34-5沟渠工程-水平沟

3.4山边沟渠工程一、沟渠工程的定义与功能1、定义为防治坡面水土流失而修建的截排水设施，统称山坡沟渠工程。山坡沟渠工程是坡面治理的重要组成部分。2、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，因地制宜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。（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、排水沟可兼做引水渠、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）梯田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，一般以每台梯面宽为水平段，每台梯坎高为一级跌水，在跌水处作好铺草皮或石方衬砌等防冲消能措施。（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本沿等高线布设，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，可划分为几个排、引、灌水块或单元，各单元分别布置自己的排、引、灌去处（或蓄水池或天然冲沟或用水地块）。（8）坡面沟渠工程规划还应尽量避开滑坡体、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／T16453.l－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Mw（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①每道截水沟的容量（V）按下式计算：V=Vw十Vs式中：V——截水沟容量，m3；Vw——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m3。上式中Vw和Vs值按下式计算。Vw=Mw×FVs=3Ms×F式中：F——截水沟的集水面积，km2；Mw——一次暴雨径流模数，m3/km2；Ms——年均土壤侵蚀模数，t／km2；②根据V值按下式计算截水沟断面面积。A1=V／L式中：A1——截水沟断面面积，m2；L——截水沟长度，m。参考尺寸截水沟一般采用半挖半填作为梯形断面，其断面要素、符号、常用数值如下：沟底宽（Bd）：0.3～0.5m；沟深（H）：0.4～0.6m；内坡比（mi）：1：1；外坡比（mo）：1:1.5。补充：两条蓄水沟间距离确定式中：Vk—土壤发生流失作用的流速，m/s；m—流速系数,据地形切割度大小而定，1＜m＜2；C—据坡降i和地面粗糙率n决定的系数，L——临界沟间距离(斜距)m;h—降雨强度，m/s;φ—径流系数。iCi307hLCmVk举例在我国水土流失严重的黄土地区，当地表径流流速为0.16m/s时，最细的粘土粒就会流失，若m=2，C=30i1/2，h为2mm/分，径流系数φ=0.8，则当坡度为30°时，沟间沿斜坡的最大距离为多少？最大水平距离为多少？提示若截水沟只为蓄积径流泥沙，断面设计满足容积水、沙即可；但若还有排除径流泥沙的目的，则断面尺寸需要按渠道设计程序，满足Q和V的要求。3、截水沟断面设计（1）截水沟断面设计公式截水沟断面积A2，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。A2＝Q/V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。RiCV①Q值的计算：坡面小汇水面积的设计洪峰流量的计算，常采用区域性经验公式。Qp=KImFn（适用于F=10km2的小流域）Qp=CpFn（适用于1km2＜F＜10km2的小流域）Qp=CpF（适用于F=1km2的小流域）以上3式中：Qp——设计频率暴雨产生的洪峰流量，m3／s；K——综合系数（反映地面坡度、河网密度、河道比降、降雨历时及流域形状等因素）；I——设计频率暴雨净雨深，mm；m——峰量关系指数；F——小流域面积或坡面排水块汇水面积，km2；n——随汇水面积的增大而递减的指数；Cp——与流域自然地理、下垫面因素有关的系数。这些区域性经验公式，主要因子是地面坡度和设计暴雨下的下垫面因素，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。在野外可以测算梯田、林草地、坡耕地、荒坡以及裸露土石山坡等不同下垫面排水块的汇水面积及其各排水块的平均地面坡度。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。P118表4－3为四川及重庆地区小汇水面积10a一遇设计洪峰流量查算表。②R值的计算：R=A2/x式中：x——截水沟断面湿周，m，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梯形断面：X=b＋2h式中：b——沟槽底宽，m；h——过水深，m；m——沟槽内边坡系数。