(最新)淤地坝设计2016.pdf

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1、-1-淤地坝设计一、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5km;3.经勘测计算求得坝高H 与库容 V、淤地面积A 的关系总图；4.流域年侵蚀模数K=10000t/km2，20 年一遇设计洪水量Q20=105m3/s，洪水总量W洪=10 万 m3,200 年一遇洪水量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，土料内摩擦角?=20o，内聚力 c=0.8t/m2。7.放水洞设计流量Q=0.5m3/s。二、设计内容（一）坝址选择坝址选择在很大程度上取决于地形和地质条件，主要考虑以下四个方面的内容：1、

2、地形：坝址要选择在沟谷狭窄、地形上游开阔平坦、口小肚大的葫芦状地形处，这样筑坝工程量小、库容大、淤地面积大。此外，还要有宜于开挖溢洪道的地形和地质条件，例如有马鞍形岩石山坳或有红粘土山坡。2、地质：应选择土质坚实、地质结构均一、两岸无滑坡和崩塌的地段筑坝，且地基无淤泥、泥沙和地下水出没。3、筑坝材料：坝址附近有足够且良好的筑坝土料、砂石料，开采和运输方便。水坠法筑坝须有足够水源和一定高度的土料场。4、其他：用碾压法施工的大型淤地坝，要考虑土料运输机械的操作之便，要求坝址处地形较为开阔平坦。综合上述，再结合坝址地形图看，本设计将坝址选择在坝址地图上标注的“坝轴线2”处。（二）淤地坝水文计算1、拦

3、泥库容 V拦和拦泥坝高H拦的计算：V拦=FK(1-ns)T/S式中：V拦拦泥库容，万立方米；F 流域面积，5 平方公里；K流域年平均侵蚀模数，1 万 t/(km2.a)；ns坝库排沙比，无溢洪道时取为0，有溢洪道时可稍大，但由安全性方面考虑，本设计取为0；T设计淤积年限，初设T=5a；S淤积泥沙的干容重，取1.30t/m3。则V拦=51000051.3=19.23万 m3根据 H-V 关系曲线，查得相应坝高海拔为811m，则可计算出H拦=13.1m；再由 H-A 关系-2-曲线查得拦泥淤地面积为45 亩。2、滞洪库容 V滞和滞洪坝高H滞：由于本设计为三大件，即由坝体、溢洪道、放水建筑物组成的枢

4、纽工程，所以滞洪库容要经过调洪演算后方可确定。调洪演算（试算法）：（1）、初设取 H滞为 2.0m，由 H-V 关系曲线查得相应的V滞=6.77 万 m3，则溢洪道设计泄流量 Q泄可按下式计算：Q泄=Q洪（1-V滞/W洪）式中：Q泄 20 年一遇的洪峰流量，105m3/s；V滞设计滞洪库容，5 万 m3；W洪 20 年一遇的洪水总量，10 万 m3。则Q泄=105（1-6.77/10）=33.915 m3/s 根据下式可求出溢洪道的堰顶净宽B，即Q泄=MBH3/2式中：Q泄溢洪道设计流量，33.915 m3/s M 流量模数，取1.6 H 滞洪坝高，H滞=2.0m 则B=Q泄/(MH3/2)=

5、33.915/(1.62.03/2)=7.49m 基于安全考虑，取B=10m。确定安全加高H：在设计滞洪坝高时，安全加高取上限值，由表（1）可知，本设计取H=1.5m 表（1）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 校核滞洪坝高：根据公式：Q泄=MBH3/2可计算溢洪道最大泄流量,上式中：Q泄溢洪道最大泄流量，m3/s；M 流量模数，取1.6；B溢洪道堰顶净宽，10m；H滞洪坝高与安全加高之和，3.5m。则Q泄=1.6 103.53/2=104.9 m3/s；-3-200 年一遇洪水的校核泄流量：Q泄=Q200(1

