小型拦河坝设计.doc

井冈山市红军灌区枢纽工程设计井冈山市水利局 张翼摘要红军灌区位于井冈山市中部，设计面积0.5万亩，枢纽工程为一座拦河坝，坝址位于红军乡红军村，主要功能为灌溉。关键词小型灌区 引水枢纽 重力坝 溢流坝说明红军灌区、红军乡、红军村、井冈河均为虚拟1前言1.1流域概况和枢纽任务红军河是井冈河的一条支流，河流全长170公里，流域面积120平方公里。流域形状略呈菱形，上下游狭窄，中游宽大，河道坡陡流急，具有暴涨暴落的特性。本枢纽工程以灌溉为主，灌溉农田0.5万亩，并能减小洪灾对我市井冈河流域的危害。坝址设在红军乡红军村河道上，坝址以上集雨面积14平方公里。1.2水文气象流域属亚热带季风气候，地处山区，多雨少旱。多年平均降雨量1836mm，年内分配不均，3-10月降雨量占全年总量的80%，年际分配也不均，丰水年比枯水年降雨量多近1倍。多年平均蒸发量约800mm，平均气温17.6度，极端最高气温40度（1971-07-26），极端最低气温-10度（1972-02-09），霜期较长，初霜一般在11月上旬，终霜一般在3月中旬，多年平均风速12.7m/s。流域内无水文观测站，以行洲水文站资料作参证，气象资料采用茨坪气象站资料。1.3设计洪水采用成果采用以行洲水文站资料推求以及暴雨径流推理公式两种方法，前种方法分析成果较大，后者较小，本次设计采用后者成果如下。频率2%3.30%5%洪峰(m3/s)1099078水位(m)328.01327.91327.821.3.1水文基本资料流域内无水文观测资料，取行洲站资料参证，行洲站资料的1981-2006年共26年系列，观测精度可靠。茨坪气象站位于行洲水文站控制流域的中心，两者具有相关关系，取行洲水文站观测系列年份对应的资料相关分析结果如下：可用茨坪气象站降雨资料延展流量系列，延展成果如下：年份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月19591.24 2.43 4.25 6.21 7.32 7.67 5.67 5.73 4.72 2.88 1.98 1.14 19601.14 2.22 3.89 5.68 6.70 7.02 5.19 5.24 4.32 2.64 1.82 1.04 19612.11 4.12 7.20 10.53 12.41 13.00 9.61 9.71 8.01 4.89 3.36 1.93 19621.39 2.72 4.75 6.95 8.20 8.58 6.35 6.41 5.29 3.23 2.22 1.27 19630.74 1.44 2.52 3.68 4.34 4.54 3.36 3.39 2.80 1.71 1.17 0.67 19641.36 2.66 4.65 6.80 8.02 8.40 6.22 6.28 5.18 3.16 2.17 1.25 19651.08 2.10 3.68 5.38 6.34 6.64 4.91 4.96 4.09 2.50 1.72 0.98 19660.73 1.43 2.51 3.66 4.32 4.53 3.35 3.38 2.79 1.70 1.17 0.67 19670.74 1.45 2.54 3.71 4.37 4.58 3.39 3.42 2.82 1.72 1.18 0.68 19681.57 3.06 5.36 7.84 9.24 9.68 7.16 7.23 5.96 3.64 2.50 1.43 19691.16 2.26 3.96 5.79 6.82 7.15 5.29 5.34 4.40 2.69 1.85 1.06 19701.84 3.59 6.29 9.19 10.84 11.35 8.39 8.48 6.99 4.27 2.93 1.68 19710.97 1.89 3.31 4.84 5.71 5.98 4.42 4.47 3.68 2.25 1.55 0.89 19720.72 1.68 1.01 7.32 7.19 3.70 2.05 6.80 4.15 2.80 2.80 2.05 19733.22 2.53 2.99 10.80 9.31 10.40 9.01 11.00 9.11 5.94 1.98 0.95 19740.84 1.90 1.32 1.59 2.82 9.50 6.72 6.72 1.32 1.73 1.24 