西北农林科技大学 水土保持与荒漠化防治专业 课程设计 淤地坝设计.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除目录第一章 淤地坝设计基本资料2第二章 淤地坝总体概况3第一节 淤地坝的概念3第二节 淤地坝的组成及作用3第三节 淤地坝组成方案选择3第四节 淤地坝分级及设计洪水标准3第五节 淤地坝类型选择3第六节 坝址选择3第三章 土坝坝体设计4第一节 坝高及库容确定4一、拦泥库容及拦泥坝高的确定4二、滞洪库容及滞洪坝高的确定4三、安全加高h确定6第二节 土坝断面结构构造及尺寸6一、坝顶宽度6二、坝坡马道6三、坝边坡6四、坝坡保护71、植物措施72、排水沟73、结合槽7五、坝体排水7六、坝基和岸坡处理7第三节 土坝稳定分析计算8第四章 土坝溢洪道设计9第一节 位置选择9第二节 布置形式9第三节 水力计算9一、溢流堰尺寸计算9二、陡坡段尺寸计算101、计算临界水深hk102、计算临界底坡ik103、计算陡坡长度L0114、计算正常水深h0115、计算水面曲线116、陡坡终点水深ha和末端流速va127、陡坡边墙高度H确定12三、出口段尺寸计算131、消力池深度S计算132、消力池长度计算15第四节 溢洪道结构设计15一、进口段设计151、引水渠设计152、渐变段设计153、溢流堰设计15二、陡坡段设计15三、出口段设计16第五章 土坝放水建筑物设计17第一节 放水工程组成及作用17一、放水工程组成17二、放水工程作用17第二节 工程布设17第三节 水力计算17一、卧管水力计算171、进水孔尺寸计算182、卧管涵洞断面尺寸计算18二、消力池水力计算19第四节 工程结构设计20一、卧管结构设计20二、输水涵洞结构设计20第一章 淤地坝设计基本资料 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20，内聚力c=0.8t/m2; 7. 放水洞设计流量Q=0.5m3/s第二章 淤地坝总体概况第一节 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。第二节 淤地坝的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。第三节 淤地坝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。第四节 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。第五节 淤地坝类型选择坝地附近有充足的筑坝土料，可以就地取材，考虑到土坝对地基要求低，施工技术较为简单，因此淤地坝设计为均质土坝。土坝按照施工方法可以分为碾压坝和水坠坝。在坝地附近有充足的土料，但是没有充足的水源，水坠坝无法施工，因此土坝设计为碾压坝。综上，淤地坝设计为碾压均质土坝。第六节 坝址选择好的坝址是淤地面积大、工程量小、施工方便、运用安全可靠。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。第三章 土坝坝体设计第一节 坝高及库容确定 淤地坝坝高H一般由拦泥坝高h拦，滞洪坝高h滞和安全超高h三部分组成，即坝高：H=h拦+h滞+h一、拦泥库容及拦泥坝高的确定 V拦=KF(1-ns)Trs式中：F淤地坝控制的流域面积，单位km2，取F=5 km2K年平均侵蚀模数，K=10000t/（km2年） ns坝库排沙比，从安全角度考虑，认为土坝不排沙，即ns=0T设计淤积年限，N=10年rS淤积泥沙的干容重，rS =1.35t/m3将数据代入得： V拦=KF(1-ns)Trs=510000(1-0)101.35=37万m3根据H-V曲线，查出相应的拦泥坝高h拦=23m，高程为821米。二、滞洪库容及滞洪坝高的确定对于三大件方案，滞洪库容需通过调洪计算确定。调洪计算方法采用简化三角形法：溢洪道最大泄流量Q泄为： Q泄=Q洪1-V滞W洪 溢流堰堰流公式为： Q泄=MBH32两公示联立得： MBH32=Q洪1-V滞W洪其中，M流量系数，取值为M=1.6；H溢洪道堰上水头；B溢洪道堰顶净宽；W洪溢洪道最大泄洪量；V滞滞洪容积；Q洪来水洪峰流量1、先用20年一遇洪水进行设计已知20年一遇设计洪水流量Q20=105m3/s，洪水总量W洪10万m3。求解采用试算法，步骤为：1) 由计划淹深假设h滞，再由HV曲线求得V滞；2) 按公式 Q泄=Q洪1-V滞W洪 求Q泄；3) 按堰流公式 Q泄=MBH32 求溢洪道宽度B；4) 经过多次假设计算，最终对工程作经济、技术比较，取一个合适的B，该B所对应的h滞，Q泄，V滞即为调洪计算所求。 表一：试算法计算表格从试算表格中可以看出，h滞=2m时，v滞=5.5万m3，B=10.4m符合土坝设计要求，因此，B设计为10.5m，此时Q泄=Q洪1-V滞W洪=1051-5.510=47.25m3 /s2、再用200年一遇洪水进行校核已知200年一遇设计洪水流量Q200=180m3/s，洪水总量W洪17万m3校核步骤:1) 首先假设一个h滞，由HV曲线求得V滞；2) 按公式 Q泄=Q洪1-V滞W洪 求Q泄；3) 按堰流公式 Q泄=MBH32 ，其中M=1.6，B=10.5m,可求得h滞；4) 将假设的h滞的值与求得的h滞的值对比，如果两个数值接近或相等，则为所求的h滞。