沟道治理工程水土保持北京林大

北京林业大学精品课程讲义12019年8月26日第二部分山沟治理工程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，对沟口冲积堆不造成灾害。属于山沟治理工作的措施有：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。北京林业大学精品课程讲义22019年8月26日一、谷坊、拦砂坝二、拱坝三、淤地坝山沟治理工程四、小型水库北京林业大学精品课程讲义32019年8月26日1.1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的一种主要工程措施，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1000m3，以节流固床护坡为主。北京林业大学精品课程讲义42019年8月26日1.1.1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。1.1.2谷坊的种类1、根据谷坊所用的建筑材料的不同，大致可分为以下几类：土谷坊；干砌石谷坊；枝梢（梢柴）谷坊；插柳谷坊（柳桩编篱）；浆砌石谷坊；竹笼装石谷坊；木料谷坊；混凝土谷坊；钢筋混凝土谷坊；钢料谷坊；2、根据使用年限不同，可分为永久性谷坊和临时性谷坊。3、按谷坊的逶水性质，又可分为透水性谷坊与不透水性谷坊。北京林业大学精品课程讲义52019年8月26日1.1.3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，应在汇合点的下游修建谷坊；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。1.1.4谷坊设计1.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。当连续修建谷坊时，上一座谷坊脚与下一座谷坊顶大致水平，或略有坡度。北京林业大学精品课程讲义62019年8月26日2.谷坊的断面规格谷坊的高度，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1m。3.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水口，土谷坊要在谷坊一端留溢水口。北京林业大学精品课程讲义72019年8月26日1.2拦砂坝拦砂坝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。拦沙坝多建在主沟或较大的支沟内，通常坝高大于5m，拦沙量在103—1003m3之间，甚至更大。北京林业大学精品课程讲义82019年8月26日1.2.1拦沙坝的作用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。1.2.2坝型选择1.按结构分：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。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，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。北京林业大学精品课程讲义92019年8月26日北京林业大学精品课程讲义102019年8月26日错体坝拱坝钢索坝格栅坝北京林业大学精品课程讲义112019年8月26日2.按建筑材料分：砌石坝、混合坝、铁丝石笼坝混合坝铁丝石笼坝北京林业大学精品课程讲义122019年8月26日1.2.3坝高与拦沙量的确定（一）拦沙坝坝高的确定拦沙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）拦沙坝的设计目标，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。一般拦沙坝分为：小型拦沙坝坝高：5-10m中型拦沙坝坝高：10-15m大型拦沙坝坝高：15m（二）拦沙量计算拦沙量的设计可按下法推求：对坝高已定的拦沙坝库容的计算可按下列步骤进行：北京林业大学精品课程讲义132019年8月26日（1）在方格纸上给出坝址以上沟道纵断面图，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淤积面积。（4）求出相邻两断面之间的体积，计算公式为：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，即为拦沙坝的拦沙量。推求拦沙量还可根据下式计算：式中：V—拦沙量（m3）；b,h—拦沙坝堆沙段平均宽度，高（m）；1/n—原沟床纵坡比降；1/m—堆沙区表面比降。当堆沙表面比降采用原沟床比降1/2时，m=2n，LWWV221221bhnmmnV2nbhV北京林业大学精品课程讲义142019年8月26日1.2.4拦沙坝的断面设计拦沙坝的断面设计任务是，确定既符合经济要求又保证安全的断面尺寸，其内容包括：断面轮廓的初步设计拟定，坝的稳定设计和应力计算，溢流口计算，坝下冲涮深度估算，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。