淤地坝设计说明书.docx

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淤地坝设计说明书

一、已知基本资料

1.流域沟道坝址地形图一张（1/1000）；

2.坝址以上集水面积5km2;

3.经勘测计算，求得坝高H与库容V、淤地面积A的关系见图；

4.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；

5.沟道无常流水；

6.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

7.放水洞设计流量Q=0.5m3/s

二、设计任务、要求

1.掌握中小型淤地坝设计方法、步骤；

2.在1/1000地形图上进行枢纽布置；

3.拟定淤地坝断面形状及尺寸；

4.进行坝坡稳定分析计算（k=1.25）；

5.设计溢洪道及放水建筑物（卧管放水孔水深可取台阶高度）；

6.绘制设计图；

7.编写设计计算说明书。

三、设计步骤

1.淤地坝坝型选择

因为坝址附近有充足的筑坝土料，所以选择土坝；淤地坝对防渗性的要求小于水库的要求，沟道无常流水，故可采用施工方便的均质土坝。

坝址附近没有充足的水资源，故选用碾压坝。

2.坝址选择

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。

3.拟定淤地坝断面形状及尺寸

（1）坝高

H=H拦+H滞+⊿H

拦泥库容和拦泥坝高的确定

根据公式

，代入坝库排沙比ns=0，淤积年限T=5，γs=1.3，流域年平均侵蚀模数K和流域面积F由已知条件给出，计算得拦泥库容V拦=19.23*104m³

查H—V关系曲线得，拦泥坝高H拦=810.5-797.9=12.6m

滞洪库容和滞洪坝高的确定

采用试算法，拟定多个H滞，由计划淹没水深假设H滞，再由H-V曲线求得V滞，按公式Q泄=Q洪（1－V滞/W洪），求出Q泄，按堰流公式Q泄=MBH3/2求溢洪道宽度B，得出多组数据

坝高计算

H滞/m

V滞/m³

Q泄/m³/s

B/m

2

49000

53.55

11.83

1.5

45000

57.75

19.65

2.5

60000

42

6.64

2.3

55000

47.25

8.47

经过多次假设计算，对工程作经济、技术比较，确定h滞为2.3米时合适，该h滞所对应的B、Q泄，V滞即为调洪计算所求。

安全超高

土坝安全加高值表

坝高H（m）

＜10

10-20

＞20

安全加高⊿H（m）

0.5-1.0

1.0-1.5

1.5-2.0

根据土坝安全加高值表，确定设计安全加高⊿H为1.5m

坝高校核

由W200=17万m³，算出Q校核=71.03m³/s，根据公式Q泄=MBH3/2，求出H校核=3.02m，H滞+⊿H-H校核=0.72<1，所以2.3+1=3.3即为最终h滞，校核完成。

坝高=H淤+H滞+⊿H=12.6+3.3+1.5=17.4m

（2）坝断面结构构造及尺寸（含坝坡稳定分析计算（k=1.25））

（一）坝顶宽度

坝顶宽度根据坝高及交通要求确定，结合坝高、顶宽与边坡比表格与设计数据，确定顶宽为4M，上游坡坝坡比为1:

2.0；下游坡坝坡比为1:

1.5

（二）坝坡马道

对于坝高大于10~15m的土坝，考虑到施工行人、交通、堆放材料、机件方便和坝坡排水，常在坝高中部设1~1.5m宽的横向水平通道，即马道。

本设计初设在坝高8.7m，即海拔806.6m处设一宽为1.5m的马道。

（三）坝边坡

设计马道后下游坡坝比在马道下部较缓，上部较陡，设计坡坝比马道以下为1:

1.7；马道以上为1:

