水多涝池容纳不下的现象，一般可按10~20a一遇的暴雨来设计。 二、泄水式沟头护工程 沟头防护应以蓄为主，作好坡面与沟头的蓄水工程，变害为利。但在下列情况下可修建泄水式沟头防护工程。 （1）当沟头集面积大且来水量多时，沟埂已不能有效地拦蓄径流； （2）受侵蚀的沟头临近村镇，威胁交通，而又无条件或不允许采取蓄水式沟头防护时，必须把径流导至集中地点通过泄水建筑物排泄入沟，沟底还要不消能设施以免冲刷沟底。一般泄水式沟头防护工程有支撑式悬臂跌水、圬工式陡跌水或台阶式跌水3种类型。 （一）悬臂跌水式沟头防护 在沟头上方水流集中的跌水边缘，用木板、石板、混凝土板或钢板等作成槽状（图4-16），使水流通过水槽直接下泄到沟底，不让水流冲刷跌水壁，沟底应有消能措施，可用浆砌石作为消力池，或用碎石堆于跌水基部，以防冲刷。
图4-16 悬臂跌水断面图 例4-1某沟头集水区为0.015km2，均为陡坡农耕地，最大径流量为0.18m3/s。沟边陡崖高达20.5m，沟谷宽29m，内有大量崩塌虚土，无基岩裸露。沟头平均每年延伸2.4m,沟头滑塌体的侵蚀量达1500m3。该沟径流量小，但侵蚀量大，且沟边国居民区，必须安全是防止沟头继续扩张，按照陡崖高差大，径流量小的特点，选用悬臂式喷咀射流跌水。 1. 设计排水量计算 泄水式沟防护工程属永久性建筑物，应有较高设计标准，可按20~30年一遇暴雨洪水设计。沟头集水面积一般小于0.1km2，形状近似于圆形和半圆形，属全面汇流。洪峰历时短，沟头来水量按下友谊赛简化公式计算： Qm=0.278ahF （4-2） 式中：Qm——设计暴雨的量大径流量，m3/s F——集水面积，km2； α——洪峰径流系数（不同于径流系数），汇流历时愈短，α值愈大，对于沟头集水取α=0.75~1.0； h——设计暴雨量，mm/s。 当采用30min暴雨强度设计频率时，计算结果为设计雨量47.5mm，设计径流量0.2m3/s。 2. 结构设计 悬壁式喷嘴跌水由进口集水池、喷管、拉链和柳谷坊4个部分组成（图4-17）进口两边有导流渠与集水池相通。喷管分喇叭形进口、管身和喷嘴三段，系用2mm钢板卷曲焊接的整体。进口段长1m，管身长5m，直径0.3m。喷嘴为圆锥收敛型，收敛角6°，长1m，出口管径0.2m。喷管一端固定安装在集水池的胸墙砌石体内，另一端悬空，垂直高差2m，俯射角20°。为使管身能承受自重和水重的较大荷载，并在风力和水动力作用下不摇摆，喷嘴与管身交界处焊接加劲箍，并用两根拉链系住，拴在崖坎上的锚墩上。拉链与喷管成60°的对称角，用φ6钢筋代替。锚墩是预混凝土块，埋于距沟边5m、深2m地下，锚墩与拉链用活动螺栓连接，外露于地面。安装喷管时，先把活动螺栓放松在最大位置，把拉链拉紧到管身接近设计要求的位置，然后再砌胸墙，这时喷管悬臂端可能有0.1m下垂。待砌体初凝后，再把活动螺栓一紧，则喷管可保持在要求位置，拉链处于稳定受力状态。
图4-17 悬臂喷嘴式跌水结构略图 3. 水力计算 按照水力学观点，圆锥收敛喷嘴出口流速最大，流线型管嘴流量和射流动能最大，这意味着消能设施更复杂。为便于喷嘴射流远离崖坎和便于消能，故选用圆锥收敛型喷嘴。 当喷管水深大于1/2出口管径时为半压力流，满管时为压力流。故按以下管嘴流量公式计算：


（4-3） 式中：d——喷嘴出中直径，m； Ho——计入行近流速的喷嘴出口水头，m。 计算的喷嘴最大流量为0.2m3/s，满足设计最大来水量；当流量小于0.1m3/s时，管内出现有压于无压的交替现象，且有水锤作用。 喷嘴射流属非淹没自由射流，抛射距离取决于喷嘴出口流速及射流的俯射角。假定忽略空气阻力和水股扩散影响，把喷射水流运动看作自由抛射体的运动，则射流平均抛射距离可按自由抛射体的运动轨迹计算。取喷嘴出口断面中心为坐标原点，则抛射坐标为

消去两式中的时间变量t，则求得射流抛射水平距离x为
（4-4） 式中：V——喷嘴出口流速，m/s，当Q≥0.1m3/s时， V=4.21
a——水流俯冲角，即射流与水平线角夹角，°； y——喷嘴出口与沟底水面高差，m； g——重力加速充，为9.81，m/s2。 喷嘴跌水下游沟谷堆积着两岸坍塌的大量虚日，为防止沟床下切和射流冲刷虚土，在沟床设置柳谷坊两座，起消力池作用。第一座柳谷坊高2m，顶宽2m，位于射流最远射距之外，距崖坎21.6m，当射流落入沟底就在谷坊前形成一个深1~2m、长约16m的蓄水垫层，水流消能后从谷坊顶部溢流至二级消力池；第二座谷坊高0.8m，顶宽1.5m，它降低第一座谷坊的落差，进得二级消力。 （二）陡坡式沟头防护 陡坡是用石料、混凝土或钢材等制成的急流槽，因槽的底坡大于水流临界坡度，所以一般发生急流。陡坡式沟头防护一般用于落差较小，地形降落线较长的地点。为了减少急流的冲刷作用，有时采用人工方法来增加急流槽的粗糙程度。具体设计步骤参见例4-2。 （三）台阶式跌水沟头防护 此种泄水工程可用石块或砖加砂浆砌筑而成，施工技术主要是清基砌石不太困难，但需石料较多，要示质量较高。 台阶式沟头防护按其形式不同可分为两种：单级式、多级式（图4-19所示）。
图4-19 多级台阶式沟头防护断面图 单级台阶式跌水多用于跌差不大（小于1.5~2.5m），而地形降落比较集中的地方。多级台阶式跌水多用于跌差较大而地形降落距离较长的地方。在这种情况下如采用单级台阶式跌水，困落差过大，下游流速大，必须做很坚固的消力池，建筑物的造价高。 第五章 山洪及泥石流防治工程 在山区沟道内及荒溪冲积扇上，为随止山洪及泥石流冲刷与淤积灾害而修筑的沟道治理工程及排导工程等建筑物称为山洪及泥石流防治工程，其目的在于保护冲积扇上的房舍、农田、道路、工矿设施等建筑物免受山洪及泥石流灾害，保证当地人民生命及财产的安全。 第一节 山洪及泥石流的特性 一、山洪及泥石流的定义 1. 山洪的定义 山洪是山区溪流（荒溪）及小河流发生的洪水，山洪的特点是：流速大。冲刷力大，破坏力大，含有大量泥沙，暴涨暴落，历时短暂。 山区溪流（荒溪）可分为经常流水的及周期性流水的，一般由3个部分组成： 荒溪的上游或集水区：形如宽广的漏斗，逐渐收缩到隘口。在天然植被被破坏后，是泥沙的策源地。 荒溪的中游或流通区：是集水区与沉积区之间的过渡区，一般呈峡谷状态。在理想的情况下。这一区域内既不发生侵蚀，也不发生沉积现象。这一区域的特征是水流起运输泥沙的作用。 荒溪的下游或沉积区：常称为冲击扇。流水挟带的泥沙等物质，超过流水的挟带能力时，有一部分泥沙等物质沉积下来，形成冲积圆扇。 山洪按其成因来分，在我国可分为： （1）暴雨引起； （2）融雪引起； （3）冰川融化引起； （4）湖或水库堤坝溃决引起； （5）由某几种成因同时引起。 2. 泥石流的定义 泥石流 英语为Mudflow，debris—flow； 是发生的沟谷或坡地上的饱含小至黏土、大至巨砾的液固两相流，是混合侵蚀的一种形式。 泥石流的具体特性如下： （1）具有极其宽广的粒径范围（数微米至数米）的固体颗粒群，含有充足的水； （2）是能保持整体搬运状态的固体物质含量高（体积浓度大于40％）的流体； （3）不但保持阵流状态，而且以相当的速度（每秒数米至十余米），流动相当的距离（数百米至数公里）。 山洪及泥石流的主要区别不仅在流体中所挟带泥石的数量不同，而且在运动机理上也有本质的不同，存防治方法上也就有着明显区别。 山洪及泥石流都是荒溪流域引起侵蚀作用的外营力。为了做好荒溪的水土保持工作，我们不仅应当研究降雨、融雪水、风、生物、人类活动这些外界营力对侵蚀作用的影响，而且应当研究山洪及泥石流的形成与运动规律。 二、山洪及泥石流形成的水文因素 山洪及泥石流成因中，最活跃的因素是因暴雨引起的强大的地面径流。除暴雨外，其他一些原因，也可能引起山洪及泥石流。如迅速融雪或冰川迅速融化，水体（湖泊或水库）溃决，也可能形成山洪及泥石流。 本章主要讨论暴雨型山洪及泥石流。 影响暴雨型山洪及泥石流形成的水文要素主要有暴雨量及其强度、暴雨损失、暴雨靠流。 1.暴雨量及其强度 暴雨是指短时间内强度很大的降雨。我国气象部门规定：1d降雨量在 l0mm以内的称为小雨，10～25mm的称为中雨，25～50mm的称为大雨。50mm以上的称为暴雨。凡1h降雨量超过16mm的，也称为暴雨。 我国气象部门现在将暴雨分为3个等级，即暴雨、大暴雨、特大暴雨3级。在12h内降雨量为30.1～70.0mm或24h内降雨量为50.1～l00mm者为暴雨；在12h内降雨量为70.1～140.0mm或24h内降雨量为100.1～200mm者为大暴雨；在12h内降雨量大于140mm或24h内降雨量大于200mm者为特大暴雨。 我国除西北内陆少数地区外，大多出现过日雨量l00mm以上的大暴雨。东南部各省中多数出现过日雨量200mm以上的特大暴雨。至于日雨量超过400mm的地区，东北只有长白山余脉，千山山脉东南坡的丹东地区。华北只有太行山东坡和豫西山地东部。南方只有广东沿海及台湾省等地。 我国大陆上最大的两场大暴雨发生在1963年8月上旬太行山东坡和1975年8月上旬豫西山区东部。河北省内丘县獐犭么乡1963年8月4日日雨量达950mm比当地平均年雨量多一半。1975年受3号台风影响，河南方城县郭林8月7日下了1 054.7mm泌阳县林庄从8月7日14时到8日2时的12h内降雨954.4mm。破大陆的暴雨纪录。分析某一地区的暴雨分布规律是我们预测山洪及泥石流灾害的重要依据之一。 2.暴雨损失及其影响因素 暴雨损失大约可分成3个部分：植物截留、土壤入渗、坑洼蓄水。 （1）植物截留关于植物截留的定量资料，国内尚缺乏系统的研究，现列举美国R.E.贺顿公式及前苏联H.H.戚戈戴夫的资料作为参考。 R.E.贺顿的经验公式为 I＝a+bxn （5-1） 式中：I——植物截留量，mm； x——一次雨量，mm。 a、b、n——系数，依植物种类不同而定。口的变化范围为0.5～1.5；b的变化范围为0.15～1.15；n取0.5或1.0。 据前苏联H.H.戚戈戴夫的研究：植物截留量，依乔木（针叶、阔叶）、灌木、草而不同，随植物的稠密程度又有很大差异，见表5-1。 表5-l植物截留量 mm 植物情况 乔 木     针 叶 阔 叶 灌 木 草  稠 密 12.0 6.0 4.0 3.0  中 等 6.0 3.0 2.0 1.5  稀 疏 3.0 1.5 1.0 0.8   （2）土壤入渗水向土壤中入渗，最初是土壤表面被润湿，随后地面水在重力的作用下渗入较大的土壤孔隙，裂缝与植物根系通道、动物孔穴等。同时在毛细管力与分子力的作用下，水渗入土壤的毛细管等较细小的孔隙中。 在整个降雨过程中，入渗强度是随时间而递减的。 当降雨强度小于当时的土壤入渗率时，就不产生地面径流。当降雨强度大于入渗率时其超过入渗的部分，在地面上积聚起来，等达到一定厚度之后，受地心吸力的作用，沿地面坡度最陡的地方运动，产生地面径流。 影响入渗率的主要因素是土壤的物理性质、植被特性、坡度、土壤湿度、温度、降雨强度等。 （3）地面坑洼蓄水地面坑洼具有不同的大小与深度，由土壤颗粒大小那样的微穴以至几百平方米的大坑不等。当降雨强度超过入渗率之后，超渗雨量首先填满坑洼。然后顺坡流下，坡面上就开始全面漫流。坑洼所蓄水量通常在降雨变小时或雨后陆续渗入地下。 随着坡面坡度的增大，坑洼的容量与作用将迅速地减少。在山洪计算中，坑洼的定量估计并不特别重要。 人工履行微小地形，如修筑梯田、鱼鳞坑、等高耕作，修小池塘等，都是增加坑洼蓄水量的措施，县有缓和与减少地面径流的作用。 3.暴雨集流及其影响因素 暴雨集流是指流域地面各点由暴雨产生的净雨在重力的作用下，沿坡面和沟槽向流域出口的汇集过程。流域集流过程中，按其水力特性的不同，分为坡面集流和沟槽集流两个阶段。 （1）坡面集流　坡面集流（或地面漫流）是指坡面上漫过地面的集流，其特点是成片的漫流。 在山区天然坡面上，山坡长度长短不一，在有地形图时，可直接从地形图上量取若干山坡长度，然后取其平均值供暴雨径流计算用。 坡面集流在暴雨径流中起有很大的作用。在坡面上采取各种水土保持措施，对于吸收、调节、存蓄、疏导暴雨径流，是极为重要的。 （2）沟槽集流 全面漫流的水沿坡面下流，逐步向低处集中。最后跌入沟槽后，就成为沿沟槽纵向流动的槽流。各级槽流向着较大一级的沟道汇合，最后集合进入主沟槽，并向流域出口断面汇集运动，这就是沟槽集流运动。 三、山洪及泥石流形成的地质与地貌因素 山洪及泥石流中所挟带的泥沙，来源于侵蚀作用以及流域中过去发生的山洪或泥石流的沉积物。 所谓“侵蚀作用”，是指现在地球表面上的土壤及岩石破坏过程及破坏产物从其形成地点移往低处的搬运过程（包括沉积作用）的总称。在各种侵蚀作用中，对于山洪及泥石流来说，最重要的有3种作用：风化作用，破坏产物沿坡面的移动（主要是重力侵蚀作用）及水蚀作用。这3种作用与地质因素有着密切的关系。 1. 地质构造 山洪挟带泥石极多而转变为泥石流的地区。绝大多数是地质构造复杂、断裂褶皱发育、新构造运动强烈、地震烈度大的地区。导致地表岩石破碎以及山崩、滑坡、崩塌、错落等不良地质现象，为山洪及泥石流提供了丰富的固体物质来源。如云南东川地区的泥石流荒溪群，主要是沿着小川断裂带发育的，四川西昌地区的泥石流荒溪群，主要是沿着安宁河谷地堑式断裂带发育的，甘肃武都地区的泥石流荒溪群是发育在与白龙江大致平行的断裂褶皱带上。地震活动是现代地壳活动最明显的反映。在地震作用强烈的情况下，山体稳定性遭受破坏，岩层破裂，引起山崩地裂或滑坡坍塌。一般在强烈地震后，原来是一般山洪的荒溪可能转而为泥石流荒溪；已趋稳定的老泥石荒溪，重新复活，再度爆发泥石流；正在活动的泥石荒溪，则爆发泥石流的次数增多，规模变大。我国和世界各国的许多实例表明，许多灾害性泥石流分布区与强烈的地震带是一致的。 新构造运动（即第3纪末到第4纪以来的地壳升降和断裂运动），可以引起荒溪沟道纵坡的巨大变化，因而可以使一般山洪荒溪转变为泥石流荒溪的过程，得到加速或减缓。在新构造运动强烈的地区，由于山地的急剧上升，谷地相应地强烈下切，造成河谷相对高差越来越大，山高沟深，谷地两侧支流短小，纵坡陡急，很容易发展成泥石流。 2. 岩石风化作用 岩石风化作用是指存气候、大气、毕物影响下岩石在原地发生的破坏作用。 风化作用有3种类型，即物理风化作用、化学风化作用、生物风化作用。 （1）物理风化作甩物理风化作用是指岩石分散为形状与数量各不相同的许多个别碎块，或分散为其各个组成的矿物部分。物理风化的主要因素是温度的变化。 在温带及寒带地区，尤其是高山地区雪线附近，当气温常常通过零度（摄氏）时，则冻胀风化的物理风化中起有重要作用。水渗入岩石孔隙后，在温度下降而冻结时，以很大的力量分裂岩石；水冻结时加给岩石裂缝壁面的压力达到6 000kg/cm2，使岩石崩解成角砾状碎石。 （2）化学风化作用 由于空气中的氧、水、二氧化碳和各种水溶液的作用，引起岩石中矿物的化学成分发生变化的作用称为化学风化作用。化学风化不仅使岩石破坏，而且还使岩石的矿物成分有显著的改变。 （3）生物风化作用一生物风化作用是指在生物活动影响下，使岩石发生破坏的作用。例如，植物根系和动物活动的孔穴，以及生物分泌的有机酸与岩石作用，致使岩右发生崩解，分解而破坏，逐步形成土壤。 微生物也有破坏岩石的作用。例如，真菌（以及苔藓和某些藻类）生长在岩石表面，并从岩石内吸取养料，因而就破坏了岩石的表层。 3. 地貌因素 斜坡的坡度、坡长与坡型（直线型、凹型、凸型）以及沟道纵坡、曲折状况是影响山洪及其泥沙含量的地貌因素。 泥沙沿坡面向下移动，基本作用力是重力。重力或是直接起作用，或是通过某种介质（如水）间接起作用。 泥沙移动的形式主要可分为以下几种：崩塌、滑坡、土流及覆盖层坍滑。 崩塌是坡积层（指已移动到斜坡下部的风化产物）或基岩的坍塌，并同时发生倾覆。山塌也是崩塌的一种。崩塌发生于险峻的山坡上或陡峭的沟（河）岸上，是岩石风化，坡面遭到地下水侵蚀、沟（河）岸冲沟、地质构造原因（地震），或人为活动（采石、取土、大爆破等）引起的。 滑坡与崩塌的区别在于滑坡不是突然发生的，而是比较长期的过程，在移动时是滑动而不是向前倾倒。滑坡脱离开基岩之后，一般都向后稍稍倾斜，如果滑动体上原来有树木，则形成倾斜而立的“醉林”。 为水所饱和的、半流体状坡积层可能形成土流或山坡型泥石流。土流是由于斜坡上部出现滑坡而引起的。 沟道纵坡愈大，山洪流速愈大，汇流时间愈快，山洪洪峰流量也愈大。沟道弯曲愈多，弯曲度愈大，则弯道容易被山洪及泥石流中的固体物质堵塞，从而形成大规模的山洪或泥石流。 在影响泥石流形成的诸自然因素中，最重要的是地质因素，不良的地质条件是形成泥石流的前提。 第二节 荒溪分类与危险区制图 一、荒溪分类 山洪及泥石流洪峰流量是设计山洪及泥石流防治工程的重要依据，它决定了防治工程的安全性与经济性。荒溪由于类型不同，有的可能发生一般山洪或高含沙山洪，有的可能发生泥石流。因此，荒溪分类是合理选用洪峰流量计算公式的基础。 荒溪是山区流域面积在20～50km2以下（最大限度为100 km2）具有经常流水或季节性流水的沟道。在暴雨径流或融雪水作用下，由于流域内地形陡峭及不良地质条件的存在，同时也由于不合理的人类经济活动，在坡面上及沟道内引起了严重的土壤侵蚀作用，大量的泥沙、岩屑、石砾随着陡涨的山洪，以很大的流速经过沟道被搬运到沟口的冲积圆锥上或继续被运送到下一级河川之中。由于荒溪活动的发展，常常给山区的工农业生产、公路、铁路交通事业、工矿企业、沟口的居民点造成山洪或泥石流灾害，使人民的生命财产遭受严重的损失。 为了划分北京山区的荒溪类型，北京林业大学水土保持系师生于1982年应用航空照片对北京山区的荒溪进行了详细调查。根据荒溪沟底坡度、沟床泥沙堆积厚度以及集水区面积、地质、地形、植被、土地利用现状、水土流失的程度及强度等因素，按山洪或泥石流对冲积扇上建筑物的危害作用大小，曾经将北京山区的荒溪划分为以下四类（详见“华北山区荒溪分类调查方法细则”，北京林学院学报1982年第3期）。 1. 冲击力强的泥石流荒溪 此类荒溪在泥石流阵性（地垒式）运动中，不再遵守一般的水力学法则（牛顿定律）。黏性的泥石流在极端情况下，流速可达11～12m/s。这种泥石流的流速、冲击力及其动能距离砂砾形成区及堵塞溃决区愈近则愈大。此类荒溪中形成的泥石流，液相和固相混杂一起，作等速无垂直交换的整体性层流态直线运动，能使比重大于泥浆的石块漂浮滚动而行，沉积物无分选性。 2. 泥石流荒溪 当发生泥石流灾害时，在荒溪中形成黏稠的混凝土状的流体，但不存在阵性流（没有堵塞条件）。这类荒溪中出现的泥石流流速较小，冲击力较小。淤埋作用的危害大于冲击作用。