日本防沙工程设计拦沙坝断面时，根据坝顶溢流水深h1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北京林业大学精品课程讲义152019年8月26日拦沙坝下游坝坡系数n可用下列公式估算：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。hVnghVn146.02或（二）坝的稳定与应力计算一座拦沙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，坝体绕下游坝址的倾覆破坏；（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。计算时，首先根据初步拟定的断面尺寸，进行作用力计算，然后进行稳定计算和应力计算，以保证坝体在外力作用下不致于遭到破坏。北京林业大学精品课程讲义162019年8月26日1.作用力计算作用在单位坝上的力，按其性质不同可分为坝体自重、坝上下游面的淤积物重，坝前水沙压力、泥石流冲击力以及坝基扬压力等。见右图①坝体重力G：G=V·γd·b式中：G——坝体重力(t)；V——坝体横断面积(m2);γd——坝体容重(t/m3)；b——单宽(b=1m)②淤积物重量：作用在坝体上游面上的淤积物重量等于淤积体积乘以淤积物容重。③水压力：式中：P——静水压力(t)γ——水的容重(t/m3)，取1；h——坝前水深(m)；bhP221北京林业大学精品课程讲义172019年8月26日④泥沙压力：式中：P泥——坝前泥沙压力(t);b——单位宽度(b=1m)；γc——堆沙容重(t/m3);H——坝前淤积物的高度(m)；φ——淤积物的内摩擦角，用公式表示为：btgHPc)245(2122泥82.5)1(24.7c作用在下游坝基上的泥沙压力为被动土压力：式中：E——被动土压力(t)；H1——坝基础深度(m)；γc,φ——同前式；b——单位宽度(b=1m)。⑤坝基扬压力：主要为渗透压力。当坝体是实体坝，而又无排水的条件下，下游边缘的渗透压力为零，上游边缘的渗透压力为：式中：Wφ——渗透压力(t)；B——坝底宽度(m)；γ——水的容重(t/m3)；b——单宽(b=1m)；H——坝高(m)；a1——基础接触面积系数，取a1=1。btgHEc)245(21221baBHW121北京林业大学精品课程讲义182019年8月26日⑥泥石流冲击力：即泥石流的动压力，计算公式如下：式中：p冲——泥石流冲击力(t/m2)；K——泥石流动压力系数，决定于龙头特性，一般取1.3。根据云南省东川蒋家沟实测资料分析，K=2.5～4.0。γc—泥石流容重(t/m3)；g—重力加速度(为9.81m/s2)；Vc—泥石流流速(m/s)；a—泥石流流向与坝轴线的交角(°)⑦地震力：在地震区大型拦沙坝的设计应考虑地震力的作用。地震作用通常有两种力,即地震惯性力及地震泥沙压力。avKPcsin2冲gc泥石流的密度地震惯性力GKSe地震泥沙压力泥PtgKQec)21(式中：S—水平地震惯性力(t)；Qc——地震作用下的泥沙压力(t)；φ——淤积物的内摩擦角；Ke——地震系数；a—建筑物的惯性分布指数北京林业大学精品课程讲义192019年8月26日2.坝体抗滑稳定计算坝体是否滑动，主要取决于坝体本身重量压在地面上所产生的摩擦力大小。当坝体属平面滑动时(图5-17，1)，坝的抗滑稳定计算，公式如下：PNfKs式中：Ks——抗滑稳定安全系数，要求Ks=1.0-1.05;N—坝体垂直力的总和，向下为正，向上为负；P—坝体水平作用力的总和，向下游为正，向上游为负；f—坝体与基础的摩擦系数；如果坝的基础设有齿墙，且齿墙的深度相同（图5-17，2），则坝体抗滑稳定计算公式为：式中：f0—摩擦系数，当齿墙较薄，b’较大时，f0=tgψ;b’—两齿墙间距离，m；Ks、N、P—同上式；C—坝基土的黏结力。pcbNfKs0北京林业大学精品课程讲义202019年8月26日3.坝基应力计算浆砌石坝设计时，不容许使坝体上游面出现拉应力。如果坝脚上下游垂直应力不超过允许值就认为满足强度要求。计算公式如下：上游面应力：下游面应力：式中：σ上——上游面坝基应力，当σ上＞0时，不产生拉应力(kg/cm2)；σ下——下游面的坝基应力(kg/cm2);b——坝底宽(m);e——合力作用点至坝底中心点的距离(m);M——所有作用在坝上的各力对坝底中心点力矩的代数和(t-m)，顺时针为负，逆时针为正；N——同上式。)61(bebN上)61(bebN＋下坝体不会产生拉应力时当,6,beNMe北京林业大学精品课程讲义212019年8月26日(三)溢流口设计1．确定溢流口形状和两侧边坡一般溢流口的形状为梯形，边坡坡度为1：0.75—1：1。对于含固体物很多的泥石流沟道，可为弧形。qQBc2．计算坝址处设计洪峰流量计算。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。3．选定单宽溢流流量q（m3/s），估算溢流口宽度B北京林业大学精品课程讲义222019年8月26日4．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vc可采用下列公式计算：vc=R2/3I3/8式中：R、I—水力半径及水面纵坡（%）；a—阻力系数；a=[φ/γH+1]1/2式中：φ——改正系数；γH——山洪中固体物质比重，一般为2.4-2.7t/m3，γc——山洪容重。5．计算溢流口高度h=h0+Δh，Δh为超高，一般采用0.5-1.0m。a3.15cHc1北京林业大学精品课程讲义232019年8月26日（四）坝下消能与冲刷深度计算1．坝下消能拦沙坝坝下消能措施常见的有如下几种：（1）子坝（副坝）消能它适用