淤地坝设计(1).doc

淤地坝设计

一、 已知基本资料
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与库容V、淤地面积A的关系总图；
4. 流域年侵蚀模数K=10000t/km2，20年一遇设计洪水量Q20=105m3/s，洪水总量 W洪=10万m3,200年一遇洪水量Q200=180m3/s，洪水总量W洪=17万m3。
5. 沟道无常流水。
6. 坝址附近有充足的筑坝土料，土料内摩擦角ø=20º，内聚力c=0.8t/m2。
7. 放水洞设计流量Q=0.5m³/s。

二、 设计内容
（一） 坝址选择
坝址选择在很大程度上取决于地形和地质条件，主要考虑以下四个方面的内容：
1、 地形：坝址要选择在沟谷狭窄、地形上游开阔平坦、口小肚大的葫芦状地形处，这样筑坝工程量小、库容大、淤地面积大。此外，还要有宜于开挖溢洪道的地形和地质条件，例如有马鞍形岩石山坳或有红粘土山坡。
2、 地质：应选择土质坚实、地质结构均一、两岸无滑坡和崩塌的地段筑坝，且地基无淤泥、泥沙和地下水出没。
3、 筑坝材料：坝址附近有足够且良好的筑坝土料、砂石料，开采和运输方便。水坠法筑坝须有足够水源和一定高度的土料场。
4、 其他：用碾压法施工的大型淤地坝，要考虑土料运输机械的操作之便，要求坝址处地形较为开阔平坦。
综合上述，再结合坝址地形图看，本设计将坝址选择在坝址地图上标注的“坝轴线2”处。
（二） 淤地坝水文计算
1、 拦泥库容V拦和拦泥坝高H拦的计算：
V拦=F·K·(1-ns) ·T/ｒS
式中：
V拦——拦泥库容，万立方米；
F——流域面积，5平方公里；
K——流域年平均侵蚀模数，1万t/(km2.a)；
ns——坝库排沙比，无溢洪道时取为0，有溢洪道时可稍大，但由安全性方面考虑，本设计取为0；
T——设计淤积年限，初设T=5a；
ｒS——淤积泥沙的干容重，取1.30t/m3。
则
V拦=5×10000×5÷1.3=19.23万m3
根据H-V关系曲线，查得相应坝高海拔为811m，则可计算出H拦=13.1m；再由H-A关系曲线查得拦泥淤地面积为45亩。
2、 滞洪库容V滞和滞洪坝高H滞：
由于本设计为三大件，即由坝体、溢洪道、放水建筑物组成的枢纽工程，所以滞洪库容要经过调洪演算后方可确定。
调洪演算（试算法）：
（1）、初设取H滞为2.0m，由H-V关系曲线查得相应的V滞=6.77万m3，则溢洪道设计泄流量Q泄可按下式计算：
Q泄=Q洪（1-V滞/W洪）
式中：
Q泄——20年一遇的洪峰流量，105m3/s；
V滞——设计滞洪库容，5万m3；
W洪——20年一遇的洪水总量，10万m3。
则
Q泄=105×（1-6.77/10）=33.915 m3/s
根据下式可求出溢洪道的堰顶净宽B，即
Q泄=MBH3/2
式中：
Q泄——溢洪道设计流量，33.915 m3/s
M——流量模数，取1.6
H——滞洪坝高，H滞=2.0m
则
B= Q泄/(MH3/2)= 33.915/(1.6×2.03/2)=7.49m
基于安全考虑，取B=10m。
确定安全加高⊿H：
在设计滞洪坝高时，安全加高取上限值，由表（1）可知，本设计取⊿H=1.5m
表（1） 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
校核滞洪坝高：
根据公式：Q泄=MBH3/2 可计算溢洪道最大泄流量,
上式中：
Q泄——溢洪道最大泄流量，m3/s；
M——流量模数，取1.6；
B——溢洪道堰顶净宽，10m；
H——滞洪坝高与安全加高之和，3.5m。
则
Q泄=1.6×10×3.53/2=104.9 m3/s；