在石山区形成这种流体的流通区最小临界坡度为15。。此类泥石流运输石块不大，与冲击力强的泥石流荒溪相比，冲击圆锥的表面坡度较小。 3. 高含沙山洪荒溪 在此类荒溪中，当发生洪水时，水中含有大量泥沙及块石（主要为底沙），但水与固体物质形成浑浊性两相体，液相和固相分离，作不等速有垂直交换的紊动乱流态波浪运动，沉积物有分选性。流体的运动符合水力学法则（牛顿定律），表面流速小于10m/s，石块沿沟床作推移或跃移运动，含沙山洪暴发突然，来势很猛。大冲小淤，以冲为主，对建筑物基础的冲刷和破坏作用甚大。 4. 一般山洪荒溪 此类荒溪流域中植被良好，无大型的崩塌、滑坡等不良地质现象，沟床坡度小，仅有个别的沟岸坍塌作用。沟床中的沉积物磨圆度大。山洪暴发时，山洪的容重小于1.1t/m3。此类山洪的危害作用只表现为冲刷作用。 荒溪分类的具体指标如下，①历史上发生的最大日降雨量；②邻近沟口（或冲积圆锥）的沟道比降；③流域（含沟道）内疏松物质堆积量；④沟道堵塞可能性；⑤流域内土壤及岩石透水性；⑥曾经发生的灾害规模等共6项指标。采用定量分级评分（4，3，2，1）的方法，将全部荒溪分成4类，即冲击力强的泥石流荒溪、泥石流荒溪、高含沙山洪荒溪及一般山洪荒溪（详见《流域管理学》，王礼先主编，中国林业出版社1999年出版）。 二、危险区制图 危险区是指荒溪范围内，山洪及泥石流能直接淹没，冲击和影响防护对象的区域范围。荒溪分类是危险区制图的基础，危险区制图是山洪泥石流排导工程规划设计的依据。 根据防护对象受灾害影响的程度，危险区可以分以下类型： ①红色危险区（简称红色区）：山洪或泥石流灾害将直接造成房屋等建筑物和设施的严重破坏和人员伤亡，红色区不允许人员居住和修建居民点及其他设施，是最危险区域。 ②黄色危险区（简称黄色区）：山洪或泥石流灾害可引起的破坏程度较轻，在此居住和修建房屋必须要有防护措施，以减轻灾害危险。 ⑧白色危险区（简称白色区）：不用任何防护措施可安全居住和从事生产活动的区域。 划分危险区边界的指标有：①荒溪冲积锥上调查点处冲出的最大石块体积；②冲积锥上调查点处单次冲刷物质最大淤积层厚度；③冲积锥上调查点处的地表坡度；④冲积锥上调查点处优势植被状况和农业用地情况；⑤冲积锥上调查点处次生侵蚀沟状况；⑥调查点山洪泥石流堵塞可能性等。 第三节 泥石流主要设计参数的确定 在进行一条泥石流沟治理时，或要对某一泥石流沟采取防护措施时，都要事先对全流域进行全面的勘测调查，以查明泥石流的发展史、活动现状和发展趋势。在调查资料的基础上，采用多种方法分析比较，才能较正确合理地确定泥石流的各项设计参数。 一、泥石流设计容重 泥石流容重（t/m3或kg/dm3）是泥石流的最基本的特征值，它是计算泥石流流速、流量、冲击力等特征值的基础，也是泥石流分类的一项重要指标。泥石流容重的确定常用下列几种方法。 1.直接取样法 在泥石流发生时，直接取得多个泥石流体样品，取样品中最大容重值作为泥石流设计容重。此方法仅适用于泥石流暴发频率很高的泥石流沟。如云南盈江浑水沟泥石流的设计容重为2.25t/m3，云南东川蒋家沟为2.30t/m3。 2.调查称重结 对刚发生不久的泥石流，分几处铲挖泥石流沉积物样品若干个，存放在几个桶内加水搅拌，加水量由少到多，边搅拌边让目击泥石流发生者分别认识鉴别，最后确定一最能代表泥石流流动状态的样品，称重、量体积，算出该泥石流样品的容重作为设计容重。
（5-2） 式中：G——总重量，kg； G1——桶重，kg； V——样品体积，dm3。 该方法简便易行，但随意性比较大。为免除较大的差错，调查者需2人以上，并分别在不同的地段对不同的目击者进行调查、验证。 二、泥石流设计流速 泥石流流速Vc是决定泥石流动力特性和防灾设计中一个最重要的参数。目前所采用的各种计算式大多是经验性的，使用时要结合地区特点综合考虑。 1.稀性泥石流流速计算 稀性泥石流流速计算大多基于表达一般水流恒定运动的谢才一曼宁公式，考虑泥石流运动阻力有一定的差别，进行适当修正而建。还有一类从泥沙动力平衡出发，根据泥石流所搬运的最大石块粒径计算泥石流流速。现推荐常用的公式供参考选择。 铁道部科学研究院西南研究所推荐为M.φ.斯里勃内依改进公式：
式中：mc——泥石流沟糙率系数；. a——阻力系数，泥石流修正系数，
，泥石流修正系数

、
——分别为泥石流容重和泥沙比重； R——泥石流水力半径； i——泥石流泥面比降。 该公式是较流行的一种稀性泥石流流速计算式，也适用于高含沙山洪。如作为一种估算，尤其对缺乏计算经验者来说，可用下式：
（5-3） 式中：dmax——沟床中最大的石块粒径,m。 在实际工作中，除用各种方法对计算出的流速作合理分板外，需结合实际工程及流域情况考虑。如确定溢流口尺寸、排导工程的规模、渡槽大小等，要考虑有无草木、巨砾阻塞的可能，这些都直接影响泥石流的排泄。从安全出发，设计流速宜小不宜大。吴积善等认为，稀性泥石流设计流速可参考下列范围：小型稀性泥石流3.5～5.0m/s，中型5～7m/s，大型7～9m/s，特大型9～11m/s。 2.黏性泥石流设计流速的计算 （1）甘肃省交通科学研究所、中国科学院兰州冰川冻土研究所（曾思伟等）公式：
式中：mc——糙率系数，mc=1/n n——糙率； H——泥深，m； i——沟床比降。 此式适用于西北地区黏性泥石流。 （2）云南东川蒋家沟黏性阵性泥石流流速计算式：

式中：dc——泥沙平均直径，mm。 此二式适用于东川地区高黏度阵性黏性泥石流的流速计算。 三、泥石流设计流量 泥石流设计流量Qcp是决定治理工程规模的重要参数。泥石流的产汇流过程远较洪水的产汇流过程复杂，各类泥石流的产汇流过程也各不相同， 因此在确定泥石流设计流量时既要考虑过去的情况，还要考虑治理中泥石流衰退的趋势，勿使设计流量过大，造成工程建设的浪费。 1. 洪痕调查法 （1）泥石流洪痕的确定，调查流量的计算在无实测泥石流流量资料的情况下，须在泥石流沟内尽可能查到新近的和历史上的泥石流的泥痕或最高泥（洪）痕的位置。调查断面应尽可能选择在沟道顺直，断面均一，沟床冲淤变化小，泥石流的理想流通段。有条件时可在桥梁等排导建筑物处或在沟床基岩出露段进行。泥痕的位置除调查者本身作合理性判断外，还需由目击泥石流发生者验证。最后根据各个断面资料分别算出泥石流流量，作合理性检查，确定泥石流的调查流量。流量Qc按下式计算：
式中：
——泥石流有效过流断面面积，m2；
——调查断面泥石流计算流速，m／s。 （2）泥石流经验频率的计算 在作泥石流洪痕调查时，同时访问当地年长的群众，调查各次泥石流发生的年代，以确定每次泥石流出现的机率，现行泥石流频率计算仍是借用洪水经验频率的计算式，即
（5-6） 式中：Pi——某次泥石流的经验频率； n——最早一次泥石流距今的年份数，a； mi——在n年内，按流量大小排队，该次泥石流的序号。 （3）设计流量计算根据上述经验频率按一般水文频率统计法，求得
、 Cv、Cs，泥石流设计洪峰流量Qcp，即可求得。
（5-7） 式中：KP——模比系数，查频率计算用表。 2. 清水流量修正法 （1）配方法在稀性泥石流或高含沙山洪中，水居主导地位，假定泥石流洪峰流量由清水洪峰流量叠加大量泥沙而形成，根据沙水比例，将清水流量扩大。便可求得稀性泥石流洪峰流量，即
式中：QCP——设计频率的泥石流流量，m3／s； QBP——相应频率清水洪峰流量，m3／s；
——泥石流修正系数。 （2）综合指数法 黏性泥石流形成原因和汇流过程均很复杂，影响其洪峰流量的自然因素众多，它比正常的清水洪峰流量大若干倍乃至数百倍， C.M.弗莱施曼经几十年研究，仍用倍比法计算，即泥石流洪峰流量为清水洪峰的K倍，倍比系数K的选择则纯粹依赖野外工作的经验，带有很大的主观性，即
在综合分析国内外调查及室内试验资料的基础上，王礼先等于1982年曾提出以下公式推求北京山区高含沙山洪及泥石流的洪峰流量：
（5-8） 式中：QBP——最大清水洪峰流量，m3／s； η——综合荒溪指数。决定于荒溪类型及荒溪流过区末端弯曲度K值。 3. 经验公式 云南东川蒋家沟泥石流观测试验站根据多年观测资料，分析得出下列的阵性黏性泥石流设计流量计算式（式中
为泥石流堵塞系数）：
其他一些地区也都根据本地区的资料建立了一些黏性泥石流流量计算式，如北京市政设计院作出了北京地区的计算式。 4. 实测法 在泥石流暴发频率很高的泥石流沟，现场观测泥石流流量并分析泥石流流量与暴雨强度的关系，而后根据设计暴雨推求泥石流设计流量是最为可靠的办法。 5. 泥石流治理的设计标准 （1）泥石流的设计频率问题上述所计算的泥石流设计流量，其设计保证率大多基于设计洪水的重现期，即视泥石流重现期与暴雨洪水的重现期一致。对多数暴雨型泥石流来说一般是正确的，但事实上有许多泥石流的重现期并不与洪水一致。 如1987年7月9日凌晨l时成昆铁路利子依达沟发生的暴雨泥石流，泥石流重现期为100年，而暴雨的重现期为50年；又如在1979年11月2日深夜发生的四川雅安陆王沟、干溪沟暴雨泥石流，暴雨和泥石流的频率分别为150年和200年。面对各种复杂的自然因素的人为因素，合理地而又较客观地确定泥石流发生频率是十分重要的。一船来讲，对每年都发生，甚至一年中发生多次的高频率泥石流，可视泥石流与暴雨同频率。对低频率泥石流，几年，甚至几十年才发生一次的泥石流，则要在仔细调查的基础上合理确定。对于特殊型泥石流则不能按暴雨频率确定，而须根据激发泥石流的主要因素去确定设计标准。 （2）设计标准问题 我国现在还没有一规范确定泥石流治理工程的设计标准。 四、泥石流冲击力 泥石流冲击力包括泥石流的整体冲压力和单个石块的冲击力。 第四节 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山洪与泥石流的一种主要工程措施，相当于日本沟道防沙工程中的固床工程。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1 000m3，以节流固床护坡为主。一般在小流域治理规划中，修筑梯级谷妨群-使成为一个有机的整体，其功效将更佳。 一、谷坊的作用 谷坊的主要作用有： 1. 固定与抬高侵蚀基准面，防止沟床下切 2. 抬高沟床，稳定坡脚。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。 谷坊的主要作用是防止沟床下切冲刷。因此，在考虑某沟段是否应该修建谷坊时，首先应当研究该段沟道是否会发生下切冲刷作用。 判别某沟段是否发生下切冲刷的因素有沟床的土壤、地质条件、植物生长情况、沟底坡度、流速、流量等。如果估算的沟床允许流速大于洪水时的天然流速，则不会发生冲刷，即无修建谷坊的必要。当沟床允许流速小于山洪流速时，将会发生下切冲刷，应考虑在该沟段修建谷坊。 二、谷坊的种类 谷坊可按所使用的建筑材料不同，使用年限不同.逶水性的不同，进行分类。 根据谷坊所用的建筑材料的不同，大致可分为以下几类： 1. 土谷坊； 2. 干砌石谷坊； 3. 枝梢（梢柴）谷坊； 4. 插柳谷坊（柳桩编篱）； 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。 根据使甩年限不同，可分为永久性谷坊和临时性谷坊。浆砌石谷坊、混凝土谷坊和钢筋混凝土谷坊为永久性谷坊，其余基本上属于临时性谷坊。按谷坊的透水性质，又可分为透水性谷坊与不透水性谷坊，如土谷坊、浆砌石谷坊、混凝土谷坊、钢筋混凝土谷坊等为不透水性谷坊，而只起拦沙挂淤作用的插柳谷坊等为透水性谷坊。 谷坊类型的选择取决于地形、地质、建筑材料、劳力、技术、经济、防护目标和对沟道利用的远景规划等多因素。由于在一条沟道内往往需连续修筑多座谷坊，形成谷坊群，才能达到预期效果，因此谷坊所需的建筑材料也较多，在当前中国山区经济尚不发达的情况下，往往需先考虑劳力和经济因素，选择能就地取材的谷坊类型，如当地有充足的石料，可修筑石谷坊，在黄土区则可修筑土谷坊。对于为保护铁路、居民点等有特殊防护要求的山洪、泥石流沟道，则需选用坚固的永久性谷坊，如浆砌石、混凝土谷坊等。 三、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F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。 四、谷坊设计 （一）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。实际调查资料证明，在谷坊淤满之后，其淤积泥沙的表面不可能绝对水平，而具有一定高度，叫稳定坡度，目前常用以下几种方法来估算谷坊淤土表面的稳定坡度 I的数值。 （1）根据坝后淤积土的土质来决定淤积物表面的稳定坡度，沙土为0.005；黏壤土为0.008；黏土为0.01；粗沙兼有卵石子者为0.02。 （2）按照瓦兰亭（Valentine）公式来计算稳定坡度：
（5-14） 式中：d——砂砾的平均粒径，m； H——平均水深，m。 瓦兰亭公式适用于粒径较大的非黏性土壤。 （3）认为稳定坡度等于沟底原有坡度的一半。例如，在未修建谷坊之前，沟底天然坡度为0.01。则认为谷坊淤土表面的稳定坡度为0.005。这种方法在日本用得最为广泛。 （4）修建实验谷坊，在实验性谷坊淤满之后实测稳定坡度。 根据谷坊高度H，沟底天然坡度I，以及谷坊坝后淤土表面稳定坡度In，可按下式计算谷坊间距L：
（5-15） 日本在确定沟道固床工程间距L时采用的经验公式如下： 对于狭窄沟道：
（5-16） 式中：n——沟床纵坡比的倒数。 对于宽沟道：
（5-17） 式中：b——沟宽。 （二）谷坊的断面规格 确定合适的谷坊断面，必须因地制宜，要考虑既稳固又省工，还能让坝体能充分发挥作用。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lm，常见的土谷坊断面尺寸的最小值（即选用时不允许减小）。 （三）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口（图5-4），土谷坊要在谷坊一端留溢口（图5-5）

图5-4 石谷坊溢水口示意图 图5-5 土谷坊溢水口示意图 第五节 拦砂坝 拦砂坝（Sediment Storage dam）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。拦砂坝多建在主沟或较大的支沟内，通常坝高大于5m，拦砂量在l03～1003m3以上，甚至更大。 一、拦砂坝的作用与坝址选择 拦砂坝通常设置于泥石流形成区或形成区——流通区沟谷内，是泥石流综合治理中的骨干工程. （一）拦砂坝的主要作用 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。 （二）坝址选择 1. 天然坝址的选择 在泥石流沟道上，可建立拦砂坝的坝址不多，要寻找理想的坝址更难。拦砂坝坝址的选择可参考以下原则： （1）地质条件坝址附近应无大断裂通过，坝址处无滑坡、崩塌，岸坡稳定性好，沟床有基岩出露，或基岩埋深较浅，坝基为硬性岩或密实的老沉积物。 （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，建坝后能形成较大的拦淤库容。 （3）建筑材料坝址附近有充足的或比较充足的石料、沙等当地建筑材料。 （4）施工条件坝址离公路较近，从公路到坝址的施工便道易修筑，附近有布置施工场地的地形，有可供施工使用的水源等。 2. 拦砂坝的布置 （1）与防治工程总体布置协调如与上游的谷坊或拦砂坝，下游拦砂坝或排导槽能合理地衔接。 （2）满足拦砂坝本身的设计要求 如以拦砂为主的坝，应尽量选在肚大口小的沟段，以拦淤反压滑坡为主的坝，坝址应尽量靠近滑坡。 （3）有较好的综合效益 如拦砂坝既能拦砂，又能稳坡.使一坝多用。 二、坝型选择拦砂坝的坝型主要根据山洪或泥石流的规模及当地的材料来决定 按结构分，主要坝型有以下几种： 1. 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（图5-7）。
图5-7　重力式拦砂坝结构图 2. 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（图5-8）。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。
图5－8　　切口坝结构示意图 3. 错体坝 错体坝将重力坝从中间分成两部分。并在平面上错开布置，主要用于坝肩处有活动性滑坡又无法避开的情况（图5-9）。坝体受滑坡的推力后可允许有少量的横向位移，不致造成拦砂坝破坏。