1.28 19751.75 2.88 6.98 5.72 13.30 8.50 4.74 7.68 7.28 9.11 4.62 1.70 19761.04 1.33 3.66 7.81 6.72 10.80 8.92 5.42 4.01 2.93 2.11 1.41 19772.02 1.86 1.46 4.61 11.90 14.60 8.06 5.91 3.08 2.44 0.97 0.78 19781.32 0.75 2.73 6.35 7.61 6.34 3.02 3.23 1.76 1.15 0.96 0.61 19790.81 1.59 5.11 6.56 6.78 10.20 4.81 7.65 8.64 1.35 0.84 0.59 19800.65 2.41 2.58 8.11 7.81 4.05 6.86 5.24 5.46 1.56 0.93 0.74 19810.81 1.18 3.61 11.90 5.77 9.39 6.83 6.89 6.50 5.69 4.10 1.51 19820.89 3.83 4.92 5.16 4.86 10.90 4.61 9.66 4.81 2.77 4.09 2.39 19832.28 5.23 10.10 4.26 10.40 8.61 5.55 2.48 1.29 1.89 1.04 0.73 19840.75 1.37 2.42 11.30 10.20 8.64 5.37 8.04 7.39 2.24 1.13 0.82 19850.85 5.87 4.42 4.78 3.68 4.90 3.37 7.14 5.97 1.54 0.91 0.79 19860.74 1.35 2.89 3.50 6.76 10.50 10.40 2.81 2.03 2.14 2.03 1.09 19870.75 0.86 3.45 6.92 6.53 3.38 4.97 4.37 2.54 8.16 4.51 2.11 19881.18 3.01 8.01 5.57 9.70 4.96 2.11 2.51 3.71 1.24 0.81 0.58 19890.84 2.43 1.58 3.49 11.40 4.43 4.54 1.61 1.35 1.03 0.81 0.61 19901.76 2.67 6.45 8.33 3.84 7.20 8.49 7.95 7.33 3.20 4.26 1.47 19911.80 1.80 5.21 4.03 4.17 3.54 3.24 4.55 11.70 2.67 1.39 1.16 19921.74 6.21 10.50 7.93 7.70 8.09 8.93 3.11 4.05 0.83 0.83 0.98 19931.11 1.72 3.85 3.19 5.75 9.37 4.59 7.68 2.45 2.26 2.10 1.14 19941.75 3.42 5.98 8.74 10.30 10.79 7.98 8.06 6.65 4.06 2.79 1.60 19951.24 2.42 4.24 6.19 7.30 7.65 5.66 5.71 4.71 2.88 1.98 1.13 19960.92 1.80 3.14 4.59 5.42 5.68 4.20 4.24 3.50 2.13 1.47 0.84 19970.02 0.05 0.08 0.12 0.14 0.15 0.11 0.11 0.09 0.06 0.04 0.02 19981.87 3.65 6.38 9.33 11.01 11.53 8.53 8.61 7.10 4.34 2.98 1.71 19991.43 2.79 4.88 7.14 8.42 8.82 6.52 6.59 5.43 3.32 2.28 1.31 20001.31 2.55 4.47 6.53 7.70 8.06 5.96 6.02 4.97 3.03 2.08 1.20 20011.40 2.74 4.79 7.01 8.26 8.66 6.40 6.46 5.33 3.25 2.24 1.28 20022.21 4.31 7.54 11.02 13.00 13.61 10.07 10.17 8.38 5.12 3.52 2.02 20030.58 1.13 1.97 2.88 3.39 3.56 2.63 2.66 