代入数据得，h滞=3.7m时，所求的两个数值比较的接近，因此校核h滞等于3.7三、安全加高h确定20年一遇洪水计算为：H20=h拦+h滞+h=23+2.0+2.0=27m200年一遇洪水校核为：H200=h拦+h滞+h=23+3.7+1.5=28.2m因为H201,所以该土坡处于稳定状态。第四章 土坝溢洪道设计第一节 位置选择从流域沟道坝址地形图中可以看出沟道右岸（站在上游面向下游，左为左岸，右为右岸）坡度较陡，左岸坡度较缓，故溢洪道应该设置在在沟道的左岸平缓山坡处。同时，为了泄洪安全，溢洪道的进口布设在距坝端10m以外，出口布设坝坡坡脚线20-50m以外，溢洪道轴线布设为直线。第二节 布置形式 所设计的土坝为中型淤地坝，且流域汇水面积大，泄洪流量大，因此溢洪道设计为堰流式溢洪道，用浆砌石建造。考虑到陡坡式溢洪道具有结构简单、水流平顺、施工方便、工程量小的优点，溢洪道设计为陡坡式。溢洪道由进口段，陡坡段，出口段三部分组成。其中进口段的溢流堰设计为无坎宽顶堰。第三节 水力计算一、溢流堰尺寸计算溢流堰采用无坎宽顶堰，堰上水深为H=h滞=2m，堰长设计为10倍的H，即L=10m，堰顶宽度为B=10.5m。二、陡坡段尺寸计算1、计算临界水深hk陡坡段设计为梯形,底宽B=10.5m,边坡比为1:1。对于梯形断面陡槽，hk可按照水力学公式试算求得，即k3Bk=Q泄2g式中：a为不均匀系数，a一般取值1.0；k、Bk分别为相应于hk的过水断面面积和水面宽，k=（B+hk）hk，Bk=B+2hk；Q泄=47.25m3/s；g为重力加速度，g=9.81m/s2试算法：假设一个水深h，可以求得一个流量Q，将h和Q的关系进行线性分析，做出趋势线，根据趋势线公式代入Q泄=47.25m3/s便可以求得hk 的值。 由流量和水深的关系图中可以求出：当Q泄=47.25m3/s时，hk =1.2m，此时vk=Q泄k =3.37m/s2、计算临界底坡ik ik=gaCk2XkBk= Q泄2Kk2 Kk=kCkRk其中Kk为流量模数；k 为过水断面面积，k=（B+hk）hk；Ck 为谢才系数，Ck=1nRk16 ，n为粗糙系数，n=0.02 ；Rk为相应的临界水深hk时的水力半径，Rk=kXk，Xk为相应的临界水深hk时的湿周，Xk=22hk+B。将hk =1.2m代入公式Xk=22hk+B可得：湿周Xk =13.9m；过水断面面积k=（B+hk）hk =14.04m2；Rk=kXk=14.0413.9=1.01m；Ck=1nRk16 =50.01综上，Kk=14.0450.011.01=705.64m3/s，ik=4.4810-3陡坡段底坡设计为i=1:5，因为ik =4.4810-3 i=0.2,所以陡坡水流为急流，可按照陡坡计算。3、计算陡坡长度L0L0=P2+(Pi)2P为陡坡段总落差，坝底高程为796.2m，溢流堰高程为821m，因此P=821-796.2=24.8m；i=1:5=0.2，则L0=P2+(Pi)2=126.5m。4、计算正常水深h0利用明渠均匀流公式：Q=ACRiA为过水断面面积，A=（B+H）H，B=10.5m；C 为谢才系数，C=1nR16 ，n为粗糙系数，n=0.02；R为水力半径，R=AX，Xk为湿周，X=22h+B；i为底坡坡度，i=0.2。明渠均匀流公式可以转化为只有一个变量h的公式，即：Q=（B+H）H53n(22 h+B)23i试算法：假设一个水深h，可以求得一个流量Q，将h和Q的关系进行线性分析，做出趋势线，根据趋势线公式代入Q泄=47.25m3/s便可以求得hk 的值。 由流量和水深的关系图中可以求出当Q泄=47.25m3/s时，h0 =0.37m5、计算水面曲线EsL=i- =()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。注：水面曲线计算表格中，末端水深取值比正常水深稍微大一些，取0.38m从水面曲线中计算可以得到L=110.6m，小于陡坡段长度L=126.5m。由此可以说明陡坡段末端水深达到正常水深。6、陡坡终点水深ha和末端流速va因为求出的水面曲线的长度L=110.6m溢洪道陡坡段长度L0 =126.5m，所以陡坡段末端水深ha正常水深h0=0.37m，此时Q泄=47.25m3/s，过水断面面积A=（B+H）H=(10.5+0.37)0.37=4.02m2，va=Q泄A=47.254.02=11.75m/s7、陡坡边墙高度H确定考虑到陡坡流速较大，参气会使水深增加，故边墙高度H计算公式为：H=h+hB+hh为水深；hB为掺气时的水深增加值，当流速V小于或等于20m/s时，hB =vh100；h为安全加高，可取0.51.0m。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。