淤地坝设计讲解Word格式.docx
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4.2.2陡坡段尺寸设计9
4.2.2.1临界水深计算9
4.2.2.2陡坡长度9
4.2.2.3正常水深9
4.2.2.4水面曲线计算9
4.2.3出口段尺寸设计10
4.2.3.1消能工的形式选择10
4.2.3.2消力池深度计算10
4.2.3.3消力池长度计算10
4.3溢洪道结构设计10
4.3.1进口段10
4.3.1.1引水渠11
4.3.1.2渐变段11
4.3.1.3溢流堰11
4.3.2陡坡段11
4.3.3出口段11
5.放水洞工程设计11
5.1防水工程的组成形式12
5.2工程布设12
5.3水力计算12
5.3.1卧管12
5.3.1.1进水孔尺寸计算12
5.3.1.2卧管涵洞断面尺寸计算12
5.3.2消力池13
5.3.3输水涵洞13
5.4工程结构设计13
5.4.1卧管13
5.4.2消力池13
5.4.3坝下输水涵洞14
1.淤地坝设计基本资料
A.流域沟道坝址地形图一张（1/1000）；
B.坝址以上集水面积5km2;
C.经勘测计算，求得坝高H与库容V、淤地面积A的关系见图；
D.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；
E.沟道无常流水；
F.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;
G.放水洞设计流量Q=0.5m3/s
2.淤地坝总体概况
淤地坝的概念
淤地坝是指在沟道中为了拦泥、淤地所建的坝，坝内淤成的土地称为坝地。
淤地坝是在我国古代筑坝淤田经验的基础上逐步发展起来的。
淤地坝是我国黄河中游水土流失地区沟道治理的一项行之有效的水土保持工程措施。
枢纽工程的组成
组成及作用
淤地坝工程一般由三大件组成，即大坝、溢洪道，放水洞。
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，淤地坝主要用于拦泥淤地，一般不长期蓄水，其下游也无灌溉要求。
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。
淤地坝分级及设计洪水标准
淤地坝库容小于50万立方米，属于中小型淤地坝。
洪水重现期设计洪水为20年，校核洪水为200年。
淤积年限为设计为10年。
注：
①依据《水土保持综合治理技术规范—沟壑治理技术》（GB/T16453.3—1996）②可根据实际情况，适当提高设计洪水标准。
淤地坝的分类
按施工方法分
土坝可分为碾压坝和水坠坝（又称为水力冲填坝）。
在土料丰富、水源充足、适宜水坠法施工筑坝时，应优先选用水坠坝。
反之可选用碾压坝。
按土坝构筑结构、组成材料分
土坝分为均质坝（一种土料）、心墙坝（坝断面中部用不透水土料）、斜墙坝（坝上游面用不透水土料或混凝土构筑）、铺盖坝（坝上游库底用不透水土料铺填）、等
坝型选择
均质土坝
均质土坝多用粘土筑成，施工方便，我国黄土地区和南方有粘土地区均可采用该种坝型。
一般要求土料粘粒含量为10%-25%，肥粘土不宜用，某些淤地坝也可用沙土筑成。
非均质坝
非均质坝一般用两种土料筑成，透水性小的土料用作防渗体，建筑中心主体，上下游坝面用透水性大的沙土构筑。
当地有多种土料存在时，可选用这种坝。
粘性土较多地区，有时还可将坝上游大部分用粘土构筑，下游少部分用砂土构筑。
心墙坝、斜墙坝、铺盖坝、混合坝
心墙坝、斜墙坝、铺盖坝、混合坝，究竟选择何种坝型，应根据筑坝土料渗透性大小、土料多少、坝基透水深度（透水层）和施工方便与否，因地制宜确定。
3.坝体设计
由于坝址附近有充足的筑坝土料，土壤内摩擦角φ＝20°
