案例-矸场拦矸坝设计.docx

【案例】某排矸场拦矸坝设计(一)基本情况某排矸场流域面积0.44km2，海拔9851144.5m，黄土覆盖较厚，经土工试验，库区内土质能够满足筑坝要求。该小流域主要由南、北两条毛沟组成，南沟较小。流域总体上属黄土丘陵地貌，最大相对高差244.5m，年侵蚀模数4000t/(km2a)，多年平均24h降雨量88mm，现状坡面治理措施的年平均拦沙率0.8，现拟在选定坝址(见案例图1)位置设计一拦矸坝。(二)设计标准综合考虑主体工程与水土保持的要求，确定采用洪水标准如下：设计洪水频率，P设=5%；校核洪水频率，P校=2%；主要建筑物级别为5级；设计淤积年限10年。(三)水文计算该坝控制流域范围内无实测水文资料，故根据设计暴雨推求设计洪水，根据当地经验公式计算的洪水结果为：20年一遇洪峰流量10.40m3/s，相应洪水总量1.65万m3；50年一遇洪峰流量18.38m3/s，相应洪水总量2.55万m3。注：本例仅给出水文计算结果，具体工作中可根据当地常用方法进行水文计算。(四)排矸场工程设计1枢纽布置根据坝址地形情况，经方案比较后确定该坝按两大件设计，即拦矸坝和放水建筑物。库区内有丰富的土料，适宜筑坝且取土方便、经济，故大坝坝型选定为均质碾压土坝；放水建筑物选用竖井，竖井布设在坝上游，井身设放水孔，底部设消力井，洪水经消力井消力后接横穿坝体的排洪涵洞将洪水排入下游主沟道。枢纽地形图及拦矸坝布置具体见案例图1、案例图2。案例图2拦矸坝布置案例图1 枢纽地形图2坝体设计1)坝高设计综合考虑主体工程拦矸、防洪及水土保持等要求，采用下式确定拦矸坝高。H = h拦矸 + h拦泥 + h滞洪 + h安全式中 h拦矸拦矸坝高，m；h拦泥拦泥坝高，m；h滞洪滞洪坝高，m；h安全安全超高，m。(1)拦矸坝高(h拦矸)。施工期弃矸(非汛期)20万m3，查库容曲线，相应坝高为10m。(2)拦泥坝高(h拦泥)。拦泥库容采用下式计算：Vs = KsSFN式中 Vs拦泥库容，m3；S 年平均侵蚀模数，m3/km2，取4000 m3/km2；Ks坡面治理措施年平均拦沙率，取0.8；F拦渣坝控制流域面积，km2，取0.44 km2；N淤积年限，取10年。则Vs=0.840000.4410=1.4(万m3)，即10年共来沙量1.4万m3。查库容曲线并计算，对应的拦泥坝高为5.20m。(3)滞洪坝高(h滞洪)。根据拟定的竖井结构，经水力学计算、调洪计算，知滞洪库容W2%=2.55万m3，相应h滞洪=1.85m。(4)安全超高(h安全)。坝高为1020m，查规范取1.5m作为安全超高，即h安全=1.5m。(5)总坝高(H)。总坝高H=10.00+5.20+1.85+1.50=18.55(m)，总库容为23.95万m3。2)坝体断面体形设计(1)坝顶宽度。坝顶无交通要求，为便于机械施工及安全要求，选定坝顶宽为3.5m。(2)坝坡。根据规范的要求，坝坡应依坝型、坝高、坝基地质条件等选取。上游坝坡取1：2.25；下游坝坡取1:2.0(见图3)。(3)坝体排水。在坝体下游坡脚设置贴坡式排水，排水体高3.0m，排水按反滤结构设计，砂层厚度0.25m，碎石层厚0.25m，坡石层厚0.6m。3)坝坡稳定计算(具体计算略)根据计算结果知，正常荷载组合情况下，下游坝坡稳定安全系数为1.35，大于规范规定的安全系数1.15；非常荷载组合情况下，下游坝坡稳定安全系数为1.10，大于规范规定的安全系数1.05；故坝体满足安全稳定要求，设计的断面尺寸合理。4)坝体细部结构设计(1)结合槽。为了增强坝体稳定性，在坝基设结合槽，结合槽断面为梯形，底宽5m，深3m，边坡为1:1.0。案例图3坝体断面体形设计(单位：cm)(2)岸坡排水沟。为了防止下游坝冲刷，在下游坝坡与岸坡结合处，修筑排水沟将径流导出。排水沟建于岸坡上。排水沟用浆砌石砌筑，过水断面为矩形，断面尺寸为30cm30cm，全长200m。3放水建筑物设计本坝不设溢洪道，所有上游来水将通过竖井排放至下游，所以竖井的设计是工程设计的又一主要部分。其遵循的原则是：技术合理、经济实用、施工方便。1)竖井断面尺寸竖井采用浆砌石材料，断面形式为圆环形，内圆直径1.01.5m(为提高竖井的稳定性，将其设计成下粗上细形，内圆直径由底部的1.5m过渡到顶部的1.0m)。井壁厚0.6m，井壁自上而下设置放水孔口，每层对开，层间互成90交错排列。层间孔口相距50cm，为单层放水(见图4)。竖井高度应取15.2m，本例取15.5m即可满足要求。消力井的直径和深度目前尚无科学的计算方法，一般按经验确定，本例取井深为2.0m。2)涵洞断面尺寸根据地形条件，采用M7.5水泥砂浆砌筑的浆砌石拱涵，涵洞底坡设计为1:100。涵洞净尺寸为BH=0.8m1.2m，基础及侧墙厚均为0.8m，拱厚0.8m，洞长85m。洞身每隔10m修一截水环，内设2cm宽的沉降缝，用沥青油毛毡填缝。3)放水流量的确定一般竖井放水流量的确定原则为：以放空滞洪库容为基本要求。本工程要求按24h放完校核洪水的限定条件确定竖井结构尺寸。其放水流量为：式中 V校核洪水总量，2.55万m3；T放水时间，按ld计算。由上可知，Q=100002.55/864001=0.295(m3/s)。案例图4 竖井和涵洞断面尺寸 (单位：cm)4)水力计算(1)竖井放水孔数量及断面尺寸计算。竖井自上而下分层设置放水孔口，孔口为矩形。放水孔断面尺寸的计算按下式进行： = 0.174Q/H1/2式中 设计放水孔面积，ITI。：Q设计放水流量；H放水孔口中心以上水深，m，取H=0.5m。经计算得=0.073m2。孔口尺寸取20cm20cm，则每层设两个放水孔。(2)输水涵洞水力计算。按设计要求，为保证涵洞内为无压流，涵洞充水深度应小于其净高的75%，本例涵洞纵坡为1/100。其断面尺寸按明渠均匀流公式计算。明渠均匀流公式：Q = AC(Ri)1/2式中 Q涵洞过水流量;A明渠断面面积，m2；C流量系数，按计算；R水力半径，m；i涵洞的比降。为满足涵洞检修的需要，确定涵洞的断面尺寸为BH=0.8m1.2m。令B=0.8m，H=0.025，i=1/100；设h=0.39，则=Hh=0.80.39=0.312(m2)；X2hB20.390.81.58(m)；R=/X0.312/1.580.197(m)；Q = AC(Ri)1/2=0.31230.51(0.1971/100)1/2=0.41(m3/s)0.295，所以假设成立，即正常水位为h=0.39m0.40m。故拟定尺寸BH=0.8m1.2m既满足过水要求，又满足检修要求。(五)工程量根据给