淤地坝设计设计1.docx

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淤地坝设计设计1

淤地坝设计

第一章概况

第一节基本资料

第二节淤地坝的组成和作用

一、淤地坝的组成

二、淤地坝的作用

第二章淤地坝坝体设计

第一节淤地坝总体设计

一、淤地坝组成方案选择

二、淤地坝类型选择

三、坝址选择

第二节土坝坝体设计

一、坝高及库容确定

（一）、拦泥库容及拦泥坝高的确定

（二）、滞洪库容及滞洪坝高的确定

1、先用20年一遇洪水进行设计

2、按工程安全防洪标准确定溢洪道尺寸进行校核

3、安全加高△h的确定

二、土坝断面结构构造及尺寸

（一）、坝顶宽度

（二）、坝坡马道

（三）、坝边坡

（四）、坝坡保护

（五）、坝体排水

（六）、坝基和岸坡处理

第三节土坝的稳定计算

第三章土坝溢洪道设计

第一节位置选择和布置形式

一、位置选择

二、布置形式

第二节水力计算

一、溢流堰尺寸计算

二、陡坡段尺寸计算

（一）、计算临界水深hk

（二）、计算临界底坡ik

（三）、计算陡坡长度L0

（四）、计算正常水深h0

（五）、计算水面曲线

（六）、陡坡终点水深ha和末端流速v

（七）、陡坡边墙高度H确定

三、出口段尺寸计算

（一）、消力池深度S计算

1、求跃后水深h〞

2、求尾渠正常水深ht

3、消力池深度

（二）、消力池长度计算

第四章溢洪道结构设计

第一节进口段设计

一、引水渠设计

二、渐变段设计

三、溢流堰设计

第二节陡坡段设计

第三节出口段设计

第五章土坝放水建筑物设计

第一节放水工程组成及作用

一、放水工程组成

二、放水工程作用

第二节工程布设

第三节水力计算

一、卧管水力计算

（一）、进水孔尺寸计算

（二）、卧管涵洞断面尺寸计算

二、消力池水力计算

第四节工程结构设计

一、卧管结构设计

二、输水涵洞结构设计

第一章概况

第一节基本资料

1.坝址以上集水面积5km2;

2.经勘测计算，求得坝高H与库容V、淤地面积A的关系见图；

3.流域年侵蚀模数K=10000t/km2,20年一遇设计洪水流量Q20=105m3/s，洪水总量W洪＝10万m3,200年一遇设计洪水流量Q200=180m3/s，洪水总量W洪＝17万m3；

4.沟道无常流水；

5.坝址附近有充足的筑坝土料，土壤内摩擦角φ＝20°，内聚力c=0.8t/m2;

6.放水洞设计流量Q=0.5m3/s。

第二节淤地坝的组成和作用

一、淤地坝的组成

淤地坝工程一般由三大件组成，即大坝、溢洪道，放水洞。

二、淤地坝的作用

坝体是横拦沟道的挡水建筑物，用以拦蓄洪水，淤积泥沙。

溢洪道是排洪建筑物，当淤地坝内洪水位超过设计高度时，洪水就会由溢洪道排出，以保证坝体的安全和坝堤生产的正常运行。

放水建筑物用以排泄沟道长流水、库内积水到坝的下游，通常采用竖井和卧管的形式。

淤地坝的最终目的就是增加农田。

第二章淤地坝坝体设计

第一节淤地坝总体设计

一、淤地坝组成方案选择

淤地坝枢纽工程组成在实践中有三大件方案（大坝、溢洪道和放水建筑物），也有两大件方案（大坝和放水建筑物），还有一大件方案（大坝）。

虽然三大件方案中溢洪道工程量大，工程投资和维修费用较高，但考虑到淤地坝控制的流域面积较大，为5km²,从工程建成后运用安全方面及淤地坝上游淹没损失两方面综合考虑，淤地坝设计为三大件方案。

