土黄高原地区水土保持淤地坝建设扇背沟骨干工程扩大初步设计报告学位论文.docx
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土黄高原地区水土保持淤地坝建设扇背沟骨干工程扩大初步设计报告学位论文
黄土高原地区水土保持淤地坝建设
内蒙古清水河县沙沟子小流域坝系工程
扇背沟骨干坝扩大
初步设计报告
附图
1.小流域坝系工程分布图
2.坝址地形图
3.工程平面布置图
4.水位-库容、面积关系曲线图
5.坝轴线横断面图
6.坝体断面图
7.放水放水建筑物结构图
8.建筑物结构配筋图
1基本情况
1.1概述
扇背沟治沟骨干工程，所属水系为黄河一级支流杨家川流域的沙沟子小流域。
坝址位于内蒙古自治区呼和浩特市清水河县南部北堡乡小斗沟村西0.3公里处。
地理坐标为东径111°46′51″，北纬39°43′38″。
该小流域面积82.85km2，本项工程位于流域下游，坝控流域面积为3.9km2。
1.2工程建设必要性
通过本坝的建设，可调高该流域现有的防洪能力，减少下游沟道洪水流量，缓减下游骨干工程的防洪压力，实现水沙平衡，提高下游坝地的保收能力，减少沟壑侵蚀，同时可淤地造田、增产增收，促使当地生态环境向良性方向发展有着重要意义。
因此该工程建设是十分必要的。
1.3小流域社会经济情况
沙沟子小流域涉及清水河县北堡乡的6个村民委员会23个自然村，总户数630户，总人口2490人，总劳力1300人，均系农业人口与农业劳力。
人口密度为30.40人/km2。
人均收入1850元。
流域内农耕地比重较大，农业生产条件差，经济结构单一，以种植为主，生产水平比较低。
1.4小流域治理现状
沙沟小流域现有梯田346.7hm2，坝地23.3hm2，造林2582.5hm2，种草315.6hm2。
措施面积3268hm2，占流域总面积的40.49%。
该流域已建成治沟骨干工程1座，坝高32m，控制面积78.74Km2，总库容400万m3，已淤积370万m3，淤地面积达35.6hm2，目前可种植面积23.3hm2。
1.5可研批复情况
沙沟子小流域项目可行性研究报告经水利部黄河水利委员会审查，在2007年3月由内蒙古自治区发展与改革委员会以内发改农字[2007]325号文件对我县沙沟子小流域坝系工程可行性研究报告进行了批复。
共新建淤地坝18座，加固配套骨干坝1座，其中新建骨干坝16座，骨干坝旧坝加固1座；新建小型坝2座。
新增总库容1709.44万m3，其中滞洪库容818.05万m3，拦泥库容891.39万m3。
新增淤地面积116.99hm2。
共动用土方294.58万m3，石方8113.62万m3，混凝土85.51m3。
1.6工程所在小流域沟道及坝址地形、地质情况
该项工程坝址处沟道断面呈浅“V”，沟底宽约9m，左右两岸较陡，左岸坡度约40°，右岸坡度约45°两岸及沟底没有基岩裸露，均为黄土类黄土，湿陷性较小。
运距在80m之内的储量约30万m3，土料技术指标参照杨家川正峁沟小流域土料试验资料，土料组成为砂粒12%、粉粒77%、粘粒11%、、液限27%、塑限16%、渗透系数1.89×10-5cm/s，最优含水量12%，有机质含量0.37%。
1.7坝址选择
坝址位置经可研阶段确定，位于东经111°46′51″，北纬39°43′38″,坝轴线处坝端地理坐标为左端4399597.45m；19566821.36m。
右岸4399705.29m；19566801.74m。
坝控流域面积3.9km2，坝址处地质条件较好，两岸岸坡比较稳定，没有可溶性石灰岩，大坝两岸土储量丰富且运距较近，工程量小交通比较方便。
此处沟底宽31m，顶宽320m，沟深35m，沟底比降1/70，两岸为粉质壤土，可做筑坝材料。
