《水土保持工程学》淤地坝设计教学课件

第三章流域沟道治理工程

为固定沟床,防治沟蚀，减轻山洪及泥沙危害，合理开发利用水沙资源而在沟道中修筑的工程设施。沟道治理工程主要有沟头防护工程、谷坊工程、淤地坝、小水库和拦渣工程等。其主要作用在于：拦截沟道内的径流泥沙，减少下游洪灾和泥沙淤积；抬高侵蚀基准面，控制沟道向长、向宽和向深发展；合理配置和利用沟道内的水沙资源，为农林牧业发展奠定基础。第一节沟头防护工程一、沟头防护工程的形式

黄土高原沟头防护工程的形式很多，常见形式可归纳为四类。（一）沟埂式沟头防护1.连续围堰式2.断续围堰式（二）池埂结合式（三）排水式沟头防护

1．悬臂式2.台阶式3.陡坡式（四）分段蓄水式沟头防护二、工程设计（一）沟埂设计1．沟埂位置的确定L=（2~3）h2．沟埂尺寸确定

埂长、埂断面尺寸以来水量确定来水量沟埂断面尺寸可根据经验定:b≈0.5m，侧坡1：1θ＜6°高度0.5~0.8m；θ=15°~25°高度0.6~1.2m埂长根据地形情况定每米埂长蓄水容积:

H=ho+ΔhΔh=0.2m左右

全部蓄水量：V=V·L

V=W时，设计合理；V＞W时，设计尺寸偏大；V＜W时，应设第二道沟埂拦蓄剩余水量，但须在第一道沟埂上设溢水口，并注意采取防冲措施。（二）沟头蓄水池设计（三）排水管（槽）设计

1.沟头来水流量Qm的确定Qm＝0.278αIpF

2.排水管（槽）断面尺寸确定

（四）台阶式排水设计1.跌水的结构构造进口跌水墙陡槽消力池出口

2.跌水水力尺寸计算扭面扭面陡坡式多级跌水陡坡式多级跌水台阶式多级跌水（1）进口矩形缺口可按宽顶堰公式计算：Qm=MbcH03/2

（2）陡槽水力尺寸计算

小型陡槽可不必计算水面曲线，只计算临界水深和正常水深即可，以此确定陡槽的断面尺寸。（3）消力池水力尺寸计算

要求：在消力池中产生淹没式水跃，淹没系数在1.05~1.10之间确定池深d、池宽b和池长Ld≥σh〞-h下b≥b水第二节谷坊工程一、谷坊工程的种类及适用条件

谷坊种类较多，按建材分，有土谷坊，石谷坊、生物谷坊、混凝土谷坊等。（一）土谷坊（二）石谷坊

1.干砌石谷坊2.浆砌石谷坊3.石笼谷坊

（三）生物谷坊二、谷坊设计

任务：确定谷坊位置、高度、结构尺寸、溢水口尺寸、座数（一）谷坊布设位置确定

布设原则：顶底相照、小多成群，工程量小、拦蓄效益大。

布设点：直段、防拐弯、坎上、沟窄处布设。（二）谷坊高度和断面尺寸土谷坊小于5m干砌石谷坊1.5m左右浆砌石谷坊：3—5m左右柳谷坊1m左右尺寸可参考表3-2（三）谷坊数量及间距

1．在宽的干沟内谷坊间距：h=Li

h－谷坊底到溢水的高度；i－沟道比降。H－最下游谷坊底到最上淤谷坊溢水口底的地形高差。2．底坡不均，有台阶或跌坎时根据地形高差确定座数及高度3.在比降大的冲沟、干沟内