1.3

（四）坝坡保护

（五）土坡稳定性分析

设计中有三个坡度，取最大坡度进行土坡稳定性分析，即下游马道上部土坡，使用泰勒稳定数法计算。

由土壤内摩擦角φ＝20°，坡脚为37.5°，φ′=φ/K=20/1.25=16°，查泰勒稳定数图表得：

Ns=0.063

所以安全系数K=

=3.33>1.2，土坡稳定

4.溢洪道设计

（1）位置选择

河道右岸（上游向下游方向）边坡坡度较陡，左岸边坡坡度较缓；从地形上看，在左岸建设溢洪道工程量较小，相比较右岸节约资金，选择左岸设置溢洪道。

（2）布置形式

设计的淤地坝集水面积较大，泄洪量较大，按照工程安全的原则，选择堰流式溢洪道设计。

（3）水力计算

溢流堰尺寸计算

设计堰顶宽度为8.5m，因为堰上水深为H滞=3.3m，设计堰长=5*H滞=16.5m

陡坡段尺寸计算

计算临界水深hk

因为陡坡段为土基，所以设计断面为梯形

根据公式

，采用试算法求hk,

临界水深计算

HK

Q

Hk

Q

1

28.2881

1.4

48.052796

1.1

32.84105

1.39

47.508916

1.2

37.65557

1.38

46.967548

1.3

42.72732

求得hk=1.39m

计算临界底坡ik

计算得过水断面面积ωk=13.75㎡,XK=12.42㎡，RK=1.11m，Ck=50.88，KK=737.07m3/s，所以ik=0.00411

设计陡坡段底坡i=1:

5>ik=0.00411，所以陡坡水流为急流，可按照陡坡计算。

计算陡坡长度L0

根据公式计算得L0=88.7m

计算正常水深H0

使用明渠均匀流公式：

A为过水断面面积，A=（B+H）H，B=8.5m；C为谢才系数，

，n为粗糙系数，n=0.02；R为水力半径，

，Xk为湿周，

；i为底坡坡度，i=0.2。

代入数据使用试算法求H0

正常水深计算

H0

Q

HO

Q

0.2

12.94562

0.45

49.8721

0.4

40.99852

0.44

48.042

0.3

25.40896

0.43

46.23939

所以当Q泄=47.25m3/s时，H0=0.44m

计算水面曲线

根据公式

=

=

（

）

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。

计算数据如下表格

水面曲线计算

h

A

V

X

J

⎺J

ΔL

∑L

1.39

24.17257

1.954695

12.4198

0.003714

0

0

1.29

18.97185

2.490532

12.1378

0.004501

0.004107

0.109256

0.109256

1.19

14.9185

3.167208

11.8558

0.005451

0.004976

0.487786

0.597043

1.09

11.75391

4.01994

11.5738

0.006598

0.006025

1.094833

1.691876

0.99

9.278837

5.092233

11.2918

0.007983

0.007291

2.065332

3.757208

0.89

7.3396

6.437681

11.0098

0.009654

0.008819

3.612631

7.369839

0.79

5.817447

8.12212

10.7278

0.011669

0.010661

6.073803

13.44364

0.69

4.620486

10.2262

10.4458

0.014098

0.012883

9.981465

23.42511

0.59

3.6775

12.8484

10.1638

0.017025

0.015561

16.17835

39.60345

0.49

2.933204

16.10867

9.8818

0.020552

0.018788

26.0017

65.60516

0.45

2.681145

17.62307

9.769

0.022157

0.021355

14.35042

79.95557

0.44

2.621733

18.02243

9.7408

0.022578

0.022367

4.028318

83.98389

0.43

2.563694

18.43044

9.7126

0.023006

0.022792

4.221371

88.20526

根据数据绘制水面曲线图如下

从数据得0.44m时的∑L=83.98<88.70,由此可以说明陡坡段末端水深达到正常水深。

陡坡终点水深ha和末端流速Va计算

因为求出的水面曲线的长度L=83.98m<溢洪道陡坡段长度88.7m，所以陡坡段末端水深ha=正常水深h0=0.44m，Q泄=47.25m3/s，过水断面面积A=（B+H）H=（8.5+0.44）×0.44=3.93m2，Va=47.25/3.93=11.75m/s

