小流域坝系骨干坝工程初步设计报告.docx
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小流域坝系骨干坝工程初步设计报告
大台小流域坝系
XX骨干坝工程初步设计报告
设计院
4日
前言
多年的水土保持实践证明，黄土高原地区的骨干坝建设，对有效控制水土流失、减少入黄泥沙、确保黄河长治久安具有十分重要的作用，是提高当地水资源利用率、促进农村产业结构调整、改善生态环境、全面建设小康社会的需要。
大台坝系地处XX省北部山区XX县的北部，坝系涉及XX县两个乡镇，位于大河水系阳河一级支流，属黄土丘陵沟壑区第Ⅱ副区，流域面积87.5km2,水土流失严重，年输沙模数5852t/km2。
流域经过八十多年的水土保持生态建设，治理程度达到42%，但由于缺乏统一规划与治理，沟道坝系工程尚未形成。
为了科学合理地开展大台坝系建设，2005年上半年受XX县水土保持工作站委托，XX规划设计研究院依据相关规范与标准完成了《XX县大台坝系工程可行研究报告》，《XX县大台坝系工程典型设计报告》。
2005年9月水利委员会，XX省水利厅水土保持局先后对《XX县大台小流域坝系工程可行研究报告》，《XX县大台小流域坝系工程典型设计报告》进行了审查并实地到大台坝系考察与论证，审查通过了该坝系工程。
XX骨干坝为大台坝系工程中的十座新建骨干坝中的一座，地处XX县XX乡XX村，主要作用为防洪、拦泥、蓄水灌溉。
受XX县水土保持工作站委托，XX设计院于2008年3月～6月组织技术人员进行初步设计工作。
本次初步设计依据《水利水电工程初步设计报告编制规程》（DL5021—93），《XX县大台小流域坝系工程可行研究报告》，《XX县大台小流域坝系工程典型设计报告》及有关技术规范和标准，在实地勘测与调查收集该流域自然条件、水沙资料、社会经济情况等资料的基础上，编制完成了《XX县大台坝系XX骨干坝工程初步设计报告》。
XX骨干坝工程技术经济指标表
前期工作阶段
初设阶段
前期工作阶段
初设阶段
水系
大河水系阳河一级支流
明
渠
陡
坡
段
型式
矩形
建设地点
XX县XX乡
XX村
总长度（m）
54.10
地理
座标
东经
断面尺寸（m）
高×宽
0.8×0.8
北纬
溢
洪
道
型式
建设性质
新建
总长度（m）
工程
规模
控制面积（km2）
3.42
断面尺寸（m）
高×宽
总库容（万m3）
51.14
主
要
工
程
量
土方（万m3）
12.29
拦泥库容（万m3）
22.24
石方（m3）
226.0
设计、校核洪水重现期
20、200
混凝土（m3）
132.0
淤积年限（年）
15
合计（万m3）
12.33
拦
河
坝
型式
均质土坝
投工（万工时）
7.47
施工方式
碾压
投
资
总投资（万元）
179.53
坝高（m）
27.50
中央投资（万元）
坝顶长（m）
98.0
地方匹配（万元）
坝顶宽（m）
4.0
效
益
防洪保护（hm2）
坝坡比
上游
1：
2.75、1：
2.5
淤地面积（hm2）
2.21
下游
1：
2.0、1：
2.25
灌溉（hm2）
19.5
坝体方量（万m3）
8.33
养鱼（尾）
投资（万元）
128.13
单位库容投资（元/m3）
3.51
反滤体
型式
单位拦泥投资（元/m3）
8.07
尺寸（高）
单位工程量投资（元/m3）
14.56
放水
设施
型式
分级卧管
单位淤地投资
（万元/hm2）
81.24
总高度（m）
9.60
单位工程量换库容（m3/m3）
4.15
每台高度（m）
0.40
单位淤地面积拦泥（万m3/hm2）
10.06
断面尺寸（m）
宽×高
