51-2沟头-谷坊工程

第五章沟道治理工程沟道治理工程是指为了固定沟床，拦蓄泥沙，防止或减轻山洪及泥石流灾害而在山区沟道中修筑的各种工程措施。沟头防护、谷坊、拦沙坝、拱坝、淤地坝工程等，都属于沟道治理工程。沟道治理工程的主要作用在于防止沟道底部下切，固定并抬高侵蚀基准面，减缓沟道纵坡，减小山洪流速。沟床的固定对于沟坡及山坡的稳定也具有重要意义。沟床固定工程还包括沟床铺砌、种草皮、沟底防冲林带等措施。第一节沟头防护工程沟头防护是沟壑治理的起点，其主要作用是防止坡面径流进入沟道而产生的沟头前进、沟底下切和沟岸扩张，此外，还可起到拦截坡面径流、泥沙的作用。沟头防治工程根据其形式，分为蓄水式和排水式沟头防护工程两类。一、蓄水式沟头防护工程当沟头上部集水区来水较少，地质条件较好时，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。沟埂的长度、高度和蓄水容量按设计来水量而定。蓄水式沟头防护工程又分为沟埂式与埂墙涝池式两种类型。1、沟埂式沟头防护是在沟头以上的山坡修筑与沟边大致平行的若干道封沟埂，同时在距封沟埂上方1.0～1.5m处开挖与封沟埂大致平行的蓄水沟，拦截与蓄存从山坡汇集而来的地表径流。①在沟头坡地地形较完整时，可做成连续式沟埂；②若沟头坡地地形较破碎时，可做成断续式沟埂。连续式断续式设计内容包括：封沟埂位置、高度，蓄水沟深度，沟埂长度及道数。第一道封沟埂与沟顶的距离，一般为2～3H沟深，沟头深10m以内的，至少相距3～5m，以免引起沟壁崩塌。各沟间距可用下式计算：L=H/i式中：L——封沟埂间距，m；H——埂高，m；i——最大地面坡度，%。沟埂长度、埂高和沟深等尺寸，视沟头坡度、设计来水量、土质等条件决定。2、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，则可开挖涝池群。各个涝池应互相连通，组成连环涝池，以最大限度地拦蓄地表径流，防止和控制沟头侵蚀作用。同时涝池之内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。3蓄水式沟头防护工程的设计（1）洪水设计标准：10～20年一遇的暴雨。（2）设计步骤①来水量计算式中：W——来水量，m3；K——径流系数；R——10年一遇3～6h最大降雨量，mm；F——沟头以上集水面积，hm2。KRFW10②蓄水量计算A：当在围埂以上开挖蓄水沟和涝池时，可根据来水量计算蓄水沟断面尺寸和涝池数量和尺寸。沟埂一般为土质梯形断面，埂高0.8～1.0m（据来水量具体确定），顶宽0.4～0.5m，内外坡比各约1：1。B：当围埂以上不挖蓄水沟，只利用围埂蓄水时（下图），蓄水量可按下式计算：式中：V——围埂蓄水量，m3；L——围埂长度，m；B——回水长度，m；H——埂内蓄水深，m；i——地面比降，%。iHLHBLV222沟头围埂蓄水量示意图③溢流口另外，当上方封沟埂蓄满水后，水将溢出。可在埂顶每隔10～15m的距离挖深20～30cm，宽1～2m的溢流口，并以草皮铺盖或以石块铺砌，使多余的水通过溢流口流入下方蓄水沟埂内，确保封沟埂的安全。二、泄水式沟头防护工程沟头防护以蓄为主，作好坡面与沟头的蓄水工程，变害为利。但在下列情况下可考虑修建泄水式沟头防护工程：①是当沟头集水面积大且来水量多时，沟埂已不能有效地拦蓄径流；②是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，沟底还要有消能设施以免冲刷沟底。（一）设计洪水标准泄水式沟头防护工程属永久性建筑物，应有较高的设计标准，一般可按20～30年一遇暴雨洪水设计。（二）设计排水量设计排水量的计算必须根据沟头水文、地形条件精确计算，以选定泄水结构形式和工程设计。沟头集水面积一般小于0.1km2，形状近似于圆形和半圆形，应按全面汇流计算。