二、淤地坝类型选择

坝地附近有充足的筑坝土料，可以就地取材，考虑到土坝对地基要求低，施工技术较为简单，因此淤地坝设计为均质土坝。

土坝按照施工方法可以分为碾压坝和水坠坝。

在坝地附近有充足的土料，但是没有充足的水源，水坠坝无法施工，因此土坝设计为碾压坝。

综上，淤地坝设计为碾压均质土坝。

三、坝址选择

好的坝址是淤地面积大、工程量小、施工方便、运用安全可靠。

在流域沟道坝址地形图中有两个轴线位置可以选择，其中轴线二处沟谷狭窄，上游地形开阔平坦，并处于口小肚大的葫芦口地形处，在轴线二处筑坝工程量小、库容大、淤地面积大。

因此，选中在轴线二处筑坝。

第二节土坝坝体设计

一、坝高及库容确定

淤地坝坝高H一般由拦泥坝高h拦，滞洪坝高h滞和安全超高Δh三部分组成，即坝高：

H=h拦+h滞+Δh

（一）、拦泥库容及拦泥坝高的确定

式中：

F—淤地坝控制的流域面积，单位km2，取F=5km2

K—年平均侵蚀模数，K=10000t/（km2•年）

ns—坝库排沙比，从安全角度考虑，认为土坝不排沙，即ns=0

T—设计淤积年限，N=10年

rS—淤积泥沙的干容重，rS=1.3t/m3

得：

=38.5万m³

根据H-V曲线，查出相应的拦泥坝高h拦=24m，高程为822米。

（二）、滞洪库容及滞洪坝高的确定

对于三大件方案，滞洪库容需通过调洪计算确定。

溢洪道最大泄流量Q泄为：

Q泄=Q洪（1-V滞/W洪）

溢流堰堰流公式为：

Q泄＝MBh滞3/2

两公示联立得：

MBh滞3/2＝Q洪（1-V滞/W洪）

其中，M—流量系数，取值为M=1.7；H—溢洪道堰上水头；B—溢洪道堰顶净宽；W洪—溢洪道最大泄洪量；V滞—滞洪容积；Q洪—来水洪峰流量。

1、先用20年一遇洪水进行设计

已知20年一遇设计洪水流量Q20=105m3/s，洪水总量W洪＝10万m3。

求解采用试算法，步骤为：

1）先假设一个h滞，再由H~V曲线求得V滞；

2）按公式Q泄=Q洪（1-V滞/W洪）求Q泄；

3）按堰流公式Q泄＝MBh滞3/2求溢洪道宽度B；

4）经过多次假设计算，最终对工程作经济、技术比较，取一个合适的B，该B所对应的h滞，Q泄，V滞即为调洪计算所求。

根据经济分析技术比较最终得出h滞＝2m，B=8.7m。

此时Q泄=Q洪（1-V滞/W洪）=42m3/s

2、按工程安全防洪标准确定溢洪道尺寸进行校核

200年一遇设计洪水流量Q200=180m3/s，洪水总量W洪＝17万m3，

校核步骤：

1）先假设一个h滞，再由H~V曲线求得V滞；

2）按公式Q泄=Q洪（1-V滞/W洪）求Q泄；

3）按堰流公式Q泄＝MBh滞3/2，其中M=1.7，B=8.7m,可求得h滞；

4）将假设的h滞的值与求得的h滞的值对比，如果两个数值接近或相等，则为所求的h滞。

h滞=3m时，所求的两个数值比较的接近，因此校核h滞等于3m。

3、安全加高△h的确定

20年一遇的洪水计算H20=h拦+h滞+h安=24m+2.0m+2.0m=28m

200年一遇的洪水计算H200=h拦+h滞+h安=24m+3.0m+2.0m=29m

由于200年一遇洪水需要的坝体高度29m大于20年一遇洪水的坝体高度28m，故坝体高度H=29m

取最大坝高为29m,相应坝顶高程为827m,沟底高程为798m。

二、土坝断面结构构造及尺寸

（一）、坝顶宽度

坝顶设置单行道车道，由表3-8中可以看出，对于高度在29m的土坝坝顶宽度B=5m。

（二）、坝坡马道

因坝高于15m，考虑到施工行人、交通、堆放材料、机件方便和坝坡排水,在坝的中部即15m的高度（高程813m）设置1.5m宽的横向马道。

马道上部坝坡陡，下部坝坡缓。

（三）、坝边坡

上游马道以上坡比为1:

2.1,马道以下坡比为1:

2.3；下游马道以上坡比为1:

1.7,马道以下坡比为1:

1.9。

（四）、坝坡保护

为防雨水等冲刷，淤积面以上的上游坝面和下游坝面，须设置保护措施。

①、植物措施:

保护措施可为种植牧草、栽植灌木、也可以砌石。

②、排水沟:

下游坝面还需要设置纵向排水沟，特别是坝端与沟坡相接处，必须做好排水措施，以防暴雨径流冲刷。

因此，在坝体与岸坡结合处设纵向排水沟，将坝面流水送出坝脚以外。

排水沟为矩形断面，尺寸为30×30cm（深×宽），边墙、底板厚均为20cm.

③、结合槽:

为增加坝体稳定性，防止土坝与沟底结合面上透水，沿坝轴线方向从沟底到岸坡开挖一道梯形断面结合槽。

结合槽底宽1.0m，深1m，边坡比1：

1，结合槽用黄土人工回填夯实。

（五）、坝体排水

坝库蓄水之后，由于上游水压力的作用，水流会通过坝体渗透到下游坝面坡脚处，对于下游坝坡产生冲刷，出现管涌和流土现象。

为了保证坝体安全，需要在坝的下游坡脚处设置排水体。

排水体的作用一是降低浸润线的位置，防止渗透破坏（流土，管涌）；二是增加坝坡稳定，减小坝的断面尺寸。

棱式反滤排水体适用于中大型土坝，因此该土坝排水体设计为棱式反滤排水体。

排水体顶端长度为2.5m，高度为4m，粗砂厚度为0.3m，小砾石厚度为0.4m，内部坡比为1：

1，外部坡比为1:

1.5。

棱式反滤排水体断面结构示意图见附图。

（六）、坝基和岸坡处理

坝体填筑前，必须对坝基和岸坡进行处理，清基范围应超出坝的坡脚线0.6m，清基平均深度为30cm，凡在清基范围内的地面表土、乱石、草皮、树木、腐殖质等均要清除干净，不得留在坝内做回填土用。

与坝体连接的岸坡应开挖成平顺的正坡，土质岸坡不陡于1：

1.5。

第三节土坝稳定性计算

土坝稳定分析计算方法：

泰勒分析法

泰勒提出在土坡稳定分析中共有5个计算参数,即土的重度γ、土坡高度H、坡角β以及土的抗剪强度指标c、ϕ，若知道其中4个参数时就可以求出第五个参数Ns，称为稳定因数，

即：

泰勒通过大量计算得到Ns与ϕ及β间的关系曲线。

如图所示：

图1：

泰勒的稳定因数Ns与坡角β的关系

图2：

泰勒的稳定因数Ns与坡角β的关系

土坝设计中总共涉及到4个大的坡度，进行边坡稳定分析时只需要对坡度最大的边坡进行分析即可。

所分析的边坡高度为H=15m,坡比m=1:

1.7,即坡角a=30.5°，已知土壤内摩擦角ϕ＝20°，内聚力c=0.8t/m2,土的重度γ=1.7t/m3（一般坝体压实后的干容重大于1.5t/m3，设计为1.7t/m3）。

从图2中可以看出当ϕ＝20°，a=30.5°时，N=0.024；由公式

可以得出c=NγH=0.024×1.7×15=0.612t/m2；则稳定安全系数

=1.31>1.25,所以该土坡处于稳定状态。

第三章土坝溢洪道设计

第一节位置选择和布置形式

一、位置选择

溢洪道是淤地坝中最主要的建筑物之一，根据对地形图的分析，沟道的右岸坡度较陡，左岸坡度较缓，地形较平缓故选择在沟道的左岸，同时溢洪道的进口布设在距坝端10m以外处，出口布设坝坡坡脚线20-50m以外处。