1.8库区淹没及施工占地
由于坝址处不存在施工占用耕地，工程建成后也不存在淹没耕地，所以工程建设与当地农民不会发生土地矛盾问题。
1.9水文、气象
沙沟小流域属大陆性季风气候，降雨主要集中在6－9月份，占全年总降水量80%以上，多年平均降水量400mm，最枯年为184.2mm，最丰年为620.8mm，一日最大降水量151.6mm。
多年平均24h最大暴雨62mm。
流域内四季气候鲜明，最高气温37.5℃，最低气温-29℃，多年平均气温7.2℃。
多年平均蒸发量2577.2mm，无霜期116-160天左右，结冰期90天左右，多年平均冻深1.5m，最大冻深可达1.7m。
多年平均径流深40mm，沟内无常流水，多年平均侵蚀模数7500t/（km2·a）。
1.10地震烈度
根据《中国地震动参数区划图》（GB-18306-2001）该地区地震烈度7度，相应地震动峰值加速度0.1。
2水文计算
2.1设计洪水标准
根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》（SL289-2003）和《内蒙古自治区呼和浩特市清水河县沙沟子小流域坝系工程可行性研究报告》的审批文件确定设计洪水标准。
按相应24小时设计暴雨推求
设计洪水标准为P=3.3%
校核洪水标准为P=0.33%
2.2设计洪水总量
依据可研沙沟子小流域多年平均24小时最大暴雨不同频率洪量模数，见表2—1。
表2—124小时最大暴雨不同频率的洪量模数
频率
10%
5%
3.3%
0.5%
0.33%
洪量模数（104m3/km2）
2.54
3.93
5.05
9.31
10.32
洪水总量由公式：
Ｗ24·p=M24·pF
式中：
Ｗ24。
p—频率为Ｐ设计洪水总量（104m3）
Ｆ—坝控面积（km2），Ｆ=3.9km2
M24。
p—频率为Ｐ的24小时洪量模数（104m3/km2）
计算得：
W24.3.3%=19.70（104m3）
W24.0.33%=40.25（104m3）
W24.10%=9.91（104m3）
W24.5%＝15.33（104m3）
W24.0.5%=36.31（104m3）
2.3输沙量计算
侵蚀模数采用《内蒙古黄河流域淤地坝建设区土壤侵蚀模数和洪量模数的分析论证》所确定的值，沙沟子小流域侵蚀模数为7500t/（km2·a）采用《内蒙古自治区水文手册》中公式
WSb=MoF/r
式中：
Wsb——多年平均总输沙量，104m3/a；
Mo——多年平均侵蚀模数，t/（km2·a）；
F——坝控面积，km2；
r——淤积泥沙容重，取1.33t/m3。
经计算：
Wsb=7500×3.9/1.33=2.20（104m3）
3工程设计
3.1工程等级设计标准
工程设计标准按照《水土保持治沟骨干工程技术规范》（SL289-2003）确定。
扇背沟治沟骨干工程坝控流域面积3.9m2，按30年一遇洪水标准设计，300年一遇洪水校核设计，淤积年限为20年，确定工程等别为五等，主要建筑物级别为5级。
3.2工程总体布设
为了降低工程造价，工程枢纽组成采用土坝和放水建筑物两大件，不设溢洪道。
大坝为均质土坝，放水建筑物为斜卧管、浆砌石涵洞结构。
放水建筑物位于大坝的右岸。
3.3坝体设计
由于坝址两岸不同高程上分布着储量相当丰富的轻粉质壤土，地质透水性较小，渗透系数1.89×10-5cm/s是筑坝的好材料，所以工程选择构造简单，施工方便的碾压均质土坝。
3.3.1坝体断面设计
坝体断面尺寸除计算确定外，其他按照《水土保持治沟骨干工程技术规范》（SL289—2003）选取。
3.3.2坝高确定
3.3.2.1库容确定
滞洪库容V滞取一次校核洪水
V滞=40.25（104m3）
设计淤积年限为n=20年
