淤地坝设计(1)

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5km 2；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=lO5m3/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0=20，内聚力c=0.8t/m2。7. 放水洞设计流量Q=0.5m3/so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 =FK； （1n） T/ r拦sS式中：V 拦拦泥库容，万立方米；拦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）；n 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s考虑，本设计取为0；T设计淤积年限，初设T=5a；r s淤积泥沙的干容重，取1.30t/m3。则“拦1000039.23 万皿3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关系拦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：滞滞 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 滞滞计泄流量Q泄可按下式计算：泄Q =Q (1-V /W )泄 洪滞 洪式中：Q浹20年一遇的洪峰流量，105m3/s；泄V 滞设计滞洪库容，5万m3；滞W出20年一遇的洪水总量，10万m3。洪则Q =105X(1-6.77/10) =33.915 m3/s泄根据下式可求出溢洪道的堰顶净宽B即Q =MBH3/2泄 式中：Q溢洪道设计流量，33.915 m3/s泄M流量模数，取1.6H滞洪坝高，H滞=2.0m滞则B= Q /(MH3/2)= 33.915/(1.6X2.03/2)=7.49m基于安全考虑，取B=10m。确定安全加咼/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)20安全加高/H (m)0.5-1.01.0-1.51.5-2.0校核滞洪坝高：根据公式：Q m=MBH3/2可计算溢洪道最大泄流量，泄上式中：Q泄溢洪道最大泄流量，m3/s；泄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 =1.6X10X3.53/2=104.9 m3/s泄200年一遇洪水的校核泄流量：=Q200(1-V 滞/W200)=180X (1-6.77/17) =10 8.3 m3/sQ =104.9 m3/s泄由上述可知，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，故滞初设H 滞=2.0m不符合设计要求。滞(2)设H 滞=2.5m，由H-V关系曲线查得相应的V滞=7.77万m3。 滞滞此时溢洪道设计泄流量Q =105X(1-7.77210) =23.415 m3/s；泄溢洪道堰顶净宽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泄200年一遇洪水的校核泄流量Q =97.7 m3/sVQ =102.4 m3/s泄泄综合上述可知，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，故滞取H、*=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 *=7.77万m3,安全 滞滞加高 ZIH=1.5m。3、最大坝高H的确定：H=H +H +/H=13.1+2.5+1.5=17.1 m拦滞由坝高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1015m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11.5m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1:11:1.21:1.51:2坝坡坡角4539.833 4026 343)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=CK=0.81.1=0.72k0k= 0/K=2O/1.1=18.18式中：Nk=Ck Y h=0.72 / (1.3 x 17.1)=0.034Ck安全系数K为1.1时的土壤内聚力C土壤内聚力，0.8t/m30k安全系数K=1.1时的土壤内摩擦角0土壤内摩擦角，20Nk安全系数K=1.1时的土坡稳定因素根据0k、0k，可由水土保持工程学中相关图表查得0=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 最大坝咼，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+2x17.1+1.5x9.1+1.2x8+1.5=62.95mm4、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：-if* I. -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 =(ao2 +2qx / k) 1/26、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：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。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。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。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1:11:1.5，纵坡可用1/501/100。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。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2030m。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：B =b/h=2 1+ (l+m2)1/2-m 式中：B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B =b/h3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 / nR1/6=1 / n(A /x) 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；x湿周，m。)；R水力半径i水力坡度，本设计取0.01 o则Q=AC (Ri) 1/2=AX1/nXR1/6 (Ri) 1/2=31.3 ms/s由于梯形断面过水流量Q=31.3 ms/s大于溢洪道设计泄流量Q泄=23.415 ms/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。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。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 /( 1.6X1.53/2)=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，宽顶堰堰长为堰上水头H0的2.510倍,本设计取堰长5=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 sk2/Bk=aQ2/g式中：3 k过水断面面积，m2,3 k= b(b+mhk)hkBk水面宽，m,根据设计及相应标准取为5m；a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。贝V，用试算一一图解法计算得hk=1.72m。临界底坡由式ik=Q泄2/kk2式中：kk流量模数，kk=3k CkRk1/2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=sin 9 =h / L式中：i陡槽正常底坡；9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iik，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 末端断面的边墙咼：H? = hB +/h 式中：hk 临界水深，1.72m；hB掺气水深，m,hB= (1+v / 100) h=2.1m;BBh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 mH2 =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 2.22.6m,宽0.5m,底板厚0.4m,深入地基lm,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。下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 =1.6mh下=1.5m，即跃后水深大于下游渠道水深，发生趋势水跃，故必须修下建消能工防。 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=4X1.6=6.4m。池深 d 根据式 d=1.1 h - h =1.1X1.6-1.5=0.26m。下校核消力池消能性能，根据下式(h0+d)/h三 1.051.10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12m。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34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。d=0.55m。考虑安全因素，当d0.4m时，同一台阶需设置两个孔，以减小孔径尺寸。则有 d=0.68Q(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；斗上孔孔口水头，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(1.21.25) Q设。加加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)i/2式中：Q卧管涵洞设计流量，取1.2 Q设=0.6 m3/s；设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 =1/8 q L02大0Q大=1 / 2qL02h= (6 M /6b) 1/2大h=1.5 Q /6Tb大T式中：M 最大弯矩，KNm；大q均布荷载，KN/m2, q= Y土H；Y 土土壤饱和容重，KN/m3H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；6 条石或混凝土弯曲时的允许拉应力，kPa，查相关手册得6=7.8 kPa；6 T条石允许剪应力或混凝土的允许拉应力，kPa，查相关手册得6 丁=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) hb0=b+0.4d0=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=sC (CRi) 1/2式中：Q设计涵洞输水流量，0.5 m3/s；3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。