3.4　典型中小型水土保持生态工程设计

典型水土保持生态工程种类较多，本节主要对谷坊、水平梯田、拦沙坝、坡面沟渠工程、小型蓄水工程、田间作业道路等的设计进行阐释。

3.4.1　谷坊工程

谷坊是在支毛沟内修建的高度5m以下的小坝，是小流域综合防治体系的沟道治理工程。谷坊常修成多个梯级，形成谷坊群体。具有固定沟床，稳定两边沟坡；分段拦蓄泥沙，减小沟道纵坡，抬高侵蚀基准面，阻止沟床下切；缓解山洪、泥石流危害等功能。

谷坊可分为土谷坊、石谷坊、植物谷坊及钢筋混凝土谷坊等几大类。其中，①土谷坊：土质山区沟道、崩岗沟底与沟口，大多修建土谷坊，土谷坊为不透水性，设溢洪道，背水坡面种植灌木或草类；②石谷坊：土石山区沟道，就地取材，大多修建石谷坊；石谷坊多修在有常流水的沟道，按用途分滚水式和透水式；按断面形式分阶梯式和重力式；③植物谷坊：有常流水的沟道可选择易于成活繁殖的杨柳等树的粗枝截桩，分段成排打栽土中，并用枝梢编篱，内部填装梢捆或石料，组成柔性植物谷坊；④钢筋混凝土谷坊：为了防治泥石流，提高谷坊坚固性，可修建钢筋混凝土或混凝土谷坊。按透水性，可分不透水性与透水性两种；按结构，可分重力式、拱坝式及拦栅坝式。

石谷坊和植物谷坊的示意图分析见图3.4-1和图3.4-2。

谷坊设计时应遵循下列原则：①在对沟道自然特征与开发状况进行详查的基础上，拟定谷坊工程的类型、功能、建筑程序；②谷坊工程类型要因地制宜，就地取材，经久耐用，抗滑抗倾，能溢能泄，便于开发，功能多样；③谷坊规格和数量，要根据综合防治体系对谷坊群功能的要求，突出重点，兼顾其他，统筹规划，精心设计；④谷坊工程的设计洪水标准，要根据工程规模确定，一般为10～20年一遇3～6h最大暴雨设计；⑤谷坊坝址要求“口小肚大”，沟底和岸坡地形、地质状况良好，建筑材料方便；⑥谷坊工程的修筑程序，要按水沙运动规律，由高到低，从上至下逐级进行；⑦要实地测绘1∶200～1∶100沟道纵断面图及选定修筑谷坊群址的横断面图，量算出沟长与沟底比降。

谷坊工程设计包括高度设计、溢洪口设计和间距设计3个方面。

（1）高度设计。谷坊高度是工程设计的关键，要依据修建谷坊的材料，反复计算确定，直至承受的水压力和土压力不毁坏工程为止；同时，要考虑两谷坊之间形成的阶地，有利开发，便于经营。为此，可用“底顶相照”的办法进行校核，选取最佳方案。谷坊的横断面见图3.4-3。

土谷坊一般高1～5m，顶宽0.5～3m，迎水坡1∶1.0～1∶1.25，背水坡1∶1～1∶2；石谷坊断面尺寸：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；重力式石谷坊一般高3～5m，顶宽为坝高0.5～0.6倍，迎水坡1∶0.1，背水坡1∶0.5～1∶1。

（2）溢洪口设计。浆砌石谷坊和钢筋混凝土谷坊溢洪口可设在谷坊顶部。溢洪口一般为矩形，溢洪口可用宽顶堰公式（3.4-1）计算：

式中：Q为设计流量，m3/s；b为溢洪口底宽度，m；h为溢洪口水深，m；M为流量系数；g为重力加速度，g＝9.81m/s2。

土质溢洪口断面尺寸，因其下紧接排洪渠，可用明渠均匀流公式计算：

式中：A为溢洪口断面面积，m2；Q为设计洪峰流量，m3/s；V为相应的流速，m/s。

式中：b为溢洪口底宽，m；h为溢洪口水深，m；p为溢洪口边坡系数；R为水力半径，m；i为排洪渠比降，%；C为谢才系数；x为溢洪口断面湿周，m；n为糙率，土质渠取0.025，混凝土渠取0.002。

（3）谷坊间距设计。在布设谷坊群的沟道时，为了实现沟底川台化，谷坊间距常用“顶底相照”原则确定。其布设见图3.4-4。

式中：L为谷坊间距，m；H为谷坊底到溢洪口底高度，m；i为原沟床比降，%；i′为谷坊淤满后的稳定比降，%。

不同淤积物质，淤满后形成的比降，一般沙土为0.5，黏壤土为0.8，黏土为1.0，粗沙夹有卵石为2.0。

3.4.2　水平梯田工程

水平梯田是指在坡地上沿等高线修建成田面平整、地边有埂的台阶式地块。具有：①截短坡长，改变地形，拦蓄径流，防止冲刷，减少水土流失；②保水、保土、保肥，改善土壤理化性能，提高地力，增产增收；③改善生产条件，为机械耕作和灌溉创造条件；④为集约化经营、提高复种指数、推广优良品种提供良好环境等功能。⑤按埂坎材料可分为石坎梯田、土坎梯田、土石混合梯田；⑥按利用方向可分为旱作梯田、水稻梯田、果园梯田和经济林梯田等。