2.19 1.34 0.92 0.53 20041.33 2.60 4.55 6.66 7.85 8.23 6.08 6.14 5.07 3.09 2.13 1.22 20051.38 2.70 4.71 6.89 8.13 8.51 6.29 6.36 5.24 3.20 2.20 1.26 20061.44 2.82 4.93 7.21 8.50 8.91 6.59 6.65 5.49 3.35 2.30 1.32 1.3.2暴雨洪水特征根据井冈山气象站1959-2006年观测资料统计，年最大一日暴雨出现在5-9月的机率占87%，出现在6-8月的机率占61%，超过60mm小于100mm的日暴雨在3-11月均有出现。观测资料中，最大一日暴雨降雨194.2mm（1961年8月27日），最大三日暴雨降雨247.9mm（1991年9月6日-8日）。根据行洲水文站1981-2006年观测资料统计，年最大洪水多发于4-10月，其中5-9月发生的机率占85.7%，出现在6-8月的机率占52.4%，汇流速度较快，涨水历时3-6h，退水历时10-15h，一次洪水过程约17-20h。1.3.3历史洪水经走访，当地村民认为的历次较大洪水均为常规洪水，其重现期在20年以下。1.3.4设计洪水计算采用两种方法，一是利用行洲站水文资料分析、推求，二是利用暴雨资料，用暴雨径流方法推求。（一）利用行洲站水文资料分析、推求通过对行洲站历年洪水资料分析计算，求得行洲站洪峰流量均值Q均=169m3/s，Cv=0.6，Cs=3.5Cv，行洲历年洪峰流量统计表如下：年份洪峰流量年份洪峰流量年份洪峰流量备注1915573197812219861971915年、1960年为历史调查洪水。196045919793371987108197298.51980108198814519731871981162198983.8197497.51982107199015219751751983127199123219761491984370199214519772961985681993107对洪水资料分析计算后，可得到行洲站不同频率洪水流量：P=2%，Q洪=466m3/s；P=3.3%，Q洪=415m3/s；P=5%，Q洪=372m3/s。本枢纽工程坝址以上洪水流量用面积比的2/3次方换算，结果如下：P=2%，Q洪=108m3/s；P=3.3%，Q洪=96m3/s；P=5%，Q洪=86m3/s。（二）暴雨径流方法推求利用江西省暴雨洪水查算手册等值线图查得，流域内最大24h暴雨均值100mm，Cv=0.45，Cs=3.5Cv，不同频率设计暴雨量如下表：时段1h3h6h24h点雨量(mm)4375100Cv0.450.450.45Cs/Cv3.53.53.5点暴雨(mm)P(%)293.7134.3168.5224.63.386123.9156203579.1112.8141.1188.1K值0.96620.96970.97260.9889面暴雨(mm)P(%)290.5130.2163.9223.23.383.1120.1151.7201.6576.4109.4137.5186.8根据江西省暴雨洪水查算手册，本地区属I区，流域最大蓄水量Im=110mm，土壤前期影响雨量70mm，暴雨历时分布情况按3h分布计算结果如下：时段12345678合计P=2%8.98.9017.833.7130.215.48.3223.2P=3.3%7.57.501531.6120.1137201.7P=5%7.47.4014.927.8109.412.96.9186.7利用江西省暴雨洪水查算手册查算扣除渗漏后，可得设计净雨量如下：时段12345678合计P=2%213.8121.89.92.8150.3P=3.3%0.511.2109.77.31.7130.4P=5%0.7997.67.71.8116.8按推理公式：计算出Q-T曲线如下，其交点为设计暴雨流量。P=5%，Q洪=78m3/sP=3.3%，Q洪=90m3/sP=2%，Q洪=109m3/s对两种计算方法对比分析：P（%）23.35洪峰流量(m3/s)参证法1089686推理法1099078 两种方法结果比较接近，考虑到行洲站水文资料有地域性，而江西省暴雨洪水查算手册经过综合性定线，成果可靠，此次设计采用推理法求得的结果。