图5-9　错体坝平面示意图 4. 拱坝 拱坝可建在沟谷狭窄、两岸基岩坚固的坝址处。拱坝在平面上呈凸向上游的弓形，拱圈受压应力作用，可充分利用石料和混凝土很高的抗压强度，具有省工、省料等特点（图5-10）。但拱坝对坝址地质条件要求很高，设计和施工较为复杂，溢流口布置较为困难，因此在泥石流防治工程中应用较少。 5. 格栅坝 格栅坝是泥石流拦砂坝又一种重要的坝型（图5-11），近年发展得很快，出现了多种新的结构。格栅坝具有良好的透水性，可有选择性地拦截泥沙，还具有坝下冲刷小，坝后易干清淤等优点。格栅坝主体可以在现场拼装，施工速度快。格栅坝的缺点是坝体的强度和刚度较重力坝小，格栅易被高速流动的泥石流龙头和大砾石击坏，需要的钢材较多，要求有较好的施工条件和熟练的技工。 6. 钢索坝 钢索式拦砂坝是采用钢索编制成网，再固定在沟床上而构成的。这种结构有良好的柔性，能消除泥石流巨大的冲击力.促使泥石流在坝上游淤积。这种坝结构简单，施工方便，但耐久性差，目前使用得很少。 按建筑材料分。主要有以下几种： 1.砌石坝 可分为干砌石坝和浆砌石坝。 浆砌石坝属重力坝，多用于泥石流冲击力大的沟道，结构简单，是群众常用的一种坝型。 干砌石坝只适用于小型山洪沟道，亦为群众常用的坝型，断面为梯形，坝体系用块石交错堆砌而成，坝面用大平板或条石砌筑，施工时要求块石上下左右之间相互“咬紧”，不容许有松动、脱落的现象出现。 2.混合坝 可分为土石混合坝和木石混合坝。 （1）土石混合坝 当坝址附近土料丰富而石料不足时，可选用土石混合坝型。 坝的断面尺寸，在一般情况下，当坝高为5～10m时，上游坡为1：1.5～1：1.7，下游坡为1：2～1：2.5，坝顶宽为2～3m。 土石混合坝的坝身用土填筑，而坝顶和下游坝面则用浆砌石砌筑。由于土坝渗水后将发生沉陷，因此，坝的上游坡必须设置黏土隔水斜墙。下游坡 脚设置排水管，并在其进口处设置反滤层。图5-13为甘肃省天水地区群众常用的一种坝型。 （2）木石混合坝 在盛产木材的地区。可采用木石混合坝。木石混合坝的坝身由木框架填石构成。为了防止上游坝面及坝顶被冲坏，常加砌石防护。木框架一般用圆木组成，其直径大于0.1m，横木的两侧嵌固在砌石体之中，横木与纵木的连接采用扒钉或螺钉紧固。 3.铁丝石笼坝 这种坝型适用于小型荒溪，在我国西南山区较为多见。它的优点是修建简易，施工迅速，造价低。不足之处是使用期短，坝的整体性也较差。 图5-15为铁丝石笼坝的示意图。坝身是由铁丝石笼堆砌而成。铁丝石笼为箱形，尺寸一般为0.5m×1.0m×3.0m，棱角边采用直径12～14mm的钢筋焊制而成。编制网孔的铁丝常用10号铁丝。 为了增强石笼的整体性，往往在石笼之间再用铁丝坚固。 三、坝高与拦砂量的确定 （一）拦砂坝坝高的确定 拦砂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）拦砂坝的设计目标，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。坝高愈高，拦砂愈多，并能更有效地利用回淤来稳定上游滑坡崩塌体，每立方米坝体平均拦砂量是鉴别拦砂效益的重要指标。 （5）坝下消能设施。过坝山洪及泥石流的坝下消能设旅费用随坝高的增加而增加，为此在满足设计目标的前提下，一般以不修高坝为好。 一般拦砂坝分为： 小型拦砂坝坝高：5～10m 中型拦砂坝坝高：10～15m 大型拦砂坝坝高：>15m （二）拦砂量计算 拦砂量的设计可按下法推求：对坝高已定的拦砂坝库容的计算可按下列步骤进行： （1）在方格纸上给出坝址以上沟道以断面图，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液积面积。 （4）求出相邻两断面之间的体积，计算公式为
　　　　 　　（5-18） 式中：V——相邻两横断面之间的体积，m3； 　W1、W2——相邻横断面面积，m2； 　L——相邻横断面之间的水平距离，m。 （5）将各部分体积相加，即为拦砂坝的拦砂量。 四、拦砂坝的断面设计 拦砂坝的断面设计的任务是，确定既符合经济要塞又保证安全的断面尺寸，其内容包括：断面轮廓的初步尺寸拟定，坝的稳定设计和应力计算，溢流口计算，坝下冲刷深度估算，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。 表5-15 浆砌石坝断面轮廓尺寸 坝高 坝顶宽度 坝底宽度 坝 坡  （m） （m） （m） 上游 下游  3 1.2 4.2 1：0.6 1：0.4  4 1.5 6.3 l：0.7 1：0.5  3 2.0 9.O 1：0.8 1：0.6  8 2.5 16.9 1：1 1：0.8  10 3.0 20,5 1：1 1：1.8   表5-15提出的规格是指建在岩石基础上的溢流坝。当在松散的堆积层上建坝时，由于基底的摩擦系数小，必须用增加垂直荷重的方法来增加摩擦力，以保证坝体抗滑稳定性。增加垂直荷重的办法，是将坝底宽度加大，这样不仅可以增加坝体重量，而且还能利用上游面的淤积物作为垂直荷重。 日本防沙工程设计拦砂坝断面时.根据坝顶溢流水深h，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）h1 （5-19） 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 拦砂坝下游坝坡系数n可用下列公式估算：
（5-20） 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。初步确定上游坝坡系数m值可以利用表5-16。 （二）坝的稳定与应力计算 一座拦砂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，坝体绕下游坝趾的倾覆破坏；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。 （三）溢流口设计 溢流口设计的目的在于确定溢流口尺寸，即溢流口宽度B和高度H。其设计步骤如下： 1. 确定溢流口形状和两侧边坡 一般溢流口的形状为梯形（图5-19），边坡坡度为l：0.75～1：l。对于含固体物很多的泥石流沟道，可为弧形。
图5-19 溢流口形状 2. 计算坝址处设计洪峰流量 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。 泥石流泥痕调查法。其步骤如下： ①调查访问并确定历史上曾经发生过的泥石流最高泥痕位置； ②选取较顺直、冲淤变化不大的沟段进行泥石流过流断面的测量并计算其断面面积，平均泥深（过流断面除以相应最高泥水位的泥面宽度）及水力半径； ③在较顺直的沟段上选择几处泥痕（至少3处）。测定其比降。如果选择泥痕有困难，亦可用沟床比降代替； ④泥石流流量用下式推求：
（5-34） 式中：Qc—一泥石流流量，m3／s；
——过流断面积，m2；
——泥石流流速，m／s。 3.计算溢流口宽度 选定单宽溢流流量q（m3／s），估算溢流口宽度B。
（5-35） 4.计算山洪的流速 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h0，高含沙山洪的流速
采用下列公式计算：
（5-36） 式中：R、I——水力半径及水面纵坡，％;
——阻力系数；

式中：
——改正系数；
——山洪中固体物质比重，一般为2.4～2.7t／m3；
——山洪容重。 5.计算溢流口高度 计算溢流口高度
，
为超高，一般采用0.5～1.0m。 第六节 格栅坝 格栅坝，又名格栏坝，系指具有横向或竖向格栏网格和整体格架结构的挡拦泥石流新型坝，最适用于拦蓄含巨石、大漂砾的水石流，也可布置在黏性泥石流与洪水相间出现的沟道，而不适用于防治崩滑体和间发性泥石流 格栅坝的特点及类型 （—）格栅坝的特点 1. 拦排结合 变过去全挡拦为部分挡拦，允许部分不会对下游造成危害的水沙下泻.减少实体坝堆积水沙后因下泻清水造成坝下冲刷等危害，维持下游河道输沙平衡，保证河道稳定，确保下游安全。 2. 改善受力条件 小于格栏间隙的沙石在坝前一定距离内甚少堆积，在石块间不形成紧密结构，坝前堆积的巨石孔隙大，作用在坝体上的水压力与土压力均比实体坝小。另外，格栅坝是一种穿透式结构，承受的泥石流龙头冲击力比实体坝小。 3. 结构简单，用材省，而且现场组装，实现工厂化生产，缩短施工周期 （二）格栅坝的坝型 按结构受力型式可分为立体型和平面型两大类。 1. 平面型 结构简单。因系平面结构，整体抗弯能力较差，抗泥石流的冲击力较低， 拦截量有限，多适用于泥石流规模不大的泥石流沟，坝高多在8m以下，有无中支墩的，也有中支墩的。 2. 立体型 因采用立体框架，受力整体性强，承载力比平面型大，同时坝体内部空框能拦截大量泥石流石块，形成自然坝体，增加稳定件。这类坝，对大小泥石流沟均适用，坝高与净跨也比平面型大，国内设计净跨已达20m，坝高22m。 按建筑材料分，主要有以下几种： A. 钢筋混凝土格栅坝 当沟道中泥石流挟带的大石块比较多时，往往采用钢筋混凝土格栅坝。 B. 金属格栅坝 在基岩峡谷段，可修金属格栅坝。它具有结构简单、经济和施工快的特点。图5—23为我国华山北坡的金属格栅坝示意图。 这种坝的构造、格栅孔径的确定同于钢筋混凝土格栅坝。废旧的钢轨或钢管可作为格栅材料。为了增强格栅的强度，在沟谷比较宽的地方（例如大于8m），应在沟中增设混凝土或钢筋混凝土支墩。
图-23 金属格栅坝 1-钢轨或钢丝轨；2-块石混凝土支墩；3-混凝土 C. 混合型格栅坝 图5-11（a）展示的格栅坝是格栅坝最早和应用最多的结构型式。坝肩和支墩为砌石或混凝土实体，钢格栅或钢筋混凝土格栅支撑于上。图5-11（b）是这种格栅的另一种形式，它有更好的透水性和对拦截的泥沙有更好的选择性。图5-24所示的格栅坝的主体由杆件组合而成，这些杆件是钢或钢筋混凝土制成的，可进行工业化生产，降低拦砂坝的造价，在现场仅进行拼装，可大大加快施工速度。图5-25所示的钢拱格栅坝是近年在欧洲出现的，它有一定柔性，可适应坝肩和地基的变形。 第七节 山洪及泥石流排导工程 排导工程虽不能直接根治泥石流，但作为一种防御手段它仍是极其重要的工程措施。排导工程种类也不少，但在设计中它们有许多共同之处，这里仅阐述最常见的泥石流排导沟的设计。 1. 排导沟的平面形式 为使排导沟顺畅地排泄泥石流，应尽可能选择较大的设计纵坡。因此，按既定的地形、地物条件选好排导沟平面位置就显得十分重要。排导沟的平面布置形态大致有以下4种：直线形、曲线形、喇叭收缩形和扩散形（图5—26）。
图5-26 排导沟平面位置示意图 （a）直线形 （b）曲线形 （c）喇叭收缩形 （d）扩散形 （1）直线形 直线形排导沟是从山口沟岸泥石流堆积煽顶处开始直通主河，中间无转折，断面均一不变的一种排导沟。东川蒋家沟泥石流排导沟为典型的直线形排导沟。. （2）曲线形 因地形条件限制，或为保护某一建筑物而将排导沟绕道成弧线或中间有转折的平面形态，这种带转折和弧线的排导沟称为曲线形排导沟，如为保护兰州市区的大洪沟泥石流排导沟，即为曲线形。 （3）喇叭形 平面形态为上宽下窄的排导沟称为喇叭收缩形排导沟。上面的八字段是为了停积大石块或汇集几条支沟的泥石流集中排导，也有的是因天然沟口太宽而被迫修成喇叭口。甘肃武都火烧沟泥石流排导沟即属喇叭收缩形。 （4）扩散形 沟道上窄下宽的排导沟称扩散形排导沟。东川大桥河排导沟，上段宽lOm，下段宽15m，即属扩散形。 上述4种形态单独使用的机会不多，大多是几种形式的组合。排导沟因泥石流性质，地形地物条件不同及修建目标的差异而各具特色。 2. 排导沟的类型 根据挖填方式和建筑材料的不同，排导沟可分3种类型：挖填排导沟、三合土排导沟和浆砌块石排导沟。采用哪一种类型，应考虑荒溪的特性。 （1）挖填排导沟挖填排导沟是在冲积扇上按设计断面开挖或填方修筑起来的排导沟，它具有结构简单、可就地取材、易于施工、节省投资等优点。在泥石流荒溪的冲积扇上可采用这种类型。 挖填排导沟的断面形式有3种：梯形断面、复式断面和弧形断面。新开挖的排导沟，排泄流量不大者，多采用梯形断面；流量较大者则采用复式断面和弧形断面。 （2）三合土排导沟 排导沟的土堤系以土、砂和石灰（比例为6：3：1）的混合物，分层填筑，夯实而成。它适用于高含砂山洪趣如甘肃武都的郭家门前沟三合土堤（图5—27）。 （3）浆砌块石排导沟适于排泄冲刷力强的山洪。浆砌石衬的方式主要有两种：一种是边坡衬砌；另一种是边坡与沟底均衬砌（图5-28）。浆砌块石衬砌多用于半挖半填的排导沟中，这样，既经济又安全，衬砌厚度一般为0.3～0.5m。 3. 排导沟的防淤措施和断面设计 （1）防淤措施：排导沟设计要保证排泄顺畅，既不淤积，又不冲刷，为了防治淤积应注意以下几点： ①修建沉沙场泥石流进入排导沟后，往往由于沟内洪水很小，很容易将固体物质淤积在排导沟中。针对这种情况，最好的办法是在冲积扇上筑沉沙场。 ②选择合适纵坡排导沟是否发生冲淤与其纵坡大小关系密切。根据各地经验，对一般高含沙山洪沟道，流体容重小于1.5t／m3的情况下，纵坡为3.0％～4.0％。对于泥石流荒溪（流体容重大于1.5t/m3时，纵坡为4.0％～15.0 %，泥石流容重愈大，则纵坡愈大。在确定排导沟纵坡时，除了考虑流体容重以外，还应考虑固体物质尺寸。尺寸愈大，纵坡应愈大。 ③合理选择沟底宽度除纵坡外，底宽也是影响冲淤的因素之一。底宽过大，泥石流的流速就变小，固体物质容易在沟道中淤积。 ④排导沟的出口衔接排导沟与大河衔接时，除了应注意平面布置外，应保证出口标高高于同频率的大河水位，至少也要高出20年一遇的大河洪水位。 第八节 沉沙场设计 在荒溪内及冲积扇上拦蓄泥沙右两种方法，一类是垂直方向的，如拦砂坝（或淤地坝）；另一类是水平方向，即沉沙场（又名停淤场）。 沉沙场在日本称为“堆砂地”，在奥地利称为“Ablagerungsplatz”（沉积地）。 沉沙场的作用主要是拦蓄沙石。在严重风化地区、严重地震地区以及坡面重力侵蚀发展严重的地区，当山洪中可能挟带沙石很多而又没有其他方法可用时，可在坡度较缓的冲积扇上修筑沉沙场，减少排导沟的淤积。 1. 沉沙场规划布置 在规划沉沙场时要考虑以下几点： （1）山坡陡峻，坡面侵蚀作用强烈的荒溪流域，山洪中可能挟带很多泥石，在这类沟道中除修筑拦砂坝外，还可修筑沉沙场。 （2）沉沙场可选在坡度较小的沟段修筑。例如，可设在坡度变化点以下。当沟道宽度大时，流速减小，可减少山洪对沙石的推移力，从而促进沙石淤积下来。也可将沉沙场设在沟道出山谷后I的冲积扇上。 （3）在沉积区修建沉沙场时，由于淤积作用强烈，有些地段可能造成沟底高于两岸以外的田地、房舍等现象。因此，在淤积作用强烈而又可能危及农田、房舍的沟段不宜设置沉沙场。 （4）在沉沙场被淤满沙石后，可以另选场地设置一个新的沉沙场。在缺乏新场地时，就必须清挖已淤积的沙石。因此，在选择沉沙场的位置时，应选择开挖沙石易于运出的地点。在不能与现在道路连接的地点修筑沉沙场时，则应规划运输道路。 2. 沉沙容量的确定 在确定沉沙场的容量时，要对流域的地质、地形、坡度、植被等情况进行充分的调查研究，并计算出山洪中所挟带的沙石数量，按每年1次或2次的挟沙量来决定沉沙场的容量（开挖运输容易的按每年1次挟沙量设计，否则按每年2次设计）。 奥地利学者R.Hampel于1980年提出用以下经验公式计算山洪或泥石流的一次挟沙量：
（5-52） 式中：M——山洪或泥石流一次挟沙量，m3； E——流域面积，km2； h100——百年一遇最大日雨量，mm；
——径流系数。农地0.55，林地0.3，牧场0.65，砾石坡0.2，基岩0.8； J——冲积圆锥表面比降，％； Hu——沟口的海拔高度，m； S——悬移质含量（阿尔卑斯山中部S=0.66，石灰岩山区S=0.8）； l——底沙运输距离，km。此公式系根据118条荒溪的调查数据得出。 日本建设省河川局砂防部公布的一次山洪或泥石流的挟沙量。 第六章 拱坝 拱坝在平面上呈拱形，可由混凝土及浆砌石筑成，其荷载主要借助拱的作用传给两岸，拱内主要是压应力，这样能充分发挥材料的抗压强度，故其断面尺寸比重力坝小。所以，拱坝具有工程量小，投资少、工期短、见效怯等优点，在小流域治理及泥石流防治中应用广泛。 近年来，我国各地修建了不少中小型拱坝，在坝型、材料、地基处理、施工等方面积累了不少经验。高拱坝也有了很大的发展，河南省某浆砌石拱坝，坝高达95m。 第一节 拱坝的修建特点及修建条件 一、拱坝对坝基及坝头的要求 拱坝对基础（包括两岸拱座）地质条件的要求比重力坝严格，若地基岩石发生变形时，则对拱坝的影响很大。因此，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。同时应避开倾向下游的层状岩层和岩性剧烈变化的夹层! 坝的两端嵌入基岩内，因此对两岸坝头岩体的稳定要求较高。如果坝头岩石节理、裂隙的走向为顺河流方向及下游斜入河床，对拱坝稳定最不利。特别是倾角与岸坡坡角近似一致的节理、裂隙，拱坝很容易沿着这组节理面破裂，因此必须对坝头岩石的节理、裂隙进行认真地研究。 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作用传给河底。因此一般要求建在狭窄河谷（形状最好是对称三角形）。如果河谷过宽时，拱的作用就不大，坝体厚度要增加，则不经济，通常以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），来判断是否适宜修建拱坝，即： 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，则认为修建拱坝不经济，但也不是绝对的，目前有的工程在L/H=7～1l时，也有修拱坝的。
图6—1 不同地形建坝示意图 （a）河谷一岸较平缓 （b）河谷有部分深槽 当天然地形不够理想时，也可进行人工处理，如河谷一岸比较平缓时，可作重力坝段或重力墩形成支座，如果河谷部分为一深槽也可用浆砌石做垫座，上部做成拱坝（图6-1）。 应当指出的是，当L/H的比值相同，河谷形状不同，拱所发挥的作用也是不一样的；三角形河谷，拱自上而下可以较充分发挥作用；矩形河谷，在靠近底部时，拱的作用显著减小，绝大部分荷载需靠悬臂梁负担；梯形河谷，拱的作用介于上述两者之间。 三、拱坝的分类 按拱和悬臂梁分摊荷载的比例来分类，拱坝可分为薄拱坝、拱坝和重力拱坝等。一般认为当坝底厚度T和最大坝高H的比值T/H<l0%时，为薄拱坝；T/H=10%～40%，为拱坝；T/H=40%～60%时，为重力拱坝（图6-2）；当T/H=60%～80%时，则属于重力坝了。
图6-2 拱坝断面图 第二节 拱坝断面的拟定和平面布置 设计拱坝时，一般是先拟定断面尺寸和平面布置，然后进行稳定计算和应力分析，经反复比较后，定出适宜的断面尺寸和平面布置。 一、断面选择 1. 拱圈厚度可先利用圆筒公式确定拱圈厚度T（图6-3）。
图6-3 拱圈厚度计算 假设环内只有轴向压力没有弯矩，则根据平衡条件可以得出以下公式：

式中：P——所求拱圈的水压力，t/m2，（P＝
，其中
为水的容重， h为水深）； 2l——河谷宽度，m；
——允许压应力，t/m2，因忽略的因素多，应取偏小数值；
——中心角之半，°； R——拱圈外半径，m。 2. 最有利的中心角 最有利的拱圈中心角2l，应使拱圈的体积（
）最小。按圆筒公式让簋，当
时，拱的体积最小，但因大中心角在实地布置时有困难，两岸岩石开挖太多，而且稳定性差，所以一般用的是
。 3.拱的半径 拱的半径，要根据地形、地质及施工条件而定，可用下式计算：
（6-2） 式中：l——河谷宽度的1/2，m。 二、拱坝的平面布置 拱坝的平面轮廓因地形条件的不同，大致有以下几类形式： 1. 等半径拱坝 等半径拱坝在各个高程上拱圈的外半径（R）都相同，有垂直的上游面及倾斜的下游面。这种拱坝施工较简单，但工程量大，应力分布不太均匀，最大应力发生在距底部l/3高度范围内，拉力大，不便于坝顶溢流。在U形河谷，各层拱的中心角和内半径都差不多，可采用定圆心等外半径拱坝（图6-4）。
图6-4 定圆心等外半径拱坝（适用U形河谷） 在梯形河谷由于下部较窄，若圆心不变，拱的中心角就很小，不够经济；故可采用定外圆心，等外半径，而变内圆心，变内半径的拱坝（图6-5），这种拱圈的厚度是变化的（从拱冠向拱端渐增）。