水平梯田工程的设计应遵循下列原则：①因地制宜，山、水、田、林、路统一规划，坡面水系、田间道路和梯田综合配套，优化布设；②农作梯田应在原有25°以下坡耕地上修建；③工程投资省，土石方量少，便于耕作；④埂坎材料就地取材，埂坎面积占耕地面积较少；⑤集中连片，规模治理；⑥田面宜宽不宜窄，田块宜长不宜短。尽量做到生土平整，表土复原，当年不减产；⑦可以一次修平，也可分年修平（在复种指数高、人口密度大的地方）。

水平梯田工程的设计主要为梯田断面设计，其断面要素如图3.4-5所示，具体设计内容包括埂坎形式确定、田面宽度和田坎高度计算、田坎占地率计算及土石方量计算等。

（1）梯田埂坎形式确定。在不同地区梯田埂坎形式的选择要因地制宜。有石料的地方可修建石坎梯田，其稳定性和抗冲性比土坎要强，且占耕地少；无石料的可修土坎梯田，选择适当的田坎侧坡，同样可达到稳定安全的目的。①石坎：砌筑石坎的材料可分为条石、块石、卵石、片石、土石混合。地面出露砂页岩且土层薄的地方，宜选毛条石筑坎，开采石料场建蓄水池；石灰岩、花岗岩等不便开成料石的宜选修块石田坎；靠近河谷或沉积带卵石分布广的宜修筑卵石田坎；千枚岩、片麻岩等区域宜修筑片石田坎；有石料、但造价高而土层较厚，为减少占地，增加田坎稳定，有利发展地埂经济林、草，可选用田坎下段为砌石，上段为土的土石混合坎。石坎高一般为1～2.5m，侧坡一般为垂直面。②土坎：无石料可取、土层较厚的地方，宜修建土坎。土坎一般高度以1.0～2.0m为宜。侧坡由土壤的内摩擦角和凝聚力决定，根据经验一般侧坡采用60°～75°。

（2）田面宽度及田坎高度计算。梯田的田面宽度和田坎高度，是两个互相影响的参数。在设计时必须先确定其中之一，才能计算出另一个。

1）选定田坎高度，计算田面宽度。田坎高度常根据埂坎的稳定要求与周围地形条件来定，对所修梯田区，统一田坎高度在稳定侧坡允许范围内，对工程安全有较大的保证。这时田面净宽可按式（3.4-10）计算：

式中：Bm为田面毛宽，m；b为田坎占地宽，m；B为田面净宽，m；H为田坎高度，m；θ为地面坡度，（°）；α为田坎坡度。

石坎梯田在设计田面宽时，一定要考虑坡地土层的厚度。修平后，梯田表面一般至少要有0.3m厚土层。梯田宽度可按公式（3.4-13）计算：

式中：T为原坡地土层厚度；h为修平后挖方处后缘保留的土层厚度；其余符号意义同前。

2）选定田面宽度，计算田坎高度。田面宽度要根据坡地坡度和耕作要求而定，通常定为3～12m。

式中：符号意义同式（3.4-12）。

计算出的田坎高，再加上田埂（或称蓄水埂）高，即为埂坎高。

土坎梯田的一般规格参数如表3.4-1所示。

（3）田坎占地率计算。田坎占地率

式中：N为田坎占地率，%；其他符号意义同式（3.4-12）。包括田埂占地在内的埂坎占地率则还应考虑田埂的占地面积。

（4）土石方量计算。包括田面土方量计算和田坎土石方量计算。

1）田面土方量计算。当田面内挖填方相等时，其挖填方断面面积为S：

则1hm2土方量：

式中：L为1hm2梯田长度，L＝10000/B。

2）田坎土石方量计算。土坎的土方量计算应与田面挖方综合考虑，一同核定挖填方平衡。石坎需要另计算石方量（参见表3.4-2）。

3.4.3　拦沙坝工程

在沟道中以拦截泥沙为主要目的修建的横向拦挡建筑物称拦沙坝，坝高一般为5～10m。拦沙坝具有下列功能：①拦沙滞洪，减免泥沙或泥石流对下游的危害，利于下游河道的整治、开发；②提高侵蚀基准面，固定沟床，防止沟底下切，稳定山坡坡脚；③淤出的沙渍地可复垦作为生产用地。

拦沙坝可分为砌石坝、土石混合坝、铁丝石笼坝、竹石笼坝及格栅坝几种类型。其中，①砌石坝又可分为浆砌石重力坝、拱坝和干砌石坝三种。浆砌石重力拦沙坝是用砂浆和块石砌筑而成，依靠坝体自身的重量维持稳定的拦沙建筑物。干砌石坝是利用块石或料石干砌而成。浆砌石拱坝是用砂浆、块石或料石砌筑的，在平面上呈弧形的坝。②混合坝又包括土石混合坝和木石混合坝两种。土石混合坝是坝体用土料或砂石料填筑，坝顶和下游坝面采用砌石护面的一种坝型。木石混合坝是坝体由木框架内填石块而成的坝。③铁丝石笼坝是由铁丝石笼堆砌组成的坝体。④竹石笼坝是由竹编石笼堆砌组成的坝体。⑤格栅坝是由立柱和横梁组成的能拦截沙石的坝。立柱由钢筋混凝土或浆砌石建造，横梁用钢筋混凝土或金属材料构造。格栅坝按横梁的建筑材料又可分为钢筋混凝土格栅坝和金属格栅坝两种，金属格栅可采用钢轨或钢丝绳。格栅坝是近年来发展起来的新坝型，它具有节省建筑材料（与实体坝比较，可节省30%～50%）、坝型简单，施工进度快等优点。

