淤地坝设计项目说明指导书.docx

一、已知基础资料
1.流域沟道坝址地形图一张（1/1000）；
2.坝址以上集水面积5km2;
3.经勘测计算，求得坝高H和库容V、淤地面积A关系见图；
4.流域年侵蚀模数K=10000t/km2,20年一遇设计洪水流量Q20=105m3/s，洪水总量W洪＝10万m3，2一遇设计洪水流量Q200=180m3/s，洪水总量W洪＝17万m3；
5.沟道无常流水；
6.坝址周围有充足筑坝土料，土壤内摩擦角φ＝20°，内聚力c=0.8t/m2
7.放水洞设计流量Q=0.5m3/s

二、设计任务、要求
1.掌握中小型淤地坝设计方法、步骤；
2.在1/1000地形图上进行枢纽部署；
3.确定淤地坝断面形状及尺寸；
4.进行坝坡稳定分析计算(k=1.25)；
5.设计溢洪道及放水建筑物(卧管放水孔水深可取台阶高度)；
6.绘制设计图；
7.编写设计计算说明书。

三、设计步骤
1.淤地坝坝型选择
因为坝址周围有充足筑坝土料，所以选择土坝；淤地坝对防渗性要求小于水库要求，沟道无常流水，故可采取施工方便均质土坝。
坝址周围没有充足水资源，故选择碾压坝。

2.坝址选择
在流域沟道坝址地形图中有两个轴线位置能够选择，其中轴线二处沟谷狭窄，上游地形开阔平坦，并处于口小肚大葫芦口地形处，在轴线二处筑坝工程量小、库容大、淤地面积大。所以，选中在轴线二处筑坝。

3.确定淤地坝断面形状及尺寸
（1）坝高
H=H拦+H滞+⊿H

拦泥库容和拦泥坝高确实定
依据公式，代入坝库排沙比ns=0，淤积年限T=5，γs=1.3，流域年平均侵蚀模数K和流域面积F由已知条件给出，计算得拦泥库容V拦=19.23*104m³
查H—V关系曲线得，拦泥坝高H拦=810.5-797.9=12.6m

滞洪库容和滞洪坝高确实定
采取试算法，确定多个H滞，由计划淹没水深假设H滞，再由H-V曲线求得V滞，按公式Q泄=Q洪（1－V滞/W洪），求出Q泄，按堰流公式Q泄=MBH3/2求溢洪道宽度B，得出多组数据

坝高计算
H滞/m
V滞/m³
Q泄/m³/s
B/m
2
49000
53.55
11.83
1.5
45000
57.75
19.65
2.5
60000
42
6.64
2.3
55000
47.25
8.47

经过数次假设计算，对工程作经济、技术比较，确定h滞为2.3米时适宜，该h滞所对应B、Q泄，V滞即为调洪计算所求。

安全超高
土坝安全加高值表
坝高H（m）
＜10
10-20
＞20
安全加高⊿H（m）
0.5-1.0
1.0-1.5
1.5-2.0
依据土坝安全加高值表，确定设计安全加高⊿H为1.5m

坝高校核
由W200=17万m³，算出Q校核=71.03m³/s，依据公式Q泄=MBH3/2，求出H校核=3.02m，H滞+⊿H-H校核=0.72<1，所以2.3+1=3.3即为最终h滞，校核完成。

坝高=H淤+H滞+⊿H=12.6+3.3+1.5=17.4m

（2）坝断面结构结构及尺寸（含坝坡稳定分析计算(k=1.25))
（一）坝顶宽度
坝顶宽度依据坝高及交通要求确定，结合坝高、顶宽和边坡比表格和设计数据，确定顶宽为4M，上游坡坝坡比为1:2.0；下游坡坝坡比为1:1.5
（二）坝坡马道
对于坝高大于10~15m土坝，考虑到施工行人、交通、堆放材料、机件方便和坝坡排水，常在坝高中部设1~1.5m宽横向水平通道，即马道。本设计初设在坝高8.7m，即海拔806.6m处设一宽为1.5m马道。
（三）坝边坡
设计马道后下游坡坝比在马道下部较缓，上部较陡，设计坡坝比马道以下为1:1.7；马道以上为1:1.3
（四）坝坡保护
（五）土坡稳定性分析
设计中有三个坡度，取最大坡度进行土坡稳定性分析，即下游马道上部土坡，使用泰勒稳定数法计算。
由土壤内摩擦角φ＝20°，坡脚为37.5°，φ′=φ/K=20/1.25=16°，查泰勒稳定数图表得：Ns=0.063
所以安全系数K=CNsγH=3.33>1.2，土坡稳定