淤积有翅尾巴现象，谷坊间距可按下式求得：

i－沟床原比降；ic－淤积物比降。粗砂兼卵石:ic=0.02；粘土：ic=0.01；粘壤土：ic=0.008；砂土：ic=0.005

若采用谷坊高度相同,则：

当i、ic、h已知时，则可由其绘图求得谷坊的位置和座数。（四）谷坊溢流口尺寸确定（一）设计洪水标准规范：10－20一遇3－6h最大暴雨（二）水力计算用堰流公式：Q=MBH3/2（宽顶堰不淹设自由出流公式）谷坊顶流速不能太大，太大会冲刷，故应校核谷坊顶流速。根据试验：hk≈（0.46~0.64）Hhk－临界水深H－溢流口顶水深允许流速ν允见P59表3-4。淤地坝设计一、已知基本资料1.流域沟道坝址地形图一张（1/1000）；2.坝址以上集水面积5km2;3.经勘测计算，求得坝高H与库容V、淤地面积A的关系见图；4.流域年侵蚀模数K=10000t/km2,20年一遇设计洪水流量Q20=105m3/s，洪水总量W洪＝10万m3，200年一遇设计洪水流量Q200=180m3/s，洪水总量W洪＝17万m3；5.沟道无常流水；6.坝址附近有充足的筑坝土料，土壤内摩擦角φ＝20°，内聚力c=0.8t/m2;7.放水洞设计流量Q=0.5m3/s二、设计任务、要求1.掌握中小型淤地坝设计方法、步骤；

2.在1/1000地形图上进行枢纽布置；3.拟定淤地坝断面形状及尺寸；4.进行坝坡稳定分析计算；5.设计溢洪道及放水建筑物；6.绘制设计图；7.编写设计计算说明书。第三节淤地坝工程一．淤地坝的概念在沟道中拦泥淤地所打的坝叫淤地坝。在水土流失沟壑治理中还有一种型式的淤地坝叫拦洪淤地坝（骨干淤地坝或治沟骨干工程），它除了具有淤地坝的作用外，还有控制坝系洪水保护下游淤地坝、水库等运用安全的作用。二．淤地坝枢纽工程的组成及作用

（一）淤地坝工程的组成及作用淤地坝工程一般由三大件组成，即大坝、溢洪道，放水洞（二）淤地坝枢纽工程组成方案选择

1.三种组成方案的特点(1)三大件(2)两大件(3)一大件2.组成方案选择三、淤地坝的分级及设计洪水标准

依据：重要性；失事后的危害性

关系到技术安全、工程的造价和建设速度。主要依据库容将淤地坝分为大（一）、大（二）、中、小四级。四、淤地坝库坝址选择

好的坝址，应淤地面积大、工程量小、运用安全可靠（一）地形方面（二）地质方面（三）筑坝材料方面（四）其它方面（施工、淹没损失、文物等）五、枢纽工程布置（一）土坝布设轴线短，分期加高，上下游，协调（二）溢洪道长短、地形、进出口

（三）放水洞布设卧管竖井输水洞出口取水建筑物：卧管竖井输水建筑物：高程，消能六、淤地坝坝高、库容及淤地面积的确定

（一）坝高、库容和淤地面积的关系（二）淤地坝坝高与库容的确定淤地坝坝高一般由拦泥坝高h拦，滞洪坝高h滞和安全超高Δh三部分组成：

即坝高：H=h拦+h滞+Δh1．拦泥库容和拦泥坝高的确定

当流域面积、来沙量一定时，应把淤地面积最大、工程量最小和达到“水沙相对平衡”时的相对坝高作为设计拦泥坝高。一般情况，可根据下式求出拦泥库容V拦

或再以V拦查坝高~库容曲线求得h拦2．滞洪坝高的确定

不设溢洪道：一次设计洪水总量定设溢洪道：调洪计算3．安全超高

通常不作计算，可按规范选取

按上述方法求得坝高H后，应和现场实际地形对照，不合适应再调整。七、淤地坝库的调洪计算

（一）调洪计算目的任务

确定溢洪道下泄流量（决定溢洪道尺寸）、滞洪库容和滞洪坝高。（二）调洪计算方法

用简化三角形法（小坝不考虑滞洪作用）V滞=SΔoac-SΔobc=Q洪t3－Q泄t3=t3（Q洪－Q泄）洪水总量W洪=SΔoac＝Q洪t3

t3=Q泄=Q洪（1－

)调洪计算方法、步骤：

1．由计划淹深假设h滞，再由H~V曲线求得V滞2．按公式Q泄=Q洪（1－）求Q泄3．按堰流公式Q=MBH3/2求溢洪道宽度B。经过多次假设计算，最终对工程作经济、技术比较，取一个合适的B，该B所对应的h滞，Q泄，V滞即为调洪计算所求。

