水保工程学课程设计.docx
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水保工程学课程设计
西南林业大学
《水土保持工程学》
课程设计
姓名：
杨丽蓉
学号：
20110753028
班级：
水土保持与荒漠化防治
小组：
杨丽蓉
日期：
2014年6月7/8/21/22/23
指导老师：
马建刚
前言
拦砂坝是以拦蓄山洪泥石流沟道（荒溪）中的固体物质为主要目的，防治泥沙灾害的挡拦建筑物，它是荒溪治理的主要沟道工程措施。
其目的主要有以下几点：
1，拦蓄泥沙（包括块石），调节沟道内水砂，以免除泥沙对下游的危害，便于河道下游的整治。
拦砂坝在减少泥沙来源和拦蓄泥沙方面能起到重大作用。
拦砂坝将泥石流中的固体物质堆积库内，可以使下游免遭泥石流危害。
2，提高坝址处的侵蚀基准，减缓坝上游淤积段河床比降，加宽了河床，并使流速和流深减小，从而大大减小水流的侵蚀能力。
3，因沟道流水侵蚀作用而引起的沟岸滑坡，其剪出口往往位于坡脚附近。
拦砂坝的淤积物掩埋了滑坡体剪出口，对滑坡运动产生阻力，促使滑坡稳定，减小泥石流的冲刷及冲击力，防止溯源侵蚀，抑制泥石流发育规模。
第1章小流域基本概况
1.1地理位置及地形概况
怒江州六库镇位于云南省西北部，芭蕉河位于六库镇西坡，地理坐标为：
98̊̊̊̊49'24"E～98̊51'36"E,25̊̊̊̊50'00"N～25̊51'30"N。
芭蕉河源于著名的高黎贡山东坡，怒江西岸，汇水面积为4.08km²,全沟长4.33km，流向自西向东，最高点海拔为2450m，山口处海拔为880m，高差达1570m，比降为25％.沟床叠水、陡坎、拐弯多见。
沟床阻塞系数为1.3～1.7，沟侧山坡30̊～35̊，局部达60̊。
河流出口后堆积有不同时期的洪积物，与怒江交汇处海拔为790m，相关图件见图1-1和附图1。
1.2水文地质
流域内主要分布的地层有元古代高黎贡山群变质岩系，以片岩、片麻岩、混合岩、变粒岩为主。
山口地带出露寒武系保山组砂岩、板岩，产状为250L40。
三叠河弯街组（T3）碳酸盐岩，以白云岩为主，产状为230L55,其表层大部分覆盖有厚0.5～1.0m的坡残积层。
山口以东至怒江约1100m，为一洪积扇，怒江州卫生学校、师范学校和汽车总站等单位设于此地，是州府重镇之一。
新生代以来，构造应力呈东西向强烈挤压，地壳持续抬升，在长期地质营力作用下，岩体破碎，节理裂缝发育，溪沟下切，风化土层深厚，崩塌、、滑坡发育，松散体物质储量达1369×104m³,可移方量410×104m³，固体物质源丰富，为泥石流的形成创造了必要的物质条件。
1.3植被
该流域属于亚热带湿润气候，年平均气温为20.2℃，最高气温为26.6℃，极端最高气温可达41.6℃，最低气温达4.5℃.年平均降雨量为1011mm，5～10月为雨季，降雨量占全年的70％.芭蕉河内常年有水，但随季节雨量暴涨暴落，旱季最小雨量为0.02m³/s，雨季可增加数十倍。
全流域林地面积占68%，郁闭度为60%，坡耕地占32%。
1.4泥石流概况
从流域特点看，泥石流形成过程可分为水源区、形成区、流通区和淤积区。
水源区位于主沟海拔1060m以上，面积为3.62km²。
发育有滑坡3个，坍塌3处，松散固体物质储量为636×104m³，单位储存量为120.44×104m³/km²；形成区位于主沟海拔1060～880m，面积0.46km²，发育有滑坡4个，坍塌5处，松散固体物质储存为730×104m³；流通、淤积区位于海拔880m至怒江边，长度为1.01km，泥石流时冲时淤。
1.5泥石流特征
1989年10月20日20：
00时，芭蕉河爆发力一场灾害性泥石流。
高约3m的泥石流龙头夹裹着巨大的漂砾急汇而下，冲毁、於埋了沟道两岸附近的州汽车总站、州邮电局、州民族师范学校等6个单位的房屋40栋，桥梁2座等，估计经济损失达889万元，根据灾后现场调查，泥石流剖面多为“泥包砾”，泥面呈黄色，坡降为8.7%,保存1年多仍未脱落，表明浆体粘度很高，为黏性泥石流。
据房屋墙壁的泥痕和固体沉积物厚度，推算出流体容重为21kN/m³，经采样粒度分析，测得中值粒径为d50=2.5mm，用泥痕计算得流速为4～5吗m/s，根据武汉水电学院水槽实验公式计算的流速为4.08m/s，流量为160m³/s。
1.6泥石流成因