200年一遇洪水的校核泄流量：
Q泄 ′=Q200(1-V滞/W200)
=180×(1-6.77/17)
=108.3 m3/s＞Q泄=104.9 m3/s
由上述可知，当H滞=2.0m时，溢洪道最大泄流量小于200年一遇洪水的校核泄流量，故初设H滞=2.0m不符合设计要求。
（2）设H滞=2.5m，由H-V关系曲线查得相应的V滞=7.77万m3。
此时溢洪道设计泄流量Q泄=105×（1-7.77÷10）=23.415 m3/s；
溢洪道堰顶净宽B=3.7m,基于安全考虑，取B=8.0m；
安全加高如（1）中所述，取⊿H=1.5m。
校核滞洪坝高：
溢洪道最大可泄流量Q泄=102.4 m3/s
200年一遇洪水的校核泄流量Q泄′=97.7 m3/s＜Q泄=102.4 m3/s
综合上述可知，当H滞=2.5m时，溢洪道最大泄流量大于200年一遇洪水校核泄流量，故取H滞=2.5m符合设计要求。此时，溢洪道堰顶净宽B=8.0m，滞洪库容V滞=7.77万m3，安全加高⊿H=1.5m。
3、 最大坝高H的确定：
H=H拦+H滞+⊿H=13.1+2.5+1.5=17.1 m
由坝高H=17.1m，结合坝址地形图知，坝顶海拔高度为815m。

（三） 土坝设计
根据已知条件可知，沟道无常流水，且附近没有丰富的可利用水源，但有充足的筑坝土料，所以本设计选择用碾压方式筑坝，即坝型为均质碾压土坝。
1、 坝顶宽度
坝顶宽度根据坝高及交通要求确定，一般可按筑坝土料控制性指标经验值取值。而对于坝高大于15m的土坝，坝顶最小宽度为4m。本设计取坝顶宽度最小值，即初设坝顶宽度为4m。
2、 坝边坡及坝坡马道
（1）、对于坝高大于10~15m的土坝，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宽的横向水平通道，即马道。本设计初设在坝高9.1m，即海拔804m处设一宽为1.5m的马道。
（2）坝边坡陡缓对其稳定性影响极大，根据各方因素考虑，并参考经验值，初设上游坡比为1:2.0，下游坡比马道以下为1:1.5、以上为1:1.2。
表（2）坝坡坡比与坡角值表
坝坡坡比
1:1
1:1.2
1:1.5
1:2
坝坡坡角
45°
39.8º
33°40′
26°34′
（3）根据所选择的破率进行坝坡稳定性分析，校核下游边坡：
由安全因素考虑，假设马道上部的土体存在，取安全系数K为1.1。
则
Ck=C／K=0.8／1.1=0.72
Øk= ø／K=20°／1.1=18.18°
Nk=Ck／γh=0.72／(1.3×17.1)=0.034
式中：
Ck——安全系数K为1.1时的土壤内聚力
C——土壤内聚力，0.8t/m3
Øk——安全系数K=1.1时的土壤内摩擦角
ø——土壤内摩擦角，20°
Nk——安全系数K=1.1时的土坡稳定因素
根据øk、øk，可由《水土保持工程学》中相关图表查得ø=34°，大于本设计中下游边坡坡角33°40′，所以取下游边坡坡比为1:1.5符合稳定性要求。
3、 大坝最大铺底宽度计算
坝底沟床的最大铺底宽度可按下式计算：
Bm=b+m1H+m2H1+m3H3+ b′
式中：
Bm——土坝最大铺底宽度，m；
b——坝顶宽，4m；
m1——上游坡比；
m2——下游马道以下坡比；
m3——下游马道以上坡比；
H——最大坝高，17.1m；
H1——马道以下坝高，9.1m；
H2——马道以上坝高，8m；
b′——马道宽度，1.5m。
则Bm=4+2×17.1+1.5×9.1+1.2×8+1.5=62.95m
4、 排水体的设计
为了在排水的同时降低浸润线，本设计采用棱式反滤体。其梯形断面尺寸如下：上底宽为2m，边坡为1:1，外层粗砂厚0.3m，内层小砾石厚0.3m，高为4m。采用卵石填充，用干砌块石砌护暴露于空气中的坡面。
5、 土坝的渗透计算
土坝渗透计算的目的是为了确定土坝中浸润线的位置。均质土坝由于上下游水位差的作用，上游的水就会通过坝体和坝基土粒的孔隙向下游渗透。在渗透过程中受阻力作用，渗透水流不断损失能量，使水头不断降低，形成一条逐渐下降的曲线，直至下游排水体。渗流在坝身中形成的自由水面，叫做浸润面；它在坝横断面上形成的一条抛物线叫做浸润线。
为简化计算，假设本设计坝址处地基为不透水地基，又加之已知坝下游无水且设有排水体，故土坝的渗透计算可按以下步骤进行：