（三）溢洪道顶坎低于淤地面时的调洪计算

适应条件：流域面积大，水土流失严重，沟道有常流水，须防盐碱化采取措施：溢洪道顶坎高程降低（比淤地面低1.5－2.5m）

泄水滞洪过程线具有的特点：

溢洪道的最大下泄流量、排洪渠的最大流量与滞洪库容有如下关系：V滞=W洪（1－）

α―系数α＝1－Q排/Q洪Q排=

式中：β―系数β＝（1＋H2/H1）3/2H2―坝地允许洪水淹深H1―排洪渠最大水深此时调洪计算求V滞及h滞可按下述步骤进行：（1）根据坝地生产要求（防洪标准）确定溢洪道的宽度Ba.根据允许淹深（0.5~1.5m）假设H2。b.据假设查V~H曲线得V允滞c.根据V允滞、Q洪、W洪，再据公式Q排=，求Q排（试算）d.按Q排=Q=MBH13/2求溢洪道宽度B（2）根据工程安全要求（防洪标准）确定h滞、V滞及Q泄a.根据工程安全假设h滞；b.再据假设h滞，查V~H曲线得V滞；

c.由假设h滞，及上求得B，据Q=MBH3/2=Q泄=MB（H1+h滞）3/2求Q泄；d.用Q洪、W洪及Q泄用公式V滞=W洪（1－）求V滞；

f.看V滞与b步查得V滞是否相等，若不，则另设h滞重复以上步骤，直至相等为止。（四）坝系调洪计算

坝系调洪溢洪道设计流量计算可按下式进行：Q泄=(Q上P＋Q区P)（1－）式中：Q上P—频率为P的上坝溢洪道设计流量；Q区P—上坝之下本坝控制区间面积，频率为P时的设计洪峰流量；V滞—本坝滞洪库容；W上P—本坝溢洪道开始溢流达最大溢流时段内的上游工程下泄的洪水总量；W区P—相应于Q区P的设计洪水总量；

调洪计算示例：第四节土坝设计一、土坝的分类及坝型选择（一）土坝分类1.按施工方法：夯碾坝、水坠坝2.按土坝构筑结构组成材料分（土料在坝体内的位置及防渗体的位置）：均质土坝、心墙坝、斜墙坝、铺盖坝等按筑坝材料分：土坝、土石混合坝按用途分：拦泥生产坝、缓洪骨干坝。拱坝砌石重力坝

淤地坝坝型的选择主要是根据筑坝材料、坝址处地质、水文地质和施工条件等来定。对黄土地区本着就地取材一般选用均质土坝。土石山区可考虑选用土石混合坝。对于断面呈“V”字型的沟道（基岩），还可考虑拱坝。由于黄土区最常见的是均质土坝（夯碾坝、水坠坝），故本章如非着意指出，我们所说的淤地坝一般指均质土坝。（二）坝型选择

1.均质土坝

2.非均质土坝两种土料筑成，透水性小的土料作防渗体3.心墙、斜墙、铺盖、混合坝说明：淤地坝对防渗性的要求小于水库的要求，因而常用均质坝，一般粘土、砂土均可用。二、坝土料选择