6、-V滞/W200)=180(1-6.77/17)=108.3 m3/s Q泄=104.9 m3/s 由上述可知，当 H滞=2.0m 时，溢洪道最大泄流量小于200 年一遇洪水的校核泄流量，故初设 H滞=2.0m 不符合设计要求。（2）设 H滞=2.5m，由 H-V 关系曲线查得相应的V滞=7.77 万 m3。此时溢洪道设计泄流量Q泄=105（1-7.77 10）=23.415 m3/s；溢洪道堰顶净宽B=3.7m,基于安全考虑，取B=8.0m；安全加高如（1）中所述，取H=1.5m。校核滞洪坝高：溢洪道最大可泄流量Q泄=102.4 m3/s 200 年一遇洪水的校核泄流量Q泄=97.7 m3/

7、s Q泄=102.4 m3/s 综合上述可知，当 H滞=2.5m 时，溢洪道最大泄流量大于200 年一遇洪水校核泄流量，故取 H滞=2.5m 符合设计要求。此时，溢洪道堰顶净宽B=8.0m，滞洪库容V滞=7.77 万 m3，安全加高 H=1.5m。3、最大坝高 H的确定：H=H拦+H滞+H=13.1+2.5+1.5=17.1 m 由坝高 H=17.1m，结合坝址地形图知，坝顶海拔高度为815m。（三）土坝设计根据已知条件可知，沟道无常流水，且附近没有丰富的可利用水源，但有充足的筑坝土料，所以本设计选择用碾压方式筑坝，即坝型为均质碾压土坝。1、坝顶宽度坝顶宽度根据坝高及交通要求确定，一般可按筑坝

8、土料控制性指标经验值取值。而对于坝高大于15m 的土坝，坝顶最小宽度为4m。本设计取坝顶宽度最小值，即初设坝顶宽度为4m。2、坝边坡及坝坡马道（1）、对于坝高大于1015m 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11.5m 宽的横向水平通道，即马道。本设计初设在坝高9.1m，即海拔 804m 处设一宽为1.5m 的马道。（2）坝边坡陡缓对其稳定性影响极大，根据各方因素考虑，并参考经验值，初设上游坡比为 1:2.0，下游坡比马道以下为1:1.5、以上为1:1.2。表（2）坝坡坡比与坡角值表坝坡坡比1:1 1:1.2 1:1.5 1:2 坝坡坡角4539.8o3

9、3402634（3）根据所选择的破率进行坝坡稳定性分析，校核下游边坡：由安全因素考虑，假设马道上部的土体存在，取安全系数K 为 1.1。则Ck=CK=0.8 1.1=0.72?k=?K=20 1.1=18.18-4-Nk=Ckh=0.72(1.317.1)=0.034 式中：Ck安全系数K 为 1.1 时的土壤内聚力C土壤内聚力，0.8t/m3?k安全系数K=1.1 时的土壤内摩擦角?土壤内摩擦角，20Nk安全系数K=1.1 时的土坡稳定因素根据?k、?k，可由水土保持工程学中相关图表查得?=34，大于本设计中下游边坡坡角 3340，所以取下游边坡坡比为1:1.5 符合稳定性要求。3、大坝最大

10、铺底宽度计算坝底沟床的最大铺底宽度可按下式计算：Bm=b+m1H+m2H1+m3H3+b式中：Bm土坝最大铺底宽度，m；b坝顶宽，4m；m1上游坡比；m2下游马道以下坡比；m3下游马道以上坡比；H最大坝高，17.1m；H1马道以下坝高，9.1m；H2马道以上坝高，8m；b马道宽度，1.5m。则 Bm=4+217.1+1.59.1+1.28+1.5=62.95m 4、排水体的设计为了在排水的同时降低浸润线，本设计采用棱式反滤体。其梯形断面尺寸如下：上底宽为 2m，边坡为1:1，外层粗砂厚0.3m，内层小砾石厚0.3m，高为4m。采用卵石填充，用干砌块石砌护暴露于空气中的坡面。5、土坝的渗透计算土

11、坝渗透计算的目的是为了确定土坝中浸润线的位置。均质土坝由于上下游水位差的作用，上游的水就会通过坝体和坝基土粒的孔隙向下游渗透。在渗透过程中受阻力作用，渗透水流不断损失能量，使水头不断降低，形成一条逐渐下降的曲线，直至下游排水体。渗流在坝身中形成的自由水面，叫做浸润面；它在坝横断面上形成的一条抛物线叫做浸润线。为简化计算，假设本设计坝址处地基为不透水地基，又加之已知坝下游无水且设有排水体，故土坝的渗透计算可按以下步骤进行：-5-图（1）有堆石排水体、下游无水情况渗流计算图本设计堆石排水体上游边坡为1，则单位坝长的渗流量可近似地按下式计算：qk=（L2+H2）1/2L 浸润线在排水体上游坝址上的出