干砌石拦沙坝、土石混合坝及铁丝笼坝示意图分别见图3.4-6～图3.4-8。

拦沙坝工程设计应遵循的原则有：①拦沙坝建设必须以小流域综合治理规划为基础，上下游统筹考虑，治沟与治坡有机结合，形成一个完整的小流域综合防护体系。②在沟谷治理中拦沙坝与谷坊、小型塘坝等工程互相配合，联合运用。③拦沙坝设置，必须因害设防，最大限度地发挥综合功能。

拦沙坝工程的设计包括坝址选择、坝型选择、坝高设计、断面设计、溢流口设计及消能设计等，下列分别进行叙述。

（1）坝址选择。在进行坝址选择时，要注意：①坝轴线短，库容大，拦沙效果显著；②坝址附近地质条件较好，利于布设建筑物；③便于就近取材，施工条件较好；④应避开较大弯道、跌水、断层、洞穴等不利因素；⑤对村镇、工矿、交通的安全影响小。

（2）坝型选择。拦沙坝坝型主要根据洪水、泥沙量以及当地建筑材料状况和地形地质条件确定，坝型选择应进行多种方案比较。

（3）拦沙坝坝高设计。在进行拦沙坝坝高设计时，需进行坝高的确定、拦沙量的计算、沟道输沙量计算及淤积年限的计算等工作。

1）拦沙坝坝高的确定。确定拦沙坝坝高时，需考虑：①拦沙效益：一般以每立方米坝体平均拦沙量鉴别拦沙效益。②防洪标准：根据《水土保持综合治理技术规范》（GB/T 16453.1～16453.6—1996）中淤地坝标准，小于10万m3库容的拦沙坝，按10～20年一遇洪水设计。③地形地质、水文条件。④工程施工：拦沙坝的工程量要小，并应充分考虑当地的劳动力和施工条件，一般不采取跨汛期施工。

2）拦沙量的计算。对拟定的拦沙坝高的库容计算，可按下列步聚进行：①在方格纸上绘出坝址以上沟道纵断面图，并按洪水的回淤特点画出淤积线。②在库区回淤范围内，每隔一定间距绘制横断面图。③根据横断面的形状，计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（3.4-18）。⑤将各部分体积相加，即为相应坝高的拦沙量。

式中：V为相邻两横断面之间的体积，m3；W1、W2为相邻横断面面积，m2；L为相邻横断面之间的水平距，m。

3）沟道输沙量计算。输沙量通常包括悬移质输沙量、推移质输沙量及多年平均输沙量，以下分别进行阐述。

在进行悬移质输沙量计算时，①有长期实测资料的多年平均悬移质年输沙量的计算。当实测资料达40～50年时，历年悬移质年输沙量的平均值具有一定的稳定性，可直接采用。拦沙坝的来沙量计算其资料年限应不得小于15年。②当资料不足15年时多年平均悬移质输沙量的计算，可用水沙相关法和邻近相似流域相关法两种方法计算。水沙相关法。一般是建立本站的年隆雨量—年径流模数—年输沙模数相关图，通过年降雨量延长年径流量模数系列，从而插补延长年输沙模数系列，最后用算术平均法求得多年平均输沙模数，再乘坝址以上控制面积即得该拦沙坝多年平均悬移质输沙量。邻近相似流域相关法。选一条邻近的有长期泥沙观测资料，地貌、植被、土壤、流域形状等与建坝流域相似的流域，利用相似流域的观测资料与本站建立年输沙量的相关关系，使本站的输沙量资料得以延长，然后求得该坝址处的多年平均悬移质输沙量。③无资料地区多年平均悬移质输沙量的估算。查输沙量模数图。根据坝的控制面积及流域内的自然特征、治理状况，划分不同水土流失类型区，然后在输沙模数等值线图上，查出各分区相应的输沙模数Msi［t/（km2·a）］，并乘以相应的面积Fi（km2），即得分区输沙量Wsi（t/a）。各分区年输沙量相加便得流域内多年平均悬移质输沙量Ws（t/a），其计算公式（3.4-19）为：

在进行推移质输沙量的计算时，由于推移质泥沙观测难度大，尚无系列观测资料，只能估算，目前广泛采用的是推移质占悬移质比例系数法。通常采用的计算公式（3.4-20）为：

式中：Wb为年推移质输沙量，t/a；B为系数，该系数由于泥沙级配、地形条件等差距很大，可用当地调查资料。

在对无资料的地区进行多年平均沟道输沙量的估算时，可利用已建的坝库淤积资料进行估算，具体计算公式为（3.4-21）：

式中：W为多年平均输沙量，t/a；W淤为坝内泥沙淤积总量，t；W′排为排沙量，t；N为淤积年限，a。

水土保持措施可以有效地控制坡面及沟道的水土流失，因此在计算拦沙坝的来沙量时应当考虑已有的、正在实施的和计划在近期内完成的水土保持措施对多年平均输沙量的影响。

4）拦沙坝淤积年限计算。拦沙坝淤积年限计算的基本公式（3.4-22）为：

式中：N为淤积年限，a；V为可淤库容，m3；γs为淤积泥沙的干容重，t/m3；W为多年平均来沙量，t/a；Ws为多年平均悬移质输沙量，t/a；Wb为多年平均推移质输沙量，t/a。