1.4地质勘测资料区域属剥蚀中低山区，出露地层的主要有泥盆纪上统余田组（D3s）及第四系松散堆积层（Q4），冲积层主要为含砂粘土及砂砾，厚度不大。根据中国地震动参数区划图（GB18306-2001），本地区震动峰值加速度小于0.05g，地震动反应谱周期为0.35s，稳定性较好。坝址位于河道高程326.3米处，可利用基岩层高程为324.1米，坝与基岩之间摩擦系数为0.7，基岩允许抗压强度为6.3Mpa ,坝基渗透系数（扬压力折减系数或剩余水头系数）1、2可分别取0.25，0.34。1.5其它说明项目区砂、石材料丰富，但含泥量较高，须从泰和购入。施工现场交通方便，施工用电已到位。本工程完工后无车、人通行要求。2工程设计2.1综合说明2.1.1工程等级根据工程规模、效益，本工程为IV等，主要建筑物为4级，设计洪水标准P=5%，校核洪水标准P=2%；次要建筑物为5级，设计洪水标准P=10%，校核洪水标准P=3.33%。2.1.2工程布置本工程主要由拦河坝、引水闸、排砂闸、引水干渠组成。拦河坝：为砼重力坝，断面采用WES实用堰，全坝段溢流，长45米，坝高2.5米。引水闸：位于左坝肩，孔宽1.5米，高2米。排砂闸：位于距左坝肩4米处，孔宽2米，高4米。引水干渠：位于引水闸后部，矩形断面，宽1.2米，高0.9米。2.2坝址、坝型选择坝址处河道稳定，河床宽度较小，地质条件较，交通方便，结合灌溉要求，选择红军乡红军村河道为坝址最适合。相比浆砌石重力坝，砼重力坝可采用机械施工，进度较快，施工地点交通方便，最适宜采用砼重力坝。2.3重力坝设计2.3.1断面确定根据灌溉水位、河床高程、洪峰流量、河堤高度、上下游水位要求等因素，确定拦河坝河床以上高度2.5米，坝顶高程为328.8米，上游采用三圆弧曲线，下游采用WES曲线实用堰断面，定型设计水头取可能的堰上最大水头Hd的80%为1.5米。三圆弧特征值：R1=0.5Hd，X1=0.175HdR2=0.2Hd，X2=0.276HdR3=0.04Hd，X3=0.282HdWES曲线方程：x1.85=2*Hd0.85*y下游反弧段：坝下游坡采用1:0.7，反弧半径按底流消能反弧计算：R=10nn=(3.28V+21H+16)/(11.8H+61)其中：R为下游反弧半径，V为坝址处的流速，H为不计行进流速的堰上水头，取最不利运行工况。经计算，反弧段半径为1.04m，设计取值为1m。坝体基本断面图确定如下：2.3.2消能防冲设计根据地质情况和上、下游水位关系，宜选用底流消能。消能防冲按两种工况设计，第一种为设计洪水，为淹没溢流；另一种为实用堰自由出流。淹没溢没情况下设计成果较自由溢流小，因此按自由溢流设计。分别取P=5%、P=3.3%、P=2%时的工况进行计算：收缩水深Hc、临界水深Hk利用以下参数查水利计算手册图表求解：E0：上游总能头，E+V2/(2g)；q收缩断面处单宽流量；g：重力加速度；：流速系数，取0.9。跃后水深Hc”利用公式Hc”=Hc/2*(1+8*Fr2)0.5-1)0.5计算，其中Fr=q/(Hc*(g*Hc)0.5)。根据跃后水深和下游水位的关系确定是否建消力池，计算结果如下：频率P=5%P=3.3%P=2%流量Q(m3/s)7890109堰上水头H(m)0.850.931.06下游水深Ht(m)0.70.740.85堰上总能头E03.523.63.73临界水深Hk(m)0.670.740.84E0/Hk5.34.94.40.90.90.9Hc/Hk0.280.450.37收缩水深Hc(m)0.190.330.31Fr6.693.374.48跃后水深Hc(m)1.711.421.82可见，坝下游水流形态为远离水跃，须建消力池。偏安全值考虑，设计工况采用P=2%时状态，采用底流消能，为深挖式消力池。消力池深Z：（1）设=1，池深=1.2米（2）安全校验堰顶到池底总能头E0=S0+E0=3.73+1.12=4.85E0/Hk=4.85/0.84=5.77，按=0.9查水力计算手册，消力池内后后水深Hc0/Hk=0.34，Hc0=0.32*0.84=0.29根据安全系数=(S0+Ht)/Hc0+q2/(2gHc0)*1/(Ht)2-1/(Hc0)2公式计算出数值在（1.0，1.1）之间即可选择设定的池深。式中：S0：池深；Ht：下游水深；Hc0：以池底计算的跃后水深；：流量系数，取0.9；q：单宽流量。经计算=1.04，在（1.0，1.1）区间内，池深定为1.2米。