4.溢洪道设计
（1）位置选择
河道右岸（上游向下游方向）边坡坡度较陡，左岸边坡坡度较缓；从地形上看，在左岸建设溢洪道工程量较小，相比较右岸节省资金，选择左岸设置溢洪道。
（2）部署形式
设计淤地坝集水面积较大，泄洪量较大，根据工程安全标准，选择堰流式溢洪道设计。
（3）水力计算
溢流堰尺寸计算
设计堰顶宽度为8.5m，因为堰上水深为H滞=3.3m，设计堰长=5*H滞=16.5m

陡坡段尺寸计算
计算临界水深hk
因为陡坡段为土基，所以设计断面为梯形
依据公式，采取试算法求hk,
临界水深计算
HK
Q
Hk
Q
1
28.2881
1.4
48.052796
1.1
32.84105
1.39
47.508916
1.2
37.65557
1.38
46.967548
1.3
42.72732

求得hk=1.39m

计算临界底坡ik

计算得过水断面面积ωk=13.75㎡,XK=12.42㎡，RK=1.11m，Ck=50.88，KK=737.07m3/s，所以ik=0.00411
设计陡坡段底坡i=1:5>ik=0.00411，所以陡坡水流为急流，可根据陡坡计算。

计算陡坡长度L0

依据公式计算得L0=88.7m

计算正常水深H0
使用明渠均匀流公式：
A为过水断面面积，A=（B+H）H，B=8.5m；C为谢才系数，，n为粗糙系数，n=0.02；R为水力半径，，Xk为湿周，；i为底坡坡度，i=0.2。
代入数据使用试算法求H0

正常水深计算
H0
Q
HO
Q
0.2
12.94562
0.45
49.8721
0.4
40.99852
0.44
48.042
0.3
25.40896
0.43
46.23939

所以当Q泄=47.25m3/s时，H0=0.44m
计算水面曲线
依据公式=
=()
式中：为溢洪道陡坡段相邻两过水断面水深，单位m；i为底坡比降，i=1:5；为溢洪道陡坡段相邻两过水断面水力坡度平均值；h1,h2为溢洪道陡坡段相邻两过水断面水深，单位m；,为溢洪道陡坡段相邻两过水断面平均流速，单位m/s；a1、a2为相邻两过水断面动能修正系数，取1.0。
计算数据以下表格
水面曲线计算
h
A
V
X
J
`J
ΔL
åL
1.39
24.17257
1.954695
12.4198
0.003714

0
0
1.29
18.97185
2.490532
12.1378
0.004501
0.004107
0.109256
0.109256
1.19
14.9185
3.167208
11.8558
0.005451
0.004976
0.487786
0.597043
1.09
11.75391
4.01994
11.5738
0.006598
0.006025
1.094833
1.691876
0.99
9.278837
5.092233
11.2918
0.007983
0.007291
2.065332
3.757208
0.89
7.3396
6.437681
11.0098
0.009654
0.008819
3.612631
7.369839
0.79
5.817447
8.12212
10.7278
0.011669
0.010661
6.073803
13.44364
0.69
4.620486
10.2262
10.4458
0.014098
0.012883
9.981465
23.42511
0.59
3.6775
12.8484
10.1638
0.017025
0.015561
16.17835
39.60345
0.49
2.933204
16.10867
9.8818
0.020552
0.018788
26.0017
65.60516
0.45
2.681145
17.62307
9.769
0.022157
0.021355
14.35042
79.95557
0.44
2.621733
18.02243
9.7408
0.022578
0.022367
4.028318
83.98389
0.43
2.563694
18.43044
9.7126
0.023006
0.022792
4.221371
88.20526

依据数据绘制水面曲线图以下

从数据得0.44m时åL=83.98<88.70,由此能够说明陡坡段末端水深达成正常水深。

陡坡终点水深ha和末端流速Va计算
因为求出水面曲线长度L=83.98m<溢洪道陡坡段长度88.7m，所以陡坡段末端水深ha=正常水深h0=0.44m，Q泄=47.25m3/s，过水断面面积A=（B+H）H=(8.5+0.44)×0.44=3.93m2，Va=47.25/3.93=11.75m/s