12、逸高度a1按下式计算：a1=q2k(1+m2)浸润线在排水体上游坝脚处的高度a0查水土保持学相关图表得a0=3.9m，然后可按下式计算q：qk=H2a02 2L=0.19 坝体浸润线的位置按下式确定：hx=a02+2qxk1/26、坝坡保护措施设计在上游淤积面以上和下游坝面上设置砌石，在下游坝面上布置三条宽50cm 的纵向排水沟，以防止暴雨径流冲刷。7、结合槽设计在坝底部为防渗截水，增加坝体稳定性设置底宽为1m、高为 1m、边坡为1:1 的梯形结合槽。（四）溢洪道设计1、溢洪道的布设溢洪道布设原则及其基本要求是：工程量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

13、形较平缓的山坡处，这样可减少开挖土石方量，降低工程投资，缩短工期。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。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20-30m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。水力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，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作。-6-由以上原则结合地形图，本设计将溢洪道设置在坝体左端距坝端10m 以外的缓坡上。且，本设计所设置的溢洪道形式为溢流堰式溢洪道。2、水力计算土基上的明渠溢洪道多为梯形断面，边坡

14、视土质不同常采用1:11:1.5，纵坡可用1/501/100。由前面调洪演算确定溢洪道堰顶净宽B 为 8m。1）进口段进口段由引水渠、进口渐变段和溢流坝组成。引水渠引水渠的作用是将坝和库内的洪水平顺地引送到溢洪道。它一般与坝地内的排洪渠相连，其断面为梯形，断面尺寸用试算法确定。其长度不超过2030m。因为本设计坝址处全为土质坡地，故引水渠采用梯形明渠，用混凝土衬砌。其梯形渠道断面边坡根据经验取2。将引水渠水流按明渠均匀流处理，则根据梯形最佳宽深比公式可计算得到宽深比：=b/h=2 1+（1+m2）1/2-m 式中：最佳宽深比；b梯形断面底宽，m；h水流深度，m；m梯形渠道边坡，为2。则由计算可

15、得=b/h3 拟取b=3h=6m，h=2m 根据下式校核梯形引水渠：Q=AC（Ri）1/2式中：Q渠道可过流量，m3/s；A渠道断面面积，可用式A=b(b+mh)h 计算得 A=120m2；C流速系数，（C=1 nR1/6=1n（A）1/6，式中n粗糙度，当表面为水泥抹面、砌石时查相关水力书籍得n=0.02；湿周，m。）；R水力半径i水力坡度，本设计取0.01。则Q=AC（Ri）1/2=A 1/nR1/6（Ri）1/2=31.3 m3/s 由于梯形断面过水流量Q=31.3 m3/s 大于溢洪道设计泄流量Q泄=23.415 m3/s，所以可知设计溢洪道引水渠尺寸可取，即底宽 b 为 6m,长度为

16、 10m,边墙厚 0.5m,底板厚 0.4m、深入地基 1.0m（采用浆砌石砌护）,底坡为 0.01,边墙高等于水深加安全加高即为2.5m。渐变段渐变段是衔接引水渠和溢流堰的渠段，即是梯形断面到矩形断面的过度断，故采用扭曲面。其墙高为2.5m，边墙厚为0.5m，底宽由6m 渐变到 8m，深入地基1m，地板厚0.4m，底坡 0.01，用浆砌石砌护。溢流堰根据坝址地形地质条件，本设计采用宽顶堰，则由下式校核堰顶宽度B：B=Q(MH03/2)-7-式中：B堰顶宽度，m；Q 溢洪道设计泄流量，23.415 m3/s；H0堰顶水头，取1.5m。则 B=23.415（1.61.53/2）=8 m，与调洪演