图6-5 变内圆心变内半径拱坝（适用梯形河谷） 2. 等中心角拱坝（图6-6） 这种坝各层的拱圈，都具有相同的最有利的中心角，其工程量省，坝体应力分布均匀，且比较小，最大应力发生于基础层（即距底部1/3坝高内），适宜在V形河谷修建。坝的上游面多发生倒悬，特别是靠近岸坡处更为严重，结构不够稳定，施工复杂，坝身溢流不便，故采用较少。
图6-6 等中心角拱坝（适用于V形河谷） 3. 变半径变中心角拱坝（如图6-7） 为避免等中心角拱坝上游面形成过大的倒悬与扭曲，可将中心角从拱顶向下逐渐减少（约小至70。～90。），即为变半径变中心角拱坝。它适用于三角形或梯形河谷修建。这种坝应力分布不够均匀，最大应力发生于下部l/3坝高范围内，且拉应力较大，坝顶溢流也不便，施工难易及工程量介于前述二者之间。
图6-7 变半径变中心角拱坝（适用于三角形或梯形河谷） 4.双向弯曲拱坝（图6-8） 双向弯曲拱坝的上下游面，在竖向和横向都呈曲面，刚度较大，应力分布比较理想。坝身顶部下挑，适于坝顶溢流。但这种坝型施.工复杂，仅有少数在薄拱坝（B< 0.1H）中采用。
图6-8 双向弯曲拱坝（适用：于薄拱坝） 三、拱坝平面布置步骤 下面举一实例说明拱坝的布置步骤： 图6-9为某沟谷平面图，拟建一座20m高浆砌石拱坝，坝顶高程120m，坝基高程100m，上游最高水位与坝顶齐平。坝筑材料用的块石标号为800号，砂浆标号为75号，浆砌石的容许应力为26kg/cm2。试拟确定拱的剖面，并进行平面布置。
图6-9 拱坝平面布置图 具体布置步骤如下： （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 A1和A1′，见图6-9（a）。作A1A1′的垂直平分线OO′，与A1A1′相交于O1点。根据工作经验选用适当的中心角，这里取
，作∠O1A1O=90°-124°/2=28°，A1O与OO′的交点就是拱坝的圆心。再取OA。为半径，R=25m.以O为圆心，作上游圆弧。 根据构造要求，选定坝顶厚度T=2.0m，再以（R—T）为半径.以O为圆心，作下游圆弧。则A1A1′A2A2′就是坝顶高程的拱圈，见图6-9（a）所示。在布置这一高程拱圈时，应检查一下拱端A1A2和A1′A2′是否落在新鲜岩石上。 （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。 在本例中，坝基处上游水深20m，若不记泥沙压力，则P=20t/m2。由于未考虑拱圈截面上应力分布的不均匀性，暂按材料容许应力的一半估算，即（
。代入公式得：
，取坝基厚度T=3m，基本剖面图见图6-9（d）。 （3）其他拱圈的布置 将基本剖面沿高度分为四等分，得5个拱圈，即 ▽120、▽115、▽110、▽105和▽l00。布置▽115拱圈的方法如下：见图6-9（b）。用同一圆心和外半径绘制▽115拱圈的上游圆弧B1B1′，其下游面圆弧半径R′=R-T2=25=2.5=22.5m。仍以O为圆心，绘制下游圆弧B2B2′，则 B1B1′B2B2′就是▽115的拱圈平面，其中心角由平面图上量出为117°。拱端B1B2和B1′B2′也落到新鲜基岩上。 重复上述步骤，可做出▽110、▽105和▽l00的拱圈平面见图6-9（c）。 （4）绘制拱坝的平面图 将各高程拱圈的下游端点A2B2C2D2E2和A2′B2′C2′D2′E2′连接起来.就得到拱圈平面图见图6-9（f），各拱圈的半径、中心角和厚度如下： 拱圈高程（m） 120 115 1l0 105 100  外半径R（m） 25 25 25 25 25  中心角
（°） 124 117 110 102 97  厚度T（m） 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0   必须注意，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。 第三节 拱坝的应力分析 一、拱坝的计算特点 应力分析是拱坝设计的一项重要工作，常用方法有纯拱法和梁拱法。 纯拱法：是假定拱坝由一系列的拱环所组成，而日.假定各拱环之间互不影响，因此把它当成独立的拱进行计算（图6-10）。这种方法比较简便，但计算结果与实际情况不尽相符.故仅适用于小型工程和初步计算时应用。
图6-10 纯拱法示意图 梁拱法：也叫试载法，认为拱坝由一系列的水平环拱所组成，其荷载由拱和梁共同负担（图6-11）。这种方法理论上比纯拱法完善，但计算繁杂。有时可进一步简化为拱冠梁法，只取拱冠处一根梁参加试载法计算，这种方法在拱坝设计中应用较多。
图6-11 梁拱法示意图 作用在拱坝上的荷载及其特点： （1）坝体自重薄拱坝和拱坝可不考虑此项荷载，但重力拱坝则不能忽略。 （2）渗透压力 重力拱坝应考虑此项荷载，薄拱坝和拱坝可忽略不计，但当坝面出现裂缝时，则应考虑渗透压力对应力分布的影响。 （3）泥沙压力水库泥沙淤积较大时，应作为主要荷载。 （4）水压力是拱的基本荷载。 （5）温度应力 由于拱坝两端固定在两岸基岩上，当外界温度发生变化时，不允许拱圈自由收缩，则在坝体内产生拉应力，即温度应力，其变化对拱坝影响很大，是主要荷载。 （6）地震力 作为特殊荷载计算。 地基变位对坝身应力的影响也应该计入。 荷载组合：与重力坝计算相似。其特点是水压力、温度荷载为主要荷载，自重泥沙压力和渗透压力等也要考虑。非常情况时，应再加入地震力。 二、应力计算 砌石拱坝的材料允许应力目前尚无统一规范，它不仅与材料的极限抗压强度和荷载组合有关，同时与应力分析方法、砂浆标号及施工工艺水平有关，一般情况下不允许出现拉应力，设计容许压应力为10～20kg/cm2，但实践中有些工程也超过此界限，如河南、四川等省已建成并正常运行的砌石拱坝，其校核最大压应力为56 k/cm2，拉应力为5～10 kg/cm2，因此，砌石拱坝的允许应力，可参考当地已建成工程情况，全面分析后选定。 第四节 坝头基岩的滑动稳定分析和重力墩的设计 一、基岩的滑动稳定分析 拱坝是一个推力、空间整体结构，只要基岩的稳定条件良好-，就不会从坝底接触面或坝体内产生滑动，否则就会因局部稳定性不足而造成基础变形，产生附加应力，造成大坝失事。 （一）基岩危险滑动面的分析 岩石节理裂隙的走向、倾角是决定是否成为危险滑动面的丰要因素。见图6-12，当节理裂隙平行于河流方向，或向河中倾斜，则这些节理裂隙对稳定是不利的，有可能沿节理面滑动。当节理裂隙是沿着拱弧方向时，一般不影响坝头基岩的稳定。
图6-12 基岩滑动面示意图 基岩滑动时，至少有3个面和岩体脱离。如果基岩是层状的，而且各倾向上游或下游，并与其他节理或断层组成滑动面，这些节理裂隙可能是连续的，也可能是间断的，见图6-13、图6-14所示。设计时需要考虑滑动岩体的重量W和滑动面上的扬压力U，见图6-15所示。
图6-13 连续节理滑动面
图6-14 不连续节理滑动面
图6—15基岩滑动面受力 坝址两岸山坡陡峻，其天然稳定性较低。在施工时由于基础开炸，可能使一些节理张开或产生新的节理。建坝以后，岸坡承受巨大的拱推力和渗透压力，岸坡也可能不稳定。 宽阔的河谷，岸坡比较平缓，其天然稳定性比较好。基岩上承受的力，一部分由于梁的作用传到河谷底部，如果基岩没有断层和软弱层，则其岸坡稳定一般问题不大。 （二）稳定分析的计算 进行基岩危险滑动面分析后，即可选择稳定性较差的那一部分来 进行核算：先算出危险滑动面附近梁底和拱端的力系，并求出合力、滑动岩体的重量，然后核算出安全系数K是否满足要求。如果在滑动面上考虑黏着力的作用，则应考虑灌浆处理后的效果。如果对局部稳定的核算没有十分把握，应再对拱坝的整体稳定进行核算。 第五节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（图6-21）。
图6-21 坝顶构造示意图 砌石拱坝应注意上游面的防渗问题，可考虑加做一道混凝土防渗面板。对低坝也可用100号水泥砂浆勾缝防渗。 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。 三、坝与地基及两岸的连接 根据拱坝的结构及传力特点，坝与地基及两岸的连接应牢固可靠，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。基础清至岩面后，应将岩石表面泥沙污垢冲洗干净，浇筑一层混凝土垫层后，便可进行坝体砌筑，为了防止基础渗漏在上游面应设置截水齿墙，并在其下作帷幕灌浆。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，拱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6-22（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6-22（b））。
图6-22 拱坝与两岸连接 拱坝坝址河谷狭窄。不宜开掺溢洪道。名采用坝顶溢洪。坝顶溢流可分为自由跌落式和挑流式两种，前者构造简单，但挑流距离较近，后者挑射距离较远，但构造较复杂，为避免下泄水流冲刷坝基，应对坝基附近岩石进行保护。 第七章 淤地坝 淤地坝系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。据调查陕西省佳县仁家村的淤地坝已有150多年的历史，山西省离石县贾家塬的淤地坝已有200多年的历史。新中国成立以来，在黄河中游地区已修建淤地坝 l0余万座，淤出坝地20万hm2以上，对发展农业生产，控制入黄泥沙都发挥了重要作用。打坝淤地的技术有了新的发展，在夯碾坝的基础上，50年代试验成功了水中填土法筑坝，随之在华北和西北黄土地区又试验成功了定向爆破坝的水力冲填坝。为淤地坝建设提供了良好的条件。 第一节 淤地坝的组成、分类与作用 一、淤地坝的组成及其适用特性 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。随着坝内淤积面的逐年提高，坝体与坝地能较快地连成一个整体，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，其布置形式见图7-1所示。坝体是横拦沟道的挡水拦泥建筑物，用以拦蓄洪水，淤积泥沙，抬高淤积面。溢洪道是排泄洪水建筑物，当淤地坝洪水位超过设计高度时，就由溢洪道排出，以保证坝体的安全和坝地的正常生产。放水建筑物多采用竖井式和卧管式，沟道常流水，库内清水等通过放水设备排泄到下游。反滤排水设各是为排除坝内地下水，防止坝地盐碱化，增加坝坡稳定性而设置的。淤地坝设计、施工、管理技术与水库有相同的方面，也有不同的方面。淤地您在构成上也要求大坝、溢洪道和放水涵管.“三大件”齐全，但由于它主要用于拦泥而非长期蓄水，因此，淤地坝比水库大坝设计洪水标准低，坝坡比较陡。对地质条件要求低，坝基、岸坡处理和背水坡脚排水设施简单。淤地坝在设计和运用上一般可不考虑坝基渗漏和放水骤降等问题。
图7-1淤地坝示意图 1-坝体；2-排水体；3-溢洪道； 4-竖井；5-排洪粱；6-防洪堤 二、淤地坝的分类和分级标准 （一）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。 （二）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。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m3） 坝 高 （m） 单坝淤地面积 （亩） 控制流域面积 （km2）  大 型 500～100 >30 >150 >15  中 型 100～10 30～15 150～30 15～l  小 型 <10 <15 <30 <l  三、淤地坝设计洪水标准 淤地坝建设中存在的一个突出问题是容易被洪水冲毁。据调查，1973年陕西省延川县大雨，淤地坝被冲毁了3300名座；1977年陕北、晋西大雨，冲毁淤地坝2万多座，造成了很大的经济损失。毁坝原因，除有些地方淤地坝的质量不合要求外，其主要原因还是淤地坝的设计洪水标准偏低，一般采用 l0年一遇或20年一遇。1977年8月陕西省绥德县韭园沟淤地坝冲毁252座，其中由于溢洪道的排洪能力小，洪水漫顶而使淤地坝冲毁的达94%。但是提高设计洪水标准，必然要加大淤地坝建筑费用，因此确定经济合理的淤地坝洪水设计标准是十分重要的。目前我国还没有统一标准。拦洪坝主要作用是滞洪削峰，保护下游淤地坝及小水库和村镇的安全，拦洪坝随着洪水泥沙的淤积坝后期将逐步淤满而成为淤地坝。拦洪坝是坝系防洪拦沙的骨干工程，应与水库防洪标准相同，又因其兼具拦泥特点，亦应考虑有一定的设计淤积年限。 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。表7-4为山西省水土保持研究所对小流域拦泥淤地情况的调查结果，在几个已形成川台化的小流域中，坝系布设密度平均为4.4座/km2，发展坝地51.7亩/km2，年拦泥量占平均年来泥量的55.4%，有效地控制了泥沙下泄。为此可将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。 第二节 淤地坝工程规划 工程规划应在小流域坝系规划的基础上，按照工程类型（拦洪坝、小水库等）分别进行工程规划。具体内容包括确定枢纽工程的具体位置，落实枢纽及结构物组成，确定工程规模，拟定工程运用规划，提出工程实施规划、工程枢纽平面布量及技术经济指标，并估算工程效益。 一、坝系规划原则与布局 在一个小流域内修有多种坝，有淤地种植的生产坝，有拦蓄洪水、泥沙的防洪坝，有蓄水灌溉的蓄水坝，各就其位，能蓄能排，形成以生产坝为主，拦泥、生产、防洪、灌溉相结合的坝库工程体系，称为坝系。 合理坝系布设方案，应满足投资少、多拦泥、淤好地，使拦泥、防洪、灌溉三者紧密结合为完整的体系。达到综合利用水沙资源的目的，尽快实现沟壑川台化。为此，首先必须做好坝系的规划。 （一）坝系规划的原则 1. 坝系规划必须在流域综合治理规划的基础上，上下游、干支沟全面规划，统筹安排。要坚持沟坡兼治、生物措施与工程措施相结合和综合、集中、连续治理的原则，把植树种草、坡地修梯田和沟壑打坝淤地有机的结合起来，以利形成完整的水土保持体系。 2. 最大限度地发挥坝系调洪拦沙、淤地增产的作用，充分利用流域内的自然优势和水沙资源，满足生产上的需要。 3. 各级坝系，自成体系，相互配合，联合运用，调节蓄泄，确保坝系安全。 4. 坝系中必须布设一定数量的控制性的骨干坝、安全生产的中坚工程。 5. 在流域内进行坝系规划的同时，要提出交通道路规划。对泉水、基流水源，应提出保泉、蓄水利用方案，勿使水资源埋废。坝地碱化影响产量，规划中拟就防治措施，以防后患。 （二）坝系布设 坝系布设由沟道地形、利用形式以及经济桔术卜的合理性与可能性等因素来确定，一般常见的有以下几种： 1. 上淤下种，淤种结合布设方式 凡集水面积小，坡面积治理较好，洪水来源少的沟道，可采取由沟口到沟头，自下而上分期打坝方式，当下坝淤满能耕种时，再打上坝拦洪淤地，逐个向上发展，形成坝系。在一般情况下，上坝以拦洪为主，边拦边种，下坝以生产为主，边种边淤。 2. 上坝生产，下坝拦淤布设方式 在流域面积较大的沟道，坡面治理差，来水很多，劳力又少的情况下，可以采取从上到下分期打坝的办法，待上坝淤满利用时，再打下坝，滞洪拦淤，由沟头直打到沟口，逐步形成坝系，坝系的防洪办法是在上坝淤成后，从溢洪道一侧开挖排洪渠，将洪水全部排到下坝拦蓄，淤淀成地。 3. 轮蓄轮种，蓄种结合布设方式 在不同大小的流域内，只要劳力充足，同时可以打几座坝，分段拦洪淤地，待这些坝淤满生产时，再在这些坝的上游打坝，作为拦洪坝，形成隔坝拦蓄，所蓄洪水可浇灌下坝，待上坝淤满后，由滞洪改为生产，接着加高下坝，变生产为滞洪坝，这种坝系交替加高，轮蓄轮种，蓄种结合。 4. 支沟滞洪，干沟生产布设方式 在已成坝系的干支沟中.干沟坝以生产为主，支沟以滞洪为主，干支沟各坝应按区间流域面积分组调节，控制洪水，达到拦、蓄、淤、排和生产的目的。这种坝系调节洪水的办法是：干支沟相邻的2～3个坝作为一组，丰水年时可将滞洪坝容纳不下的多余洪水漫淤牛产坝进行调节，保证安全渡汛。 5. 多漫少排，漫排兼顾布设方式 在形成完整坝系及坡面治理较好的沟道里，可通过建立排水滞洪系统，把全流域的洪水分成两部分，大部分引到坝地里，漫地肥田，小部分通过排洪渠排到坝外漫淤滩地。布设时在坝系支沟多的一侧挖渠修堤，坝地内划段修挡水埂，在每块坝地的围堤上端开一引水口进行漫淤，下端开一退水口，把多余的洪水或清水通过排洪渠排到坝外。 6. 以排为主，漫淤滩地布设方式 对于一些较大的流域往往由于洪水较大，所有坝地不能吃掉大部洪水时，就采取以排为主的方式，有计划的把洪水泥沙引到沟外。漫淤台地、滩地，其办法主要通过坝系控制，分散来水，将洪水由大化小，由急化缓，创造控制利用洪水的条件，把排洪与引洪漫地结合起来。 7. 高线排洪，保库灌田布设方式 在坝地面积不多的乡或者有小水库的沟道，为了充分利用好坝地或使水库长期运用，不能淤积，可以绕过水库、坝地，在沟坡高处开渠，把上游洪水引到下游沟道或其它地方加以利用。 8. 隔山凿洞。邻沟分洪布设方式 在一些流域面积较大且坡面治理差的沟道，虽然沟内打坝较多，但由于洪量太大，坝系拦洪能力有限，或者坝地存在严重盐碱化和排洪渠占用坝地太多等原因，既不能有效地拦蓄所有洪水，又不能安全向下游排洪。在这种情况下，只要邻近有山沟，隔梁不大，又有退洪漫淤条件.就可开挖分洪隧河，使洪水泄入邻沟内，淤漫坝地或沟台地，分散洪水，不致集中危害，达到安全生产，合理利用。 9. 坝库相间，清洪分治布设方法 这种利用形式就是在沟道里能多淤地的地方打淤地坝，在泉眼集中的地方修水库，因地制宜地合理布置坝地和水库位置。具体布设有以下3种形式： （1）“拦洪蓄清”方式 在水库上游只建设有清水洞而不设溢洪道的拦洪坝。拦洪坝采取“留淤放清,计划淤种”的运用方式，而将清水放入水库蓄起。 （2）“导洪蓄清”方式 当洪水较大或拦洪坝淤满种植后，洪水必须下泄时，可选择合适的地形，使拦洪坝（或淤地坝）的溢洪道绕过水库，把洪水导向水库的下游。 （3）“排洪蓄清”方式 当上游无打拦洪坝条件时，可以利用水库本身设法汛期排洪，汛后蓄清水。方法是在溢洪道处安装低坎大孔闸门或用临时挡水土埝。