拦泥库容V淤=nWsb=43.98（104m3）
V总=V滞+V淤=84.23（104m3）
3.3.2.2坝高确定
坝高H应由拦泥坝高HL、滞洪坝高Hz和安全超高ΔH三部分组成，按下式计算：
H=HL+Hz+ΔH
坝轴线处沟底高程1350.0m，淤积库容43.98万m3，根据由断面法测算的《水位—库容、面积关系曲线》查得：
淤积高程1366.38m，拦泥坝高HL=16.38m。
淤地面积4.62hm2。
校核洪水位为1372.9m，滞洪坝高Hz=6.52m。
安全超高取：
ΔH=2.0m。
计算得：
H=24.9m，设计坝顶高程1374.9m。
考虑土坝竣工后存在沉陷量，沉陷量取设计坝高的1.5%，计算沉陷值0.37m，则施工坝高为25.27m，施工坝顶高程1375.27m。
3.3.3坝顶宽
坝顶宽按照《水土保持治沟骨干工程技术规范》（SL289-2003）进行选取，根据设计坝高，在不考虑交通要求的情况下，取坝顶宽为4m。
3.3.4坝坡
本工程的大坝为碾压均质土坝，设计坝高24.9m，坝坡的选取时，依照《水土保持治沟骨干工程技术规范》SL289-2003拟定，初选迎水坡1：
2.5，背水坡1:
2.0，在坝下游布设马道2条，布设高程分别为1359.0m、1367.0m，宽度为1.5m。
根据清水河县多年来治沟骨干工程的经验，结合坝坡稳定计算复核（具体计算附后），坝体抗滑稳定安全系数k=1.28≥[k]=1.25，确定坝坡选取适当。
3.3.5坝体排水
因该工程为流域一级支沟的骨干坝，汛期蓄水时间可能较长，为了防止渗透水流对坝体产生破坏，故设贴坡式反滤体。
根据渗流计算，渗出点高度1.25m，反滤体高度高出浸润线出逸点1.5m，故反滤体高为2.75m。
3.3.6护坡
为了保护坝坡不受雨水径流的破坏，上、下游坝坡必须设置护坡，由于本项工程大坝为碾压均质土坝，采用生物措施护坡，上游从坝顶开始护至淤积高程以下2.0m，下游从坝顶一直护到坝底，相邻的山坡处也采取水保措施，直接种植易生根，能蔓延，耐旱的沙棘、柠条等，护坡生物设计株行距2.0×2.0m。
同时下游坡上还需设置纵横连通的排水沟，并与坝脚线相连，以防止暴雨对坝体的冲刷，沿土坝与岸坡结合处设岸坡排水沟，以排泄山坡雨水，马道同时是下游的纵向排水。
3.3.7坝基和岸坡处理
施工前先清理坝基、坝肩岸坡，清理厚度0.5m，两岸山坡应挖成斜面，其坡度不陡于1:
1.5。
在坝基和岸坡挖一道齿槽作为结合槽，底宽1.5m，深1m，边坡1:
1。
3.3.8土料选择及填筑标准
1、筑坝土料性质
筑坝土料为砂壤土和轻粉质壤土。
土料为黄土类黄土，没有湿陷性。
施工时必须具有适当的含水量和压实密度。
2、填筑标准
根据实际情况，选择土质较好的筑坝土料，填土设计干容重不小于1.55t/m3。
3.4土坝渗流计算
土坝渗流计算的目的是确定坝体浸润线的位置,据此作为坝坡稳定计算的依据，该坝为均质土坝,下游设贴坡排水，坝基按不透水地基考虑。
本设计参考武汉水利电力学院《水力学计算手册》进行计算。
根据分段法及其修正，单宽渗流量q和渗出高度a0可由下式计算
式中k—–渗流系数；
s—–浸润线的水平投影长度；
—–系数，由下式确定：
H1—–坝前设计水深，查水位、库容关系曲线得H1=10.3m；
H2—下游正常水深，下游无水H2=0；
β、a0、m1和m2——均见图。
m1=2.5
m2=2.0
通过试算得
q=1.04×10-7m3/（s·m）
a0=1.25m
（2）坝体浸润线的计算
计算公式：
各点计算结果见表3-1。
表3-1坝体浸润线计算表
X
5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Y
10.03
9.75
9.17
