5第五章 水土保持工程措施

第五章水土保持工程措施第一节概述第二节坡面治理工程第三节沟床固定工程第四节淤地坝工程第五节小型水库工程第六节护岸与治滩工程第一节概述水土保持工程是应用工程的原理，主要是在山区、丘陵区、风沙区等防治水土流失，目的是保护、改良与合理利用水土资源，并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一项重要措施。对水土流失地区的生产建设，整治国土、治理江河，维持生态系统平衡、具有重要意义。一、水土保持工程措施的主要内容和规划布设原则水土保持工程措施是小流域水土保持综合治理措施体系的主要组成部分，它与水土保持生物措施及其他措施同等重要，不能互相代替。水土保持工程研究的对象是斜坡及沟道中的水土流失机理，即在水力、风力、重力等外营力作用下，水土资源损失和破坏过程及工程防治措施。我国根据兴修目的及其应用条件，将水土保持工程可以分为以下五种类型：①坡面治理工程；②沟床固定工程；③淤地坝工程；④小型水库工程；⑤护岸与治滩造田工程规划布设原则：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原则；坡面工程、沟道治理工程及小型蓄水用水工程相结合的原则；沟坡兼治，上下游治理密切配合的原则。二、水土保持工程与相关学科的关系水土保持工程与一些基础性自然科学、应用科学和环境科学均有紧密的联系。1．水土保持工程与气象学、水文学的关系一方面要根据气象、气候对水土流失的影响以及径流、泥沙运行的规律采用相应的措施，抗御暴雨、洪水、干旱、大风的危害，并使其变害为利；另一方面通过综合治理,能对局部地区的小气候及水文特征加以调节与改变。2.水土保持工程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则对塑造地形起重要作用，地面上各种侵蚀地貌是影响水土流失的因素。3.水土保持工程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.水土保持工程与土壤学的关系土壤是水蚀与风蚀的主要对象，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，保护与提高土壤肥力与防止水土流失有很大的关系。5.水土保持工程与应用力学的关系为了查明水土流失原因，确定防治对策、除了水力学、泥沙水动力学、工程力学外，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的关系。第二节坡面治理工程坡面治理工程：包括斜坡固定工程、山坡截流沟工程、梯田工程和沟头防护工程等。主要目的是消除或减缓地面坡度，截短径流流线，消减径流冲刷动力，强化降水就地入渗与拦蓄，保持水土，改善坡耕地生产条件。一、斜坡稳定性分析斜坡的稳定性直接关系到斜坡上和斜坡附近的工矿、交通设施和房屋建筑等的安全。要保持斜坡处于稳定状态和治理不稳定斜坡，首先要进行斜坡稳定性分析。（一）影响斜坡稳定性的因素1.地质条件2．水文条件3．振动作用4.斜坡形态5．植物固定斜坡的作用（二）斜坡稳定性分析方法斜坡稳定性分析方法可分为自然历史分析法、力学分析法和工程地质比拟法。在实践中，这三种方法应相互验证、彼此补充，综合分析，才能得出准确的结论。自然历史分析法能得出定性结论，是其他方法的基础。力学分析法和工程地质比拟法，为定量和半定量的分析方法，是分析论证的发展方向，但要建立在正确的地质分析基础上。力学分析法是斜坡稳定性分析的常用方法，可以得出稳定性的定量概念。二、斜坡固定工程斜坡固定工程是指为防止斜坡岩上体的运动，保证斜坡稳定而布设的工程措施。包括挡墙、抗滑桩、削坡、反压填土、排导工程、护坡工程、滑动带加固工程和植物固坡措施。（一）挡墙挡墙又称挡土墙：可防止崩塌、小规模滑坡及大规模滑坡前缘的再次滑动。用于防止滑坡的又称抗滑挡墙。挡墙的构造：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。挡土墙示意图（二）抗滑桩抗滑桩是穿过滑坡体将其固定在滑床的桩往往使用抗滑桩，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。抗滑桩施工现场抗滑桩（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。反压填土:在滑坡体前面的阻滑部分堆土加载，以增加抗滑力。填土可筑成抗滑土堤，土要分层夯实，外露坡面应放砌片石或种植草皮，堤内侧要修防渗沟，土堤和老土间修隔渗层，填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。（四）排水工程排水工程：可减免地表水和地下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：排除地表水工程和排除地下水工程。排出地表水工程的作用：一是拦截斜坡以外的地表水；二是防止斜坡内的地表水大量渗入，并尽快汇集排走。包括防渗工程和水沟工程。水沟工程包括截水沟和排水沟。排除地下水工程的作用：排除和截断渗透水。它包括渗沟、明沟、暗沟、排水孔、排水洞和截水墙等。贵阳高雁垃圾填埋场截水沟花溪至青岩公路排水沟（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：干砌片石和混凝土砌块护坡。浆砌片石和混凝上护坡、格状框条护坡、喷浆和混凝土护坡、锚固法护坡等。某运动场护坡工程某高速公路护坡工程（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。即采用机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：普通灌浆法、化学灌浆法和石灰加固法等。