可按下述2种公式计算：采用《水土保持综合治理技术规范·沟壑治理技术》(GB/T16453.3—1996)推荐的公式：①式中：Q——设计流量，m3/s；I——10年一遇1h最大降雨强度，mm/h；F——沟头以上集水面积，hm2；K——径流系数。610278KIFQ②式中：Qm——设计暴雨的最大径流量，m3/s；α——洪峰径流系数（不同于径流系数），汇流历时愈短，值愈大，对于沟头集水取=0.75～1.0；h——设计暴雨量，mm/s。由设计历时的平均暴雨强度（查各地水文手册降雨强度公式）和设计暴雨历时计算，可按30min暴雨强度设计；F——沟头以上集水面积，hm2。hFQm278.0（三）类型一般有悬臂跌水式、陡坡式和台阶式3种。1、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、混凝土或钢板等作成槽状(图5-3)，使水流通过水槽直接下泄到沟底，不让水流冲刷跌水壁，沟底可用浆砌石作成消力池，或碎石堆于跌水基部，以防冲刷。适于落差大、降落线较短的陡崖沟段。图5-3悬臂跌水式断面水槽断面设计按宽顶堰流公式：Q=MBH3/22、陡坡式沟头防护陡坡式沟头防护（图5-4）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。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。一般用于落差较小，地形降落线较长的沟段。断面设计参见溢洪道部分。图5-4陡坡式沟头防护结构示意图3、台阶式沟头防护这种泄水工程可用石块或砖浆砌而成，施工技术较简单，但需石料较多，质量要求较高。（1）形式：分为单级式和多级式。①单级台阶式(图5-5)多用于跌差较小(1.5～2.5m)，且地形降落比较集中的沟段；②多级台阶式(图5-6)多用于跌差较大且地形降落距离较长的沟段。在这种情况下如采用单级台阶式跌水，因落差过大，下游流速大，必须做很坚固的消力池，建筑物的造价高。（2）断面设计台阶式跌水的断面可按下列公式计算，以使工程经济、安全可靠。式中：h——泄水槽水深，m；b——泄水槽底宽，m；Q——设计洪水流量，m3/s。322501.0bQh31335.0hQb第二节谷坊工程谷坊又名防冲坝、沙土坝、闸山沟等，是山区沟道内为防止沟床冲刷及泥沙灾害而修筑的横向挡拦建筑物，谷坊高度一般3～5m，拦沙量小于1000m3，以节流固床护坡为主，一般布置在小支沟、冲沟或切沟上，是水土流失地区沟道治理的一种主要工程措施。一、谷坊的作用（1）固定与抬高侵蚀基准面，防止沟床下切；（2）抬高沟床，稳定山坡坡脚，防止沟岸扩张及滑坡；（3）减缓沟道纵坡，减小山洪流速，减轻山洪或泥石流灾害；（4）使沟道逐渐淤平，形成坝阶地，为发展农林业生产创造条件。二、谷坊的分类谷坊可按所使用的建筑材料、使用年限和透水性不同进行分类。根据不同的分类标准，可将谷坊分为不同的类型。根据《水土保持综合治理技术规范·沟壑治理技术》（GB/T16453.3—1996），谷坊按：①建筑材料。可以分为土谷坊、石谷坊、植物谷坊3类。②使用年限。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。③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、钢筋混凝土谷坊等属于不透水性谷坊；而只起拦沙挂淤作用的插柳谷坊、干砌石谷坊等皆为透水性谷坊。谷坊类型选择取决于地形、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种因素。往往须先考虑劳力和经济因素，选择能就地取材的谷坊类型。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，如混凝土谷坊等。土谷坊示意图（单位：m）塑料编织袋土谷坊断面构造图（单位：m）干砌石谷坊断面图（单位：m）A—横断面B—下游立视浆砌石谷坊断面图（单位：m）石笼谷坊断面图（单位：m）单排柳谷坊断面图双排柳谷坊断面图（单位：m）三、谷坊位置的选择通过沟壑情况调查，选择沟底比降大于5%～10%的沟段，系统地布置谷坊群。