0.6×0.6
主
要
材
料
用
量
水泥（t）
35.91
直径
钢材（t）
3.80
进水口尺寸
（m）
宽×高
木材（m3）
1.06
直径
0.30
炸药（kg）
输
水
洞
（管）
型式
涵管
柴油（t）
120.62
洞（管）身长度（m）
63.0
计
划
施
工
开工时间（年、月）
2008.9
断面尺寸（m）
宽×高，
矢高
竣工时间（年、月）
2009.6
直径
0.80
总工期（天）
180
综合说明
绪言
大台坝系地处XX省北部山区的XX县北部，位于大河水系阳河一级支流，属黄土丘陵沟壑区第Ⅱ副区，水土流失严重，年输沙模数5852t/km2。
XX骨干坝为大台坝系建设中十座骨干坝中的一座，地处XX县XX乡XX村，距XX县城40km，主要作用为防洪、拦泥、蓄水灌溉。
该骨干坝控制流域面积3.42km2，总库容51.14万m3，其中拦泥库容22.24万m3，滞洪库容28.90万m3，坝高27.50m。
XX设计院于2008年3月～6月组织技术人员开展初步设计工作。
本次初步设计依据《水利水电工程初步设计报告编制规程》（DL5021—93），《XX县大台小流域坝系工程可行研究报告》，《XX县大台小流域坝系工程典型设计报告》及有关技术规范和标准，在实地勘测的基础上，编制完成了《XX县大台小流域坝系XX骨干坝工程初步设计报告》。
水文
项目区位于XX县北部，位于大河水系阳河一级支流，地处黄土高原丘陵区，区域内山大沟深，丘陵起伏，沟壑纵横。
项目区缺水严重，水土流失程度严重，植被覆盖率低，是典型的大陆气候，干旱少雨，蒸发强烈。
年平均气温6.4℃，年最高气温33.2℃，最低气温-22.6℃，无霜期130d。
多年平均降水量435mm，多年平均水面蒸发量1080mm（E601），平均干旱指数2.0，项目区最大冻土深度1.06m，主要自然灾害有干旱、霜冻，沙尘暴等，其中以干旱造成的危害最为严重。
工程地质
经现场踏勘,本地区属黄土丘陵沟壑区,以黄土梁峁侵蚀地貌为主，因流水侵蚀，沟壑纵横，梁峁相间，地形支离破碎。
沟道断面呈“U”型，两岸坡度较陡，两岸无滑坡体和基岩，地形较为完整。
初步估算黄土承载力约100kpa左左。
最大冻土深度114cm。
坝体右岸结构完整，适宜布设建筑物；坝体左右岸有大量黄土，土层深厚，筑坝土料丰富。
该地区的地震动峰值加速度为0.20g，地震基本烈度为Ⅷ度。
工程设计
工程等别、建筑物等级、洪水标准及抗震标准
XX骨干坝总库容小于100万m3，工程等别为五等，建筑物等级为五等5级。
控制流域面积3.42km2.设计洪水标准为20年，洪水总量为15.66万m3，洪峰流量5.66m3/s；校核洪水标准为200年，洪水总量为28.90万m3，洪峰流量10.23m3/s。
设计淤积年限为15年，淤积库容22.24万m3。
据查《中国地震动参数区划图》（1:
400万），该地区的地震动峰值加速度0.20g，地震基本烈度Ⅷ度，设计采用8度。
工程总体布置
本工程在小流域坝系建设中的作用为防洪、拦泥、蓄水灌溉，其运行方式为蓄洪排清。
根据其对枢纽布设的要求，结合坝址地形条件、当地实际情况、以往骨干坝的建设经验，确定工程枢纽由土坝及放水建筑物组成。
放水卧管布设在坝坡右岸，输水涵管于坝轴线呈90°布设。
主要建筑物
该骨干坝工程，主坝为碾压式黄土均质坝，坝高27.50m，坝顶长98.0m，坝顶宽4.00m；前坝坡坡比1：
2.75、1：
2.5,后坝坡坡比1：
2.25、1：
2.0，前后坝坡变坡处的高程为1423.50m；总库容51.14万m3、拦泥库容22.24万m3、滞洪库容28.90万m3；设计淤泥面高程1427.37m、校核洪水位高程为1435.63m、坝顶高程为1437.50m。