消力池长Lj：Lj=6.9(Hc”-Hc)=10.42米。2.3.3进水口设计进水口设在左坝肩，宽1.5米，高2米，为矩形断面。（1）引水流量灌区为中型灌区，干渠取水流量可根据灌溉模数、灌溉面积确定，红军灌区引水干渠长4.425km，坡降0.5%，渠道多数未衬砌，水利用系数取0.78，渠道糙率取0.027，渠道断面为矩形，宽1.5米，高1.5米，设计灌溉流量0.56m3/s。坝址处流量可参照行洲水文站历年平均月流量进行计算。（2）进水口底板高程进水口有一座平板钢闸门，进水口水位由水闸控制，闸室底板为宽顶堰，水流形态为淹没出流，底板高程为328.4米，年均最大用水月份取水量如下表：4月 5月 6月 7月 8月 9月 流量（m3/s）1.48 1.74 1.83 1.35 1.36 1.12 可供水量(万m3)383.20 466.99 473.40 361.73 365.32 291.55 引水流量（m3/s）0.52 0.54 0.56 0.50 0.52 0.49 引水量(万m3)135.57 145.24 145.61 134.99 140.09 125.77 下泄水量(万m3)247.64 321.75 327.79 226.74 225.23 165.78 2.3.4结构设计（1）拦河坝抗滑稳定及应力计算抗滑稳定系数按公式Ks=f(W)/ P计算；上游边缘正应力按公式Gu=(W/B)+(6M/B2)计算；上游边缘正应力按公式Gd=(W/B)-(6M/B2)计算。f坝体和基础的摩擦系数，取0.45；W总铅直力；P总水平力；B坝底宽度；M对坝截面形心的总力矩。（2）设计情况上游水深3.35米，下游水深1.9米，冲积层厚度2.2米。W=518.06KN；P=53.94KN；Ks=4.32；1.05满足稳定要求。Gu=25.24 KN/m；0满足强度要求。Gd=156.86KN/m；1.05满足稳定要求。Gu=30.45 KN/m；0满足强度要求。Gd=152.43 KN/m；4.3*103 KN/m满足强度要求。设计情况应力计算表荷载作用及分项系数标准值（KN）设计值（KN）力臂（m）力矩标准值（KN.m）力矩设计值（KN.m）垂直力水平力垂直力水平力-+-+-+-+-+-坝体自重15125120.9-460.8-460.8水平水压1.2-17.6954.99-21.22865.984.04150.69180.83垂直水压124.9424.941.99-49.63-49.63泥沙压力16.029.186.029.181.64-15.06-15.06扬压力1.2-20.75-24.90.42-7.82-10.46小计-18.62-20.75542.96-17.6964.17-24.9542.96-21.2275.168150.69-533.31180.83总计522.2146.48518.0653.94-382.62-355.12校核情况应力计算表荷载作用及分项系数标准值（KN）设计值（KN）力臂（m）力矩标准值（KN.m）力矩设计值（KN.m）垂直力水平力垂直力水平力-+-+-+-+-+-坝体自重15125120.9-460.8-460.8水平水压1.2-18.4462.45-22.12874.944.04177.8213.36垂直水压128.0328.031.99-49.63-55.78泥沙压力16.029.186.029.181.64-15.06-15.06扬压力1.2-21.47-25.760.42-7.82-10.82小计-18.62-21.47546.05-18.4471.63-25.76546.05-22.1284.12177.8-533.31213.36总计524.5853.19520.2961.99-355.51-329.12.3.5排砂闸设计由于红军河为山间河流，洪水陡涨陡落，水流挟砂量大，容易发生坝前淤积，久而久之引水干渠也会因泥砂淤积而减少过水能力，造成工程效益下降，帮在左坝肩设置一道闸门，采用2米X2米平板钢闸门，5吨螺杆启闭机，闸孔宽2米，闸墩净高4米。（1）闸室稳定性和应力计算计算方法同坝体稳定和应力计算。抗滑稳定系数：按公式Ks=f(W)/ P计算；上游边缘正应力：按公式Gu=(W/B)+(6M/B2)计算；上游边缘正应力：按公式Gd=(W/B)-(6M/B2)计算。f闸室和基础的摩擦系数，取0.45；Wz总铅直力；Pz总水平力；Bz闸基础底宽度；Mz对闸基