8.55
7.88
7.15
6.33
5.40
4.26
2.67
3.5坝体稳定复核计算
（1）土坝滑裂面形成的确定
该土坝为碾压均质坝，筑坝材料为砂壤土，滑裂面近似圆弧滑动面，因此选择圆弧法分析坝坡稳定。
（2）稳定计算的设计情况及安全系数
①设计情况
根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》（SL289--2003），碾压式土坝应进行运用期下游坝坡稳定性复核计算。
由于本地区的地震烈度为7度，工程等别为五等，因此不进行抗震稳定性验算。
②抗滑稳定安全系数
根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》（SL289—2003），坝体允许抗滑稳定安全系数[K]=1.25。
（3）稳定计算
计算方法
①按比例绘制出坝体横断面图，将计算出的浸润线绘于图上。
②根据B、B方捷耶夫法，找下游坝坡的中点a，作a点的铅垂线与另一条过a点与坝坡成85°角的线，以a为圆心，作两条圆弧，根据《水工建筑物》确定内外圆弧的半径。
内圆弧半径r内=0.75H=18.68m
外圆弧半径r外=1.75H=43.58m
则最小安全系数的滑弧圆心在扇形内。
③根据费兰纽斯法查《水工建筑物》得β1=25°，β1=35°可绘出直线M1M，则最小安全系数的滑弧圆心位于M1M的延长线上。
④综合考虑以上两种方法，即认为最危险的滑弧圆心在扇形面积中eg线附近，按以下步骤计算最小的安全系数。
首先在eg线上选取O1、O2、O3¨¨¨为圆心，分别作通过B1点的滑弧并计算各自的安全系数K，按比例将K值标在相应的圆心上，连成曲线找出相应最小K的圆心，例如O1点。
再通过eg线上最小的点O1作eg的垂线N-N，在N-N线上选O5、O6¨¨¨等为圆心，例如B1点对应K1即是一般认为K1值即为通过B1点的最小安全系数，按比例将K1标在B1点的上方。
然后根据坝基土质情况，在坝坡或坝址外再选B2、B3¨¨¨同上述方法求出最小安全系数K2、K3¨¨¨等，分别按比例标在B2、B3点的上方。
连接标注K1、K2、K3诸短线的端点，即可找出相应于计算情况的坝坡稳定安全系数kmin。
坝坡稳定安全系数计算表
表3-2
γ1=19，
γ2=20.3，
γ3=10.5，
γ4=10.5（KN/m3）
土条
编号
h1
h2
h3
h4
γ1h1
γ2h2
γ3h2
γ3h3
γ4h4
b
u
ωi
ωi′
sinαi
cosαi
ωicosαi
ωi′sinαi
seca
ubseca
bseca
N0
⑴
⑵
⑶
⑷
⑸
⑹
⑺
⑻
⑼
⑽
⑾
⑿
⒀
⒁
⒂
⒃
⒄
⒅
⒆
⒇
8
4.81
91.39
0.00
0.00
0
0.00
5.54
0.00
506.30
506.30
0.80
0.60
304.89
404.21
1.66
0.00
9.20
7
12.56
238.64
0.00
0.00
0
0.00
5.54
0.00
1322.07
1322.07
0.69
0.72
951.37
918.01
1.39
0.00
7.70
6
14.7
2.07
279.30
42.02
21.74
0
0.00
5.54
13.95
1667.73
1780.12
0.60
0.80
1332.24
1070.84
1.25
96.74
6.94
5
12.56
4.68
238.64
95.00
49.14
0
0.00
5.54
30.49
1594.30
1848.39
0.50
0.87
1380.92
923.77
1.15
195.01
6.40
4
10.36
6.66
196.84
135.20
69.93
0
0.00