在坝后坡高程为1423.50m处设一马道，宽1.50m。
放水建筑物由放水卧管，输水涵管及泄水陡坡组成。
卧管最低放水孔高程1426.10m，卧管顶高程1435.70m，比降1/3，级差0.40m，共24级，水平长30.00m,高差9.60m,放水孔口直径0.30m,卧管进水孔采用一台单孔正面进水，廊道尺寸0.6×0.6m；卧管末端接矩形消力井，井长4.50m，井宽1.00m，井深1.00m；输水涵管进口高程1424.68m，管长63.00m，管内径0.80m，壁厚0.12m，比降1/100，出口高程1424.05m；涵管出口接矩形明渠，长8.00m，断面尺寸0.8×0.8；明渠出口接矩形陡坡，陡坡进口高程1423.97m，陡坡底高程1408.50m,断面尺寸0.8×0.8m，坡比1/3，高差15.47m,水平长46.10m；陡坡末端接矩形消力池，池长4.50m，宽0.80m，深1.40m，池底高程1408.50m；明渠与陡坡每隔5.0m设一道拉杆，断面尺寸为0.15×0.15m；陡坡末端消力池接海漫，长度3.00m。
工程施工
工程计划从2008年9月初开工进入施工阶段，2009年6月30日前全部结束，并交付XX乡管理使用。
设计概算及效益
工程动用土方12.29万m3，其中开挖土方3.96万m3，填筑土方8.33万m3，浆砌石量51.00m3，混凝土132.00m3。
工程所需材料用量：
水泥35.91t、钢材3.80t、木材1.06m3、柴油120.62t、块石（包括干砌石）226.00m3、石子302.79m3、沙子115.62m3。
工程总投资179.53万元。
工程淤积年限期满后，坝地开始产生种植效益，共可淤地2.24hm2。
坝地单产按4500kg/hm2计算，坝地利用率按80%计算，则新增坝地1.79hm2，淤成坝地后年增产粮食0.81万kg,粮食单价按1.6元/kg计算，20年累计效益25.92万元。
项目15年计算期内累计拦泥效益为83.40万元。
该坝蓄水提灌可发展水浇地19.5hm2，灌溉后粮食增产量按2250kg/hm2计,粮食单价按1.60元/kg计。
经计算，项目20年计算期内累计灌溉增产效益为140.40万元。
工程建成可解决185人的生活用水，改善75头大家畜及185只羊的饮水困难，解决控制区内群众的交通问题。
坝系工程建设可以实现“林草上山、米粮下川”，为流域农业增产、农民增收、农村经济发展创造条件。
基本情况
自然概况
XX骨干坝地处XX省北部山区的XX县北部XX乡XX村，距XX县城40km处。
XX骨干坝位于阳河一级支流支沟上，流域总面积3.42km2，属黄土丘陵沟壑区第Ⅱ副区，水土流失严重，年输沙模数5852t/km2。
社经情况
社经状况
XX骨干坝坝控区及附近，涉及36户居民、总人口185人，农业劳动力91人，人均产粮477kg，人均纯收入2230元。
受益和淹没区的情况
工程建成后，解决了当地XX村185口人的饮水及交通问题，由于坝建设在沟道内不存在淹没赔偿问题。
综合治理现状情况
流域通过近几年的治理，截止2007年底坝控区间累计完成治理面积132.00hm2，其中梯田59.16hm2，林地52.80hm2，草地20.04hm2，治理程度42％。
水文
流域概况
大台坝系工程位于XX县北部。
流域为黄土丘陵沟壑地形，流水地貌。
梁峁起伏，地貌破碎，黄土层较厚，土质松软，沟谷切割较深，水土流失严重。
项目区属温带半干旱地区，大陆性季风气候。
多年平均气温6.4℃，无霜期约130d。
春季气温多变，夏季短暂凉爽，秋季降温迅速，冬季寒冷漫长。