17、算确定的堰顶净宽一致。故溢流堰堰顶宽为 8m。由水力学书可知，宽顶堰堰长为堰上水头H0的 2.510 倍，本设计取堰长=5 H0=7.5m。所以溢流堰的尺寸为：宽8m，长 7.5m，堰上水头为1.5m，侧墙采用重力式挡土墙的形式，其墙高为2.5m，顶宽 0.4m，墙高与底宽之比为2:1，基础厚0.4m，溢流底板与渐变段底板相连，连接处设一深为1m、厚 0.5m 的防渗抗滑齿墙。2）陡坡段由于设计坝址为土基，故陡坡段采用梯形断面，其临界水深hk可由下式求出k2 Bk=Q2g 式中：k过水断面面积，m2，k=b(b+mhk)hk Bk水面宽，m，根据设计及相应标准取为5m；水流系数，1.1；Q溢洪

18、道设计泄流量，23.415 m3/s；g重力加速度，9.81m/s2。则，用试算图解法计算得hk=1.72m。临界底坡由式ik=Q泄2kk2式中：kk流量模数，kk=kCkRk1/2 则经计算得ik=0.003 根据地形图及溢洪道大致布设位置可得出陡槽正常底坡为i=sin=hL 式中：i陡槽正常底坡；陡坡段坡角；h陡坡段高差，m，由地形图计算为11m；L陡槽长度，m，由地形图计算为34m。则i=0.32 因为 iik，所以设计陡槽取值符合陡坡条件。陡坡边墙高度计算：起始断面的边墙高：H1=hk+h 末端断面的边墙高：H2=hB+h 式中：hk临界水深，1.72m；hB掺气水深，m,hB=（1+

19、v100）h=2.1m;h正常水深，由式Q=AC(Ri)1/2进行试算得h=1.2m；v水流速度，m/s，根据 Q=Av 计算得 v=55.38m/s；h安全加高，取0.5m。则H1=1.72+0.5=2.22 m-8-H2=2.1+0.5=2.6 m 用直线连接H1 H2，即得全陡坡的边墙高。综合上述可知，陡槽设计长度为34m，宽为 3m，边坡为2，底坡为 0.32，侧墙高为2.22.6m，宽 0.5m，底板厚 0.4m，深入地基1m，用浆砌石衬砌；每隔8m 修一齿墙，齿墙厚 0.5 米、深 0.5 米；每隔10m 修一沉陷缝，缝宽2cm。3）出口段出口段包括消力池、渐变段和尾水渠3 部分。

20、渐变段与进口渐变段相同，尾水渠即一般明渠。假如不设置消力池，则尾水渠尺寸根据经验拟定为底宽4m，高度 2m，边坡为2 的梯形断面尾水渠。根据式Q=AC（Ri）1/2可计算出下游渠道水深即尾水渠内水深为h下=1.5m。陡坡底部水跃跃前水深h即为陡坡段正常水深h0=1.2m。根据下式求出跃后水深hh=h 2（1+8q2gh03）1/2-1 式中：q尾水渠内单宽流量，m3/s则 h=1.6mh下=1.5m，即跃后水深大于下游渠道水深，发生趋势水跃，故必须修建消能工防。根据经验以及本设计具体情况，采用矩形断面消力池。池长 Lk由式 Lk=4 h计算即 Lk=41.6=6.4m。池深 d 根据式 d=1

21、.1 h-h下=1.11.6-1.5=0.26m。校核消力池消能性能，根据下式（h0+d）h 1.051.10 式中：h0正常水深，0.48m；d池深，0.26m；h跃后水深，1.6m。则（h0+d）h=1.07，在校核范围内。所以，消力池尺寸为：池深0.26m，长 6.4m，宽 5m，为防止不均匀沉陷，在下部修一缝宽为2cm 的沉陷缝与陡槽隔开，同时修一道齿墙，其宽为0.5m，深为 0.5m。（五）放水工程设计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。1、进口取

22、水工程本设计土坝为中型淤地坝，根据经验以及本设计实际情况，选择卧管作为进口取水工程。卧管上端应高出坝库最高水位12m。为防卧管放水时发生真空，卧管上端顶部须设通气孔。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34 倍。（1）进水孔尺寸计算卧管进水孔设计为斜孔，则其单孔直径可按下式计算d=0.68（QH1/2）1/2式中：d 单孔直径，m；Q放水洞设计流量，0.5 m3/s；-9-H单孔中心距水面高，一般为一级台阶高，设计为0.6m。则d=0.55m。考虑安全因素，当d0.4m 时，同一台阶需设置两个孔，以减小孔径尺寸。则有d=0.68Q(H11/2+H21/2)1/2式中：