有排沙设施的拦沙坝的淤积年限的计算公式（3.4-23）为：

式中：η为坝的排沙比，可根据观测、调查确定，一般对于格栅坝η取0.2～0.5。

（4）断面设计。如前所述，坝的类型众多，本节主要对浆砌石重力坝的断面设计进行阐述，其设计内容主要包括坝体断面尺寸拟定和稳定性分析。

1）坝体断面尺寸拟定。坝体断面尺寸包括坝高、坝顶高、坝底宽以及上下游边坡等。当坝的断面为梯形时，初拟断面尺寸见表3.4-3。

2）稳定性分析。坝的稳定性分析包括作用力计算和坝体抗滑稳定计算两个主要内容。

A.作用力计算。作用力计算有坝体自重、淤积物重、静水压力、坝前泥沙压力及坝基扬压力计算等。

坝体自重G1按公式（3.4-24）计算：

式中：G1为坝体自重力，t；V为坝体横断面面积，m2；γd为坝体容重，t/m3；b为单位坝体单位长度（b＝1m）。

淤积物重力G2计算。作用在坝面上的淤积物重力等于淤积面的单宽体积乘以淤积物容重。可用公式（3.4-25）计算：

式中：G2为淤积物重力，t；Vc为淤积物单宽体积，m3/m；γc为淤积物容重，t/m3；b为单位坝体宽（b＝1m）。

静水压力P计算，按公式（3.4-26）进行：

式中：P为坝前静水压力，t；γ为水的容重，γ＝1（t/m3）；h为坝前水深，m；b为同式（3.4-25）。

如坝上溢流时，静水压力分布图按梯形计算。不蓄水时不存在静水压力。

坝前泥沙压力P泥计算，按公式（3.4-27）进行：

式中：P泥为坝前泥沙水平推力，t；γc为淤积泥沙的容重，t/m3；H为坝前淤积泥沙的高度，m；b为同式（3.4-25）；ϕ为淤积物的内摩擦角，它与泥沙的容重有关。

坝基扬压力计算。坝上游的水通过坝体和坝基向下游渗透，并产生渗透压力。垂直作用于坝底面上的渗透水压力作用称为扬压力。当坝体是实体坝，而坝基不设专门的排水措施的条件下，下游边缘的渗透压力为零，上游边缘的渗透压力等于上游水头，呈三角形分布。其单位坝长的渗透压力为：

式中：Wϕ为渗透压力，t；B为坝底宽度，m；γ为水的容重，t/m3；b为同上；H为上游水位高度，m；α1为基础接触面积系数，取α1＝0.8～0.9。

B.坝体抗滑稳定计算。坝体是否滑动，主要取决于坝体的自重在地面上产生的摩擦力大小。如果摩擦力大于水平推力，则坝不会滑动。当坝体属平面滑动时，坝的抗滑稳定计算公式（3.4-30）为：

式中：Ks为抗滑安全系数，要求岩基Ks＝1.05～1.1；土基Ka＝1.1～1.2；∑W为坝体垂直力的总和（包括扬压力）向下为正，向上为负，t；∑P为坝体水平作用力的总和，向下游为正，向上游为负，t；f为坝体与基础的摩擦力系数。

（5）溢流口的设计。本节亦以浆砌石重力坝为例，阐述其溢流口的设计。溢流口的设计包括形状的确定、洪峰流量计算及宽度和高度确定。

溢流口的形状一般多采用矩形，也有采用梯形的。在进行设计洪峰流量计算时，可按一般小流域暴雨径流公式进行计算。确定溢流口宽度及高度时，根据坝下的地质条件，选择允许的单宽泄流量，然后确定设计流量，并除以单宽泄流量，便得出溢流口的底宽B，即：

式中：B为溢流口底宽，m；Q为设计流量，m3/s；q为单宽泄流量，m3/（s·m）。

再根据下式计算溢流水深H0。

当溢流口为矩形断面时，用公式（3.4-32）计算：

式中：Q为溢流口通过的流量，m3/s；B为溢流口的底宽，m；H0为溢流口的过水深度，m；M为流量系数，通常选用1.45～1.55，溢流口表面光滑者用较大值，表面粗糙者用较小值，一般取1.50。

当溢流口为梯形断面，且边坡比为1∶1时：

根据上述公式进行试算，如水深过高或过低时，可调整底宽重新计算，直到满意。计算得出的水深h0，再加上安全超高ΔH，即为溢流口的高度H，即：

（6）消能设计。本节主要针对浆砌石重力坝进行消能设计说明，其设计包括坝下消能设计与冲刷深度计算两部分。

1）坝下消能设计。坝下消能通常采用护坦工程，见图3.4-9。护坦消能适用于大流量的山洪，且坝高较大时采用，是坝下消能的重要措施。它是在主坝下游修建消力池来消能。消力池由护坦和齿坎组成，齿坎的坎顶应高出原沟床0.5～1.0m，坎顶宽0.3m，齿坎到主坝设护坦，长度一般为2～3倍主坝高。

护坦厚度可按公式（3.4-35）计算：

式中：t为护坦厚度，m；q为单宽流量，m3/（s·m）；z为上下游水位差，m；σ为经验系数，在0.175～0.2之间。

2）坝下冲刷深度计算。坝下冲刷深度可按公式（3.4-36）进行计算：

式中：T为从坝下原沟床面算起的最大冲刷深度，m；dm为坝下沟床泥沙的标准粒径，mm，一般可用d90代替，即是以重量计有90%的颗粒粒径都比它小；h1为坝下沟床水深，m；其他符号意义同式（3.4-35）。