芭蕉河山口以上属于中山地形，侵蚀切割较深，大部分地形呈“V”形谷，岸壁陡峻，岸体破碎，崩塌、滑坡较为发育，松散固体物质储量达1269×104m³，为泥石流的形成创造了物质基础。
历时长、强度大的降雨时激发泥石流形成的动力。
1989年10月3日到20日，该地区出现了长达半个月的连阴降雨天气，共降雨461.7mm，突破了历史同期所有极限，其中10日为69.4mm，16日为74.5mm，17日为59.8mm，19日为50.5mm，20日晚又出现了高强度暴雨而触发了大规模泥石流。
据资料记载，20世纪20年代，该地区曾爆发过一次大规模的最大的泥石流。
1949年又爆发一次，但规模较小。
从泥石流堆积扇的分布、厚度及堆积旋回分析，芭蕉河泥石流在历史上活动频繁，规模宏大，后期呈衰减之势，但近几年来，随着人口的增多，人类活动加剧，毁林开荒使生态恶化，泥石流活动趋于活跃。
为此，积极对泥石流进行防治是完全必要的。
第2章泥石流的参数设计
2.1不同设计频率的最大24h降水量（H24p）的计算
1.将芭蕉河流域1958～1989年32年的实测最大24h降水量列于表2-1中，计算出系列的统计参数，如均方差、变差系数CV、偏差系数CS，然后在频率格纸上点汇暴雨频率曲线。
表2-1芭蕉河流域设计暴雨频率计算表
序号
时间
H24i（mm）
H24i大→小
经验频率（%）p=m/（n+1）
模比系数K
1
1958-08-15
86.0
88.6
3.03
1.54
2
1957-07-16
64.8
86
6.06
1.5
3
1960-07-16
45.4
74.5
9.09
1.3
4
1961-06-30
51.4
72.3
12.12
1.26
5
1962-08-21
63.7
71.7
15.15
1.25
6
1963-07-25
41.9
70.5
18.18
1.23
7
1964-05-20
66.3
66.3
21.21
1.15
8
1965-09-05
71.7
66.3
24.24
1.15
9
1966-07-12
88.6
64.9
27.27
1.13
10
1967-09-10
57.5
64.8
30.3
1.13
11
1968-08-11
55.2
63.7
33.33
1.11
12
1969-09-03
44.6
61.5
36.36
1.07
13
1970-08-17
52.1
59.8
39.39
1.04
14
1971-07-28
44.8
57.5
42.42
1
15
1972-11-04
54.2
56.7
45.45
0.99
16
1973-07-24
64.9
56.5
48.48
0.98
17
1974-08-05
41.8
55.2
51.51
0.96
18
1975-07-30
52.4
55.2
54.54
0.96
19
1976-06-18
70.5
54.2
57.57
0.94
20
1977-07-06
66.3
53.3
60.6
0.93
21
1978-08-21
53.3
52.4
63.63
0.91
22
1979-08-14
56.7
52.1
66.66
0.91
23
1980-06-28
38.6
51.4
69.69
0.89
24
1981-07-21
47.8
47.8
72.72
0.83
25
1982-08-14
55.2
45.4
75.75
0.79
26
1983-08-24
61.5
44.8
78.78
0.78
27
1984-09-16
35.6
44.6
81.81
0.78
28
1985-07-09
43.8
43.8
84.84
0.76
29
1986-07-28
72.3
41.9
87.87
0.73
30
1987-09-07
59.8
41.8
90.9
0.73
31
1988-08-17
56.5
38.6
93.93
0.67
32
1989-10-10
74.5
35.6
96.97
0.62
总计
——
1839.7
1839.7
——
32.00
统计参数计算如下：
（1）.样本的平均数
=57.5
（2）样本的均方差S
=12.74
（3）变差系数Cv
=0.23
模比系数
2.适线：
采用不同的CS值进行适线，列表计算：
理论频率计算表。
分别绘制出理论频率曲线查找不同频率的最大24h降水量，列成表格。
Cv=0.22Cs=0.44
Cv=0.22Cs=0.66