某公路滑动带加固措施（七）植物固坡措施植物能防止径流对坡面的冲刷，在坡度不很大（＜50°）的坡上，能在一定程度上防止崩塌和小规模滑坡。植树造林种草可以减缓地表径流，从而减轻地表侵蚀，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：坡面防护林、坡面种草和坡面生物一工程综合措施。（八）落石防护工程悬崖和陡坡上的危石对坡下的交通设施、房屋建筑及人身安全生产会有很大威胁，而落石预测很困难、所以要及早进行防护。常用的落石防治工程：防落石棚、挡槽加拦石栅、囊式栅栏、利用树木的落石网和金属网覆盖等。落石防护工程公路边坡落石防护工程三、山坡截留沟山坡截流沟是在斜坡上每隔一定距离横坡修筑的具有一定坡度的沟道。（一）截留沟的作用截短坡长，阻截径流，减免冲刷。将分散的坡面径流集中起来，输送到蓄水工程里或直接输送到农田、草地或林地。对保护其下部的农田，防止沟头前进、防治滑坡，维护村庄和公路、铁路的安全有重要作用。（二）截留沟的布置坡度在40％以下的坡地均可修截流沟。截流沟与纵向布置的排水沟相连，把径流排走。截流沟在坡面上均匀布置，间距随坡度增大而减小。为防止滑坡，在可能发生滑坡的边界以外5m处可设置一条截流沟，若坡面面积大，径流流速也大；则设置多条；如果有公路或多级削坡平台，则应充分利用其内侧设置截流沟。（三）截流沟断面设计1．沟道纵坡当设计流量为0.03～0.10m3/s，可取1/300～1/1000；当设计流量为0.1～0.3m3/s，可取1/800～1/1500。2．设计洪峰流量Q＝C·i·AQ－过水流量，m3/s；C－流量系数；i－最大暴雨强度，m/s；A－集水面积，m2。3．沟道横断面VCRi161CRnV－流速，m/s；C－谢才系数，m1/2/s；R－水力半径，m；i－沟道比降；N－沟道糙率。先假设一横断面，按谢才公式计算流速：四、梯田工程1、梯田的作用梯田能够很好地拦截天然降水，是基本的水土保持工程措施，对于改变地形，减沙、改良土壤，增加产量，改善生产条件和生态环境等都有很大作用。梯田工程梯田工程（二）梯田的规划1、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，然后划分耕作区。2地块规划（1）地块的平面形状，应基本上顺等高线呈长条形；（2）当坡面有浅沟等复杂地形时，地块布设必须注意“大弯随势、小弯取直”；（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；（4）地块长度规划，有条件的地方可采用300－400m，一般是15O－200m；（5）在耕作区和地块规划中，如有不同镇乡的插花地，必须根据“自愿互利”和“等价交换”的原则进行协商和调整。3梯田附属建筑物规划（1）坡面蓄水拦沙设施的规划（2）梯田区的道路规划（3）灌溉排水设施的规划（三）梯田的断面设计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三点要求：一、适应机耕和灌溉要求；二、保证安全与稳定；三、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，由于各地的具体条件不同，最优的田面宽度和埂坎坡度也不同，但是考虑“最优”的原则和原理，是相同的。1梯田的断面要素各要素之间具体计算方法（单位均为m）：田面毛宽：mBHctg埂坎占地：田面净宽：埂坎高度：田面斜宽：nBHctg()mnBBBHctgctgBHctgctg1sinHB在挖、填方相等时，梯田挖（填）方的断面面积可由下式计算：21()2228HBHBSm2、梯田田面宽度的设计梯田最优断面的关健是最优的田面宽度，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）残垣、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。（2）丘陵陡坡地区在陡坡地（25°）修梯田时，其田面宽度不应小于8m。总之，田面宽度设计，既要有原则性，又要有灵活性。原则性就是要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，不能根据某一具体宽度，一成不变。3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。根据土力学原理，梯田埂坎能否稳定，主要受五个方面因素的影响：①梯田埂坎坡度（a）；②埂坎高度（H）；③土壤的内聚力（C）；④土壤的内摩擦角和土壤的湿容重（y）；⑤田面的外部荷载。2、梯田的分类（1）按修筑的断面形式分：水平梯田、坡式梯田、反坡梯田、隔坡梯田和波浪式梯田等。（2）按田坎建筑材料分：土坎梯田、石坎梯田、植物田坎梯田。（3）按利用方向分：农用梯田、果园梯田和林木梯田等。（4）按施工方法分：人工梯田和机修梯田等。五、沟头防护工程（1）沟头侵蚀对工农业生产危害1、造成大量土壤流失；2、毁坏农田；3、切断交通。（2）沟头防护工程分类根据沟头防护工程的作用、可将其分为蓄水式沟头防护工程和排水式沟头防护工程两类。沟头防护工程（一）蓄水式沟头防护工程当沟上部来水较少时，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。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。（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）当沟头来水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。泄水式沟头防护工程有支撑式悬臂跌水、陡槽式挑流跌水和多级台阶式跌水三种类型。1、支撑式悬臂跌水沟头防护悬臂式跌水