23、d 单孔直径，m；Q放水洞设计流量，0.5 m3/s；H1上孔孔口水头，m；H2下口孔口水头，m。则d=0.35m。符合设计要求，故卧管进水孔定为每一级台阶设置两个，孔径为0.35m。（2）卧管涵洞断面尺寸计算卧管涵洞断面尺寸，应按加大流量Q加计算，可取Q加（1.21.25）Q设。将卧管涵洞断面设为方形，其断面尺寸可按明渠均匀流公式计算，即Q=A C(Ri)1/2 式中：Q卧管涵洞设计流量，取1.2 Q设=0.6 m3/s；A卧管涵洞过水断面面积，m2；R水力半径，m；i水力坡度，根据经验取为1:2；经试算得卧管涵洞水深h=0.25m 为满足检修要求，取底宽为0.8m，高为 1.5m。（3）混

24、凝土盖板厚度计算根据下列公式：M大=18q L02 Q大=12qL02 h=（6 M大 b）1/2 h=1.5 Q大Tb 式中：M大最大弯矩，KN m；q均布荷载，KN/m2，q=土H；土土壤饱和容重，KN/m3 H盖板上泥沙淤积高度，m；L0计算跨度，m，L0=1.05L；L净跨，为0.8m；h板厚，m；b盖板单厚，取1.0m；条石或混凝土弯曲时的允许拉应力，kPa，查相关手册得=7.8 kPa；T条石允许剪应力或混凝土的允许拉应力，kPa，查相关手册得T=7.7 kPa。计算盖板厚h 得，h=0.38m 综合上述，卧管设计结果定为底坡1:2，长度 40m，每隔 8m 设一宽 2cm 的沉陷

25、缝，-10-每隔 10 米设一宽50 厘米、深 0.5 米的齿墙；矩形断面底宽0.8m，底板厚 0.4m，侧墙高1.5m，设计成重力式挡土墙的形式，上端宽0.3m，墙外侧边坡为1:4，盖板厚 38cm，接头长 0.05m；侧墙底与底板处有沉陷缝，其宽为5cm；孔口直径0.35m，斜口斜度角为与水平面成45的角，底板墙址宽为0.3m。2、消力池本设计拟采用方形消力池。根据下列公式计算消力池尺寸，即L=（3-9）hb0=b+0.4 d0=1.25（h-h0）h=0.5h（1+8q2gh3）1/2-1 式中：L池长，m；b0池宽，m；d0池深，m；b卧管宽度，m；h跃后水深，m；h0正常水深，m，即

26、卧管涵洞水深，为0.25m；q单宽流量，m3/s；h跃前水深，m，即卧管涵洞水深，为0.25m。则，计算可得h=0.59m；L=3.54m；b0=1.0m；d0=0.43m 设计消力池为：池长 4 米，净宽 1 米，池深 0.5 米，边墙采用重力式挡土墙的形式，顶宽 0.3 米，边坡 1:4，墙址宽0.3 米，基础 0.4 米，盖板厚0.4 米，盖板街头0.05 米，在侧墙内侧底部修两条2cm 的沉陷缝，在消力池与陡坡段连接处采用宽0.5 米、深 0.5米的齿墙连接。3、输水工程的设计本设计采用无压流砌石涵洞。故其尺寸可采用明渠均匀流公式进行试算：Q=C（CRi）1/2 式中：Q设计涵洞输水流量，0.5 m3/s；涵洞过水断面面积，m2；C谢才系数，C=1/nR1/6 n粗糙系数，查水力学书籍得n=0.019；R水力半径，m;i水力坡度。当涵洞底宽B 取 0.6m 时，经计算可得涵洞高H 为 0.17m。要求涵洞内水深小于涵洞高度的 3/4，故涵洞高度应为0.23m，但基于检修考虑，取涵洞高为1.5m。根据经验，取输水涵洞底坡为1:100，断面宽为0.6m，高度为1.5m，拱圈厚0.3m，拱座底宽0.85m，拱座顶宽 0.35m，垫层厚度0.3m。