汛期开门（扒开埝土），洪水经水库穿堂而过，可把泥沙带走，汛后关门（再堆土埝）蓄清水。 （三）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3种： （1）先支后干 符合先易后难、工程安全和见效快的原则。 （2）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。 （3）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。 2. 坝系中建坝的顺序 坝系中打坝的先后，直接影响到坝系能否多快好省地形成。不论是干系、支系和系组，建坝的顺序有两种； （1）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。 （2）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，初期防洪能力较差立。 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5～7km/ km2，沟道比降2%～3 9%，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/km2，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。 二、坝址选择 坝址的选择在很大程度上取决于地形和地质条件，但是如果单纯从地质条件好坏的观点出发去选择坝址却是不够全面的。选择坝址必须结合工程枢纽布置、坝系整体规划、淹没情况和经济条件等综合考虑。一个好的坝址必须满足拦洪或淤地效益大、工程最小和工程安全3个基本要求。在选定坝址时，要提出坝型建议。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黏土山坡。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、沙、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。采用水坠坝时应有足够的水源，在施工期间所能提供的水源应大于坝体土方量。坝址应尽量向阳，以利延长施工期和蒸发脱水。 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。 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。 三、设计资料收集与库容曲线绘制 （一）设计资料收集 进行工程规划时，一般需要收集和实测如下资料： 1. 地形资料 包括流域位置、面积、水系、所属行政、地形特点。 （1）坝系平面布置图 在1：10 000地形图标出。 （2）库区地形图 一般采用l：5 000或l：2 000的地形图。等高线间距用2～5m，测至淹没范围l0m以上。它可以用来计算淤地面积、库容和淹没范围，绘制高程与地面积曲线和高程与库容曲线。 （3）坝址地形图 一般采取1：1 000或1：5 000的实测现状地形图，等高线间距0.5～1m，测坝顶以上l0m。用此图规划坝体、溢洪道和泄水洞，估算大坝工程量，安排施工期土石场、施工导流、交通运输等。 （4）溢洪道、泄水洞等建筑物所在位置的纵横断面图 横断面图用l：100～1：200比例尺；纵断面图可用不同比例尺。这两种图可用来设计建筑物估算挖填土石方量。 上述各图在特殊情况下，可以适当放大和缩小。规划设计所用图表，一般均应统一采用黄海高程系和国家颁布的标准图式。 2. 流域、库区和坝址地质及水文地质资料 （1）区域或流域地质平面图 （2）坝址地质断面图 （3）坝址地质构造，河床覆盖层厚度及物质组成，有无形成地下水库条件等。 （4）沟道地下水、泉逸出地段及其分布状况。 3. 流域内河、沟水化学测验分析资料 包括总离子含量、矿化度（mL/g）、总硬度、总碱度及pH值在区域变化规律，为预防坝地盐碱化提供资料。 4. 水文气象资料 包括孤水、暴雨、洪水、径流、泥沙情况，气温变化和冻结深度等。 5. 天然建筑材料的调查 包括土、沙、石、砂砾料的分布，结构性质和储量等。 6. 社会经济调查资料 包括流域内人口、经济发展现状、土地利用现状、水上流失治理情况。 7. 其他条件 包括交通运输、电力、施工机械、居民点、淹没损失、当地建筑材料的单价等。 （二）集水面积测算及库容曲线绘制 1. 集水面积计算法 计算集水面积的方法很多，一般淤地坝的控制集水面积可用求积仪法、几何法、经验公式法。 （1）求积仪法采用求积时，要注意校核仪器本身的精度和比例，一般将量出图上的面积乘以地形图比例尺的平方值，即得集水面积。 （2）方格法 用透明的方格纸铺在划好的集水面积平面图上，数一下流域内有多少方格，根据每一个方格代表的实际面积，乘以总的方格数，就得出集水总面积。 （3）经验公式法
（7-1） 式中：F——集水面积，m2； L——流域长度，m； f——流域形状系数。狭长形0.25，条叶形0.33，椭圆形0.4，扇形0.50。 2. 淤地坝坝高与库容、面积关系曲线绘制法 淤地面积和库容的大小是淤坝工程设计与方案选择的重要依据，而它又是随着坝高而变化的，确定其值时，一般采用绘制坝高与淤地面积和库容关系曲线，以备设计时用。绘制的方法有等高线法和横断面法。 （1）等高线法 利用库区地形图，等高距按地形条件选择，一般为2～5m。计算时首先量出各层等高线间的面积，再计算各层间库容及累计库容，然后会出坝高—库容及坝高—淤地面积关系曲线。相邻两等高线间的体积为：
式中：Vn—相邻两等高线之间的体积，m3； Fn、Fn+1——相邻两等高线对应的面积，m2； Hn——两相邻等高线的高差，m。
图7-2 某淤地坝坝高（H）、淤地面积（F）、库容（V）关系曲线 （2）横断面积法 当没有库区地形图时，可用横断面法粗略计算。首先测出坝轴线处的横断面，然后在坝区内沿沟道的主槽中心线测出沟道的纵断面，再在有代表性的沟槽（或沟槽形状变化较大）处测出其横断面。计算库容时，在各横断面图上以不同高度线为顶线，求出其相应的横断面面积，由相邻的两横断面面积平均值乘以其间距离，便得出此二横断面不同高程时的容积。最后把部分容积按不同高程相加.即为各种不同坝高时的库容。同理，在上述计算过程中，量得每个横断面在同一坝高上的横断面顶部宽度，根据相邻两断面的顶部距离，则可求得两个横断面之间的水面面积，然后把同一坝高时各个横断面之间的水面面积累加起来，即为该坝高相应的淤地面积。最后根据不同坝高计算求得的库容和淤地面积，绘出坝高—库容—淤地面积曲线。坝区内如有较大的支沟时，计算中应将相应水位以下支沟中的容积和面积加入。 四、淤地坝水文计算 设计暴雨量、设计洪峰流量、设计洪水总量以及洪水过程线推算等淤地坝水文计算内容，参见《水文学》有关章节。在此须指出的是水土保持措施对设计洪水的影响。 1. 有边埂的水平梯田，在一般暴雨情况下可以达到全拦全蓄，但在设计暴雨情况下，也有少量的径流发生。 因此在设计暴雨的情况下，随着设计频率的不同，采用不同的面积作用系数。 2. 造林是防治水土流失的重要措施，其作用主要取决于林冠郁闭度的大小，在设计洪水中对于林冠郁闭度大于0.7的，应考虑其作用，这个作用仍按面积作用系数计算。 水平梯田及郁闭度大于0.7的林地，不同频率暴雨下的面积作用系数见表7-6。 表7-6不同频率的面积作用系数 频率（%） 1 2 3 5 10  作用系数 0.50 0.60 0.65 0.80 0.95   例如，在工程控制面积内有水平梯田200亩，郁闭度大于0.7的林地300亩，设计暴雨频率P=5%时，其作用系数为0.8，所以不产流面积为0.8（200+300）=400亩，这个面积在计算洪水时应扣除。 3. 群众性小型蓄水工程、谷坊、小型淤地坝等对设计洪水的作用不考虑。 第三节 淤地坝调洪演算 一、淤地坝坝高的确定 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。而相应于该两部分库容的坝高，即为拦泥坝高和滞洪坝高。 另外，为了保证淤地坝工程和坝地生产的安全，还需增加一部分坝高，称为安全超高。 因此，淤地坝的总坝高等于拦泥坝高、滞洪坝高及安全超高之和。 （一）拦泥坝高 1. 影响拦泥坝高的因素影响拦泥坝高的因素很多，主要有以下三点. （1）淤地面积 淤地坝的淤地面积是随着坝高的增高而增大的，但增长速度逐渐趋于缓慢，甚至近于停止。图7-4所示某淤地坝，当坝高超过25m时，每米坝高的淤地面积逐渐减少，而单位淤地面积投资却急剧增加。所以，设计拦泥坝高时需要作技术、经济方案比较，应以较少的筑坝投资获获较大的淤地面积。
图7-4某淤地坝坝高—面积—投资关系曲线 （2）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：大型淤地坝10～15年，中型淤地坝5～10年，小型淤地坝5年以下。 （3）工程量和施工方法 淤地坝一般在当年汛期后动工，次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。 2. 拦泥坝高的确定 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的拦泥库容。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3.0～4.0m，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可能性。然后由该坝所控流域内的年平均输沙量求得淤平年限。 年输沙量包括悬移质和推移质两部分，可采用如下方法计算： （1）有长期实测资料的多年平均悬移质年输沙量的计算 当资料系列足够长时，历年悬移质年输沙量的平均值具有一定的稳定性。根据统计分析：以均方误差在10%左右为控制误差的标准，40～50年的实测悬移质资料计算的多年平均输沙量才能反映该河流的实际来沙量。鉴于目前一般水文站的泥沙观测年限不长，特别是小流域资料更短，因此对中、小型库坝悬移质来沙量的计算，应以不少于15年泥沙资料为限。 （2）当资料年限不足15年时，应设法插补延长资料，然后分析系列的代表性，计算代表期内的多年平均输沙量。 （3）无资料地区多年平均悬移质年输沙量的估算 无资料地区的库坝悬移质年来沙量估算，首先要深入实际调查研究，然后用多种方法计算，经分析比较后进行确定。常用的方法有查输沙量模数图法（或叫侵蚀模型图）和利用已建库坝淤积测验资料或进行水库淤地坝的淤积量调查来估算拟建库坝来沙量。 （4）多年平均推移质年输沙量的估算 推移质泥沙来量的估算，目前广泛用的是推移质占悬移质比例系数法。通常采用下式计算：
式中：
——年推移质输沙量，t/a； B——系数，在一般情况下，可采用下列数据，平原地区河流0.01～ 0.05；丘陵地区河流0.05～0.15；山区河流0.15～0.30。
——年平均悬移质输沙量，t/a。 （5）水土保持措施对年平均输沙量的影响造林种草、修筑水平梯田可以有效地控制坡面土壤侵蚀，因此在拟建库坝的流域内，应考虑已有的，正在实施的和计划在近期内完成的高标准造林地、多年生牧草地和水平梯田对年平均输沙量的影响。根据我们在黄土丘陵沟壑区对165个小流域的调查研究表明，随着上述措施面积占流域总面积比例的增加，年平均输沙量与原来相比有显著的下降，具体数值见表7-7。在利用前述方法求得的年平均输沙量后，通过对流域内水土保持措施的实地调查分析，参考表7-7给予适量扣除。 表7-7小流域水土保持措施与年平均输沙量关系 造林种草、水平梯田占 流域面积（%） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100  年平均输沙量减少（%） 0 27 48 64 75 84 89 92 94 96 97  （6）库坝淤积年限的计算 ①基本公式：
式中：N——淤积年限，a； V——库容，m3； W——多年平均年来沙量，t/a；
；
——淤泥沙容重，取1.3，t/m3。 . ②对有排沙设施和有排沙机会的库坝淤积年限计算公式：
式中：η——库坝排沙比。根据排沙情况，按不同运用方式选用η值如下： 库坝蓄洪拦沙运用η在0.01～0.1； 库坝蓄洪排浑运用η在0.5～0.8； 库坝蓄洪排沙运用η在0.2～0.5。 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，分析确定设计拦泥坝高。 （二）滞洪坝高的确定 为了保证淤地坝工程安全和坝地的正常生产，必须修建防洪建筑物（如溢洪道）。由于防洪建筑物不可能修得很大，也不可能来多少洪水就排泄多少洪水，这在经济上是极不合理的。所以在淤地坝中除有拦泥（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，确定防洪建筑物的规模和尺寸，确定滞洪库容和相应的滞洪坝高。 （三）安全超高的确定 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7-8的数值。 表7-8淤地坝安全超高 坝 高（m） <10 10~20 >20  安全超高（m） 0.5～1.0 1.0～1.5 1.5～2.0  二、淤地坝调洪演算的基本原理 当设计洪水进入淤地坝后，洪峰流量减少，洪水历时延长，这个过程称为淤地坝调节洪水过程，简称淤地坝调洪。假定淤地坝的放水洞泄量很小，可忽略不计；而溢洪道不设闸门，只能起到调洪作用，则淤地坝的调洪演算一般自溢洪道顶算起，即认为设计洪水来临时淤地坝的库水位（设计拦泥淤积面）与溢洪道坝顶齐平。 第八章 小型水库 第一节 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”。见图8-1。 挡水坝是横栏河道的挡水建筑物，用以拦蓄水量，抬高水位。溢洪道是排泄洪水的建筑物，当水库水位超过计划高度时，洪水就由溢洪道排出，保证大坝安全。放水建筑物包括放水洞和放水设备两部分，库内蓄水通过放水洞送至下游灌溉渠道，由放水闸门或放水卧管控制放出的水量。 水库是综合利用水利资源的有效措施，除灌溉农田外还可防洪、发电、养鱼、改变自然面貌。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～l 000万m3的叫“小I型水库”，库容10万～100万m3的叫“小Ⅱ型水库”。 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。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。否则也会加大工程费用。 2. 有适宜的集水面积。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。 3. 坝址和库址地质良好，基础稳固，无下陷情况。库底和边坡不漏水，如有裂缝，要能够修补。 4. 库址靠近灌区且比灌区高。这样可以自流灌溉，引水渠短，渠道建筑物少，沿途渗漏蒸发损失小，比较经济。 5. 坝址附近要有足够和适用的建筑材料。小型水库挡水坝多采用土坝，因此，要有足够的合乎质量要求的土料和砂、石料。 6. 坝址附近要有适宜开挖溢洪道的山垭。最理想的是距坝不远的马鞍形岩石山垭，没有这个条件，也可在比较平缓的山坡上开挖。 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。 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。 坚硬的岩石（如花岗岩、花岗片麻岩、石英岩、石灰岩、石英砂岩）一般坚固、致密、强度大，只要没有构造现象就不会漏水，宜于修建各种类型的坝。半坚硬的岩石（如页岩、胶结疏松的砂岩、泥炭岩、砂质页岩）修建小型水库，一般问题不大，但对其软弱夹层必须认真处理，使坝能直接置于比较完整、新鲜的岩石上。黏土和黄土层一般漏水很小或不漏水，可以筑坝。砂卵石层渗漏较大，坝址最好不要选在砂卵石层很厚的地方。 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）。 断层是兴建水工建筑物的不利地质因素，地质调查时必须将库内、坝址附近的断层构造搞清（断层规模、产状、胶结程度），见图8-2（a）。 岩石产状与漏水和坝的稳固有很大关系，岩层倾向下游（库外）一般有漏水及滑动的可能，见图8-2（b）；反之，岩层倾向上游对蓄水坝的稳定有利，见图8-2（c）。 岩石节理裂隙发育程度与水库在的渗漏和水工建筑物的稳固有密切关系，一般节理发育、岩石破碎强烈的地段，往往是漏水的主要通道，而大量的渗漏又会改变基础地质条件，引起后患。
（a） （b） （c） 图8-2几种地质剖面图 （a）断层 （b）向库外倾斜 （c）向库内倾斜 对表面坚固而易溶于水成为溶洞的石灰岩、大理岩，要调查溶洞的发育范围及其规律，并做好处理。以免漏水。 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。 为了查明坝址和库内的地质情况，需要进行勘察，特别是对主要的枢纽建筑物要详细勘察，进行比较，给选择水库工程地址提供可靠的依据。 三、地形测量 （一）坝址地形测量 坝址地形测量是为了正确设计枢纽建筑物和估算工程量。测量范围包括 坝身、溢洪道及放水洞等。比例尺用1/1 000～1/2 000。对小水库可采用断面法进行：先沿坝轴线测一横断面，再在与坝轴线垂直的方向，用皮尺测定几个桩，分别在桩处测出其横断面（图8-3）。然后依据横断面之间的关系及高度变化情况，制成平面图，绘出地形等高线。