Cv=0.22Cs=0.88
理论频率P（%）
KP
理论频率P（%）
KP
理论频率P（%）
KP
0.01
2.04
0.01
2.02
0.01
2.10
0.1
1.82
0.1
1.79
0.1
1.85
0.2
1.75
0.2
1.72
0.2
1.77
0.33
1.70
0.33
1.67
0.33
1.71
0.5
1.66
0.5
1.63
0.5
1.66
1
1.58
1
1.55
1
1.58
2
1.50
2
1.47
2
1.49
5
1.39
5
1.36
5
1.37
10
1.29
10
1.27
10
1.27
20
1.18
20
1.16
20
1.16
50
0.98
50
0.98
50
0.97
75
0.84
75
0.86
75
0.85
90
0.73
90
0.76
90
0.77
95
0.67
95
0.71
95
0.72
99
0.56
99
0.62
99
0.65
根据频率曲线与经验点据的配合情况，从中选出一条与经验点据配合较好的曲线作为采用曲线，相应于该曲线的参数便看作是总体参数的估值。
采用的
Cv=0.22；Cs=3
2.2清水洪峰流量（Qwp）的计算，列表
（其中km=2.6m3/（s·km²），选取Cs=2Cv，Cv=0.35，然后查P-
型模比系数可得出kp。
）
2.3泥石流洪峰流量（Qcp）计算，列表
Qcp=
Qwp,
由于芭蕉河流域整体流域高差达1570米，比降为25%，沟床叠水、陡坎、拐弯多见，所以综合荒溪指数
可取5。
表2-1参数计算表
p
0.01
0.1
1
5
kp
5.28
4.10
2.82
1.82
Qwp
35.05
27.22
18.72
12.08
Qcp
175.25
136.1
93.6
60.4
2.4泥石年流淤积量（
）计算，列表
泥石流淤积量计算采用侵蚀模数法，根据对流域综合情况的判断，给出林地和坡耕地的侵蚀模数，给出输移比，结合侵蚀物容重和不同地类面积计算
。
参考林地侵蚀模数为：
1000t/km2·a，坡耕地侵蚀模数为：
8000t/km2·a。
林地年侵蚀量:
4.08km2X68%X1000t/km2·a=2774.4t/a
坡耕地年侵蚀量:
4.08km2X32%X8000t/km2·a=10444.8t/a
表2-4泥石流淤积量计算表
面积（km2）
侵蚀模数（t/km2·a）
输移比
（t/a）
林地
2.7744
1000
0.4
1109.76
坡耕地
1.3056
8000
0.4
4117.92
合计
4.08
528.68
第3章拦砂坝设计
3.1坝址选择：
坝址选择的原则如下：
（1）.地质条件坝址附近应无大断裂通过，坝址处无滑坡、崩塌，岸坡稳定性好，沟床有基岩出露，或基岩埋深较浅，坝址为硬性岩或密实的老沉积物。
（2）地形条件坝址处沟谷狭窄，坝上游沟谷开阔，沟床纵坡较缓，建坝后能形成较大的拦淤库容。
（3）建筑材料坝址附近有充分的或比较充足的石料、砂等当地建筑材料。
（4）施工条件坝址离公路较近，从公路到坝址的施工便道易修筑，附近有布置施工场地的地形，有可供施工使用的水源等。
（5）与防治工程总体布置协调如与上游的谷坊或拦砂坝、下游拦砂坝或排导槽能合理的衔接。
（6）满足拦砂坝本身的设计要求如以拦沙为主的坝，坝址应尽量选在“肚大口小”的沟段；以拦淤反压滑坡为主的坝，应尽量靠近滑坡。
（7）有较好的综合效益如拦砂坝既能拦砂，又能稳坡，一坝多用。
3.2坝型选择：
浆砌石重力坝。
多用于泥石流冲击力大的沟道，结构简单，施工简单，是群众常用的一种坝型。
但施工进度较慢，一般用的水泥较多，造价就高。
它的作用原理是，坝前作用的泥沙压力、冲击力、水压力等水平推力，通过坝体传递到坝的基础上。
坝的稳定，主要是坝体的质量在坝基础面上产生的摩擦力大于水平推力的原因。
3.3坝的设计：
3.3.1初步拟定断面尺寸
初定:
坝高H=10m
坝顶宽b=3m
坝底宽度a=21m
坝坡：
上游为1:
1；下游为1:
0.8
断面图如下：
（图中单位为mm）
（二）溢流口水力计算
1、确定溢流口形状和两侧边坡
溢流口形状为梯形，边坡坡度取1:
0.8
2、溢流口宽度计算，一般其宽度为坝底宽的1/2-1/3。
此次拦砂坝设计标准为20年一遇。
则
3
式中：
3、溢流口高度计算：
断面图如下：
（图中单位为mm）
（三）稳定性分析