图（1）有堆石排水体、下游无水情况渗流计算图

本设计堆石排水体上游边坡为1，则单位坝长的渗流量可近似地按下式计算：
q／k=（L2+H2）1/2 －L
浸润线在排水体上游坝址上的出逸高度a1 按下式计算：
a1 =q／[2k(1+m2)]
浸润线在排水体上游坝脚处的高度a0查《水土保持学》相关图表得a0=3.9m，然后可按下式计算q：
q／k=﹙H2 －a02 ﹚／2L=0.19
坝体浸润线的位置按下式确定：
hx =﹙a02 +2qx／k﹚1/2

6、 坝坡保护措施设计
在上游淤积面以上和下游坝面上设置砌石，在下游坝面上布置三条宽50cm的纵向排水沟，以防止暴雨径流冲刷。
7、 结合槽设计
在坝底部为防渗截水，增加坝体稳定性设置底宽为1m、高为1m、边坡为1:1的梯形结合槽。

（四） 溢洪道设计
1、 溢洪道的布设
溢洪道布设原则及其基本要求是：
⑴工程量小 要尽量利用天然的有利地形，将溢洪道建在坝端附近“马鞍形”地形的凹地处，或地形较平缓的山坡处，这样可减少开挖土石方量，降低工程投资，缩短工期。
⑵地质良好 溢洪道应选在土质坚硬、无滑坡塌方或非破碎岩基上。
⑶泄洪安全 溢洪道进口应布设在距坝端至少10m以外，出口布设在距坝坡坡脚20-30m以外。溢洪道尽可能不与放水建筑物放在同一侧，以免水流相互干扰，影响放水建筑物的安全。
⑷水力条件良好 溢洪道轴线应布设为直线，若因地形、地质条件不允许而布置成曲线，转弯半径应不小于渠道水面宽度的5倍，并应在凹岸做好砌护工作。
由以上原则结合地形图，本设计将溢洪道设置在坝体左端距坝端10m以外的缓坡上。且，本设计所设置的溢洪道形式为溢流堰式溢洪道。
2、水力计算
土基上的明渠溢洪道多为梯形断面，边坡视土质不同常采用1:1~1:1.5，纵坡可用1/50~1/100。
由前面调洪演算确定溢洪道堰顶净宽B为8m。
1） 进口段
进口段由引水渠、进口渐变段和溢流坝组成。
⑴引水渠
引水渠的作用是将坝和库内的洪水平顺地引送到溢洪道。它一般与坝地内的排洪渠相连，其断面为梯形，断面尺寸用试算法确定。其长度不超过20~30m。
因为本设计坝址处全为土质坡地，故引水渠采用梯形明渠，用混凝土衬砌。其梯形渠道断面边坡根据经验取2。
将引水渠水流按明渠均匀流处理，则根据梯形最佳宽深比公式可计算得到宽深比：
β=b/h=2 [1+（1+m2）1/2-m ]
式中：
β——最佳宽深比；
b——梯形断面底宽，m；
h——水流深度，m；
m——梯形渠道边坡，为2。
则由计算可得
β=b/h≈3
拟取 b=3h=6m，h=2m
根据下式校核梯形引水渠：
Q=AC（Ri）1/2
式中：
Q——渠道可过流量，m3/s；
A——渠道断面面积，可用式A=b(b+mh)h计算得A=120m2；
C——流速系数，（C=1／n·R1/6=1／n·（A／χ）1/6，式中n——粗糙度，当表面为水泥抹面、砌石时查相关水力书籍得n=0.02；χ——湿周，m。）；
R——水力半径
i——水力坡度，本设计取0.01。
则
Q=AC（Ri）1/2=A×1/n×R1/6（Ri）1/2=31.3 m3/s
由于梯形断面过水流量Q=31.3 m3/s大于溢洪道设计泄流量Q泄=23.415 m3/s，所以可知设计溢洪道引水渠尺寸可取，即底宽b为6m,长度为10m,边墙厚0.5m,底板厚0.4m、深入地基1.0m（采用浆砌石砌护）,底坡为0.01,边墙高等于水深加安全加高即为2.5m。
⑵渐变段
渐变段是衔接引水渠和溢流堰的渠段，即是梯形断面到矩形断面的过度断，故采用扭曲面。其墙高为2.5m，边墙厚为0.5m，底宽由6m渐变到8m，深入地基1m，地板厚0.4m，底坡0.01，用浆砌石砌护。
⑶溢流堰
根据坝址地形地质条件，本设计采用宽顶堰，则由下式校核堰顶宽度B：