同时，还可采用Schoklitsch经验公式（3.4-37）估算：

式中：符号意义同式（3.4-36）。

3.4.4　坡面沟渠工程

为防治坡面水土流失而修建的截排水设施，统称坡面沟渠工程。坡面沟渠工程是坡面治理的重要组成部分。该工程具有拦截坡面径流，引水灌溉；排除多余来水，防止冲刷；减少泥沙下泄，保护坡脚农田；巩固和保护治坡成果等功能。可分为截水沟（水平沟、沿山沟、拦山沟、环山沟、山圳以及梯田内的边沟、背沟）、排水沟（撇水沟、天沟、排洪沟）、蓄水沟（水平竹节沟）、引水渠（堰沟）及灌溉渠等几种类型。

在进行坡面沟渠工程设计时，应遵循下列原则：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、沉沙渠、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的数量，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截水沟一般应与排水沟相接，并在连接处前后做好沉沙、防冲设施。④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，必须做好防冲措施。⑤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。⑥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（微凹处）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，在跌水处做好铺草皮或石方初砌等防冲消能措施。⑦在坡面上一般应综合考虑布设截、排、引、灌沟渠工程，截水沟、排水沟可兼作引水渠、灌溉渠。⑧一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）。

坡面沟渠工程的设计包括暴雨径流设计、容称尺寸设计及断面设计，以下进行分述。

1）暴雨径流设计。在进行暴雨径流设计时，对于设计标准，需根据《水土保持综合治理　技术规范》（GB/T 16453.1～16453.6—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。对于坡面径流量、洪峰流量与土壤侵蚀量的确定，应查阅当地《水文手册》介绍的计算方法和有关图表，并根据截排水区域内不同坡度、不同土质、不同植被的坡面，计算出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）截水沟容称尺寸设计。蓄水沟的容量（V）按式（3.4-38）计算：

式中：V为截水沟容量，m3；Vw为一次暴雨径流量，m3；Vs为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，由吨折算为立方米。式（3.4-38）中Vw和Vs值按式（3.4-39）和式（3.4-40）计算：

式中：F为截水沟的集水面积，km2；Mw为一次暴雨径流模数，m3/km2；Ms为年均土壤侵蚀模数，t/km2。

截水沟断面面积（A1）按式（3.4-41）计算：

式中：A1为截水沟断面面积，m2；L为截水沟长度，m。

截水沟一般采用半挖半填作成梯形断面，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m0：1∶1.5。

3）截水沟断面设计。在进行截水沟断面设计时，常采用明渠均匀流公式来计算，具体按式（3.4-42）计算：

式中：A2为截水沟过水断面面积，m2；Q为设计坡面汇流洪峰流量，m3/s；C为谢才系数；R为水力半径，m；i为截水沟沟底比降。

A.Q值的计算。坡面小汇水面积的设计洪峰流量计算，常采用区域性经验公式。

上三式中：Qp为设计频率暴雨产生的洪峰流量，m3/s；K为综合系数（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为设计频率暴雨净雨深，mm；m为峰量关系指数；F为小流域面积或坡面排水块汇水面积，km2；n为随汇水面积的增大而递减的指数；Cp为与流域自然地理、下垫面因素和设计频率有关的系数。

这些区域性经验公式，主要因子是地面坡度和设计暴雨情况下的下垫面因素，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°以上六级，在野外可测算梯田、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：梯田或林草地、坡耕地面积各占50%左右取0.80；梯田、林草地面积占70%以上取0.70；基岩裸露面积占50%左右的瘠薄坡耕地取0.95；坡耕地、荒坡面积占70%以上取0.90。

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。

B.C值的计算。一般采用曼宁公式（3.4-46）计算：

式中：n为沟槽糙率。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。

C.R值的计算：

式中：χ为截水沟断面湿周，m，系指过水断面水流与沟槽接触的边界总长度。

式中：b为沟槽底宽，m；h为过水深，m；m为沟槽内边坡系数。

D.i值的选择。截水沟沟底比降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，最后确定合理的设计方案。i值主要决定于截水沟沿线的地形和土质条件，一般要求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。

E.m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力等原因，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。

4）截水沟断面设计步骤。在进行截水沟断面设计时，应先后进行过水深h计算、沟底宽b计算及流量和流速校核。

A．过水深h计算。一般断面形式设计式（3.4-50）为：

式中：h为过水深，m；a为常数，a＝0.58～0.94，一般采用0.76；Q为设计洪峰流量，m3/s。

水力最优断面设计公式（3.4-51）为：

式中：h为过水深，m；n为沟槽糙率；Q为设计洪峰流量，m3/s；m为截水沟沟内边坡系数；i为截水沟沟底比降。

B.截水沟底宽b的确定。截水沟底宽b的确定常用宽深比计算而得。

式中：β为宽深比系数，β＝b/h（或b＝βh）；m为截水沟内边坡系数；N、N′为常数，N＝2.35～3.25，一般采用2.8；N′＝1.8～3.4，一般采用2.6。

C.流量和流速校核。用求得的h、b和已知的n、m、i计算A2、χ、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或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，直至满足输水能力和流速条件为止。对采用一般断面形式设计和最优断面设计的两个方案的计算结果，若多能满足校核要求的，应在施工布置阶段，根据施工条件等因素选择其中之一。截水沟设计断面确定后，还应根据不同的建筑材料等因素，选择沟堤顶宽B和安全超高ΔH。较小型的截水沟土质沟堤顶宽B不小于0.30m，安全超高一般视沟渠设计流量大小而定，流量小于1m3/s，超高采用0.2～0.3m，流量1～10m3/s，超高采用0.4m即可。