图8-3坝址简易测量示意图 （二）集水面积测量 集水面积是指向水库里汇集雨水径流的面积，又叫流域面积（图8-4），它是估计水库蓄水量和洪水量的主要依据之一。具体方法可参考第七章“淤地坝”。 （三）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，为规划设计提供依据。具体方法可参考第七章“淤地坝”。 （四）建筑材料调查 建筑材料是决定坝型、工程造价、施工方法的主要因素之一。必须调查坝址附近建筑材料的种类、质量、数量及其分布比较重要的工程尚应通过试验取得土坝设计的数据（如土料的内摩擦角、凝聚力、渗透系数等）。 （五）水文资料的搜集与调查 水文资料是水库工程规划与设计的一项关键性资料。水库来水量计算、库容确定、坝高、溢洪道设计都是根据当地的水文资料分析后决定的。 水文资料的搜集内容包括以下3个方面： 1. 径流资料 搜集当地的多年平均降雨量、多年平均径流深、年径流系数、径流年内分配以及蒸发量，作为计算有效库容和水库调节计算的依据。 2. 泥沙资料 搜集库区泥沙淤积资料，作为计算死库容的参考。 3. 洪水资料 在山溪、河沟不可能获得实测的洪水流量资料时，只有依靠洪水痕迹调查，了解历史上洪水发生的情况，调查各次洪水形成的暴雨、山洪到达坝址的时闻、洪水上涨与退落的时间等，作为设计溢洪道的参考。 搜集水文资料除向当地群众询问外，可向附近水文站、气象站、雨量站了解，并可借助省、地水文手册查出。 （六）流域覆被、淹没迁移及社会经济调查 1. 调查库区林木牛长、山坡陆缓等情况，为确定年径流系数、暴雨径流系数提供资料。并了解库区内现有水土保持治理程度及其对水库库容的影响，为水库规划提供依据。 2. 调查水库库区内的田地、成材林木及其他建筑物，作为计算淹没损失.的依据。 3. 调查灌区面积，灌区原有水利设施在水库兴建后如何配合运用，以及灌水定额、灌溉定额、灌水次数、用水时间、灌区土壤种类、渗漏情况等。 4. 了解灌区主要农作物种类、面积、生长期、耕作制度等，了解灌区人口、劳力、车辆、工具以及建筑材料的远近、运输条件和各种材料的单价等。 第二节 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。 （一）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。 水库面积曲线的绘制可以根据库区地形图进行。相应于每一高程就有一等高线和坝轴线间围成的面积（图8-5中的阴影面积）。这个面积可以用求积仪或数方格的办法求得。然后以水库水位为纵坐标，水库水面面积为横坐标，点绘水库水位与水面面积关系曲线，即可得到水库面积曲线（图8-6）。

图8-5库区地形图 图8-6某水库特征曲线 （二）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。它的绘制可以由水库面积曲线推算出来。由水库最低层算起，利用下式可算出每相邻二等高线这间的水库容积。
式中：
——相邻二等高线间的水库容积，m3；
——相邻二等高线间的垂直高度，m；
——相邻二等高线相应的面积，m2。 若为精确起见，也可以采用棱台体积公式：
各层水库容积算出之后，由下而上加以累积，即可求得各种高程的水库总容积。以水库水位为纵坐标，水库容积为横坐标，即可点绘出水库容积曲线。图8—6为某水库面积曲线和容积曲线。 在实际工作中，对于小I型水库一般用1/1 000/～1/5 000库区地形图绘制上述曲线，对于小Ⅱ型水库也允许采用简便的方法测绘上述曲线。 二、水库的特征水位一般表示水库工作状况的水位有4个（图8-7）。
图8-7水库的特征水位示意图 （一）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。 （二）设计蓄水位（H设） 在设计情况下，蓄水至满库时的水位称为设计蓄水位。如果采用自由溢洪道，则溢洪道底槛高程就是水库的设计蓄水位（图8-7）。如水库溢洪道上装有闸门或其他控制设备，水库的设计蓄水位略低于闸门顶高程。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）。 （三）设计洪水位（H洪） 在设计情况下，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）。 （四）校核洪水位（H校） 在设计情况下，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，此时，不允许洪水漫过坝顶。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。 第三节 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： 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。见图8-8上的B点高程。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Hmin，即可得到设计低水位。在规划阶段，Hmin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。
图8-8 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。一般小型水库可按下列3种方法计算年淤积量及水库使用年限。 （一）当有泥沙观测资料时 1. 年淤积量计算公式
式中：Vm,0——多年平均年淤积量，m3/a； ρ0——多年平均含沙量，kg/cm3； ω0——多年平均年径流总量，m3； m——库中泥沙沉积率； ρ——淤积体之孔隙率ρ=0.3～0.4； γ——淤积体积的重量，kg/m3。 式（8—3）仅对悬移质而言，若推移质所占比重较大，应进行专门的计算。 2. 水库使用年限T计算公式
式中：V死——水库拟定的死库容。 （二）当无泥沙观测资料时 1. 悬移质多年平均输沙量的估算 （1）参证站水文比拟法 当水库所在河流无实测泥沙资料时，可选择一个气候、土壤、植被、地形、水文地质等旧然地理特征相似的参证流域来估算本水库坝址以上流域的悬移质输沙量。
式中：
——本流域多年平均年悬移质输沙量，t；
——参证流域多年平均年悬移质输沙模数，t/km2； F——本流域集水面积，km2。 （2）经验公式法一些地区的观测资料证明，悬移质输沙量与河床平均比降、年径流总量及侵蚀系数有关，可列出如下的经验公式：
式中：J——河床平均比降； ω0——多年平均径流总量，m3； α——侵蚀系数，一般可按下列资料选取。 冲刷极微的流域α=0.5～1.0 冲刷轻微的流域α=1～2 冲刷中等的流域α=2～6 冲刷极强的流域α=6～10 （3）查等值线图查各省水文手册中绘制的多年平均侵蚀模数等值线图.可得
值，代替（8—5）式中
，计算多年平均输沙量（t/a）。 2. 推移质多年平均输沙量的估算 一般按推移质与悬移质有一定比例关系估算，即：
式中：S0——多年平均年推移质输沙量，t/a； R0——多年平均年悬移质输沙量，t/a； β——推移质输沙量与悬移输沙量的比值在一般情况下，β可采用下列数值： 平原地区河流 β=0.01～0.05 丘陵地区河流 β=0.05～0.15 山区河流 β=0.15～0.30 3. 年淤积量及水库淤积年限的估算 年淤积量
式中：Wm,o——平均年淤积量，t/a； m——库中泥沙沉积率。 淤积年限为：
式中：T——淤积年限，a； V垫——拟定的死库容，m3； γd——淤沙体的干容重，t/m3，一般取1.1～1.3t/m3。 （三）用坝前淤高估算水库使用年限 水库泥沙实际淤积情况，并不是首先在垫底库容中淤积，然后在兴利库容中淤积。由于入库水流流速逐渐减小，水流挟带的大粒径泥沙（如卵岩、砾石等）首先在库尾淤积，形成所谓“翘尾巴”的现象，接着是粗沙、细沙淤积，到坝前粒径很细的泥沙也沉积下来，形成了从库尾到坝前的“淤积带”，见图8-9所示，当坝前泥沙淤积高程达到取水口高程时，取水口已开始被泥沙堵塞，水库无法再发挥兴利调节作用。因此，坝前泥沙淤积高度决定了水库的使用年限。坝前淤积高度的计算，可采用参证站水文比拟法：
式中：h1—一设计水库坝前年平均淤高，m/a； h2——参证水库坝前平均淤高，m/a； F1——设计水库流域面积，km2； F2——参证水库流域面积，km2； V1蓄——设计蓄水库容，即兴利库容与死库容之和。以m3或亿m3计； V2蓄——参证水库的设计蓄水库容，以万m3或亿m3计； m，n——指数。一般m=1.38，n=1.29。 水库使用寿命按下式计算：
式中：h——坝前取水口以下水深，m。 在设计低水位及坝前取水口以下水深已知时，可用上述诸公式求出年淤积量及使用年限。一般小型水库的淤积年限可考虑为20～50年。如果所设计的死库容不能满足淤积要求，还应抬高设计低水位及取水口高程，增加死库容或坝前取水口以下水深。
图8-9 第四节 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。 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年之内，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，即丰水年的年来水量大于年用水量，而枯水年的年来水量小于年用水量。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1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1年，这种称为多年调节。 图8-10表示某水库采水W和用水M的频率曲线，二线在S点相交，其交点所对应的频率为Ps。若来水与用水呈函数关系，当水库的设计保证率P设1<Ps，则年来水量大于年用水量，只需进行年调节就可解决问题。若水库的设计保证率P设2>Ps，则年来水量小于年用水量，要满足枯水年份的用水，仅对该枯水年的径流年调节 已不符合要求，必须对径流进行多年调节。S点称为完全调节点。
图8-10某水库的来、用水频率曲线 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。 二、年调节水库 （一）调节计算原理 调节计算的原理是把调节周期分为若干计算时段，并按时序进行逐时段的水库水量平衡计算，则可求得水库的蓄泄过程及所需的兴利库容。 对于某一时段△t的水库水量平衡方程可由下式表示
式中：△V——计算时段出内水库蓄水量的增减值，蓄水增加时为正，蓄水量 减小时为负； Q入——计算时段出内流入水库的流量（即来水量）； q出——计算时段△t内从水库流出的流量（包括各用水部门的用水量和各种水量损失，如蒸发、渗漏等，有时还有弃水或冰冻）。 计算时段△t的长短，对计算精度有一定影响，对年调节计算来说，一般可取1个月为一个计算时段，有时在来水量变化较大或灌溉用水量变化较大时，可取半月或一旬作为一个计算时段，精度要求高，则时段就要划分短些。 在具体计算时，一般是从蓄水期（来水大于用水，有余水蓄在水库里）开始作为调节计算的起点，也就是说，调节计算是按调节年度进行的，所谓调节年度，就是水库从蓄水期开始作为调节年度的起点，水库蓄满后又经供水期将水库放空为调节年度的终结（也是下一调节年度的开始）。这样经历的1年称为调节年，它不是按从1月1日到12月31日为1年的日历年。
图8-11水库运用一次 年调节水库来水和用水的配合有两种情况。图8-11为水库运用一次的情况，图中 Q—t代表来水过程，q—t代表用水过程，也就是说，水库在一个调节年度内，充满一次，泄空一次。在这种情况下， V2（图中阴影部分面积）是惟一的来水不足量，只要水库能蓄这么多水，就能保证这一年用水需要，故水库兴利库容为 V=V2。图8-12为水库运用两次的情况，这种情况就比较复杂，要进行具体分析。对于图8-12中的第a种情况，V1>V2，V3>V4，即每次的余水都超过了每次的不足水量，水库的两次运用是独立的，不互相影响，因此，水库的兴利库容应取两个不足水量中的较大者，即V=V4。只要兴建兴利库容等于 V4的水库，就能保证水库在两次运用中都能满足用水要求。而对于图8-12中的第b种情况，V1>V2，V3<V4，显然，由于V3<V4，要满足V4时期的用水要求，必须事先存蓄一部分水量，也就是要存蓄V3所不能满足的那一部分水量（V4-V3）。这时候，水库的兴利库容应为V=V2+V4-V3。
（a） （b） 图8-12水库运用两次 对于这几种典型情况有了充分认识后，可以依据同样道理分析实际运算中又可能遇到的更为复杂的水库运用情况，借以合理地确定水库的兴利库容。 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。然后按由小到大的次序排列，按经验频率公式
求出相应于每一库容的频率，点绘库容与频率的关系曲线，见图8-13。根据给定的灌溉设计保证率，例如P=80%，查该曲线即可求得相应的年调节兴利库容 V兴=3 500万m3。
图8-13 在进行库容的频率统计时，必须注意来水量小于用水量的年份，这种年份在年调节范围内是不能保证供水的。必须把它从统计系列中剔除，然后再进行库容的频率统计。例如，有20年来水和用水资料，其中来水小于用水的有2年，在统计时应把这2年事先剔除，然后将来水大于用水的年份进行频率统计。这些年份中最大的一个库容应排在第18位（而不是第20位），其经验频率为：
。 采用“长系列法”求出的年调节水库兴利库容，其保证率概念比较明确，成果比较可靠，也符合水库多年运用的实际。在水库工程的技术设计阶段，它是行之有效的方法，也可作为验证其他方法的标准。只要有条件，应力求用此法进行调节计算。但这种计算方法工作量较大，不便于进行多方案比较，故在规划和初步设计阶段用得不多。 为了减少计算工作量，可以先按小计入损失的列表计算法求得每年的年调节库容，并以此库容进行频率统计，作出库容频率曲线，求出相应于灌溉设计保证率的兴利库容。然后再以此库容为基础，使用计入损失的近似法求出计入损失后的兴利库容，成果也有一定的精度。 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； W0——多年平均径流量，万m3；
——多年平均径流深，mm，查该地区等值线图； F——流域面积，km2，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移 （2）按用水量估算
式中：M——灌区实际灌溉用水量M=m毛·ω，m3； m毛——干旱年份综合毛灌溉定额，依调查确定，m3/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。 此法适用于灌溉面积较小，而水库流域面积相对较大的情况。 实际计算中，往往应用上述二方法估算趋两个库容，从中选择一个较小者作为水库内兴利库容。 （三）设计蓄水位的确定 采用以上方法确定了水库兴利库容后，陇可以在水库水位容积曲线上找出相应的设十蓄水位。 第五节 水库防洪规划 一、水库防洪规划的目的和任务 在河流上修建水库一般主要是为了兴利，变水害为水利，要求因地制宜地采取修水库、筑堤防、分（蓄）洪、疏通河道、水土保持、引洪放淤等措施。水库的兴利规划还不能确定整个水库的规模（大坝的坝顶高程），确定水库的兴利库容，是根据灌溉设计保证率通过兴利调节计算实现的，相当于设计枯水年或设计枯水年组的情况，当水库遇到较大洪水的年份时，必须在规划设计中专门为拦蓄洪水准备一定的库容，如果所考虑的是设计洪水，则所准备的库容叫做设计防洪库容，简称防洪库容（V防），其相应的水库水位叫做设计洪水位（图8-7）。 但是，当来了较大的洪水时，水库也不可能把全部洪水都拦蓄起来，若要都蓄起来，势必把水库修得很大，不符合经济原则，因此，每一水库都必须设置泄洪建筑物，如溢洪道、泄洪底孔等，以减小水库为防洪所预留的库容，并确保大坝的安全。 设计水库的防洪库容，首先应该选定洪水的设计标准；其次通过对洪水规律的分析和研究，计算出符合设计标准的洪水，即设计洪水；然后通过水库的调洪计算和方案论证，选定防洪库容和泄洪建筑物的尺寸，最后定出水库大坝的坝顶高程。 在进行水库防洪规划时，要注意全面规划、综合治理、因地制宜，既照顾到水库本身经济性与安全性，又要照顾到水库下游的防洪任务，还要考虑到水库上游的淹没损失 二、设计洪水和设计标准 每年入库的洪水，其数量大小和变化过程都不会相同，因此在水库规划设计时，必须选择一个标准的洪水作为依据，这个洪水叫做设计洪水。设计洪水选大了，求得的防兴库容和泄洪建筑物尺寸都会偏大，对水库来说是比较安全的，但工程量大、不经济。反之，设计洪水选小，可以节省抗资，但不安全，经常会造成防汛的紧张。因此，在选择设计洪水标准时必须反复比较，慎重考虑。 我国的现行的方法是选用相应于某一频率的洪水作为设计洪水，如：50a一遇、100a一遇或千年一遇等。可以根据工程的重要性而分别选用不同标准的设计洪水。表8-7所列“水库永久性主要水工建筑物设计洪水标准”，可供规划设计时参考。 表8-7水库永久性主要水工建筑物设计洪水标准 永久性主要水工建筑物级别 1 2 3 4 5  相应的总库容（亿m3） >10 1～10 0.1～l 0.01～0.1 0.001～0.01  （正常情况）设计洪水频率（％） 0.1 1 2 3.33 5  （非常情况） 校核洪水频率 （％） 土坝、堆石坝、干砌石坝 0.01 0.1 0.2 0.5 1   混凝土坝、钢筋混 凝土坝、浆砌石坝 0.01～0.033 0.1～0.2 0.2～0.33 0.5～1 1   从表8—7可以看出，水工建筑物的设计洪水包括了两种不同频率的洪水。一种标准较低（即频率较大），叫做“设计洪水”，用它来决定水库的设计洪水位。在规划设计时，要考虑当这种洪水来临时，水利枢纽的一切工作都能维持正常。另一种洪水的标准较高（即频率较小），叫做“校核洪水”，用它来决定水库的校核洪水位。当这种洪水来临时，可以允许水库水面至坝顶之间的安全超高留得小一些，允许水利枢纽可以在非常情况下运用，但水库的主要建筑物（如大坝）仍要确保安全。由设计洪水位和校核洪水位加上各自的安全超高和风浪高，可以获得其各自相应的坝高，规划设计时选两者中较大者作为水库的设计坝顶高程。 设计洪水包括三方面的内容：即设计洪峰流量、设计洪水总量、设计洪水过程线。在水库防洪规划中，主要是按所选的设计标准、校核标准和保坝标准，推求一条设计洪水过程线、一条校核洪水过程线和一条保坝洪水过程线。目前推求设计洪水可以有两个途径和3种情况，即利用流量资料椎求设计洪水和利用暴雨资料推求设计洪水两个途径，以及有资料、短资料和无资料.3种情况。有关这一部分的计算可参考水文学一书，这里不再详述。 三、小流域设计洪水的计算 小流域设计洪水是兴建小型水库溢洪道的基本依据。小流域一般没有实测雨量和流量资料，所以，设计洪水的计算方法分为下列3种：（1）推理公式法，这个方法的重点是推求设计洪峰流量，它的理论是建立在暴雨形成洪水的成因分析基础上，也是国内外使用最为广泛的一种方法；（2）地区经验公式法，这也是一个推求设计洪峰流量的方法，它的基础是建立在注流域邻近地区的实测和调查的洪水资料上。从而建立地区经验公式；（3）综合单位线法，它是一个推求设计洪水过程线的方法。 （一）推理公式法 用推理公式法推求小流域设计洪峰流量是一种从暴雨推求洪水的方法。此法从最简单的成因概念出发，认为出口处形成的最大流量，是降在流域上的暴雨经过产流和汇流两个阶段的结果。由于对暴雨、产流、汇流的处理方式不同，形成了推理公式的不同形式。这里主要介绍推理公式的基本形式，并以原水利水电科学研究院水文研究所（以下简称水文研究所）的分析方法为基础，提出具体解算方法。下面先介绍小流域的设计暴雨。 1. 小流域的设计暴雨 在推理公式中设计暴雨量是根据暴雨公式决定的。所谓暴雨公式是以数学方程配合实测资料而得，公式的主要勾容是暴雨的平均强度随历时而变化，即两者存在着反变关系。见图8-19。至于地区不同，频率不同等因素，均包括生经验参数之中（见式8-22中的Sp和 n）。水文研究所分析了我国具有较长雨量资料的8个城市（北京、天津、南京、上海、天水、成都、昆明、贵阳）的暴雨实测资料，认为全国各地区可以采用如下统一形式的暴雨公式：