坝高：
10m，基础埋深：
2m，顶宽：
3m底宽：
21m。
采用砌石砌体筑，砌体容重2.3t／m
.砌体与与坝基之间摩擦系数为0.5（砂岩）。
（土壤有含水量的砂砾和粗砂）
泥石流容重与淤积物容重均取2.1t／m
坝体受力示意图：
1、作用力计算：
（1）坝体重力（以1m坝长算）
坝上游淤积物重:
（2）泥沙压力
（3）被动土压力
（4）坝基扬压力：
（5）泥石流冲击力：
化为集中力为:
2抗滑稳定计算
满足抗滑稳定要
3坝基应力计算：
荷载
垂直力
水平力
对断面中心点力臂
对断面中心点力矩
G1
+96.6
0
0
G1
+92
5.17
-475.64
G1
+69
1.0
-69
G1
+115
3.83
+440.45
G1
+105
7.17
+752.85
W
-115.8
3.5
-441
P泥
+8.57
5
-579
E
0.67
+5.7149
下游面地基的强度计算
下游面不产生拉应力验算
不产生拉应力
基于以上计算，所设计的拦砂坝满足稳定性要求。
（四）坝下消能设计
本次设计采用副坝消能，其中副坝坝顶高出原沟床0.5m，坝高2米，副坝距离主坝25米，具体示意图如下（图中单位为mm）：
（五）拦砂坝库容及淤积年限计算
坝的库容计算:
淤积年限计算:
=（22480X1.4）/5287.68=6
Rs取1.4
第四章排导槽设计
一、排导槽的平面布置形式，其布置位置见附图一。
结合相关资料，因为芭蕉河的荒溪类型类型属于泥石流荒溪类型，所含固体物质丰富，可以采用的平面布置形式有向上游排及向中部排。
布置排导沟的目的就是为了让泥石流和洪水顺畅排泄，而不至于漫流改道，确保沿河两岸村庄、城镇、工矿区和农田的安全，但是芭蕉河的山口洪积扇设有学校、汽车总站等单位，所以本次设计选择向向下游排。
二、排导沟类型与建筑材料
类型：
挖填排导沟
建筑材料：
M7.5浆砌石
三、排导槽断面设计,其横断面见附图，纵断面图见附图。
1、选择合适的纵坡
对于泥石流荒溪，因为其流体容重为2.1>1.5，结合当地泥石流固体物质特性，所以纵坡为20%。
2、排导槽断面设计
Qm为溢洪道的设计流量为：
54.45m3/s
（1）过水深h计算
其中
为0.58-0.96，一般取0.76；
Q为设洪峰丰流量，本次设计采用20年一遇
（2）断面宽度计算
;
把数据代入公式，可知矩形的水力最优断面
根据相关规范还应加上安全超高0.5-10m，本课程设计中取0.5m，最终高为3.5m
3、渠道允许流速确定:
由于该地区属于白云砂等硬水岩石为主，查表可确定它的允许流速（不充不淤）相关数值见表4-1：
表4-1允许流速不冲不淤表
渠道流量（m3/s）
<1.0
1-10
>10
允许流速（m/s）
5
6.0
7.0
断面图如下（图中单位为mm）：
第五章水土保持工程投资估算
一、估算依据
（1）水利部《水土保持工程概算（估）算编制规定》2003年6月；
（2）水利部《水土保持工程概算编制定额》2003年6月；
（3）国家计委、建设部计价格[2002]10号文件《工程勘察设计收费标准（2002年修订本）》规定；
（4）云南省建设厅编制的《云南省2005年工程建设材料价格信息》第一季度价格；
（5）云南省水利水电建筑工程概预算定额及有关规定；
二、投资估算情况
1、拦砂坝部分
（1）主体工程量
（2）副坝工程量
2、排导槽部分
（1）挖方量
（2）砌石方量
3、总造价
按照工程设计尺寸，计算各个工程的工程量，并考虑其他费用，最终结果见附表一水土保持投资估算表。
表5-1拦砂坝设计水土保持投资估算表（元）
编号
名称
单位
数量
单价
合计
备注
一
工程措施
3004696
1
主坝
土方开挖
m3
2800
20
56000
M7.5浆砌块石
m3
10015.5
220
2203410
2
副坝
土方开挖
m3
122
20
2440
M7.5浆砌块石
m3
188.7
220
41514
3
排导槽
土方开挖
m3
8187
20
163740
M7.5浆砌块石
m3
2433.6
220
537592
二
植物措施（无）
三
临时措施（无）
四
其它费用
1
建设管理费
%
2
60093.92
2
工程建设监理费
%
1.5
45070.44
3
科研勘测设计费
%
6
180281.8
一~四部分合计
五
基本预备费
%
5
164507.1
六
总投资
3454649
升级会员 