二、布置形式

根据此流域的集水面积，及泄流量情况，采用堰流式溢洪道，用浆砌石建造。

根据地形及工程量大小选用陡坡正堰式溢洪道，由进口段，陡坡段，出口段三部分组成。

第二节水力计算

一、溢流堰尺寸计算

溢流堰采用无坎宽顶堰，堰上水深为H=h滞=2m，堰长设计为2.5—10倍的H，即L=10m，堰顶宽度为B=8.7m。

二、陡坡段尺寸计算

（一）、计算临界水深hk

陡坡段设计为梯形,底宽B=8.7m,边坡比为1:

1。

对于梯形断面陡槽，hk可按照水力学公式试算求得，即

式中：

a为不均匀系数，a一般取值1.1；

ωk、Bk分别为相应于hk的过水断面面积和水面宽；

Q泄=42m³/s；g为重力加速度，g=9.81m/s2

试算法：

假设一个水深h，可以求得一个流量Q，将h和Q的关系进行线性分析，做出趋势线，根据趋势线公式代入Q泄=42m3/s便可以求得hk的值。

临界水深试算表

hk（m）

Q泄（万m3）

wk（m）

Bk（m）

1

27.58

9.7

10.7

1.1

33.58

10.8

10.9

1.2

38.49

11.9

11.1

1.3

43.67

13.0

11.3

1.4

49.11

14.1

11.5

1.5

54.80

15.3

11.7

1.6

60.74

16.5

11.9

1.27

42.09

12.7

11.24

通过计算可以求出：

当Q泄=42m³/s时，hk=1.27m，VK=Q泄/ωk=42/12.7=3.31m²/s

（二）、计算临界底坡ik

其中Kk为流量模数；

ωk为过水断面面积：

ωk=12.7m2

Rk为相应的临界水深hk时的水力半径，

，Xk为相应的临界水深hk时的湿周

n为粗糙系数，n=0.025；Ck为谢才系数，

，

将hk=1.27m代入公式

得：

湿周Xk=12.3m；

=12.7÷12.3=1.03m：

将ωk=12.7m²,RK=1.03m,代入下式，

得：

KK=518.91m³/s,ik=6.55×10-3

陡坡段底坡设计为i=1:

5，因为ik=6.55×10-3

（三）、计算陡坡长度L0

P为陡坡段总落差，坝底高程为798m，溢流堰高程为822m，因此P=822-798=24m；i=1:

5=0.2，则

=122.38m

（四）、计算正常水深h0

利用明渠均匀流公式：

其中：

A为过水断面面积，A=（B+H）H，B=8.7m；

C为谢才系数，

，n为粗糙系数，n=0.025；

R为水力半径，

，Xk为湿周，

；

i为底坡坡度，i=0.2。

明渠均匀流公式可以转化为只有一个变量h的公式，

即：

试算法：

假设一个水深h，可以求得一个流量Q，将h和Q的关系进行线性分析，做出趋势线，根据趋势线公式代入Q泄=42m³/s便可以求得h0的值。

h0（m）

过水断面面积A

湿周X

流量Q

0.10

0.88

8.98

3.35

0.20

1.78

9.27

10.60

0.30

2.70

9.55

20.81

0.40

3.64

9.83

33.57

0.50

4.60

10.11

48.66

0.60

5.58

10.40

65.92

0.70

6.58

10.68

85.23

0.46

4.21

10.00

42.36

通过计算可以求出当Q泄=42m3/s时，h0=0.46m,V=Q泄/A=42/4.21=9.97m/s

（五）、计算水面曲线

=

=

（

）

式中：

为溢洪道陡坡段相邻两过水断面的水深，单位m；

i为底坡比降，i=1:

5；

为溢洪道陡坡段相邻两过水断面水力坡度的平均值；

h1,h2为溢洪道陡坡段相邻两过水断面的水深，单位m；

为溢洪道陡坡段相邻两过水断面的平均流速，单位m/s；

a1、a2为相邻两过水断面动能修正系数，取1.0。

h/m

A/m2

χ/m

R/m

1/nR2/3

v/（m/s）

J=v2/（c2R）

av2/2g/m

ΔEs/m

ΔL/m

和ΔL/m

1.27

12.66

12.29

1.03

40.798

3.317

0.0066102

0.560792

0.006

0.032

0.03242

1.2

11.88

12.09

0.98

39.526

3.5354

0.008

0.63704

0.037

0.192

0.22462

1.1

10.78

11.81

0.91

37.636

3.8961

0.0107163

0.773681

0.082

0.437

0.66183

1

9.7

11.53

0.84

35.65

4.3299

0.0147514

0.955556

0.149

0.817

1.47909

0.9

8.64

11.25

0.77

33.554

4.8611

0.0209882

1.204404

0.252

1.45

2.92881

0.8

7.6

10.96

0.69

31.332

5.5263

0.0311094

1.556583

0.42

2.622

5.55115

0.7

6.58

10.68

0.62

28.962

6.383

0.0485715

2.076576

0.711

5.262

10.813

0.6

5.58

10.4

0.54

26.417

7.5269

0.0811855

2.887561

1.261

14.85

25.6666

0.5

4.6

10.11

0.45

23.656

9.1304

0.1489688

4.248972

0.775

28.48

54.1467

0.46

4.214

10

0.42

22.48

9.9677

0.1966059

5.063991

从水面曲线中计算可以得到∑△L=54.147m，小于陡坡段长度L=122.38m。

由此可以说明陡坡段末端水深达到正常水深。

（六）、陡坡终点水深ha和末端流速va

因为求出的水面曲线的长度L=54.147m<溢洪道陡坡段长度L0=122.38m，所以陡坡段末端水深ha正常水深h0=0.46m此时Q泄=42m3/s，过水断面面积A=（B+H）H=（8.7+0.46）×0.46=4.21m²，Va=Q泄/A=42÷4.21=9.97m/s

（七）、陡坡边墙高度H确定

考虑到陡坡流速较大，参气会使水深增加，故边墙高度H:

H=h+hB+△h

h——未掺气时陡坡中的水深，m

hB——掺气时的水深增加值，可按下式计算：

当流速V小于或等于20m/s时,hB=vh/100；Δh为安全加高，可取0.5－1.0m。

即：

H=h+hB+△h=0.46+9.97*0.46/100+1=1.5

三、出口段尺寸计算

（一）、消力池深度S计算

1、求跃后水深h〞

梯形明渠共轭水深可以运用迭代公式:

（出自《水力学》高等教育出版社-吴持恭主编P276）

式中：

；

；

h2,i+1和h1互为共轭水深；m1、m2为边坡系数，m1=m2=1；

b为底宽，b=8.7m；

A为过水断面面积；

h1为跃前水深，h1=0.46m；h2为跃后水深；

代入数据得：

=0.5×[8.7+﹙1+1﹚×0.46]×0.46=2.21m2

J1=A1h1+Q2/gA1=82.4m3

由迭代公式计算可得h’’=2.6m

2、求尾渠正常水深ht

尾渠设计成梯形断面，底宽B=8.7m，边坡设计为1:

3。

利用明渠均匀流公式：

其中：

A为过水断面面积，A=（B+3H）H，B=8.7m；

C为谢才系数，

，n为粗糙系数，n=0.025

Xk为湿周，

；

i为尾渠底坡坡度，可以与土坝下游区域坡降近似相等，i≈0.0225。

明渠均匀流公式可以转化为只有一个变量h的公式,即：

试算法：

假设一个水深h，可以求得一个流量Q，将h和Q的关系进行线性分析，做出趋势线，根据趋势线公式代入Q泄=42m3/s便可以求得ht的值。

通过计算可以求出当Q泄=42m3/s时，ht=0.88m

3、消力池深度

计算公式选用经验公式：

其中：

h〞—以陡坡段末端水深ha为跃前水深计算出的跃后水深，单位m；

ht—尾渠正常水深，单位m

代入数据得S=1.25（h”-ht）=1.25（2.6-0.88）=2.15m

消力池深度设计为2.2m。

（二）、消力池长度计算

式中：

为折减系数，取值0.7；

h”为跃后水深，h”=2.6m；h’为跃前水深，h’=0.46m

则：

=6.9×（2.6-0.46）=14.766m

=0.7×14.766=10.33m，设计为11m

第四章溢洪道结构设计

第一节进口段设计

一、引水渠设计

土坝建设在土基上，采用梯形明渠，用浆砌石衬砌。

梯形渠道断面边坡采用1:

3，底宽B=8.7m,侧墙高H=3m，厚度为0.4m

二、渐变段设计

渐变段长度L=5m采用扭曲面作为导流墙，浆砌石衬砌，侧墙厚为0.4m，导流墙与边墩用缝分开，墙顶超高1m，底板上游端做防渗齿墙，齿墙深入地基1m，厚度为0.5m，底板衬砌厚0.3m。

导流墙

翼墙

三、溢流堰设计

淤地坝地基为土基，溢流堰设计为无坎宽顶堰，堰长为10，底板厚0.4m,横截面为梯形，底宽8.7m，边坡系数为1:

1。

堰体底板与渐变段底板相连，连接处需做一深1m，厚0.5m的防渗抗滑齿墙。

堰边墙（边墩）用浆砌石建造，为挡土墙形式，墙高3m，顶宽0.4m,堰边墙一侧垂直。

第二节陡坡段设计

陡坡段纵坡设计为1:

5，陡槽断面为梯形断面，边坡为1:

2，陡槽侧墙和底板用浆砌石建造，厚0.3m。

为了防止不均匀沉降，陡槽沿着纵坡每隔10m留一沉陷缝。

每段陡槽的起始端都设置深1m，厚0.5m的防渗抗滑齿墙。

为了防止陡槽底板冰冻发生裂缝，还需在底板下铺设0.2m的砂卵石垫层反滤排水及纵向排水沟。

由于陡槽中水的流速较大，动水压力可能使底板产生振动，为了稳定起见，需校核底板厚度d是否满足要求。

底板厚度校核使用公式：

式中：

d为底板厚度（m）；

a为地基条件系数，密实黏土a=0.8；

v为槽中流速；

h为槽中水深

陡槽起始端：

vk=3.2m/s，hk=1.31m，d=0.03×0.8×3.2×1.31^0.5=0.09m<0.3m

陡槽末端：

v0=9.97m/s，h0=0.46m，d=0.03×0.8×9.97×0.46^0.5=0.16m<0.3m

由此可以看出，底板厚度为0.3m满足要求。

第三节出口段设计

出口段包括消力池、渐变段和尾水渠三部分。

渐变段和尾水渠与进口段结构相同，尺寸不同。

渐变段长度为8m，宽度8.7m，侧墙高度为1.5m，厚度0.4m。

尾水渠宽度8.7m，边坡1:

2，高度1.5m。

消力池用浆砌块石修筑，池底厚0.6m,池前端设置齿墙，深1.0m，厚0.6m，底板下设反滤排水孔和反滤层，侧墙构造同于陡槽，边坡为1:

1，底宽8.7m。

底板池底厚度d校核公式：

式中：

d为底板厚度；

hc为收缩断面处水深，可取跃前水深；

Vc为收缩断面处流速；

K为系数，K=0.03+0.175sina，a为陡槽未端射流与水平面夹角。

已知tana=1/5，则a=11.31゜，Vc=9.97m/s，hc=0.46m/s，K=0.03+0.175sina=0.03+0.175sin11.31゜=0.06432

则

=0.06432×9.97×0.46^0.5=0.43m

因为d=0.43<0.6，所以消力池底板厚度设计为0.6m满足要求。

第五章土坝放水建筑物设计

第一节放水工程组成及作用

一、放水工程组成

放水工程由进口取水工程、输水工程和出口消能工程组成。

取水工程设计为卧管，输水工程设计为坝下涵洞，出口消能工程设计为底流消能。

卧管空口设计为平孔，平孔高差0.5m。

输水涵洞出口段设计为陡坡消力池形式。

二、放水工程作用

对已经淤成的坝库，防水工程的作用主要是排除坝内积水，保证坝地生产安全，降低盐碱化；对未淤成的坝库，主要是排水腾空库容，拦蓄径流泥沙，调节洪水径流。

第二节工程布设

卧管布设在沟道的右岸土坝上游坡脚处，卧管纵向坡度设计为1:

3。

输水涵洞埋于坝基，纵向坡度设计为1:

100，涵洞轴线与坝轴线垂直，与卧