（一）土料特性试验测定（二）碾压坝筑坝土料选择（三）水坠坝筑坝土料选择三、土坝断面结构构造及尺寸拟定

坝高定后，断面尺寸还包括坝顶宽，上下游边坡等。

（一）坝顶宽度

坝顶宽度与结构，高度和交通要求等有关。可参考表3~8。

（二）坝边坡与坝高、筑坝材料和施工方法等因素有关，参阅表3~8。然后经过上坡稳定分析计算最终确定。

（三）坝坡马道

当坡高超过10~15m时，考虑到施工、行人、交通、排水和临时堆放材料之需，可在坝中部设1~1.5m宽的人行马道（戗台）。马道上部坝坡陡，下部缓。（四）坝坡保护

上游坝面（淤地面以上）防风浪，常用干砌石保护。下游坝面防降雨冲刷，可种植牧草、灌木，还需作纵横向排水措施，特别是坝端与沟坡相接处。（五）坝体排水淤地坝一般为土坝，其透水性和压实程度有关（与土质也有关），压实性好，透水性小，压实差，透水性大。压实程度常用干容重表示，一般需要干容重rd>1.5吨/m3，低坝可小些。即便可满足要求，仍会产生渗漏。浸润线：渗透水流在坝体中渗透形成的自由水面叫浸润面，在横断面上形成的自由水面线叫浸润线。浸润线以下土体为饱和状，在浮力和渗透力作用下，土粒有效重量减少，可能会造成坝体破坏。因此，采取一些排水措施降低浸润线的位置有重要意义。排水措施的作用就是有计划的将渗水导向坝体下游，降低浸润线的位置，防止渗透破坏（流土，管涌）：二是增加坝坡稳定，减小坝的断面尺寸。对反滤层的要求：相邻两层中，颗粒较小的一层颗粒不得穿过颗粒较粗一层的孔隙；各层内的颗粒不能发生位移；被保护土壤的颗粒不得穿过反滤层，但允许细小的颗粒被渗流带走。因为只要土骨架不被破坏，就不致产生渗透变形；反滤层不能被堵塞，即细小颗粒能自由通过各层的孔隙；耐久、稳定，在使用其间，不会随着时间的推移和环境的影响而改变性质。

排水措施的作用：降低浸润线的位置，防止渗透破坏（流土，管涌）；二是增加坝坡稳定，减小坝的断面尺寸。常见的排水措施有下面几种：1．表面排水

优点：用料少、便于施工观察、维修，防止渗透破坏。缺点：不能降低浸润线位置适用于：中、小型淤地坝。反滤层：一般由2到3层粒径不同的砂石料铺筑而成，层面与渗流方向近乎垂直，沿渗流方向粒径由小逐渐加大。2．棱式反滤体排水

优点：降低浸润线，支撑坝体，利于稳定

缺点：用料多，检修麻烦。具体尺寸，见书上。

适用于：大、中型土坝和水库。3．有水平砂沟的排水（褥垫排水）

适用于：不透水地基或透水性较差的地基，对水坠法施工排除坝体水分非常有利。不太适应不均匀沉陷，我国使用不多。四、土坝稳定分析计算

（一）土坝稳定分析计算的目的

体积大，一般不会整体滑动。稳定分析计算的目的是求稳定状态下，最优的断面形状尺寸。（二）土坝滑坡因素及滑坡形态

滑坡形态：圆弧、直线或折线（三）土坝稳定分析计算的方法

图解法：中小型坝

条分法：大中型工程五、土坝分期加高设计问题

（一）分期加高设计的依据和设计方法分期加高设计应在坝系规划总方案的基础上进行。实践中，加高多为两到三次完成，—次间隔时间大约l0年，小型坝一次二至三年（完成）。（1）当第一次坝高设计不设溢洪道时，坝高除考虑完成工程量外，应为拦洪库容（不包括安全加高库容）大于一次设计洪水总量相应的坝高。（2）当第一次坝高设计设有溢洪道时，先根据淤积期限确定拦泥坝高，再根据设计洪水计算滞洪库容，确定滞洪坝高，最后加上安全加高，即得第一次设计坝高。这种设计的防洪计算，应考虑土坝加高后溢洪道设置方案问题。

（二）分期加高设计与“三大件”设计方案

1.土坝加高方案及设计要求内坡加高法、外坡加高法、骑马式加高法。

2.加高坝时溢洪道设计要求原形加高法、土渠加陡法、滚水坝法

3.加高坝时放水洞设计要求竖井：垂直加高法卧管：向上延伸加高法

第五节淤地坝溢洪道一、位置选择1.工程量小2.地质良好3.溢洪安全4.水力条件好

二、布置形式

1．明渠式小型坝库，泄洪流量小2．堰流式跌水式陡坡式三、水力计算（一）明渠式（二）陡坡式1.溢流堰尺寸计算2．陡坡段尺寸计算①计算临界水深，临界坡度ik,判断是否属陡坡

矩形：后由梯形:(临界水深关系式)试算

②计算陡坡长度（用几何关系）③计算正常水深④计算绘制水面曲线⑤确定陡坡终点的流速Va看其是否满足不冲流速⑥确定侧墙高度H=h+hB+△hh－水深hB－掺气时的水深增加值，可按下式计算：流速V小于或等于20m/s时，hB=