B=Q／(MH03/2)
式中：
B——堰顶宽度，m；
Q——溢洪道设计泄流量，23.415 m3/s；
H0——堰顶水头，取1.5m。
则B=23.415／（1.6×1.53/2）=8 m，与调洪演算确定的堰顶净宽一致。故溢流堰堰顶宽为8m。
由水力学书可知，宽顶堰堰长δ为堰上水头H0的2.5~10倍，本设计取堰长δ=5 H0=7.5m。
所以溢流堰的尺寸为：宽8m，长7.5m，堰上水头为1.5m，侧墙采用重力式挡土墙的形式，其墙高为2.5m，顶宽0.4m，墙高与底宽之比为2:1，基础厚0.4m，溢流底板与渐变段底板相连，连接处设一深为1m、厚0.5m的防渗抗滑齿墙。
2） 陡坡段
由于设计坝址为土基，故陡坡段采用梯形断面，其临界水深hk可由下式求出
ωk2／Bk=αQ2／g
式中：
ωk——过水断面面积，m2，ωk= b(b+mhk)hk
Bk——水面宽，m，根据设计及相应标准取为5m；
α——水流系数，1.1；
Q——溢洪道设计泄流量，23.415 m3/s；
g——重力加速度，9.81m/s2 。
则，用试算——图解法计算得hk=1.72m。
临界底坡由式 ik=Q泄2／kk2
式中：kk——流量模数，kk=ωk·Ck·Rk1/2
则经计算得ik=0.003
根据地形图及溢洪道大致布设位置可得出陡槽正常底坡为
i=sinθ=h／L
式中：
i——陡槽正常底坡；
θ——陡坡段坡角；
h——陡坡段高差，m，由地形图计算为11m；
L——陡槽长度，m，由地形图计算为34m。
则
i=0.32
因为i＞ik，所以设计陡槽取值符合陡坡条件。
陡坡边墙高度计算：
起始断面的边墙高：H1 =hk +⊿h
末端断面的边墙高：H2 = hB +⊿h
式中：
hk ——临界水深，1.72m；
hB——掺气水深，m,hB=（1+v／100）h=2.1m;
h——正常水深，由式Q=AC(Ri)1/2 进行试算得h=1.2m；
v——水流速度，m/s，根据Q=Av计算得v=55.38m/s；
⊿h——安全加高，取0.5m。
则
H1 =1.72+0.5=2.22 m
H2 =2.1+0.5=2.6 m
用直线连接H1 H2 ，即得全陡坡的边墙高。
综合上述可知，陡槽设计长度为34m，宽为3m，边坡为2，底坡为0.32，侧墙高为2.2~2.6m，宽0.5m，底板厚0.4m，深入地基1m，用浆砌石衬砌；每隔8m修一齿墙，齿墙厚0.5米、深0.5米；每隔10m修一沉陷缝，缝宽2cm。
3） 出口段
出口段包括消力池、渐变段和尾水渠3部分。渐变段与进口渐变段相同，尾水渠即一般明渠。
假如不设置消力池，则尾水渠尺寸根据经验拟定为底宽4m，高度2m，边坡为2的梯形断面尾水渠。根据式Q=AC（Ri）1/2可计算出下游渠道水深即尾水渠内水深为h下=1.5m。
陡坡底部水跃跃前水深h′即为陡坡段正常水深h0=1.2m。根据下式求出跃后水深h″
h″= h′／2 [（1+8q2／gh03）1/2-1]
式中：q——尾水渠内单宽流量，m3/s
则h″=1.6m>h下=1.5m，即跃后水深大于下游渠道水深，发生趋势水跃，故必须修建消能工防。
根据经验以及本设计具体情况，采用矩形断面消力池。
池长Lk由式Lk=4 h″计算
即Lk=4×1.6=6.4m。
池深d根据式d=1.1 h″- h下=1.1×1.6-1.5=0.26m。
校核消力池消能性能，根据下式
（h0+d）／h″≧1.05~1.10
式中：
h0——正常水深，0.48m；
d——池深，0.26m；
h″——跃后水深，1.6m。
则（h0+d）／h″=1.07，在校核范围内。
所以，消力池尺寸为：池深0.26m，长6.4m，宽5m，为防止不均匀沉陷，在下部修一缝宽为2cm的沉陷缝与陡槽隔开，同时修一道齿墙，其宽为0.5m，深为0.5m。