A、 陡坡起始端：vk=Q泄k =3.37m/s，hk =1.2m,则hB =vh100=3.371.2100=0.04m，h=1m, H始=h+hB+h=1.2+0.04+1=2.24m，设计为2.5mB、 陡坡末端：va=Q泄A=11.75m/s，ha=0.37m，则hB =vh100=11.750.37100=0.043m，h=1m, H末=h+hB+h=0.37+0.043+1=1.413m，设计为1.5m三、出口段尺寸计算1、消力池深度S计算A、求跃后水深h：梯形明渠共轭水深可以运用迭代公式:（出自水力学高等教育出版社-吴持恭主编P276）h2,i+1=2J1hib+0.5m1+m2hi-aQ2g2b+0.5m1+m2hi213式中：J1=A1h1+Q2gA1；A1=0.52b+m1+m2h1h1；h2,i+1 和h1 互为共轭水深；m1、m2为边坡系数，m1=m2=1；b为底宽，b=10.5m；A为过水断面面积；h1为跃前水深，h1=0.37m；h2为跃后水深。代入数据得：A1=0.52b+m1+m2h1h1=0.5210.5+1+10.370.37=4.02m2J1=A1h1+Q2gA1=4.020.37+47.2529.814.02=58.07m3由迭代公式计算可得h=2.80mB、求尾渠正常水深ht：尾渠设计成梯形断面，底宽B=10.5m，边坡设计为1:3。利用明渠均匀流公式：Q=ACRiA为过水断面面积，A=（B+3H）H，B=10.5m；C 为谢才系数，C=1nR16 ，n为粗糙系数，n=0.02 ；R为水力半径，R=AX，Xk为湿周，X=210h+B；i为尾渠底坡坡度，可以与土坝下游区域坡降近似相等，在流域沟道坝址地形图上可以看出高程由798m降到796.2m图上直线距离为8cm，图为1:10000的地形图，则实际距离为80m，由此可以求得i=（798-796.2）80=0.0225。明渠均匀流公式可以转化为只有一个变量h的公式,即：Q=（B+H）H53n(22 h+B)23i试算法：假设一个水深h，可以求得一个流量Q，将h和Q的关系进行线性分析，做出趋势线，根据趋势线公式代入Q泄=47.25m3/s便可以求得ht 的值。 由流量和水深的关系图中可以求出当Q泄=47.25m3/s时，ht =0.70mc、消力池深度：计算公式选用经验公式：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尾渠正常水深，单位m代入数据得S=1.25(h- ht ) =1.25(2.80- 0.70 )=2.625m消力池深度设计为2.65m。2、消力池长度计算L=Lj Lj=6.9(h-h)式中：为折减系数，取值0.75；h”为跃后水深，h”=2.80m；h为跃前水深，h=0.37m则：Lj=6.9(h-h)=6.9(2.80-0.37)=16.767mL=Lj=0.7516.767=12.58m，设计为13m第四节 溢洪道结构设计一、进口段设计1、引水渠设计土坝建设在土基上，采用梯形明渠，用浆砌石衬砌。梯形渠道断面边坡采用1:3.0，底宽B=10.5m,侧墙高H=2.5m，厚度为0.4m2、渐变段设计渐变段长度L=5m采用扭曲面作为导流墙，侧墙厚为0.4m ，翼墙长度为1m，厚度为0.5m导流墙翼墙 3、溢流堰设计淤地坝地基为土基，溢流堰设计为无坎宽顶堰，堰长为10，底板厚0.4m,横截面为梯形，底宽10.5m，边坡系数为1:1。堰体底板与渐变段底板相连，连接处需做一深1m，厚0.5m的防渗抗滑齿墙。堰边墙（边墩）用浆砌石建造，为挡土墙形式，墙高2.5m，顶宽0.4m,堰边墙一侧垂直，另一侧边坡为1:1，溢流堰边墩结构图详见附图。二、陡坡段设计陡坡段纵坡设计为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。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，需校核底板厚度d是否满足要求。底板厚度校核使用公式：d0.03avh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a、陡槽起始端：vk =3.37m/s，hk =1.2m，d=0.030.83.371.2=0.09m0.4mb、陡槽末端：v0 =11.75m/s，h0=0.37m，d=0.030.811.750.37=0.17m0.4m由此可以看出，底板厚度为0.4m满足要求。三、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，尺寸不同。渐变段长度为5m，宽度10.5m，侧墙高度为1.5m，厚度0.4m。尾水渠宽度10.5m，边坡1:3，高度1.5m。消力池用浆砌块石修筑，池底厚0.5m, 池前端设置齿墙，深1.0m，厚0.5m，底板下设反滤排水孔和反滤层，侧墙构造同于陡槽，边坡为1:1，底宽10.5m。底板池底厚度d校核公式：dKVchc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