式中
——历时为T的暴雨平均强度，mm/h； T——暴雨历时； Sp—雨力，即T=1h的最大平均暴雨强度，与设计频率P有关； n——暴雨衰减指数。
图8-19暴雨强度—历时曲线 我国各省的水文手册中一般刊有暴雨公式参数Sp和n值，我们只要知道工程所在地点，就可以从等值线图上查出Sp值及n值，代入（8-22）式计算
。如水文手册中无Sp等值线图，则可按以下方法计算Sp。 今HT为历时T的暴雨量，则：
由此可得
各省水文手册中都绘有最大24h暴雨均值、CV、CS的等值线图或分区图，使用时先查图定出
、CV和CS，按设计频率便可计算出H24，p1代入（8-24）式，便可计算出所需要的Sp，这里T=24h。 在推理公式中一般不考虑暴雨在地区上分布不均匀的影响，而采用暴雨在面上均匀一致的假定。水文研究所的研究认为点雨量可以代表一定范围的面雨量。 例：设计某小型水库，需要推求历时T=2h、50年一遇的暴雨平均强度， 根据水库所在地点，查该省水文手册，得有关参数：H24=135mm，CV= 0.55，CS／CV =3.5，n=0.7。按P=2％，求得H24·p=348mm，再按式（8-24）可得：
由此可按式（8-22）计算出T=2h、50年一遇的暴雨平均强度
暴雨公式
一般在T=1h前后采用不同的咒值，T<1h为，n1，T>1h为，n2，n2>n1，为了避免由于n1、n2不同所引起的麻烦，有些地区最近分析出具有：
形式的暴雨公式，其中d为小于1h的常数，nd为不随历时T变化的暴雨衰减指数，Sp·d为T+d等于1h的最大平均暴雨强度。 2. 推理公式的基本形式 图8—20表示一个流域，L代表流域的最长汇流长度，为自出口断面沿主河道至分水岭的长度。设径流沿L从最远点流至流域出口断面的时间为τ（以小时计），则τ称为流域汇流时间。当净雨历时TB等于汇流时间τ时，则流域出口处出现的最大流量是最早出现在以点的A净雨与最晚出现在B点的净雨同时到达B点所形成，即伞流域上均有净雨到B点形成最大流量，此种情况称全面汇流。如果TB<τ，则A点最早的净雨达到B处而B点的净雨已全部流完，在这种情况下，流域出口处的最大流量只是部分面积汇流所产生。当TB>τ时，则属全面汇流的持续情况。
图8-20流域汇流示意图
图8-21 部分汇流的最大共时径流面积 当TB=τ时，按等流时线原理，此时最大流量为：
式中：k——单位换算系数： Ψ——洪峰暴雨的径流系数；
——历时为τ的暴雨的平均强度，mm／min； F——流域面积，km2； 在式（8-26）中，若Qm以m3／s计，τ以小时计，
以mm／h计，F以km2计。则K=0.278。 如将式（8-22）代入，则：
当TB>τ时。也是全流域汇流形成最大流量，即形成最大流量的汇流面积仍为F。但由公式（8-22）：可知，历时为TB的暴雨平均强度
小于历时为τ的暴雨平均强度
，所以当TB>τ时形成洪峰的暴雨仍为
，。在这种情况下，最大流量的计算仍采用式（8-27）。 当TB<τ时.只有部分流域面积F0参与形成最大流量，这时最大流量由下式计算：
式中F0称为最大共时径流面积（即参与形成最大流量的部分流域面积）， F0<F，见图8-21。 在实际工作中，有时也采用F0=F，但在设计暴雨和设计净雨的计算中也需采取相应的处理。 （二）地区经验公式法 地区经验公式法方法比较简单，应用方便，如果公式考虑到影响洪峰的主要因素，而且公式的拟制采用了可靠的并且有一定代表性的资料，则计算成果可以有相当高的精度。地区经验公式主要是计算设计洪峰流量的公式，各省水文手册中都有其自己的公式及使用方法。 四、水库调洪计算的基本原理和方法 这一部分的计算可按淤地坝一章所介绍的原理和方法。 五、水库溢洪道宽度和坝顶高程的确定 在水库防洪规划设计中，堰宽B和坝顶高程需要分别计算。 （一）溢洪道不设闸门时溢洪道宽度和坝顶高程的确定 1. 溢洪道宽度的选择 无闸门溢洪道不能控制水库下泄流量，所以溢洪道的堰顶高程不能低于设计蓄水位。一般情况下，无闸门溢洪的堰顶高程都与设计蓄水位齐平，而且汛前限制水位（又称防洪限制水位、汛前水位、调洪起始水位）也等于设计蓄水位。由于无闸门溢洪道不能人为地控制下泄流量，因而也就难以完全满足下游防洪要求，在水库下游无防洪任务的情况下，确定溢流堰宽度B的方法如下： （1）根据水库坝址附近地形、地质条件，假设几个可能的溢洪道宽度B，利用已求得的设计洪水过程线对各方案用淤地坝介绍的方法进行调洪计算，求得相应的最大下泄流量qm和防洪库容V防。 （2）根据调洪计算结果，绘制B—V防和B—qm两关系曲线，见图8-22所示。 （3）进行方案比较，选定溢洪道宽度 B。
图8-22 B—V防、B—qm关系曲线 首先要考虑技术上、经济上的合理性。 由图8-22得知：B愈大，其相应的最大下泄流量qm也愈大，而所需防洪库容则愈小，溢洪道建筑物投资、水库下游堤防与淹没费用将随溢洪道宽度B的增大而增大，而水库上游淹没损失及大坝投资将随B的增加而减小。因此，就有各方案的经济效益比较的问题。同时，还要考虑水库地形、地质条件及枢纽布置的要求。总之，对各种堰宽B的方案进行合理性分析，从而确定最优方案。
图8-23直立坝面的风浪示意 2.大坝坝顶高程的确定 通过调洪计算、方案比较选定了溢洪道宽度B以后，水库的设计洪水位 Z洪和校核洪水位Z校就可确定。 水库大坝的坝顶高程应能满足大坝在设计洪水及校核洪水位并有风浪的情况下有足够的超高，使波浪不致漫溢坝顶，即
或
两者中取较大值。 式中h浪·没和h浪·校为在设计条件和校核条件下的风浪高，前者大于后者；△h设和△h校为在设计条件和校核条件下的安全超高，也是前者大于后者。 风浪高h浪的计算，对于直立坝坡和倾斜坝坡需要采取不同的方法。 第九章 护岸与治滩造田工程 各种类型的河段，在自然情况或受人工控制的条件下，由于水流与河床的相互作用，常造成河岸崩塌而改蛮河势，危及农田及城镇村庄的安全，破坏水利工程的正常运用，给国民经济带来不利影响。修筑护岸与治河工程的目的，就是为了抵抗水流冲刷.变水害为水利，为农业生产服务。 第一节 河道横向侵蚀的机理 一、横向侵蚀和弯道水流的特性 横向侵蚀一般是指河（沟）道与流向垂直的两侧方向的侵蚀，如河（沟）岸崩塌，沟道被冲刷面变宽等现象。 发生横向侵蚀原因有二：一是河（沟）床纵向侵蚀之影响，由于河床下切而使河床失去稳定；一是山洪，泥石流流动时水流弯趱引起横向冲刷所造成的。如果谷坊、拦沙坝等制止河底下切的建筑物修筑得很恰当，则主要的问题就在于水流弯曲所引起的不利影响。 影响水流弯曲的因素很多，河（沟）床上的突出岩石，沉积的泥沙堆。西一岸的不对称等等，都可能引起水流的弯曲，据调查，一般弯道部分占总长的80%～90%，而直段仅占9%～20%。水流在直段上的水深，流速及含沙鼬分布是比较均匀的，而在弯道的情况恰恰相反。在弯道上，当水流作曲线运动时，必然产生指向凹岸方向的离心力，水流为了平衡这个离心力，通过调整，使得凹岸方向的水面增高，凸岸方向的水面降低，形成横向比降[图9一l（a）]。因水流所受离心力的大小是和水流流速的二次方成正比，而河道水流流速的分布是表层大，底层小，故表层水流所受的离心力较大，并沿水深逐渐减小[图9—1（c）]，又因离心力的方向与横向水位差所引起的水压力的方向相反，故两种作用力的合力方向[图9—1（c）]就是水流运动的方向，因此，表层的水流向凹岸，底层的水流向凸岸，从而形成环流厂图[9—1（b）]，整个水流呈螺旋状前进。 弯道泥沙运动与螺旋流关系极为密切，在横向环流的作用下，表层含沙量较小的水流不断流向凹岸并插下河底，而底层含沙量较大的水流不断流向凸岸并爬上边滩，形成横向输沙不平衡，再加上纵向水流对凹岸的顶冲作用，凹岸岸坡被冲刷而崩坍，崩塌下来之泥沙随底部横向水流被带到凸岸，而挟带大量泥沙的底流，在重力的作用下把泥沙淤积于凸岸，底流在接近凸岸处转而向上流动，到达表层后又流向凹岸，重新使凹岸冲刷坍塌，横向侵蚀继续发展。这样发展的结果，弯道凹岸便成为水深流急的主流深槽，而凸岸则成为水浅流缓的浅滩。如果凹岸不够坚固，就会使弯道向下移动[图9—2（a）]。弯道推移质泥沙的运动情况，见图9—2（b）所示，它和底部流速、流向及河床的形态有关。

二、河道演变的机理 （一）基本原理 河道的演变形式，可分为两种：其一是河道沿流程纵深方向上发生的变形，称为纵向变形；其二是河道与流向垂直的两侧方向上之变形，称为横向变形。 河道的纵向变形，反映在河床的抬高和刷深，而横向变形的总趋势是：河道不断向右岸冲刷发展，而左岸则不断淤积。 河道演变的原因极其复杂，千差万别，但其根本的原因是输沙的不平衡。当上游来沙大于本河段的挟沙能力时，会产生淤积，河床升高，当来沙小于本河段挟沙能力时则产生冲刷，河床下降，河床之横向变形，也是由于横向输沙不平衡所引起。

河道由于输沙不平衡所引起的变形，在一定的条件下，往往朝着使变形速度停止方向发展，即河床发生淤积和冲刷时，其淤积及冲刷浓度将逐渐减小，甚至停止，这种现象称为河床及水流的“自我调整作用”。在淤积与冲刷的发展过程中，河床及水流进行自我调整，通过改变河宽、水深、比降及床沙的组成使本河段的挟沙能力与上游的来沙条件趋于相适应，从而促使淤积与冲刷速度由变缓向停止的方向发展。 河床和水流的自我调整作用，虽会使淤积与冲刷的速度变缓甚至停止，但由于输沙不平衡所引起的河床的变形却是绝对的.，其基本原因是：上游的来水来沙条件总是不断因时变化的，来沙来水条件的改变必然引起旧的输沙平衡的破坏，使变形又从新的一个起点开始。另一方面，即使上游来沙来水条件不变，河床上的沙波运动仍然是存在的，河床仍然处于经常不断的变形过程之中。由此可见，河道中的泥沙运动总是处于输沙不平筏状态。 （二）影响河道演变的因素 影响河道演变的主要因素是：①河段的来水量及其变化过程；②河段之来沙量，来沙组成及其变化过程L③河段之比降；④河段的河床形态及地质情况。 其中，第①、③两个因素决定河段水流挟带泥沙的能力,第②个因素决定河段的来沙数量及其泥沙组成，在一定的水流条件下，如果河段的来沙量大，泥沙组成粗，则将有利于使河道发生淤积；如果来沙量小，泥沙组成细，则将有利于使河道发生冲刷。 前面已指出：河道演变的基本原因是输沙不平衡。第①、②、③三个因素，就是决定输沙不平衡的基本因素。如果河段的来水量大，河谷比降大，水流挟带泥沙的能力大，而河段的来沙量小，则来沙量不能满足水流挟沙能力的要求，形成输沙不平衡，河床将发生冲刷，此时如泥沙组成细，则将使冲刷加剧。相反，如河段的来水量小，河谷比降小，水流挟带泥沙的能力小，而河段的来沙量大，则来沙量已经超过水流挟沙能力的要求，形成输沙不平衡，河床将发生淤积，此时如果泥沙组成粗，将使淤积加重。 第④个因素则决定着河床的边界条件。河段的河床形态对水流条件影响甚大，而地质情况又决定河床抵抗冲刷的能力。 总之，以上4个因素，是水流与河床两个矛盾方面的决定因素，它们在相互依赖与相互斗争的过程中，决定与影响着河道的演变发展。要使河道更好地造福于人类，就必须根据河道的演变规律，开展治河治水工程。 三、横向侵蚀的防治 一般说来，在山洪流经的途径上，弯道是很多的，再_力盯上坡度一般很陡，要把山洪流经的途径进行全面的整直，从人力、物力和自然条件来考虑都是不可能的，通常可有以下几种防治方法： （1）将沟槽部分裁弯取直，控制凹岸发展。但在沟道裁弯取直后，由于比降增大，可能使山洪的流速增大，使纵向侵蚀加剧，因而必须考虑沟（沟）床的稳定性问题，并设置恰当的防止沟底下切的建筑物。 （2）除去沟床的凸出岩石，沉积泥沙堆。山洪流经障碍物时，必然要改变方向，从而发生弯曲导致横向侵蚀，清除障碍物后并辅以适当的导流工程，使水流按一定方向流去，则可防止横向冲刷的作用。 （3）设置护岸工程与整治建筑物，以控制河岸发展和改善弯道，这是防止横向侵蚀的主要办法。 应该指出，护岸工程与整治建筑物是有肼区别的，护岸工程是用来保护沟岸免受山洪和泥石流冲刷的，一般不具有整治沟道水流的作用，而整治建筑物的主要目的是改变山洪及泥石流的流向，实际上也发挥护岸的作用。 第二节 护岸工程 一、护岸工程的目的及种类 防治山洪的护岸工程与一般平原、河流的护岸工程并不完全相同，主要区别在于横向侵蚀使沟岸崩坏后，由于山区较陡，还可能因下部沟岸崩坍而引起山崩。因此，护岸工程还必须起到防止山崩的作用。 （一）护岸工程的目的 沟道中设置护岸工程，主要用于下列情况： 1.由于山洪、泥石流冲击使山脚遭受冲刷而有山坡崩坍危险的地方。 2.在有滑坡的山脚下，设置护岸工程兼起挡土墙的作用，以防止滑坡及横向侵蚀。 3.用于保护谷坊、拦沙坝等建筑物。谷坊或淤地坝淤沙后，多沉积于沟道中部，山洪遇堆积物常向两侧冲刷，如果两岸岩石或土质不佳，就需设置护岸工程，以防止冲塌沟岸而导致谷坊或拦沙坝失事；在沟道窄而溢洪道宽的情况下，如果过坝的山洪流向改变，也可能危及沟岸，这时也需设置护岸工程。 4.沟道纵坡陡急，两崖土质不佳的地段，除修谷坊防止下切外，还应修护岸工程。 （二）护岸工程的种类 护岸工程一般可分为护坡与护基（或护脚）两种工程。枯水位以下称为护基工程，枯水位以上称为护坡工程。根据其所用材料的不同，又可分为：干片砌石、浆砌片石、混凝土板、铁丝石笼、木桩排木框架与生物护岸等几类。此外，还有混合型护岸工程，如木桩植树加抛石，抛石植树加梢捆护岸工程等。 为了防止护岸工程被破坏，除应注意工程本身质量外，还应防止因基础被冲刷而遭受破坏。因此，在坡度陡急的山洪沟道中修建护岸工程时，常需同时修建沪基工程 如果下游沟道坡度较缓，一般不修护基工程，但护岸工程的基础，需有足够的埋深。 护基工程有多种形式，最简单的一种是抛石护基，即用比施工地点附近的石块更大的石块铺到护岸工程的基部进行护底[图9-4（a）]，其石块间的位置可以移动，但不能暴露沟底，以使基础免受洪水冲刷淘深，且较耐用并有一定挠曲性，是较常用的方法。在缺乏大石块的地区，可采用梢捆[图9-4（b）]或木框装石[图9-4（c）]的护基工程。
二、护岸工程的设计与施工 （一）护岸工程的设计原则 1. 在进行护岸工程设计之前，应对上、下游沟道情况进行调查研究，分析在修建护岸工程之后，下游或对岸是否会发生新的冲刷，确保沟道安全。 2. 为减少水流冲毁基础，护岸工程应大致按地形设置，并力求形状没有急剧的弯曲。此外，还应注意将护岸工程的上游及下游部分与基岩、护基工程及已有的护岸工程连接，以免在护岸工程的上下游发生冲刷作用。 3. 护岸工程的设计高度，一方面要保证山洪不致漫过护岸工程，另一方面应考虑护岸工程的背后有无崩塌的可能。如有崩塌可能，则应预留出堆积崩塌沙石的余地，即使护岸工程离开崩塌有一定的距离并有足够的高度，如不能满足高度的要求，可沿岸坡修建向上成斜坡的横墙，以防止背后侵蚀及 坡面的崩塌。 4. 在弯道段凹岸水位较凸岸水位高，因此，凹岸护岸工程的高度应更高些，凹岸水位比凸岸水位高出的数值（AH）可近似地按下式计算：
　　　　　　　　　　　（9-1） 式中：
H——凹岸水位高于凸岸水位的数值，可作为超高计算； 　V——水流流速，m／s； 　　　B——沟道宽度： 　 R——弯道曲率半径； 　g——重力加速度。 （二）护脚（基）工程 　 护脚工程的特点为：常潜没于水中，时刻都量到水流的冲击和停蚀作用。因此，在建筑材料和结构上要求具有：抗御水流冲击和推移质磨损的能力；富有弹性，易于恢复和补充，以适应河床变形；耐水流侵蚀的性能好，以及便于水下施工等。
常用的护脚工程有抛石、沉枕、石笼等。 1. 抛石护脚工程 设计抛石护脚工程应考虑块石规格，稳定坡度，抛护范围和厚度等几个方面的问题。 护脚块石要求采用石质坚硬的石灰岩、花岗岩等，不得采用风化易碎的岩石。块石尺寸，以能抵抗水流冲击，不被冲走为原则，可根据护岸地点洪水期的流速，水深等实测资料，用一般起动流速进行略估，块石直径一般取为20～40cm，并可掺合一定数量的小块石，以堵塞大块石之间的缝隙。 抛石护脚的稳定坡度，除应保证块石体本身的稳定外，还应保证块石体能平衡土坡的滑动力。因此，必须结合块石体的临界休止角和沟岸土质在饱和情况下的稳定边坡来考虑。块石体在水中的临界休止角可定为l：1.4～l：1.5，沟岸土质在饱和情况下的稳定边坡可参考实测资料确定对于沙质沟床，约为l：2。抛石护脚工程的设计边坡应缓于临界休止角，等于或略陡于饱和情况下的稳定边坡。在一般情况下应不陡于l：1.5～l：1.8（水流顶冲愈严重，应取较大比值）。 抛石厚度对于工程的效果和造价关系极为密切厚度的确定，目前，一般规定为0.4～0.8m.相当于块石粒径的2倍（图9-5）。在接坡段紧接枯水处，为稳定边坡，加抛顶宽为2～3m的平台。如沟坡陡峻（局部坡度陡于1：1.5，重点险陡于1：1.8），则需加厚抛石厚度。 2. 石笼护脚工程 石笼护脚多用于流速大，边坡陡的地区。石笼系用铅丝、铁丝、荆条等材料做成各种网格的笼状物体，内填块石、砾石或卵石。其优点是具有较好的强度和柔性，而不需较大的石料，在高含沙山洪的作用下，石笼中的空隙将很快被泥沙淤满而形成坚固的整体护层，增强了抗冲能力，缺点是笼网日久会锈蚀，导致石笼解体（一般使用年限：镀锌铁丝笼为8～12年，普通铁丝为3～5年）。另外，在沟道有滚石的地段，一般不宜采用。 笼的网格大小以不漏失填充的石料为限度，一般做威箱形或圆柱形，铺设厚度为0.4～0.5m，其他设计与抛石护脚工程相同。图9—6为各种石笼结构图。 （三）护坡工程 护坡工程又称护坡堤，可采甩砌石结构，也可采用生物护坡。砌石护岸堤可分单层干砌块石、双层干砌块石和浆砌石3种。对于山洪流向比较平顺，不受主流冲刷的防护地点，当流速为2～3 m／s时，可采用单层干砌块石；当流速为3～4m／s时，可采用双层干砌块石；在受到主流冲刷，山洪流速大（≥4～5m／s），挟带物多，冲击力猛的防护地点，则采用浆砌石。