流速V大于20m/s时，Δh－安全加高，可取0.5－1.0m3．消能段

底流消能;挑流消能（1）消力池消能消力池消能水力计算的目的有两个：①确定是否修建消力池

必须进行水跃的计算

②如需修建消力池，确定消力池的深度和长度。d=δh″-h下

式中:δ－淹没系数，一般取1.05-1.1h下－下游渠道的水深消力池的长度Lk：对于矩形的断面：LK=(4.3~4.9)h″梯形断面：Lk=5h″(1+)B1－水跌前断面水面宽，B1=b+2mh′B2－水跃后断面水面宽，B2=b+2mh″m－边坡比b－底宽（2）挑流鼻坎消能

优点：省工省料（不建消力池）节药投资

缺点：要求下游地基良好，最好是基岩，否则会引起严重的冲刷，对下游的河床产生破坏。水力计算的任务：1．计算挑流射程;2．确定挑流鼻坎高程;3．鼻坎反弧半径R;4．挑射角θ;5．对冲刷坑深度t作估算.四、溢洪道结构设计（一）溢洪道进口段1．引水渠

基岩上土基上

2．渐变段

3．溢流堰为溢洪道的控制段过水断面多为矩形

溢流堰建在土基上宽顶堰岩基上实用堰底板浆砌石，作齿墙由三部分组成过水堰浆砌石边墩浆砌石挡土墙，比溢流面高0.5~1.0m。溢流堰上有时设工作桥，可用钢筋混凝土板建造，宽1.5~3.0m。（三）陡坡段

建立在：土基纵坡1:

3~1：5

岩基纵坡1：1~1：31．侧垟基础断面形状是否衬砌岩基矩形需凿平或用混凝土砂浆抹面土基梯形需用浆砌石或混凝土衬砌,边坡比1：1~1：3浆砌石衬砌厚0.3~0.4m混凝土衬砌厚0.1~0.15m为防止不均匀沉陷及施工方便，沿水流方向每隔5~8m留一沉陷缝。2．陡槽底板

基础是否衬砌衬砌厚

岩基：良好可不衬砌，仅凿平即可不良，流速大用块石或混泥土衬砌浆砌块石衬砌厚0.25~0.4m混凝土衬砌厚0.1~0.15m

土基：必须衬砌浆砌块石衬砌厚0.3~0.5m

底板和侧垟统一分缝对于风化破碎的岩基底板用混凝土衬砌时，可加设适量锚筋对于土基上的陡槽底板，在底板下铺设一层厚约0.1~0.2m的碎石、砂卵石垫层，防冻底板下还应设置纵横向排水沟，防扬压力陡槽中流速较大，高速水流易使底板产生震动，对底板的厚度进行较核：

δ=0.03aV(m)要求底板的厚度≥δ（计算所得）

δ－底板厚a－地基条件系数密实的粘土和亚粘土a=0.8中等密实的粘土a=1.0亚砂土和砂a=1.5~2.0V－流速（m/s）h－水深（m）（四）消力池

①强度高②抗冻性能好浆砌块石建造，块石质地良好，砂浆标号不小于M7.5，混凝土标号不小于C15。浆砌块石修筑，池底厚0.3~0.5m,池前端设置齿墙，深0.5~1.0m，厚0.3~0.5m，底板下设反滤排水孔，侧墙构造同于陡槽，底板厚为可靠起见，可用下式校核：δ≈KVch′－收缩断面处水深，可取跃前水深；Vc－收缩断面处流速；K—系数，Kc=0.03+0.17sinαα—陡槽未端射流与水平面夹角，第五节放水工程设计

设计主要包括以下几个方面的任务：

选择位置、型式布置、水力计算、结构设计一、放水洞的组成形式及作用（一）组成形式1.卧管平孔、立孔、斜孔2.竖井孔：20～30cm3.卧管涵洞及输水涵洞4.输水涵洞出口段注意消能（二）作用二、工程布设（一）位置选择地质，进口高程，纵坡（二）放水洞布设

纵坡，消能三、水力计算

（一）卧管

卧管上端应高出坝库最高水位1－2m。顶部须设通气孔。卧管涵洞水流应保持无压自由流，为此其高度应比正常水深增