21m③C值的计算：一般采用满宁公式。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。6/1n1RC④i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。i值主要决定于截水沟沿线的地形和土质条件，一般i值与沟沿线的地面坡度相近，以免开挖太深；同时还应满足不冲不淤流速的要求。长江流域的山地、丘陵区土质i值一般选择1/300比较适宜，最大不超过1/100，最小不小于1/500。为了施工方便，同一条沟（跌水除外）最好采用一个i值。为了防止泥沙淤积，不淤流速（最小允许流速）一般采用0.20～0.50m/s，见P121表4－4。土壤质地不淤流速重粘壤土0.75～1.25中粘壤土0.65～1.00轻粘壤土0.60～0.90粗砂土（d=1～2mm）0.50～0.65中砂土(d=0.5mm)0.40～0.60细沙土(d=0.05～0.1mm)0.25淤土0.20表4－4截水沟不淤流速m/s也可根据水流中泥沙的类别按下式计算。Vk=φR1/2式中：Vk——最小不淤流速，m／s；R——水力半径，m；φ——系数，可在表4－5中选用。泥沙类型φ值泥沙类型φ值粗沙0.65～0.75细沙0.45～0.55中沙0.55～0.65极细沙0.35～0.45表4－5不同泥沙φ值补充：不冲流速土壤名称干重（t/m3）不冲允许流速V不冲（m/s）轻壤土1.3-1.70.60-0.80中壤土1.3-1.70.65-0.85重壤土1.3-1.70.70-1.00粘土1.3-1.70.75-0.95表1均质粘性土不冲流速（R=1）表2均质无粘性土不冲流速（R=1）土质粒径(mm)V不冲（m/s）土质粒径(mm)V不冲（m/s）极细砂0.05-0.100.35-0.45中砾石5-100.90-1.10细砂和中砂0.25-0.500.45-0.60粗砾石10-201.10-1.30粗砂0.5-2.00.60-0.75小卵石20-401.30-1.80细砾石2.0-5.00.75-0.90中卵石40-601.80-2.20当渠道水力半径R≠1m时，表中数值应乘以Rα，即得相应的V不冲值。α值的确定：①对于砂砾石、卵石及疏松的砂壤土、壤土、粘土，α=1/3～1/4;②对于中等密实和密实的砂壤土、粘土，α=1/4～1/5。黄土地区浑水渠道可按陕西水科所提出的公式计算：V不冲=CR0.4式中：C——系数，粉质壤土C=0.96；沙壤土C=0.7。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m值；反之，土质坚硬，沟槽较浅，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坍塌，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4－6确定。土质挖方段填方段水深＜1m水深1～2m水深2～3m水深＜1m水深1～2m水深2～3m粘土和壤土1.001.001.251.001.251.50轻壤土1.001.251.501.251.501.75沙壤土1.251.501.751.501.752.00沙土1.501.752.001.752.002.25表4－6截水沟内边坡系数m值（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：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。3QahB．水力最优断面设计公式：式中：h——过水深，m；n——沟槽糙率；Q——设计洪峰流量，m3/s；m——截水沟内边坡系数；i——截水沟沟底比降。83212189.1immnQh②宽深比计算确定底宽b：β=N1Q0.10-m(Q＜1.5m3/s)β=N2Q0.25-m(1.5m3/s＜Q＜50m3/s)式中：β—宽深比系数，β=b/h(或b=β·h)m—截水沟内边坡系数；N—常数，N1=2.35～3.25，一般采用2.8；N2=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。对采用一般断面形式和最优断面设计的计算结果，若均能满足校校要求的，应在施工布置阶段，根据施工条件等因素选择其中之一。④堤宽B和安全超高截水沟设计断面确定后，还应根据不同的建筑材料等因素，选择沟堤宽B和安全超高△H（P123图4－19）。小型的截水沟土质沟堤B≥0.30m，安全超高一般视沟渠设计流量大小而定：Q＜1m3/s时，△H=0.2～0.3m；Q=1～10m3/s，△H=0.4m。3.5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。1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，上下两个坑应交叉而