1. 砌块石护坡 干砌块石护坡主要由脚槽、坡面、封顶三部分组成（图9—7），其中脚槽主要用于阻止砌石坡面下滑，起到稳定坡面的作用，其形式有矩形和梯形两种，其下端与护脚工程衔接。
2. 浆砌石护坡 浆砌石护岸堤可用75号水泥砂浆砌筑，在严寒地区使用l00号水泥，其结构形式，基本上与干砌石护坡相同（图9—10），一般也设垫层，但岸坡如为砂砾卵石时，可不设垫层。 3. 护岸堤修筑时，需注意的几个问题 （1）基础要挖深，慎重处理，防止掏空，一般情况下，当冲刷深度4m以内时，可将基础直接埋在冲刷深度以下0.5～1.Om处，并且基础底面要低于沟床最深点以下lm左右。 （2）沟岸必须事先平整，达到规定坡度后再进，行砌石。 （3）护岸片石必须全部丁砌，并垂直于坡面。 片石下面要设置适当厚度的垫层，随岸坡土质而不同，垫层一般采用砂 砾卵石或粗中沙卵石混合垫层组成，若岩坡土质与垫层材料相类似，则可不设垫层。 第三节 整治建筑物 整治建筑物按其性能和外形，可分为丁坝、顺坝等几种。 一、丁 坝 （一）丁坝的作用种类 丁坝是由坝头、坝身和坝根三部分组成的一种建筑物，其坝根与河岸相，坝头伸向河槽，在平面上与河岸连接起来呈丁字形，坝头与坝根之间的主体部分为坝身，见图9—11所示，其特点是不与对岸连接。
1. 丁坝的作用 丁坝的主要作用如下： （1）改变山洪流向，防止横向侵蚀，有时，山洪冲淘坡脚可能引起山崩，修建丁坝后改变了流向，即可防止山崩。 （2）缓和山洪流势，使泥沙沉积，并能将水流挑向对岸，保护下游的护岸工程和堤岸不受水流冲击。 （3）调整沟宽，迎托水流，防止山洪乱流和偏流，阻止沟道宽度发展。 2. 丁坝的种类 丁坝可按建筑材料、高度、长度、透水性能及与流水所形成的角度进行分类。 按建筑材料不同，可分为：石笼丁坝、梢捆丁坝、砌石丁坝、混凝土丁坝、木框丁坝、石柳坝及柳盘头等。 按高度不同，即山洪是否能漫过丁坝，可分为淹没和非淹没两种，淹没丁坝高程一般在中水位以下，又称潜丁坝，而非淹没丁坝在洪水时，也露出水面。 按长度不同，丁坝分为短丁坝与长丁坝。 按丁坝与水流所成角度不同，可分为：垂直布置形式（即正交丁坝）、下挑布置形式（即下挑丁坝）、上挑布置形式（即上挑丁坝）。 按透水性能不同，可分为不透水与透水丁坝，不透水丁坝可用浆砌石、混凝土等修建；透水丁坝多采用包含空隙的空型结构，如打桩编篱等，一般在流速不大，河床演变和缓的河段，才能有效地发挥整治作用，在流速大，河床演变剧烈的河段，则只能起某种辅助作用。 （二）丁坝的设计与施工 由于荒溪纵坡陡，、山洪流速大，挟带泥沙多，丁坝的作用比较复杂，建筑不当不仅不能发挥作用，有时还会引起一些危害，如在窄小的新河槽，有时会由于修筑了丁坝而减小造地面积，或因水流紊乱而使对岸的不坚实岸坡遭冲刷而引起横向侵蚀，在这种情况下都不宜建筑丁坝。因此，在设计丁坝之前，应对荒溪的特点、水深、流速等情况进行详细的调查研究，计划一定要留有余地，在丁坝的设计与施工中应注意以下几个问题。 丁坝的施工与谷坊等相类似，不再重述，现仅介绍丁坝施工中需注意的几个问题。 （1）施工顺序：选择流势较缓和的地点先行施工，然后再推向流势较急的地点，以保证工程安全。 （2）在施工中应注意观测研究，在修筑部分丁坝以后，则应研究分析已修丁坝对上、下游及对岸的影响，如有影响则应修改设计。 （3）应考虑按照现有沟道的冲淤变化，不能简单地将丁坝基础按照现有沟底一律向下挖一定深度。 （4）在丁坝开挖坑内回填大石，以抵抗冲刷。 二、顺坝 （一）顺坝的结构 顺坝是一种纵向整治建筑物，由坝头、坝身和坝根三部分组成，见图9—21，坝身一般较长，与水流方向接近平行或略有微小交角，直接布置在整治线上，具有导引水流、调整河岸等作用。 顺坝有淹没与非淹没两种，淹没顺坝用于整治枯水河槽!顺坝高程由整治水位而定，自坝根到坝头，沿水流方向略有倾斜，其坡度大于水面比降，淹没时自坝头至坝根逐渐漫水，非淹没顺坝在河道整治中采用较少。 1. 土顺坝 一般都用当地现有土料修筑。坝顶宽度可取2～4.8m，一般为3m左右，边坡系数，外坡因有水流紧贴流过，不应小于2，并设抛石加以保护；内坡可取1～1.5。 2. 石顺坝 在河道断面较窄，流速比较大的山区河道，如当地有石料，可采用干砌石或浆砌石顺坝。 第四节 治滩造田工程 治滩造田就是通过工程措施，将河床缩窄、改道、裁弯取直，在治好的河滩上，用引洪放淤的办法，淤垫出能耕种的土地，以防止河道冲刷，变滩地为良田。 治滩造田是小流域综合治理的一个组成部分，而流域治理的好坏，又直接影响治滩造田工程的标准和效益，因此，治滩造田工程不能脱离流域治理规划单独进行： 一、治滩造田的类型 治滩造田主要有以下几种类型： （一）束河造田 在宽阔的河滩上，修建顺河堤等治河工程束窄河床，将腾出来的河滩改造成耕地（图9—22）。 （二）改河造田 在条件适宜的地方开挖新河道，将原河改道，在老河床上造田（图9—23）。
　　　　　
（三）裁弯造田 过分弯曲的河道往往形成河环，在河环狭劲处开挖新河道，将河道裁弯 取直，在老河弯内造田（图9—24）。
（四）堵叉造田 在河道分叉处，选留一叉，堵塞某条支叉，并将其改造为农田（图9—25）。 （五）箍洞造田 　在小流域的支沟内顺着河道方向砌筑涵洞，渲泄地面来水，在涵洞上填土造田（图9—26）。
二、整治线的规划 整治线（又称治导线）是指河道经过整治以后，在设计流量下的平面轮廓，它是布置整治建筑物的重要依据。 （一）整治线的布置原则 1. 多造地和造好地，新河应力求不占耕地或少占耕地，造出的地耕种条件应较好，最好能成片相连，以求做到“河靠阴，地向阳”。 2. 因势利导。充分研究水流，泥沙运动的规律及河床演变的趋势。顺其势、尽其利，应尽量利用已有的整治工程和长期比较稳定的深槽及较耐冲的河岸，力求上、下游呼应；左、右岸兼顾；洪、中、枯水统一考虑。整治线的上、下游应与具有控制作用的河段相衔接。 3. 应照顾原有的渠口、桥梁等建筑物，不要危及村镇、厂矿、公路等安全。 （二）整治线的形式 1. 蜿蜒式 整治线一般都是圆滑的曲线。这种曲线的特点是：曲率半径是逐渐变化的。从上过渡段起，曲率半径开始为无穷大，由此往下，逐渐变小，在弯曲顶点处最小，过此后又逐渐增大，至下过渡段又达到无穷大（图9-27）在曲线与曲线之间联以适当长度的直线。
这种曲线形式的整治线，比较符合河流的水流结构特点与河床演变规律，不仅水流平顺，滩槽分明，且较稳定。但河道占地面积大，造出的新田不能连成大片，不利于机械化。一般适用于流域面积大，河谷宽阔，中、枯水历时较长的河流。 2. 直线式 这种整治线基本上把新河槽设计成直线，根据河势和地形，自上游到下游分段取直（图9—28）。 直线式整治线可缩短河长，增加造地面积，使耕地连片，且新河槽中，洪水流动顺畅，阻力小，减小对凹岸的横向冲刷，但河长的缩短，增大了河床比降，势必增强流水对河床的冲刷作用。因此，不仅要求在两岸修建导流堤，而且要求对治河建筑物进行防护或将老河全部填平，沿山脚另开一条新河，在老河上造地（图9-29）。
　　　　
3. “绕山转”式 这种整治线是将新河槽挤向山脚一侧，河道环绕山脚走向流动，或将老河全部填平，沿山脚另开新河，在老河上造地（图9—29）。 绕山转整治线占地少，有利于土地连片。但对原来的水流运动规律改变较大，整治线难以防护，此外，山脚处一般地势较高，可能使新河槽床面较高，河床难以冲深，加之山脚一带山嘴、石崖较多，造成河槽宽窄不一，水流紊乱，因此，为达到新河槽的设计断面，必须平顺水流，挖深河床，在凹段还要修建顺河堤工程，实施困难，一般适用于小河流。
（三）整治线的曲率半径 整治线的曲率半径和宽度，应根据河流的水文、地理及地质条件来确定。 在缺乏资料时，曲率半径可按下式确定： R＝KB 　　　　　　　　　　　 （9-13） 式中：R——曲率半径（图9-30）； 　　 K——系数，一般可取4～9； 　　 B——直线段河宽。 整治线两反面之间的直线段长度L应适当，过短则在过渡段的某些断面上产生反向环流，造成交错浅滩，过长则可能加重过渡段的淤积。一般取 　　
＝（1～3）B 　　　　　　　　　 （9-14） 整治线两同向弯顶之间的距离L，可参照下式确定 　　 L＝（12～14）B 　　　　　　　　 （9-15） 第十章 水土保持工程施工 第一节 地基处理 一、地基处理的目的和要求 中小型砌石坝地基的要求主要有以下几方面： 1. 稳定要求 在各种荷载可能组合情况下，坝体及地基必须是稳定的。荷载组合中需考虑长期作用（如渗压、风化作用等）以及反复交变作用（如水荷、温荷变幅较大部位）对地基的不利影响。坝的抗滑稳定问题可分为两种类型：沿坝体与基谷接触面滑动以及基岩内的深层滑动。在坝基以下一定深度范围内没有鸭子软弱夹层或特殊构造的情况下，一般多考虑接触面滑动的稳定问题。各坝型的稳定分析方法及稳定安全系数要求，都有具体规定。 2. 防渗要求 包括库、坝区渗漏量和地基渗漏稳定两方面。前者要求库、坝区渗漏量在允许范围之内，一般应根据工程规模、等级、来水量、运用情况以及地基渗透性和处理难易程度、耗费多少等综合考虑而定。如工程等级不高、来水量较丰的，允许渗漏量可稍大些；反之，工程规模较大、效益显著、地位重要、或来水量有限、或为高水头电站等，允许渗漏量则应控制严些。一般中小型工程要求水舞蹈年总渗漏量不超过来水量的3%～5%。对于一般地基，控制渗漏量问题不大；但在岩溶地区筑坝，有可能遭致大量漏水，甚至蓄不起水，往往成为工程成败的主要问题。绝大多数砌石坝是修建在岩基上。火成岩和坚硬的沉积岩岩基一般不存在渗透稳定问题，只在个别沉积岩中含易溶盐（如石膏等）或岩基裂隙发育、充填物胶结不好的特殊情况下才有可能。另外，有的砌石坝坝基为结构疏松、强度较低的半岩质沉积岩（如砂质较重的泥岩、粉砂细砂岩、页岩等），或坚硬岩层中含有类似性质和相当厚度的软弱夹层时，在渗透水流作用下，有可能发生管涌、流土等渗透变形，危及坝基稳定。对于上述类型的坝基，为保证枢纽安全运行，渗透稳定分析是十分必要的。特别要预计到地长期高压渗流作用下，坝基岩层物理化学性质改变后对渗透稳定的影响。 3. 强度要求 在正常、非常荷载组合作用下，基岩强度指标必须满足设计规定的要求。强度要求与工程规模、等级、坝型、坝高、荷载组合情况、具体部位等都有关。一般坚硬基岩（如火成岩、变质岩、岩质沉积岩等）的饱和抗压强度（或称湿压强度）较高，大多为600～2 000kg／cm2，或更低。一般岩石的抗剪强度远低于抗压强度；抗拉强度则更低，多在10kg／cm2以下。 工程实际中，是将上述极限强度除以安全系数所得的允许应力作为基岩可以承受的应力控制指标。但是取用安全系数是牵涉面较广的复杂问题，由于目前尚无砌石坝设计规范，中小型工程多凭经验选定。坝基抗压强度安全系数大致取值范围为10～20，抗剪、抗拉强度安全系数取值或与抗压相同，或小一些。中小型工程坝基所取允许压应力范围大致为20～50kg／cm2；允许剪应力4～5kg／cm2；允许拉应力2～3kg／cm2。高坝坝基允许压应力有所降低，允许剪应力4～5kg／cm2，拉应力一般不允许出现。坝基软弱构面的抗拉强度一般很低，常认为是不能承受拉力的。 4. 控制变形要求 基岩在应力作用下，将发生变形。坝基、坝肩的变形往往又影响坝体应力分布，对于超静定结构的拱坝，影响尤为显著。砌石坝根据坝型、坝高、工程规模、等级、具体地形地质条件及运行情况，对于地基变形控制都有一定要求。具体讲有两方面，一是要求绝对变形量不能过大，如拱坝坝头压缩变形量应有控制；二是不均匀变形也应控制，尽可能地减少或避免。后者尤其需要注意，因不均匀变形最易导致地基及坝身裂缝，对防渗及稳定都很不利；而前者过大多易形成不均匀变形，也应重视。 5. 其他 除以上主要要求外，砌石坝还因其枢纽布置、具体地形地质条件等情况，对地基有其他方面的要求，如下游防冲、岸坡稳定等，不一一列举。 在确定砌石坝坝址及坝轴线时，应力求在摸清主要地质问题的基础上，尽可能避开复杂软弱的不良地基。但是实际地质条件往往复杂多样，这时应权衡利弊，利用其长，履行其短，即选定适当的结构措施和地基处理方案，使地基的某一方面或几方面满足相应要求。地基处理的作用及目的，便是通过适当的处理措施，使地基满足砌石坝的要求。 上述对地基几方面的要求，各具其特点和作用，但又是相互联系的。如强度、变形、防渗等都与保证坝基稳定有重要的直接关系。往往某方面要求满足了，另一方面要求也自然满足；忽视了某方面要求，其他方面要求也达不到。因此在考虑地基处理时，应将这几方面要求看作是互有联系的、统一的整体。 二、地基设计 砌石坝的地基设计主要包括清基、坝体与基岩连接、灌浆、排水几方面。 （一）清基 基坑设计开挖线须结合规模、坝型、地形地质条件、枢纽运用要求等综合考虑确定，一般应注意以下几点： （1）清基深度的要求对工程的安全性、经济性影响都大，应结合具体情况慎重确定。当基岩岩性软弱、风化严重、且便于开挖时，可将风化层彻底清除，达到新鲜基岩。对于岩性坚硬、风化层难于彻底清除的岩石，可酌情要求清基达微风化层或弱风化层。 （2）基坑开挖时应尽可能注意开挖后轮廓的平顺，避免基坑地形突变，以防应力集中而招致大坝裂缝。如受地形条件所限，陡坎不可避免时，可采取其他相应措施，如设缝、接触灌浆等。 （3）坝基开挖时，分布在一定深度范围内的软弱夹层或局部软弱带应力求彻底清除，以消除隐患。 （4）支墩坝及拱坝的坝体嵌入基岩深度，需结合应力及稳定要求而定。拱坝坝肩清基，原则上应按径向开挖。当岸坡较陡，完全径向开挖工程量很大时。可结合工程规模及稳定要求适当放宽。 （二）坝体与基岩连接 l. 采用垫座或垫层与基岩连接，在此基础上再砌筑坝体。这种方式在实际工程中经常采用，多用于地形不规整或岩性软弱、不均匀的情况。垫座宜采用混凝土，以利于基坑阻水，坝基应力均匀扩散，增强坝与地基结合，提高坝的抗滑稳定性。 2. 当工程地质条件较好，基岩完整坚硬，基坑规则，且基坑阻水问题易于解决时，也可将砌石坝体直接与基岩连接。但基坑修整完毕后，应先铺一层水泥砂浆，然后砌石，以利结合。 （三）坝基灌浆 　主要有帷幕灌浆、固结灌浆、接触灌浆和回填灌浆。 1. 帷幕灌浆 　 帷幕的作用是在岩体中构成比基岩相对透水性更小的地段，以防止渗漏和降低扬压力。是否设置帷幕，应根据地基透水性及工程要求来定。当坝基只有局部渗漏区时，可不搞全帷幕。 2. 固结灌浆 固结灌浆的主要作用是改善基岩的力学性能。通过灌浆使基岩密实，从而加强整体性，以提高承载能力和弹模。 3. 接触灌浆 当坝基岩面的坡度超过45°时，为加强坝体与岩面的结合，可进行接触灌浆。在坡度较缓的河床部分，为加强坝体与基岩的连结，也可进行接触灌浆。 4. 回填灌浆 为填塞因混凝土收缩所引起的接触带缝隙，可进行回填灌浆，方法与接触灌浆类似。 （四）坝基排水 坝基排水的主要作用是减少渗透压力以利稳定。当有防渗帷幕时，排水多设置在帷幕后2～4m范围内，一般设置1～2排。排水孔孔深约为帷幕深度的0.4～0.6倍。 三、地基处理的主要措施 修建砌石坝应力求把地质勘探工作认真做好，避免出现重大的地基缺陷。但是，坝址地基条件客观上一般不可能完美无缺，往往需对地基进行处理，使其满足工程要求。在地基处理设计和施工中，做好前期地质勘探工作、获得可靠的第一性资料，是避免盲目性、争取主动性的重要方面。 （1）根据地基等条件选择适宜的坝型、布置长构造地基与它上面的建筑物是有机的、统一的整体。对于不良地基，选择适宜的上层建筑与之适应和协调，是一种带根本性的主动改善措施，常可收至事半功倍、经济安全的效果。当河床基岩抗剪强度低时，避免采用重力坝；岸坡岩石软弱破碎时，避免采用拱坝。 （2）清除该法采用较普遍，对于断裂发育、风化断裂发育、风化严重、局部软弱夹层以及岩溶地带等都适用。一般效果较好，也是目前中小型工程处理不良地基比较彻底和切实可行的方法。对消除隐患、保证工程安全起着重要的作用；对于重力坝坝基、拱坝坝肩来说，尤为重要。清除的程度应根据地基情况、坝型类别、工程规模和等级适当掌握，不可一律要求。如对于岩性较坚硬的花岗岩、灰岩、凝灰岩，中小型工程一般清到微风化或弱风化程度，不必要求完全达到新鲜基岩。 在目前机械化程度还够高的情况下，这种清除方法固然切实可行，但往往费工较多，回填工程量较大，增大了投资和延长了工期，因此需全面综合考虑。 （3）混凝土塞或砌石体塞该法适用范围较广，可处理断层破碎带、裂隙密集带、软弱夹层、溶洞等，效果较好，技术也不复杂。混凝土塞一般可同时起到防渗、控制变形、改善应力、增强抗滑稳定的作用。 （4）混凝土、钢筋混凝土或砌石体垫座应用也较普遍。混凝土、钢筋混凝土垫座一般可起到防渗、改善应力、减少变形或防止不均匀沉陷、有利于基坑阻水及加强坝体与基岩结合、增强抗滑稳定等作用，有的还可兼作灌浆平台。砌石体垫座防渗作用及整体性较混凝土差，但较经济，如需要时可先在基坑内浇一层混凝土与基岩连结后，再于其上做砌石垫座。 （5）灌浆 中小型工程因设备条件限制，以往采用灌浆方法的不多，近几年所建工程已逐渐重视灌浆措施，一般效果较好。 帷幕灌浆是防止坝基渗漏、降低扬压力的有效措施，可用来处理断层破碎带、裂隙发育带或岩溶地基的坝基渗漏问题，以及某些软弱地基的渗漏和渗透稳定问题。 固结灌浆多用于处理断裂发育、风化严重、基岩完整性较差的地带。中高拱坝基岩所受荷载较大，也较集中，如完整稍差，有条件时可对整个坝基进行固结灌浆，特别是坝肩拱座附近。 （6）排水 中高重力坝或拱坝多采用坝基排水设施头减少渗透压力以利稳定。 （7）深嵌砌石 拱坝坝肩软弱或软弱夹层时多采用此法，效果也好。深嵌可提高坝肩稳定性，也有延长渗径、减少绕渗的作用。对于有不便直接清除的软弱夹层的地基，本法比较适应。嵌入深度应根据地基情况及稳定要求来定。深嵌还可提高结构对地基的适应能力，因深嵌必然先要深挖，这对消除隐患、增强坝基整体性也是有利的。本法技术简单、施工方便切实可靠，缺点是增大了坝基开挖及坝体的工程量，需进行技术经济比较，合理采用。 （8）锚固 有的砌石坝坝头基岩完整性较差（如受断层、大裂隙等影响），曾采用截面较大的钢筋讲行锚固，效果也好。