截水沟的断面见图3.4-10。

3.4.5　小型蓄水工程

中小型水土保持生态工程中涉及的小型蓄水工程通常有蓄水池、水窖、塘堰、沉沙池等。

（1）蓄水池设计。以拦蓄地表径流为主而修建的，蓄水量在50～1000m3的蓄水工程，称为蓄水池。它具有拦蓄地表径流，充分和合理利用自然降雨或泉水，就近供耕地、经济林、果浇灌和人畜饮水需要，减轻水土流失等功能。按材料可分为土地、三合土池、浆砌条石池、浆砌块石池、砖砌池和钢筋混凝土池等；按形式可分为圆形池、矩形池、椭圆形池等几种类型。此外，蓄水池还可分为封闭型和敞开式两大类。

圆形蓄水池平面见图3.4-11。

在进行蓄水池设计时，要注意：蓄水池一般布设在坡面水汇流的低凹外，并与排水沟、沉沙池形成水系网络。以满足农、林用水和人畜饮水需要为依据。布设中应尽量考虑少占耕地，来水充足，蓄引方便，造价低，基础稳固等条件。房屋前后或道路旁的开敞式蓄水池还应加栏杆或围坪。人畜饮水用的蓄水池一般为封闭式，以确保用水清洁卫生和安全。蓄水池的配套设施有：引水渠、排水沟、沉沙池、过滤池（有人畜饮水要求的蓄水池）、进水和取水设施（放水管或梯步）。

蓄水池的设计包括容积确定、断面设计、放水孔设计及溢水口设计。

1）蓄水池容积的确定。确定蓄水池容积时，常采用下列公式：

式中：W为拦蓄容积（来水量），m3；h为10年一遇24h暴雨量，mm；F为集水面积，m2；ϕ为径流系数，采用当地经验值。

容积计算：

式中：H为池深，m；R为半径，m；A为池深，m；B为池长，m；V为容积，m3；a、b为椭圆长半轴和短半轴，m。

蓄水池容积的确定要根据来水和需水量平衡计算，以需水量为主，一般来水比较丰富的情况下，即V＜W可考虑通过沿山沟、排洪沟排入山塘或溪河，当V≥W时，可引其他水源补充水量。

2）蓄水池断面设计。蓄水池壁多采用浆砌条石、混凝土等材料衬砌，也有粘土蓄水池。池壁衬砌厚度应作内力计算，其受力条件应选择池内无水，砌体承受主动土压力的最不利条件作为计算荷载，并根据防渗要求确定砌体厚度，一般不小于20cm。池底可用混凝土防渗处理，厚度一般10～15cm。池壁非条石、砖或混凝土衬砌的粘性土蓄水池，新填土方池壁夯筑厚度应大于1.5m，内坡应有一定的坡度，一般为1∶0.7～1∶0.5。蓄水池的深度一般在5m以下。

3）放水孔设计。建于缓坡上的蓄水池，一般是在临坡一侧埋设管道取水。管道进口离池底的距离，视泥沙在池内淤积的高度而定。如来沙量较小，管道进口也可与池底齐平，这样，可以充分利用池内蓄水。出口端设闸阀控制。放水时，水流经消力池进入灌溉渠道。建于平地上的蓄水池，不便埋设放水管取水，常为人工挑水方便而修建进池梯步，进池梯步有两种做法：一是梯步为实体墩。这种形式，费工费料，占用水池容积较大。二是梯步为空支墩。这种形式，省工省料，占用水池容积较小，设计时，宜用此种梯步结构。

4）溢水口设计。为了防止池中水漫顶，冲毁水池，须设溢水口，一般宽0.5～1m，深0.2～0.3m。溢出的水流入引水沟内。

（2）水窖设计。修建于地面以下并具有一定容积的蓄水建筑物叫水窖，见图3.4-12，水窖由水源、管道、沉沙、过滤、窖体等部分组成。具有拦蓄雨水和地表径流、提供人畜饮水和旱地灌溉的水源及减轻水土流失的功能。水窖可分为竖井式圆弧形混凝土窖和隧洞形（或马蹄形）浆砌石窖两种类型。同时，水窖可根据实际情况采用修建单窖、多窖串联或并联运行使用，以发挥其调节用水的功能。

在进行水窖设计时，应遵循的原则有：因地制宜，就地取材，技术可靠，保证水质、水量，节省投资；防止冲刷，确保工程安全；充分开发利用各种水资源（包括现有水利设施），使灌溉与人畜饮水相结合。为了调节水源，可将水窖串联联合运行。供饮水的窖容，一般要求人均3～5m3，兼有水浇地任务的是人均5～7m3，以1户1窖或3～5户联窖为宜。

水窖（池）的水源有雨水、泉水、裂隙水、山沟水、库水以及提水入窖（池）等，水源不同，水窖的设计也有所区别。

1）雨水作为水窖水源。在没有地表水源的情况下，直接拦蓄雨水时，需要有集雨坪、汇流沟等水源配套工程。此类水窖设计时要考虑集雨坪、集水池、拦山沟等。

A.集雨坪位置的选择。根据地形情况，集雨坪的位置应选定在高于水窖进水口1m以上。集雨坪的面积可利用自然的山坡，修建一定长度的拦水沟，将一定面积内的雨水拦入水窖；也可人工平整土地，水泥砂浆抹面防渗。

B.集雨坪面积的计算。

贵州省毕节地区采用公式（3.4-58）计算：

云南巧家县采用公式（3.4-59）计算：

式中：F为集雨坪有效集水面积，m2；V为水窖有效容积，m3；V′为水窖年需蓄水量，m3；W为年均降水量，mm；α为降雨（或径流）利用系数；0.8为降雨利用系数；1.5为考虑到干旱年份或特别干旱年份等情况的加大系数。