5.54
42.14
1477.91
1839.49
0.41
0.91
1350.26
747.83
1.09
255.55
6.06
3
8.27
7.29
0.67
157.13
147.99
76.55
0
0.00
5.54
49.74
1294.56
1690.35
0.31
0.95
1231.26
522.09
1.05
289.71
5.82
2
7.47
6.58
1.98
141.93
133.57
69.09
0
20.79
5.54
53.39
1284.23
1641.47
0.21
0.98
1256.19
341.11
1.02
302.36
5.66
1
5.85
6.02
2.74
111.15
122.21
63.21
0
28.77
5.54
53.33
1125.34
1452.18
0.10
0.99
1119.18
151.72
1.01
297.06
5.57
0
2.98
5.48
2.81
56.62
111.24
57.54
0
29.51
5.54
49.80
795.90
1093.42
0.00
1.00
795.90
0.00
1.00
275.87
5.54
-1
1.43
4.26
1.12
27.17
86.48
44.73
0
11.76
5.54
42.79
463.48
694.76
-0.10
0.99
460.94
-72.59
1.01
238.37
5.57
-2
3.22
1.47
1.91
61.18
29.84
15.44
0
20.06
5.54
29.61
535.55
615.36
-0.21
0.98
523.86
-127.88
1.02
167.68
5.66
-3
0
0.68
0.56
0
13.80
7.14
0
5.88
5.54
8.06
72.13
109.05
-0.31
0.95
68.60
-33.68
1.05
46.97
5.82
0
0
0
0
0
5.54
0.00
0.00
0.00
0.00
0
0
0.00
合计
10775.63
4845.43
2165.31
75.95
说明:
表中
γ1—土坝浸润线以上土料湿容重，γ2—土坝浸润线以下至下游水位以上土料饱和容重，γ3—土坝下游水位以下坝基以上土料浮容重，γ4—坝基土料浮容重。
h1—土坝浸润线以上土条高度，h2—土坝浸润线以下至下游水位以上土条高度，h3—土坝下游水位以下坝基以上土条高度，h4—坝基土条高度。
该工程下游无水，视下游水位于坝基线齐平，坝基划弧范围内土料土质与坝体相同进行计算。
最小安全系数的圆心及滑弧见稳定分析计算图，计算过程如⑤⑥⑦。
⑤将滑动土体分成若干土条，使土条宽b=0.1R=5.54m，量出各土
条中心高度h。
⑥量出滑弧中心角θ=79°。
⑦计算安全系数；根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》公式
K＝
式中：
K—抗滑安全系数；
w—土条重量，湿容重r=19kN/m3；
Q、V—水平和垂直地震惯性力（向上为负，向下为正）；
u—作用于土条底面的孔隙压力；
a—条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；
b—土条宽度，b=5.54m；
c′、ф′—土条底面的有效应力抗剪强度指标；c′=14kpaф′=29°；
Mc—水平地震惯性力对圆心的力矩；
R—圆弧半径。
在不考虑地震惯性力的情况下公式可简化为
将计算表数据代入公式得
K=1.28
⑧在稳定计算图最危险滑弧圆心范围内分别取Q1；Q2；Q3……点为圆心，滑弧分别过B1；B2；B3……求得最小稳定按……安全系数Kmin=1.28＞[K]=1.25，故坝体满足稳定要求。