陡坡边墙高度H确定
边墙高度H计算公式为
为了计算和施工方便，陡坡侧墙高度由陡坡起始端侧墙高度H始和陡坡末端侧墙高度H末两点连线确定，所以，只需要计算出H始和H末两个数值即可。
H始计算：hk=1.39m，Vk=3.44m3/s，所以H始=h+hB+△h=1.39+1.39*3.44/100+1=2.44m，设计为2.5m
H末计算：A=（8.5+0.44）*0.44=3.93㎡，Va=12.02m3/s,ha=0.44m，所以H末=0.44+12.02*0.44/100+1=1.49m，设计为1.5m

出口段尺寸计算
确定是否使用消力池
设计尾水渠为宽度为8.5m，边坡比为1:1明渠
应用谢才公式变形形式
使用试算法得出尾水渠流量和水深表格数据
尾水渠
Q
H
Q
H
8.035253
0.3
32.9153
0.7
12.96525
0.4
41.13075
0.8
18.79343
0.5
50.07866
0.9
25.45832
0.6
47.31869
0.87
由表格数据得Ht=0.87m
依据公式h″=（h′／2）*[（1+8q2／g*h′3）1/2-1]
取h′为正常水深H0=0.44m，计算得h″=3.57m>Ht=0.87m,所以必需修建消力池

消力池深度计算
使用经验公式：
S=1.25（h″-Ht）
其中：h〞—以陡坡段末端水深ha为跃前水深计算出跃后水深，单位m；
Ht—尾水渠正常水深，单位m
代入数据得S=3.38m
所以消力池深度设计为3.38m。

消力池长度计算
消力池长度由以下公式计算

式中：为折减系数，取值0.8；h”为跃后水深，h”=3.57m；h’为跃前水深，h’=0.44m
计算得L=0.8*6.9*（3.57-0.44）=17.28m
所以消力池长度为17.28m

（4）溢洪道结构设计
进口段设计
引水渠
因为修建地点为土基，选择梯形明渠并用混凝土衬砌，边坡采取1:2

渐变段
使用扭曲面作为导流墙，用厚度为0.3m浆砌石衬砌，墙顶超高1m，底板上游端做防渗齿墙，齿墙深入地基约1m，厚0.5m,底板砌厚0.5m

溢流堰
设计淤地坝地基为土基，所以设计为宽顶堰，底板厚0.4m,横截面为梯形，。堰体底板和渐变段底板相连，连接处做一深1m，厚0.5m防渗抗滑齿墙。堰边墙用浆砌石建造，为挡土墙形式，墙高2m，顶宽0.5m,基础厚0.4m。

陡坡段设计
陡坡段比降i设计为1:5，陡槽断面为梯形断面，边坡为1:1，陡槽侧墙和底板用浆砌石建造，厚0.4m。为了预防不均匀沉降，陡槽沿着纵坡每隔10m留一沉陷缝。每段陡槽起始端全部设置深1m，厚0.5m防渗抗滑齿墙。对底板使用厚度为0.5m块石进行衬砌，为了预防陡槽底板冰冻发生裂缝，还需在底板下铺设0.2m砂卵石垫层反滤排水及纵向排水沟。
因为陡槽中水流速较大，动水压力可能使底板产生振动，为了稳定起见，需按下述公式校核底板厚度d是否满足要求。

式中：d为底板厚度（m）；a为地基条件系数，密实黏土a=0.8；v为槽中流速；h为槽中水深
d始=0.03*0.8*3.44*√1.39=0.097<0.4
d末=0.03*0.8*12.02*√0.44=0.191<0.4
所以d=0.4符合要求

出口段设计
出口段包含消力池、渐变段和尾水渠三部分。渐变段和尾水渠和进口段结构相同，尾水渠即是通常明渠。尾水渠宽度8.5m，边坡1:1。消力池用浆砌块石修筑，池底厚1m,池前端设置齿墙，深0.7m，厚0.3m，底板下设反滤排水孔和反滤层，侧墙结构同于陡槽。
底板池底厚度d使用以下公式校核：

式中：d为底板厚度；hc为收缩断面处水深，可取跃前水深；Vc为收缩断面处流速；K为系数，K=0.03+0.175sina，a为陡槽末端射流和水平面夹角。
tana=0.2，Vc=Va=11.75m/s，hc=0.44m/s，
K=0.03+0.175sina=0.03+0.175* 0.196=0.0643
则=0.0643×11.75×0.44^0.5=0.5m
因为d=0.5<1，所以消力池底板厚度设计为1m满足要求。