气象
流域属中温带半干旱区，属于干旱草原气候带，具有大陆性季风气候特点最高气温为33.2℃，极端最低气温为-22.6℃；≥10℃积温2580℃；土壤结冻一般从11月19日开始，解冻到次年3月10日左左，冻土时间近4个多月，冻土深114cm；无霜期130d。
全年三分之二的月份为晴天，年平均日照时数为2518小时，太阳总辐射量为127.6千卡/cm2.a，光照、太阳辐射较强。
全年风多，而且常伴有大风、尘暴、干热风、霜冻等。
多年平均大风天数10天，平均风速2.7m/s。
水文要素
根据全区各站点1956～2000年45年资料计算各监测站的降水、蒸发、径流及泥沙的多年均值，点绘多年平均降水、蒸发、径流等值线图和输沙模数分区图。
根据这些图，查得该流域重心的多年平均降水、蒸发、径流以及输沙模数值。
并根据单站历年资料（插补延长为同步资料），计算统计参数，点绘频率曲线，编制图集以供查用。
所计算得的设计值与邻近有实测资料的降水、径流、泥沙资料进行对照校核后确定报告中的数值。
降水
根据XX省水文水资源勘测局提供,该区属半干旱黄土丘陵沟壑区,流域内多年平均降水量为435mm,降水量年内分配极不均匀,主要降水集中在主汛期6—9月份，占年水量的69%，最大年降水量718.7mm（发生在1964年），最小年降水量260.9mm（发生在1987年），最大年降水量是最小年的2.8倍。
因此，旱情时常发生，素有十年九旱之称。
多年平均年降水的月分配情况详见下表：
表3—1多年平均降水量各月分配表
月份
1
2
3
4
5
6
7
降水量
（mm）
3.9
6.1
14.8
25.2
43.9
55.7
94.0
分配比
（%）
0.9
1.4
3.4
5.8
10.1
12.8
21.6
月份
8
9
10
11
12
全年
降水量
（mm）
98.3
52.2
30
7.8
3.1
435
分配比
（%）
22.6
12.0
6.9
1.8
0.7
100
蒸发
流域多年平均水面蒸发量1080mm（E601型蒸发器）。
水面蒸发的年际变化小，年内变化大，其随各月气温、湿度、日照、风速的变化而变化。
11月至次年3月为结冰期，水面蒸发量小。
水面蒸发量最小月一般出现在气温最低月的12月份或1月份。
春季风大，气温回升，蒸发量增大，9月、10月随气温的下降水面蒸发量逐渐减少。
水库流域多年平均水面蒸发量月分配见表3-2。
流域干旱指数2.0，属于半干旱区。
流域多年平均水面蒸发量月分配表
表3-2单位：
mm
月份
1
2
3
4
5
6
7
蒸发量
51.8
60.5
111.3
109.1
152.3
159.8
116.6
比例
（%）
4.8
5.6
10.3
10.1
14.1
14.8
10.8
月份
8
9
10
11
12
全年
蒸发量
114.9
73.4
46.5
51.8
40.0
1080
比例
（%）
9.9
6.8
4.3
4.8
3.7
100
径流
根据XX省水文水资源勘测局提供,流域内多年平均径流深20.0mm，坝址以上流域面积为3.42km2，多年平均年径流量为6.84万m3。
年径流模数2.0×104m3/km2，年径流系数仅4.6%，年径流变差系数CV=0.59，CS=2.0CV。
因其水土流失严重，降水量和降水强度较大时产生洪水，平时河道干枯。
其各月的分配比例参照邻近相似站径流资料，多年平均径流量月分配情况详见下表。
表3-2多年平均年径流量月分配表
单位：
万m3
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
全年
径流量
0
0
0
0
0.581
2.141