（五）放水工程设计
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。
1、进口取水工程
本设计土坝为中型淤地坝，根据经验以及本设计实际情况，选择卧管作为进口取水工程。
卧管上端应高出坝库最高水位1~2m。为防卧管放水时发生真空，卧管上端顶部须设通气孔。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。
（1） 进水孔尺寸计算
卧管进水孔设计为斜孔，则其单孔直径可按下式计算
d=0.68（Q／H1/2）1/2
式中：
d ——单孔直径，m；
Q——放水洞设计流量，0.5 m3/s；
H——单孔中心距水面高，一般为一级台阶高，设计为0.6m。
则
d=0.55m。
考虑安全因素，当d>0.4m时，同一台阶需设置两个孔，以减小孔径尺寸。则有
d=0.68[Q／(H11/2+H21/2)]1/2
式中：
d ——单孔直径，m；
Q——放水洞设计流量，0.5 m3/s；
H1——上孔孔口水头，m；
H2——下口孔口水头，m。
则
d=0.35m。
符合设计要求，故卧管进水孔定为每一级台阶设置两个，孔径为0.35m。
（2） 卧管涵洞断面尺寸计算
卧管涵洞断面尺寸，应按加大流量Q加计算，可取Q加（1.2~1.25）Q设。
将卧管涵洞断面设为方形，其断面尺寸可按明渠均匀流公式计算，即
Q=A·C(Ri)1/2
式中：
Q——卧管涵洞设计流量，取1.2 Q设=0.6 m3/s；
A——卧管涵洞过水断面面积，m2；
R——水力半径，m；
i——水力坡度，根据经验取为1:2；
经试算得卧管涵洞水深h=0.25m
为满足检修要求，取底宽为0.8m，高为1.5m。
（3） 混凝土盖板厚度计算
根据下列公式：
M大=1／8·q·L02
Q大=1／2·q·L02
h=（6 M大／δb）1/2
h=1.5 Q大／δTb
式中：
M大——最大弯矩，KN·m；
q——均布荷载，KN/m2，q=γ土H；
γ土——土壤饱和容重，KN/m3
H——盖板上泥沙淤积高度，m；
L0——计算跨度，m，L0=1.05L；
L——净跨，为0.8m；
h——板厚，m；
b——盖板单厚，取1.0m；
δ——条石或混凝土弯曲时的允许拉应力，kPa，查相关手册得δ=7.8 kPa；
δT——条石允许剪应力或混凝土的允许拉应力，kPa，查相关手册得δT=7.7 kPa。
计算盖板厚h得，
h=0.38m
综合上述，卧管设计结果定为底坡1:2，长度40m，每隔8m设一宽2cm的沉陷缝，每隔10米设一宽50厘米、深0.5米的齿墙；矩形断面底宽0.8m，底板厚0.4m，侧墙高1.5m，设计成重力式挡土墙的形式，上端宽0.3m，墙外侧边坡为1:4，盖板厚38cm，接头长0.05m；侧墙底与底板处有沉陷缝，其宽为5cm；孔口直径0.35m，斜口斜度角为与水平面成45°的角，底板墙址宽为0.3m。
2、 消力池
本设计拟采用方形消力池。根据下列公式计算消力池尺寸，即
L=（3-9）h″
b0=b+0.4
d0=1.25（h″-h0）
h″=0.5h′[（1+8q2／gh′3）1/2-1]
式中：
L——池长，m；
b0——池宽，m；
d0——池深，m；
b——卧管宽度，m；
h″——跃后水深，m；
h0——正常水深，m，即卧管涵洞水深，为0.25m；
q——单宽流量，m3/s；
h′——跃前水深，m，即卧管涵洞水深，为0.25m。
则，计算可得
h″=0.59m；L=3.54m；b0=1.0m；d0=0.43m
设计消力池为：池长4米，净宽1米，池深0.5米，边墙采用重力式挡土墙的形式，顶宽0.3米，边坡1:4，墙址宽0.3米，基础0.4米，盖板厚0.4米，盖板街头0.05米，在侧墙内侧底部修两条2cm的沉陷缝，在消力池与陡坡段连接处采用宽0.5米、深0.5米的齿墙连接。
3、 输水工程的设计
本设计采用无压流砌石涵洞。故其尺寸可采用明渠均匀流公式进行试算：
Q=ωC（CRi）1/2
式中：
Q——设计涵洞输水流量，0.5 m3/s；
ω——涵洞过水断面面积，m2；
C——谢才系数，C=1/n·R1/6
n——粗糙系数，查水力学书籍得n=0.019；
R——水力半径，m;
i——水力坡度。
当涵洞底宽B取0.6m时，经计算可得涵洞高H为0.17m。要求涵洞内水深小于涵洞高度的3/4，故涵洞高度应为0.23m，但基于检修考虑，取涵洞高为1.5m。根据经验，取输水涵洞底坡为1:100，断面宽为0.6m，高度为1.5m，拱圈厚0.3m，拱座底宽0.85m，拱座顶宽0.35m，垫层厚度0.3m。
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