陡坡边墙高度H确定

边墙高度H计算公式为

为了计算和施工的方便，陡坡侧墙的高度由陡坡起始端侧墙高度H始与陡坡末端侧墙高度H末两点连线确定，因此，只需要计算出H始和H末两个数值即可。

H始计算：

hk=1.39m，Vk=3.44m3/s，所以H始=h+hB+△h=1.39+1.39*3.44/100+1=2.44m，设计为2.5m

H末计算：

A=（8.5+0.44）*0.44=3.93㎡，Va=12.02m3/s,ha=0.44m，所以H末=0.44+12.02*0.44/100+1=1.49m，设计为1.5m

出口段尺寸计算

确定是否使用消力池

设计尾水渠为宽度为8.5m，边坡比为1:

1的明渠

应用谢才公式的变形形式

使用试算法得出尾水渠的流量与水深表格数据

尾水渠

Q

H

Q

H

8.035253

0.3

32.9153

0.7

12.96525

0.4

41.13075

0.8

18.79343

0.5

50.07866

0.9

25.45832

0.6

47.31869

0.87

由表格数据得Ht=0.87m

根据公式h″=（h′／2）*[（1+8q2／g*h′3）1/2-1]

取h′为正常水深H0=0.44m，计算得h″=3.57m>Ht=0.87m,所以必须修建消力池

消力池深度计算

使用经验公式：

S=1.25（h″-Ht）

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—尾水渠正常水深，单位m

代入数据得S=3.38m

所以消力池深度设计为3.38m。

消力池长度计算

消力池长度由以下公式计算

式中：

为折减系数，取值0.8；h”为跃后水深，h”=3.57m；h’为跃前水深，h’=0.44m

计算得L=0.8*6.9*（3.57-0.44）=17.28m

所以消力池长度为17.28m

（4）溢洪道结构设计

进口段设计

引水渠

因为修建地点为土基，选择梯形明渠并用混凝土衬砌，边坡采用1:

2

渐变段

使用扭曲面作为导流墙，用厚度为0.3m的浆砌石衬砌，墙顶超高1m，底板上游端做防渗齿墙，齿墙深入地基约1m，厚0.5m,底板砌厚0.5m

溢流堰

设计的淤地坝地基为土基，所以设计为宽顶堰，底板厚0.4m,横截面为梯形，。

堰体底板与渐变段底板相连，连接处做一深1m，厚0.5m的防渗抗滑齿墙。

堰边墙用浆砌石建造，为挡土墙形式，墙高2m，顶宽0.5m,基础厚0.4m。

陡坡段设计

陡坡段比降i设计为1:

5，陡槽断面为梯形断面，边坡为1:

1，陡槽侧墙和底板用浆砌石建造，厚0.4m。

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。

对底板使用厚度为0.5m的块石进行衬砌，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，需按下述公式校核底板厚度d是否满足要求。

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

d始=0.03*0.8*3.44*

D_Dd___

d末=0.03*0.8*12.02*

D_Dd___

所以d=0.4符合要求

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，尾水渠即是一般明渠。

尾水渠宽度8.5m，边坡1:

1。

消力池用浆砌块石修筑，池底厚1m,池前端设置齿墙，深0.7m，厚0.3m，底板下设反滤排水孔和反滤层，侧墙构造同于陡槽。

底板池底厚度d使用如下公式校核：

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为陡槽末端射流与水平面夹角。

tana=0.2，Vc=Va=11.75m/s，hc=0.44m/s，

K=0.03+0.175sina=0.03+0.175*0.196=0.0643

则

=0.0643×11.75×0.44^0.5=0.5m

因为d=0.5<1，所以消力池底板厚度设计为1m满足要求。

5.放水建筑物

（1）组成形式

放水工程由进口取水工程、输水工程和出口消能工程组成。

取水工程常见者为卧管、竖井和放水塔；输水工程常见者为坝下涵洞、管道和隧洞；出口消能工程常见者为底流消能，有时也为挑流消能。

（2）放水工程的作用

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。

（3）工程布设

左岸已经有溢洪道工程，在河道右岸设计放水建筑物；考虑到需要分期加高淤地坝，进口位于最终加高坝的上游坝坡处；涵洞出口消能工程布设在土坝下游坝坡坡脚以外，卧管纵向坡度设置为1:

2.5，输水涵洞埋于坝基，设置纵向坡度为1:

100。

（4）水力计算

卧管水力计算

卧管上端高出坝库最高水位2m。

为防卧管放水时发生真空，卧管上端顶部设置通气孔。

卧管涵洞水流应保持无压自由留，为此，卧管涵洞高度应比正常水深大3~4倍。

进水孔尺寸计算

卧管进水孔设计为单孔，则其直径可按下式计算

Q=μ*ω*

式中：

μ——流量系数，与进口形状有关，对于圆孔一般取0.62

ω——进水孔断面面积，对圆形孔=0.25πd2

Q——放水洞设计流量，由条件知=0.5m3/s；

H——单孔中心距水面高，一般为一级台阶高，设计为0.6m。

代入数据算出d=0.54m>0.4m，不符合要求，所以同一台阶设两个孔

代入数据算出d=0.27m<0.4m，符合要求

卧管涵洞断面尺寸计算

卧管涵洞断面尺寸按照加大流量计算，Q加=1.25Q设=1.25×0.5=0.625m3/s，设计断面为矩形，设计断面宽度B=1m

应用谢才公式

的变形形式

求断面高度，使用试算法得出数据

断面高度计算

Q

H

Q

H

2.403749

1

0.61017

0.35

0.992126

0.5

0.634534

0.36

0.733762

0.4

0.659083

0.37

0.491389

0.3

所以H=0.36m，卧管涵洞高度是正常水深的3倍，则H卧=0.36*4=1.44m>1.2m；宽度B=1m>0.6m，都符合要求

消力池水力计算

应用Q设=0.5m3/s，根据公式求出b0=1+0.4=1.4m，根据谢才公式的变形形式

使用试算法得出Q和水深的关系数据

消力池正常水深计算

Q

H

Q

H

3.874338

1

0.404935

0.2

1.539309

0.5

0.566562

0.25

1.124609

0.4

0.500097

0.23

0.741934

0.3

由数据得正常水深h0=0.23m

应用公式

，计算跃后水深，h1=h0=0.23m，q为单宽流量，计算得h2=0.37m

所以池长：

L=3h2=3×0.37=1.11m，设计为1.2m；

池深：

d=1.25（h2-h1）=1.25×（0.37-0.23）=0.175m，设计为0.2m

为了保证池内产生淹没水跃，需要满足以下要求：

（d+h1）/h2=（0.2+0.23）/0.37=1.16>1.1,满足要求

（5）工程结构设计

卧管结构设计

设计使用条石做盖板，根据以下公式求出盖板厚度

盖板跨中最大弯矩为：

盖板跨中最大剪力：

M大=0.125*20*12.6*1.05*1=33.07kN/m

Q大=0.5*20*12.6*1.05*1=132.28kN/m

根据下述公式

式中：

h为板厚；b为盖板单宽，取1.0m；δ为条石允许拉应力，δ=7.7Mpa；δT为条石允许剪应力，δT=7.8Mpa。

分别求出M大和Q大对应的h，取其中的较大值即为所求盖板厚度。

HM=（6*33.07/7700/1）^0.5=0.160m

HQ=1.5*132.28/7800/1=0.025m

所以盖板厚度为0.16m

输水涵洞结构设计

坝下输水涵洞设计为砌石方涵，底板厚d为0.5m，侧墙顶厚a为0.5m，侧墙基础厚c为0.8m，输水涵洞高h为1.8m。