具体计算见表3-2。
3.6放水工程设计
3.6.1放水工程布设及结构型式
放水工程布置在坝体的右端。
采用斜卧管下接拱涵输水洞结构形式，斜卧管为浆砌石主体砼盖板结构，根据当地材料供给情况和劳力技术水平，经经济技术比较，输水涵洞采用浆砌石拱涵结构，出口段为浆砌石明渠结构。
放水建筑物基础全部座落在坚硬的基岩或原状土上。
放水孔为圆形，斜卧管平面上大体与坝轴线平行，平面投影长32.8m，坡率取1:
2，台阶高差0.4m，通气孔顶部高程1373.6m，顶部进水口高程1372.5m，底部进水口高程为1356.1m，卧管后接密闭式消力池。
输水洞进口与卧管消力池相连，与坝轴线大体垂直，长101m，坡度1:
100，基础布设高程为1353.8m,距坝底高差3.8m，出水口与明渠相接。
明渠坡比1:
6，长25m。
明渠后接开敞式消力池与下游沟底连接。
3.6.2放水流量计算
放水流量按5日排完10年一遇一次洪水总量计算。
Q=W10%/（5×86400）
式中：
Q───放水流量（m3/s）
W10%──10年一遇一次洪水总量（万m3）
将有关数据代入得：
Q=0.23m3/s
3.6.3放水孔尺寸确定
卧管放水孔采圆孔式放水设施，台阶高度0.4m，采用三级台阶三孔放水。
式中：
d───放水孔直径，m
Q───放水流量，m3/s
H1、H2、H3───孔上水深，m
将有关数据代入得：
d=0.20m。
3.6.4卧管水力断面尺寸确定
计算卧管流量时，应考虑由于水位变化而导致的放水孔调节，比正常运用时的流量加大20%。
卧管高度应考虑放水孔水流跌落卧管时的水柱跃起，本项工程卧管为方形，其高度应为卧管正常水深的3-4倍。
放水加大流量Q=0.28m3/s
卧管尺寸按明渠均匀流公式确定：
式中：
Q───加大放水流量（m3/s）
C───谢才系数C=（1/n）·R1/6
n───糙率（水泥砂浆护面，n=0.017）
R───水力半径（m），R=ω/χ
ω───过水断面面积（m2）
i───比降
χ───湿周（m）
卧管断面尺寸初拟0.4m×0.4m，经试算得卧管内水深0.106m，初拟断面尺寸符合水力要求。
3.6.5封闭式消力池断面尺寸确定
封闭式消力池紧接卧管后，由于卧管坡度较大，流速较高，水流属于急流，在水流进入坝底涵管前，用消力池进行消能，消力池采用浆砌石的拱形结构。
消力池深度d按下列公式计算：
d=1.1h2-h
式中：
h2──第二共轭水深，m
h──下游水深，即涵洞正常水深，m
h0──卧管正常水深，m
q──卧管单宽流量，m3/s/m
g──重力加速度，9.81m/s2
a──流速不均匀系数，取1.1
将有关数字代入公式得：
第二共轭水深：
h2=0.97m，
消力池深度：
d=0.85m，
消力池长L2按下式计算：
L2=（3～5）h2
消力池长取：
L2=3.5m
消力池宽b取：
b=0.8m
消力池尺寸：
长×宽×深=3.5m×0.8m×0.85m
3.6.6卧管及消力池结构设计
3.6.6.1卧管盖板配筋计算：
按《水工混凝土结构设计规范》（SL/T191-96）执行。
由于消力池采用浆砌石拱涵结构，故配筋计算只考虑卧管盖板。
卧管盖板分为平面盖板和立面挡板，平面盖板上设放水孔。
卧管盖板内力按简支梁计算，计算宽度0.90m，盖板上的填土压力，水压力和自重作为匀布荷载。
1）：
荷载计算
q=（rch1+r水h2+r钢筋砼h3）×1.0
式中：
rc──填土的容重，淤泥一般取2.0t/m3
r水──水的比重,取1.0t/m3
r钢筋砼──钢筋砼的容
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