C.集水池。在集雨坪面积较大、拦截雨水较多的情况下，应在集雨坪下方建一下集水池。通常用下式计算：

式中：Vg为集水容积，m3；W′为一次暴雨总量，m3；a为降雨利用系数；F为集雨面积，m2；H24为年24h最大暴雨量，mm。

D.拦山沟。利用天然山坡作为集雨坪时，在山坡的下方应挖筑拦截雨水的拦山沟。拦山沟要拦截的集雨面积，应用式（3.4-58）和式（3.4-59）计算。拦山沟的过水断面，应根据过水流量计算确定。始端断面可稍小，随着拦截降雨面积的增加可逐步加大。考虑山坡陡峻或拦截面积上水土流失等对拦山沟的淤塞和冲刷，拦山沟的过水断面应比计算断面大50%左右。

2）渠水作为水窖水源。一般来说，渠水水源均能满足水窖对水量的需求，作为饮用水，浑浊度小于10度的可不考虑过滤设施，这样进水池和沉沙池可合二为一。

3）库水作为水窖水源时，水库就是水窖的调节池、沉淀池。水库的水通过管、渠进入水窖。

4）泉水、裂隙水、河水作为水窖水源。在水源处修建一集水池或取水口，将水集中起来，通过输水管道或暗（明）渠进入水窖。

另外，在进行水窖设计时，还应考虑输配水工程和净化设施。对于输配水工程而言，输配水工程的作用是将水源水输入水窖（池），由水窖（池）最后分配到用水点。该工程一般可位于净化设施之后，也可位于净化设施之前。输水形式，一般采取暗渠、陡坡、管道三种形式输水。应注意防止水质污染，避免水量损失。对于净化设施而言，利用自然山坡汇集雨水，必须经沉沙过滤后方能进入水窖。沉沙过滤池的结构尺寸视集雨坪的大小而定。过滤池下方应设一集水沟，再用管道（或暗沟）进入窖内。

（3）塘堰工程。塘堰指蓄水量在0.1万～10万m3的小型蓄水工程，能拦蓄坝址以上地面径流、小溪流、泉水，抬高水位，提供农田、果林、人畜饮水等需要的水源；减轻山洪灾害，保护耕地、林地、道路，防治水土流失。塘堰可分为山塘、平塘、石河堰三种形式，按建筑材料又可将石河堰分为临时和长期两种。

在进行塘堰设计时，应注意以下几个方面：①坝址靠近用水区（灌区、生活用水等），且比用水区位置高，可以自流引水，引水渠短，渠道建筑物少，沿途渗漏损失少，比较经济。②坝址附近要有足够可使用的建筑材料。同时对于坝顶非溢流的塘坝要考虑有适宜开挖溢洪道的位置。③塘堰坝址一般应选在有一定来水，地形“肚大口小”地形，地质良好的地方。

设计塘堰工程时，依次要经过容积测量计算，确定容积及枢纽工程设计几个环节，以下分别进行叙述。

1）塘堰容积测量与计算。在进行塘堰容积计算时，主要有横断面法和系数估算法两种。采用横断面法时，在选定坝址后，首先测出坝轴线的横断面，然后在塘堰内沿沟河道施测一条与坝轴垂直的纵断面，见图3.4-13。

图中桩号位置应根据两边山坡及河滩变化定出，量出桩号间的距离，并测出各桩号处的横断面。计算容积时，在各横断面图上以不同水位为顶线，求出各横断面图上不同高程以下横断面面积，然后将相邻的两断面面积平均值乘以其间的距离，便得出二断面之间不同水位的容积。最后把各部分容积按不同水位相加，即得出各种不同水位时的容积。列成表式，以容积为横坐标，水位为纵坐标，就可绘出塘堰的水位容积关系曲线。

若没有测量仪器，无条件进行塘堰容积测量时，而且容积小于10000m3时，可采用系数估算法，计算公式（3.4-62）为：

式中：V为塘堰容积，m3；B为近坝处水面宽度，m；H为近坝处水深，m；L为塘堰的水面长度，m；K为系数，在峡谷地形K＝6，开敞地形K＝4。

2）确定塘堰容积。塘堰容积应根据集水区集水量和可引水蓄积量结合需水量综合分析计算确定。塘堰容积为垫底容积与有效容积之和，以下进行分述。

A.垫底容积计算。灌区要求的垫底容积可根据自流灌溉所需要的高程（水位）计算，从泥沙淤积要求的垫底容积估算，具体可由公式（3.4-63）计算：

式中：W底为垫底容积，m3；F为集水区面积，km2；S0为年输沙模数，可从当地水文手册查出t/km2；T为塘堰使用年限，可考虑10年；γs为泥沙干容重，t/m3，取1.2～1.4之间。

B.有效容积计算。有效容积应根据来水量和需水量平衡确定，其中，来水量采用可引水量加年降雨量乘径流系数法计算之和：

式中：W为年来水量，m3；W引为从集水区外引来的水量，m3；W0为集水区年产水量，m3；ϕ为径流系数，与集雨区植被、地形、地质、主溪河长度因素有关，应通过调查并参考当地《水文手册》确定；X0为多年平均降水量，mm；F为集水区面积，km2。

需水量计算主要从灌溉和生活用水考虑，用下列公式计算：

式中：W需为总需水量，m3；A为灌溉面积，km2；G为单位面积年灌溉用水量，m3/km2；ρ%为渠道输水损失百分数，与渠道建筑材料、长度有关；μ为渠系水利用系数；W生为年生活用水总量，m3。