1.368
1.696
0.992
0.062
0
0
6.84
比例
0
0
0
0
0.085
0.313
0.2
0.248
0.145
0.009
0
0
1
综上所述，地表径流年内分配不均，主要作物生长期3—6月份径流量2.72万立方米,仅占年径流总量的39.8%,主汛期7—9月份径流量为4.06万立方米,占年径流量的59.3%,10月~次年2月份径流量0.06万立方米，占年径流量的0.9%。
说明地表径流的有效利用率极低。
泥沙
年均输沙模数确定
项目区植被较差，土壤侵蚀剧烈，多年平均输沙模数由XX省水文水资源勘测局提供的数据6650t/km2（未考虑流域治理），考虑流域经过多年的治理，治理程度已达到42%，根据《XX省地方标准〈水土保持治沟骨干工程水文计算标准〉（DB64/T028-2005）》悬移质输沙模数可折减20%。
折减后流域内年平均悬移质输沙模数为：
Ms=6650×（1-0.2）=5320t/km2
根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》（SL289—2003）流域年均输沙量包括悬移质与推移质两部分，采用下式计算：
Msb=Ms（1+B）
式中：
Msb—年均输沙模数，t/km2，
B—推移质比例系数，取0.1，
经计算年均输沙模数为5852t/km2。
流域年均输沙量计算
采用下式计算：
W=Msb×F
式中：
W—年均输沙量，t；
Msb—年均输沙模数，t/km2，5852t/km2；
F—流域面积，3.42km2。
通过计算XX骨干坝坝控区间多年平均输沙量2.00万t，各月输沙量见表3-4。
年平均输沙量及月分配
表3-4单位：
万t
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
全年
输沙量
0
0
0
0
0.168
0.626
0.400
0.496
0.288
0.022
0
0
2.00
各月占（％）
0
0
0
0
8.4
31.3
20.0
24.8
14.4
1.1
0
0
100
设计暴雨
根据XX省水文水资源勘测局提供。
根据《XX省暴雨洪水图集》，该地区地表径流均为暴雨产生，流域内24h最大点雨量均值为51.5mm；变差系数CV=0.6，CS=3.5CV。
计算得不同频率1h、24h最大点、面雨量详见下表。
不同频率1h、24h最大点、面雨量表
表3—5单位：
mm
频率P
0.33
0.5
1
2
3.33
5
10
点
雨
量
XX
1h
91.3
85.1
74.4
64.0
56.3
50.2
40.0
24h
199.3
186.4
164.3
142.7
126.2
113.3
91.5
面
雨
量
XX
1h
91.3
85.1
74.4
64
56.3
50.2
40.0
24h
199.3
186.4
164.3
142.7
126.2
113.3
91.5
设计洪水
计算方法
采用暴雨资料推求设计洪水，依据是《XX省暴雨洪水图集》及重新修订的XX省不同历时暴雨参数等值线图。
产流计算
根据工程设计频率和不同历时点雨量均值及统计参数等值线图，求出各沟道设计点雨量，然后根据不同计算分区、面积、重现期等选择点面折减系数，求得不同保证率的面雨量。
面雨量分配在XX省有同频内包、概化和典型三种雨型。
该区选用同频内包雨型，然后由面雨量过程以扣损法计算产流过程。
产流公式如下：
—为产流期XX时段净雨（mm）；
—为产流期XX时段面雨量（mm）；
—为产流期XX时段损失水量（mm）；
根据《XX省暴雨洪水图集》产流分区，该流域为黄土丘陵Ⅱ1区，平均损失率