5.放水建筑物
（1）组成形式
放水工程由进口取水工程、输水工程和出口消能工程组成。取水工程常见者为卧管、竖井和放水塔；输水工程常见者为坝下涵洞、管道和隧洞；出口消能工程常见者为底流消能，有时也为挑流消能。

（2）放水工程作用
对已经淤成坝库，防水工程作用关键是排除坝内积水，确保坝地生产安全，降低盐碱化；对未淤成坝库，关键是排水腾空库容，拦蓄径流泥沙，调整洪水径流。

（3）工程布设
左岸已经有溢洪道工程，在河道右岸设计放水建筑物；考虑到需要分期加高淤地坝，进口在最终加高坝上游坝坡处；涵洞出口消能工程布设在土坝下游坝坡坡脚以外，卧管纵向坡度设置为1:2.5，输水涵洞埋于坝基，设置纵向坡度为1:100。

（4）水力计算
卧管水力计算
卧管上端高出坝库最高水位2m。为防卧管放水时发生真空，卧管上端顶部设置通气孔。卧管涵洞水流应保持无压自由留，为此，卧管涵洞高度应比正常水深大3~4倍。

进水孔尺寸计算
卧管进水孔设计为单孔，则其直径可按下式计算
Q=μ*ω*√2gH

式中：
μ——流量系数，和进口形状相关，对于圆孔通常取0.62
ω——进水孔断面面积，对圆形孔=0.25πd2
Q——放水洞设计流量，由条件知=0.5m3/s；
H——单孔中心距水面高，通常为一级台阶高，设计为0.6m。
代入数据算出d=0.54m>0.4m，不符合要求，所以同一台阶设两个孔
代入数据算出d=0.27m<0.4m，符合要求

卧管涵洞断面尺寸计算
卧管涵洞断面尺寸根据加大流量计算，Q加=1.25Q设=1.25×0.5=0.625m3/s，设计断面为矩形，设计断面宽度B=1m
应用谢才公式变形形式求断面高度，使用试算法得出数据
断面高度计算
Q
H
Q
H
2.403749
1
0.61017
0.35
0.992126
0.5
0.634534
0.36
0.733762
0.4
0.659083
0.37
0.491389
0.3

所以H=0.36m，卧管涵洞高度是正常水深3倍，则H卧=0.36*4=1.44m>1.2m；宽度B=1m>0.6m，全部符合要求

消力池水力计算
应用Q设=0.5m3/s，依据公式求出b0=1+0.4=1.4m，依据谢才公式变形形式使用试算法得出Q和水深关系数据
消力池正常水深计算
Q
H
Q
H
3.874338
1
0.404935
0.2
1.539309
0.5
0.566562
0.25
1.124609
0.4
0.500097
0.23
0.741934
0.3

由数据得正常水深h0=0.23m
应用公式，计算跃后水深，h1=h0=0.23m，q为单宽流量，计算得h2=0.37m
所以池长：L=3h2=3×0.37=1.11m，设计为1.2m；
池深：d=1.25（h2-h1）=1.25×(0.37-0.23)=0.175m，设计为0.2m
为了确保池内产生淹没水跃，需要满足以下要求：
(d+h1)/h2=(0.2+0.23)/0.37=1.16>1.1,满足要求

（5）工程结构设计
卧管结构设计
设计使用条石做盖板，依据以下公式求出盖板厚度
盖板跨中最大弯矩为：
盖板跨中最大剪力：
M大=0.125*20*12.6*1.05*1=33.07kN/m
Q大=0.5*20*12.6*1.05*1=132.28kN/m

依据下述公式

式中：h为板厚；b为盖板单宽，取1.0m；δ为条石许可拉应力，δ=7.7Mpa；δT 为条石许可剪应力，δT =7.8Mpa。
分别求出M大和Q大对应h，取其中较大值即为所求盖板厚度。
HM=（6*33.07/7700/1）^0.5=0.160m
HQ=1.5*132.28/7800/1=0.025m
所以盖板厚度为0.16m

输水涵洞结构设计
坝下输水涵洞设计为砌石方涵，底板厚d为0.5m，侧墙顶厚a为0.5m，侧墙基础厚c为0.8m，输水涵洞高h为1.8m。