因此此次设计采用均质土坝，由于没有充足的水源，所以选择碾压筑坝，因此综合考虑本次设计坝型选择碾压式均质土坝。
坝高与库容的确定
淤地坝总高H由拦泥坝高h拦、滞洪坝高h滞和安全超高△h三部分组成。
拦泥坝高
经观察1:
1000的地形图综合考虑“拦沙量和淤地面积最大、工程量最小，并能达到水沙平衡”原则本次设计淤地坝坝高不大于22m为最佳设计坝高。
拦泥库容公式：
式中：
V拦为拦泥库容；
F为淤地坝控制的流域面积；
K为流域年平均侵蚀模数；
ns为坝库排沙比，无溢洪道时可取0；
T为设计淤积年限；
γs为淤积泥沙的干容重。
此次设计从安全角度考虑认为淤地坝不排沙即ns=0；
本次设计淤积年限为6年。
经计算的拦沙库容为V拦=230769m3：
本次设计拦沙库容采取250000m3。
由库容与坝高曲线图得拦泥坝高h拦=16m;
由淤地面积与坝高曲线得淤地面积A=64亩。
滞洪坝高
滞洪库容为淤地坝库最高设计洪水位与设计拦泥面高程之间的库容。
该库容由枢纽工程组成和坝地运用要求而定。
对三大件枢纽工程，滞洪库容需通过调洪计算确定；
对两大件枢纽工程，可按工程的设计来水总量确定；
对拦泥库容已淤满，种植的作物可能淹没受损失，应将最大淹没水深（一般不大于1.5m）所对应的库容作为滞洪库容。
本次设计淤地坝枢纽工程为三大件枢纽工程，因此根据调洪计算公式：
Q泄=Q洪（1-Q泄/W洪）
Q泄为溢洪道最大泄洪流量；
Q洪为沟道来水洪峰流量；
W洪为沟道来水总量。
由溢洪道设计得溢洪道泄洪最大流量Q泄=58m3/s;
滞洪库容V滞=50000m3;
滞洪坝高h滞=3m
安全加高
安全加高是考虑坝库蓄水后，水面风浪冲击，蓄水意外增大使库水位升高和坝体沉陷等附加的一部分坝高。
可按有关规定选定如下表：
坝高
<
10
10~20
>
20
△h
0.5~1.0
1.0~1.5
1.5~2.0
本次设计淤地坝安全加高选取1.5m。
校核计算
校核年限200年一遇洪峰流量Q洪=180m3/s，洪水总量W洪=170000m3。
设计溢洪道泄洪流量Q1泄=MBH3/2=1.6*7*4.5^1.5=107m3/s；
由滞洪坝高h滞查坝高库容曲线的滞洪库容V滞=80000m3；
得泄洪流量Q2泄=Q洪（1-V滞/W洪）=180*（1-8/17）=95.3m3/s；
Q1泄>
Q2泄，满足行洪安全。
淤地坝总高
淤地坝总高H=h拦+h滞+△h=16+3+1.5=20.5m
土坝断面结构构造及尺寸拟定
土坝断面为梯形，底部与地基结合，设有结合槽，下游坝面坡脚设有排水体。
为防库水及降水冲刷，上下游坝面及坝顶须设排水沟或种植草灌。
当坝高较大（大于15~20m）时，坝体断面可设计为梯形复式断面，在断面坡比变化处，设人行道（马道），并布置水平排水沟。
水平排水沟与纵向排水沟相连，最终将坝坡产生的径流排至沟道。
坝顶宽度
坝顶宽度根据坝高及交通要求确定，一般可按下表表3-1选取。
表3-1
6-10
11-15
16-20
21-30
31-40
备注
碾压坝
上游坡坝坡比
1：
1.5
1:
1.75
2.0
2.25
下游坡坝坡比
1.0
1.25
顶宽/m
3.0
3-4
4.0
4-5
5.0
不考虑交通
水坠坝
2.5
4.5
6.0
7.0
本次设计坝为碾压坝坝顶宽度选取4.0m。
坝边坡
坝边坡陡缓对其稳定性影响极大，应根据坝高、筑坝土质、施工方法等因素确定，初步设计是可参阅表3-1选择，然后进行稳定校核计算，最后定出坝的边坡比。
本次选取上游坡坝坡比为1:
2.0，其中马道上方坝坡比为1:
1.5；
下游坡坝坡比为1:
1.5。
坝坡马道
本次设计坝坡马道考虑施工行人、交通、堆放材料、机件方便和坝坡排水，在坝的中部设计1.5m宽的横向水平马道，并在其靠近坝体一侧设计30cm×
30cm横向排水沟。
坝坡保护
为防止雨水等冲刷，淤积面以上的上游坝面和下游坝面，须设置保护措施。