C.枢纽工程设计。塘堰通常由挡水建筑物（坝）、取水建筑物和溢洪道组成。通常山塘、平塘多采用土坝。石河堰多采用石坝，并可在坝上过水，做成溢流式重力坝。在进行枢纽工程设计时，主要进行坝身尺寸拟定、放水建筑物设计以及溢洪道设计3个方面。

a.坝身尺寸拟定。本节主要针对土坝和浆砌石重力坝进行阐释。在进行土坝断面设计时，土坝坝高低于15m，坝高和坝坡可参考表3.4-4设计；若坝高高于15m，则应作试验，进行稳定分析后确定坝坡。土坝的坝顶宽度一般在2～4m之间，坝高为校核洪水位加风浪爬高0.2～0.3m的安全系数，在坝体一端留放水孔（输水洞）或溢洪道。放水孔一般为涵卧管式，断面尺寸按取水流量的大小确定，但直径不能小于20cm。溢洪道的泄洪流量可按10年一遇设计，百年一遇校核。土坝迎水坡面应用条石、块石或板石衬砌护坡，以防止风浪冲蚀。坝高10m以上的土坝，内外坡可分成二级，外坡在变坡处设一条1.0～1.5m宽的马道。

在对浆砌石重力坝进行横断面尺寸设计时，重力坝一般都建于岩石基础上，靠其自重来维持稳定。坝顶宽约为坝高的8%～10%，但不得小于2～3m。如有交通要求时，则按道路级别确定。重力坝的坝坡，迎水坡一般为1∶0.15～1∶0，背水坡1∶ 0.65～1∶0.85；坝底宽约为坝高的70%～80%，见图3.4-14。

b.放水建筑物设计。塘坝多用卧管式放水建筑物，它由卧管和涵管组成。卧管系铺设在岸坡上的方形管，底坡1ϒ1.5～1ϒ2，管的顶板上每隔一定高度凿一放水孔，平时用塞封孔；需水时，先拔开最上一级孔塞，塘水即自放水孔流入卧管，经消力池进入涵管，然后送往渠道；随着库水位的下降，逐步开启第二级、第三级放水孔。为防止管内形成真空，在其上端应设通气孔。涵管埋设在坝体中，多为方形或圆形，底坡1/100～1/200，出口处设消力池，以防冲刷渠道。卧管、涵管、消力池应铺设在基岩或经加固处理的土基上，以免产生不均匀沉陷拉裂管、池，导致漏水。

c.溢洪道设计。塘堰工程多采用宽浅式溢洪道，其位置一般应选择在离坝不远的垭口处，如受条件限制也可设于缓坡上。溢洪道进、出口离坝不宜太近，以利坝体安全。宽浅式溢洪道常由引渠、宽顶堰、陡槽、消力池、泄洪渠等部分组成。矩形宽顶溢流道进口宽度可按式（3.4-67）计算：

式中：Q为溢洪道设计流量，m3/s；M为流量系数，随进口形状而异；H为溢洪水深，m。溢洪水深以1～3m为宜，当开挖溢洪道工程较艰巨时，也可适当增大溢洪水深，以省土石方量。某溢洪道布设见图3.4-15。

（4）沉沙池。用来沉淀坡面水系或其他引水水流中泥沙的水池，称为沉沙池。它具有拦沙保土、消力防冲，蓄洪济水、发展灌溉，减少出池水流的含沙及大粒径泥沙，起到澄清水流的作用。

在进行沉沙池布设时，一般选择在地头、地边、地块连接处和排水沟渠的内部。在地头的沉沙池以尽量少占耕地为原则，与背沟、边沟结合规划在沟渠内部的可选择低洼地做天然沉沙池。也可于进入蓄水工程前修建或在陡槽末端、跌水下方、沟渠拐弯处修建。同时，根据地形，沉沙池可修建成圆形、长方形等多种形状。

在进行沉沙池设计时，一是沉沙池的大小由来水量决定，来水量可参照公式（3.4-54）计算沉沙池需要的容积，再根据沉沙池的形状确定沉沙池的尺寸。二是进入蓄水工程前的沉沙池，一般比沟渠宽1～2倍，比沟渠深1m以上，长1.5～2m。三是地头、地边沉沙池，一般长1m，宽0.8m，深0.8m。四是结合消能防冲修建的沉沙池长度和深度，应以消能设计为主。

3.4.6　田间作业道路设计

在小流域综合治理中，为便利连片梯田、经果林地的耕作、运输、经营管理，修筑的人、畜、机械行走道路，称田间作业道。见图3.4-16。

一般而言，田间作业道路可分为一级、二级、三级3种类型。其中，一级道为梯田区、林区与村、组道路或公路连接的通道，称为大道。路宽一般为4～5m，道路走向，多呈直线。二级道为梯田区、林区内的主干道路，与大道相连，是连接区外的通道，称为干道。路宽一般为2～3m，道路走向，多呈“之”字形或螺旋形。三级道为田块之间和通往区内主干道的通道，称为小道。路宽一般为0.6～1m，道路走向，沿等高线布设。

在进行田间道路设计时，应注意如下几个方面：道路尽量占地少，节约用地；尽可能避开大挖大填，减少交叉建筑物，降低工程造价；便于与外界联系；作业道配置必须与坡面水系和灌排渠系相结合，统一规划，统一设计，防止冲刷，保证道路完整、畅通；布局合理，有利生产，方便耕作和运输，提高劳动生产效率。