公式如下：
汇流计算
汇流计算是根据推求的设计净雨过程Ri推求流域出口断面的洪水流量过程，采用纳希瞬时单位线法推求。
按瞬时单位线原理，就是净雨历时趋于零的极小时段内产生的一个单位净雨（1mm净雨深）在出口处所形成的流量过程线，其公式为：
u（t）=
式中：
t—时段变量；
u（t）—为t时的瞬时单位线的纵坐标；
n,k—为瞬时单位线形状参数；
Γ（n）—伽玛函数；
根据上式可导出时段单位线方程式为：
q（Δt·t）=
式中：
q（Δt·t）面积为F的流域上，t时段内净雨量为1mm的单位线在t时段的纵坐标，以m3/s计；
Δt—计算时段长（h）；
—换算系数；
—纳希瞬时单位的累积曲线，又称S（t）曲线；
—形同S（t）曲线，唯在时间坐标上错后Δt时，用S（t-Δt）表示。
[S（t）-S（t-Δt）]简写为ΔS（t），称为Δt小时无因次时段t时的纵高。
一般以μ（Δt·t）表示。
计算参数
在计算瞬时单位线，进行洪水演进时，须求得参数n，k，滞时M，计算公式如下：
半干旱区：
n=1.22L0.231，K=M1i/n，M1i=0.148L0.9i-0.093
i—产流区平均净雨强度（mm/h）；
L—产流区概化长度（km）；
计算成果
XX骨干坝产流区概化长度为2.65km，该工程流域面积3.42km2，清浑比为0.8，计算得不同频率设计洪水总量模数见表3-7。
XX骨干坝不同设计频率洪水总量模数
表3—7
洪水重现期（年）
300
200
100
50
30
20
10
洪水总量模数
（万m3/km2）
9.513
8.451
7.626
6.369
5.647
4.579
3.749
由表3-7得知XX骨干坝20年一遇设计洪水标准洪水总量15.66万m3，200一遇校核洪水标准洪水总量28.90万m3。
工程地质
区域地质构造
经现场踏勘,本地区属黄土丘陵沟壑区,土质主要为黄土,但粘粒含量较大。
初步估算黄土承载力约100kpa左左。
最大冻土深度114cm。
该地区的地震动峰值加速度为0.20g，地震基本烈度为Ⅷ度。
天然建筑材料
块石料
块石料场位于长庆石料场，岩性为奥陶系三道沟组灰岩（O3S），灰色，厚层状，致密，坚硬，露天开采，储量大于100万立方米。
块石料评价表
表4-6
序号
项目
规范指标
实际数值
评价
1
饱和抗压强度
应按地域、设计要求与使用目的确定
85MPa
满足要求
2
软化系数
0.88
满足要求
3
冻融损失率
＜1%
0.17%
满足要求
4
干密度
＞2.4t/m3
2.68t/m3
满足要求
根据《水利水电工程天然建筑材料勘察规范》（SL251-2000）的规定，符合块石料的质量要求，且正在开采，储量约100万立方米。
该骨干坝距该长庆约50km，有公路直达，交通方便。
属外购料。
粗骨料（砾石料）
砾石料场是XX县长庆料场。
砾石直径2–5cm，呈亚棱角形，成份为灰岩、石英岩等。
其储量大于100万立方米。
该骨干坝距长庆50km左右，属外购料，有公路及便道直达，交通方便。
粗骨料评价表
表4-7
序号
项目
规范指标
实际数值
评价
1
表观密度（g/cm3）
＞2.60
2.66
满足要求
2
堆积密度（g/cm3）
＞1.60
1.80
满足要求
3
孔隙率
＜45%
40%
满足要求
4
吸水率
＜2.5%
2.2%
满足要求
5
冻融损失率
＜10%
9.0%
满足要求
6
针片状颗粒含量
＜15%
10%
满足要求
7
软弱颗粒含量
＜5%
3.7%
满足要求
8
含泥量（粘、粉粒）
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