本次设计淤地坝坡坡面统一采用种植苜蓿防止雨水等冲刷对坝坡的破坏。
并在坝体上设置50cm×
20cm楼梯式纵向排水措施。
坝体排水
坝库蓄水后，由于上游水压力的作用，水流会通过坝体渗透通过坝体渗透到下游坝面坡脚处，对下游坝坡产生冲刷，出现管涌和流土现象。
为保证坝体安全，常在坝的下游坡脚处设置排水体。
排水体的作用是将渗流导向坝体下游，降低浸润线高度，增加坝坡稳定性。
本次淤地坝设计采用表面排水，表面排水又叫斜卧式排水，是用砂石料在下游坝坡坡脚最高水位以上1m处斜卧设置的排水设施，其顶宽为1.5m，边坡比与坝背水坡相同。
土坝稳定分析计算
稳定分析计算的目的
土坝由散粒状土料堆筑而成，体积较大，一经压实，通常不会沿坝基发生整体滑动。
土坝坝体各部分之间的稳定主要靠土粒间的摩擦力和粘结力来维持，但渗透水流的作用会大大降低摩擦力和粘结力。
当坝坡大于某一数值时，会失去平衡，发生滑坡事故，故须对坝坡进行稳定分析计算，以求得稳定状态下坝体最优的断面形状与尺寸。
滑坡因素及滑坡形态
造成滑坡的因素，除与土的物理力学性质有关外，还与坝高、坡比、坝体渗透、地基土壤、施工方法、压实密度有很大的关系。
一般要求坝体压实后的干容重大于1.5t/m3。
土坝滑坡形态，对粘性土筑成的均质坝，滑动面呈圆弧状；
砂性土筑成的坝，一般呈折线或直线状。
滑坡形态在某种程度上体现了土壤的性质，即粘性土粘结力大，整体性好；
砂性土粘结力小，整体稳定性差。
故一般情况下，砂性土坝的边坡要缓于粘性土坝的边坡。
采用图解法计算：
角度a=acetan（1/1.5）=33.7°
Ck=c/K=0.8÷
1.25=0.64t/m2
Ø
k=Ø
/K=20÷
1.25=16°
Nk=Ck/（γh）=0.64÷
（1.5×
20.5）=0.021
由Nk查泰勒分析图的角度α=26.5°
；
安全系数K’=33.7÷
26.5=1.27大于安全系数K=1.25，所以坝体满足稳定性安全。
泰勒分析图
4.溢洪道设计
溢洪道概况
位置选择
溢洪道是“三大件”枢纽工程中的主要建筑物之一，它对泄洪、保障枢纽工程安全、坝地正常生产，以及下游安全都具有重要作用。
由于溢洪道在枢纽工程投资中所占比重较大（可达总投资的1/3-1/2），故需进行科学合理的设计。
溢洪道位置选择基本要求：
1）工程量较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，或地形叫平缓的山坡处，这样可减少开挖土石方量，降低工程投资，缩短工期。
2）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。
3）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线20-50m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。
4）水利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时，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程。
布置形式
根据地形条件和泄洪量大小，溢洪道常见的布置形式有两种。
1）明渠式溢洪道
2）堰流式溢洪道
由于设计淤地坝流域面积较大、泄洪流量较大，所以本次设计溢洪道选择堰流式溢洪道。
溢洪道尺寸设计
溢流堰尺寸设计
宽顶堰水力计算
水力计算公式Q=MBH03/2；
由淤地坝滞洪坝高设计工程中得泄洪流量Q=107m3/s。
水深H
H3/2
流量系数M
泄洪流量Q
溢洪道宽度B
1.0
1.6
107.0
66.9
2.0
4.0
16.7
2.5
6.3
10.7
3.0
9.0
7.4
16.0
4.2
5.0
25.0
2.7
6.0
36.0