谷坊的布设是根据沟道的比降，自下而上逐步拟定谷坊的位置，一般高2～5m，下一座谷坊顶部大致与上一座谷坊基部等高（图5—6）。图5-6谷坊布设示意图四、谷坊高度与间距的确定1、谷坊高度应因地制宜，依据所采用的建筑材料来确定，主要以能承受水压力和土压力而不被破坏为原则，同时考虑省工的要求。一般土谷坊、浆砌石谷坊＜5m，干砌石谷坊＜2m，柴草、柳梢谷坊＜1m。2、谷坊间距它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，谷坊淤满之后，其淤积泥沙的表面不可能绝对水平，而具有一定坡度，称稳定坡度（下图）。目前常用下面方法来估算谷坊淤土表面的稳定坡度I0的数值。根据坝后淤积土的土质来决定淤积物表面的稳定坡度：砂土0.005，粘壤土0.008，粘土0.01，粗砂兼有卵石子0.02。谷坊间距示意图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i0，可按下式计算谷坊水平间距L：式中：L——相邻两座谷坊的水平距离，m；h——谷坊高度，m；i——沟底天然坡度，%；i0——淤土表面稳定坡度，%。0iihL日本确定沟床工程间距的经验公式①狭窄沟道：L=(1.5～2.0)n②宽沟道：L=(1.5～2.0)b式中：n——沟道纵坡比的倒数；b——沟宽不同沟底坡度和不同谷坊高度的谷坊间距见教材P136表5-5。3谷坊数量若采用同高度谷坊，治理段的谷坊总数n计算：式中：H—沟床加护段起点和终点的高程差;h—谷坊有效高度,即谷坊溢水口底至沟底高差(m);L—谷坊间距(m);i0—淤土表面稳定坡度，%。0LihHn五、土谷坊设计1、断面尺寸设计常见土谷坊断面尺寸见教材P133表5-1和表5-3（不同地区）。表5-1土谷坊断面尺寸坝高m迎水坡内坡背水坡外坡坝顶宽m坝脚宽m坝身需土方m3/m心墙尺寸（m）上宽下宽底宽高度1.01：1.01：1.01.04.03.8————2.01：1.51：1.01.06.07.00.81.00.61.53.01：1.51：1.51.510.018.00.81.00.62.54.01：2.01：1.52.016.036.00.81.50.73.55.01：2.51：2.03.025.571.30.82.50.94.5根据GB，土谷坊的断面尺寸可参照下表。坝高（m）顶宽（m）底宽（m）迎水坡比背水坡比21.55.91:1.21:1.031.59.01:1.31:1.242.013.21:1.51:1.352.018.51:1.81:1.52、溢洪口设计①设在土坝一侧的坚实土层或岩基上，上下两座谷坊的溢洪口尽可能左右交错布置；②对于沟道两岸为平地，沟深小于3m的沟道，坝端没有适宜开挖溢洪口的位置，可将土坝高度修到高出沟床0.5～1.0m时，坝体在沟道两岸平地上各延伸2～3m，并用草皮和块石护砌，使洪水从坝的两端漫至坝下农、林、牧地，或安全转入沟谷，不允许水流直接回流到坝脚处。③土质溢洪口断面尺寸计算：由于其下紧接排洪渠，按明渠均匀流计算。A=Q/VA=(b+mh)h式中：A—溢洪口断面面积，m2；V—流速，m/s；Q—设计洪峰流量，m3/s，按10-20a一遇3～6h最大雨量计算；b—溢洪口底宽，m;h—溢洪口水深，m；m—溢洪口边坡系数。六、石谷坊设计1、断面尺寸设计①阶梯式石谷坊。一般坝高2-4m，顶宽1.0-1.3m，迎水坡1:0.2，背水坡1:0.8，坝顶过水深0.5-1.0m。一般不蓄水，坝后2-3年淤满。干砌阶梯式石谷坊断面示意图②浆砌石谷坊。一般坝高2-5m，顶宽为坝高0.5-0.6倍（为便利交通），迎水坡1:0.1，背水坡1:0.5-1:1。此类谷坊在巩固沟床的同时，还可蓄水利用，质量要求较高，需作坝体稳定分析。常见石谷坊断面尺寸见教材P133表5-2（不同建材）和表5-4（不同地区）。浆砌石谷坊断