1.9
7.0
49.0
1.4
8.0
64.0
本次设计出于安全考虑选取水深3m，溢洪道宽度8m。
陡坡段尺寸设计
临界水深计算
公式：
hk=（αq2/g）1/3
经计算临界水深hk=2.6m；
及计算临界底坡ik=0.0008<
溢洪道陡坡段坡降i=0.20满足设计要求。
陡坡长度
计算公式如下：
经计算陡坡长度
L=81.6m。
正常水深
由明渠均匀流公式试算的正常水深h=0.45m。
水面曲线计算
正常水深h
粗燥系数n
坡降
i
过水断面面积A
湿周X
水力半径R
谢才系数C
水力梯度J
泄洪流速v1
△L
总长度L
2.6
0.014
8
0.2
20.8
13.2
1.58
77.05
0.0032
5.14
0.17
2.4
19.2
12.8
1.50
76.42
0.0040
5.57
0.51
0.69
2.2
17.6
12.4
1.42
75.72
0.0053
6.08
1.00
1.69
2
16
12
1.33
74.94
0.0070
6.69
1.73
3.43
1.8
14.4
11.6
1.24
74.05
0.0098
7.43
2.88
6.31
1.6
11.2
1.14
73.04
0.0143
8.36
4.79
11.10
1.4
10.8
1.04
71.86
0.0221
9.55
8.32
19.42
1.2
9.6
10.4
0.92
70.48
0.0372
11.15
15.88
35.30
1
0.80
68.82
0.0706
13.38
38.10
73.40
0.8
6.4
0.67
66.76
0.1184
16.72
52.23
125.62
当水深h=0.78m时降水总长度L=125.6m大于陡坡长度L0=81.6m，所以溢洪道出口水深并未达到正常水深，故出口水深选取h=1.0m。
出口段尺寸设计
消能工的形式选择
由于本次设计地基基础为土质地基所以本次设计采用底流式消能。
消力池深度计算
计算公式：
S=1.25（h”-ht）
S为消力池深度，H”为尾水渠水深，ht为溢洪道陡坡末端水深。
尾水渠设计为明渠均匀流渠道宽度设置B=9m，由地形图测量得底坡坡降i=0.024粗糙率n=0.014由明渠均匀流公式的尾渠水深ht=1.2m。
即得到消力池池深S=0.25m。
消力池长度计算
L=L0+γLj
L0=1.74[E0（P0+S+0.24H0）]1/2
Lj=6.9（h”-h’）
L为消力池的长度，γ为完整水跃长度Lj的折减系数，为0.7-0.8。
h’为水跃跃前水深，L0为水流跌落的射程，如无水流跌落，则为0。
H”为跃后水深。
经计算L=1.104m。
综上述计算本次消力池设计大小为宽B=8m；
长为L=1.2m；
深H=0.25m。
溢洪道结构设计
进口段
引水渠
引水渠采用矩形渠道，用浆砌石砌护，浆砌石厚度为0.4m，并对砌缝进行勾缝。
渐变段
渐变段采用八字形导流墙，八字墙与主轴线夹角为10°
用浆砌石衬砌厚度为0.4m，导流墙与边墩用缝分开，使其各自独立工作，并适应不均匀沉陷，墙顶超高0.5m，板底上游端做防渗齿墙，齿墙入地基深1.0m，厚0.5m，底板砌厚0.5m。
溢流堰
溢流堰为溢洪道中的泄流控制建筑物，土基上采用宽顶堰形式，堰体由边墩、底板和溢流体组成。
堰体底板与渐变段底板相连，连接处做深1.0m、厚0.5m的防渗抗滑齿墙。
堰边墙采用浆砌石建造，为挡土墙形式，墙顶比溢流水面高0.5m，顶宽0.4m，墙高与底宽比为2:
1，基础厚为0.5m。
陡坡段
陡坡段纵坡坡降i=0.5，陡槽断面采用矩形断面，采用浆砌石砌护，厚度为0.4m，为防止不均匀沉陷，陡槽沿纵坡每隔10m留一沉陷缝，并做防渗抗滑齿墙，齿墙深1.0m，厚0.4m。
陡槽底板用浆砌石砌护，砌护厚度0.5m，为防止冰冻发生裂缝，在底板下铺设0.2m的砂卵石垫层反滤排水及纵横向排水沟。
出口段
出口段包括消力池、渐变段和尾水渠三部分。
渐变段与进口段相同，尾水段采用明渠。
消力池断面为矩形，采用浆砌石砌护，消力池前段设厚度为0.3m、深0.7m的齿墙，池底板厚度为0.6m，底板下设置反虑排水孔，侧墙尺寸与陡槽相同，渐变段采用八字墙导流，八字墙下游端设置深1.0m，厚0.4m的齿墙。
5.放水洞工程设计
防水工程的组成形式
防水工程由取水工程、输水工程和出口消能工程组成。
取水工程常见为卧管、竖井和放水塔；
输水工程常见为坝下涵洞、管道和隧洞；
出口消能工程常见为底流消能和挑流消能。
工程布设
放水洞布设主要考虑以下方面：
✓在地质上，最好修建在基岩或坚实的土基上，以免发生不均匀沉陷，造成涵管断裂漏水，影响坝体安全。
✓涵洞进口高程应根据地形、地基、库内泥沙淤积、灌溉要求、施工导流等因素确定。
✓在平面布置上，涵洞出口消能工程应布设在土坝下游坡脚以外，不能设在坝体内。
尽可能放在沟道一侧，使水流沿坡脚流动，防治切割坝体。
✓卧管纵向坡度以1:
2-1:
3为宜，不能太陡，否则水流过急，水利条件恶化，管体稳定性较差；
但也不能过缓，否则工程量会增大，投资增大。
✓输水涵洞通常埋于坝基，纵向坡度常为1/100-1/200，涵洞轴线与坝轴线垂直，与卧管轴线呈直角或钝角。
水力计算
卧管水力计算主要是确定进水孔尺寸、卧管涵洞断面尺寸和卧管消力池尺寸。
卧管
进水孔尺寸计算
考虑方便放水管理本次设计进水孔采用圆形孔，由开两孔进水量公式：
Q=u·
w（2g）1/2（H11/2=H21/2）；
要求设计流量Q=0.5m3/s，经计算进水孔半斤为0.2m。
卧管涵洞断面尺寸计算
卧管断面尺寸设计，应按加大流量Q加计算，设计时取Q加=1.25Q设即Q加=0.625m3/s，卧管涵洞断面采用矩形，断面尺寸按明渠均匀流公式计算，本次设计卧管总坡比i=0.45，卧管总长度L=36m。
经计算得卧管涵洞宽B=0.8m，水深h=1.3m；
考虑工程安全本次设计卧管高度取H=1.7m，经验算满足检修要求B>
0.6m，h>
1.2m，设计合理。
消力池
考虑施工方便消力池采用方形断面，消力池断面尺寸计算公式如下：
L=（3~9）h”
B=b+0.4
d=1.25（h”-h’）
式中，L为池长；
B为池宽；
d为池深；
h”为跃后水深；
b为卧管宽度；
h’为输水涵洞正常水深。
经计算得L=5m；
B=1.2；
d=0.38m
输水涵洞
输水涵洞采用无压流，考虑检修要求输水涵洞宽度设置为B=1.1m，经明渠均匀流公式计算的水深h=1m，考虑输水涵洞为无压流和工程安全本次设计输水涵洞高H=1.1m。
工程结构设计
卧管、消力池断面采用方形，侧墙和地板采用浆砌石建造，盖板用混凝土板，侧墙采用重力式挡土墙，墙顶厚0.4m，墙底厚0.8m，底板厚度0.4m，沿纵坡每隔10m留一沉陷缝，并做防渗抗滑齿墙，齿墙深0.7m，厚0.3m。
消力池断面为矩形，采用浆砌石砌护，消力池前段设厚度为0.3m、深0.7m的齿墙，池底板厚度为0.6m，底板下设置反虑排水孔，侧墙尺寸与卧管相同，渐变段采用八字墙导流，八字墙下游端设置深1.0m，厚0.4m的齿墙。
消力池与坝下输水洞连接处采用光滑曲面链接。
卧管消力池混凝土盖厚度计算：
最大弯矩：
M大=1/8q·
L02
M大为最大弯矩；
q为均布荷载；
H为盖板上泥沙淤积高度；
L0为计算跨度L0=1.05L（L为净跨）。
最大剪力：
Q大=1/2QL02
式中符号意义同前。
板厚
坝下输水涵洞
考虑输水安全，参考砌石拱涵断面尺寸表选取拱跨b=110cm、起拱高度h=110cm、拱圈厚t=30cm、拱座顶宽a=50cm、拱座底宽c=115cm、垫层厚度d=30cm。
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