【《某骨干坝工程布置及主要建筑物的设计计算案例》6400字】

某骨干坝工程布置及主要建筑物的设计计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u12230某骨干坝工程布置及主要建筑物的设计计算案例 148941.1设计标准 2239001.1.1工程等别、主要建筑物级别 240961.1.2防洪标准 2146961.1.3设计淤积年限 2227561.2设计依据 2185031.2.1法律依据 2281091.2.2技术规范 2191001.2.3有关规定与技术文件 347931.2.4基础资料 327411.3工程总体布置 3117731.4坝体设计 4281281.4.1水位—库容、水位—面积曲线 437621.4.2坝高及设计高程 5127251.4.3坝顶断面尺寸 78821.4.4细部结构设计 8154541.4.5稳定分析 8112371.5放水建筑物设计 10246691.5.1放水建筑物的设计流量 1010221.5.2放水孔径确定 10141901.5.3卧管结构设计 10240221.5.4涵洞设计 1154811.5.5明渠设计 11264891.6溢洪道设计 11233871.6.1水力计算 11297341.6.2结构设计 141.1设计标准1.1.1工程等别、主要建筑物级别S村骨干坝现状总库容为71.17万m3，依据《水土保持治沟骨干工程技术规范》（SL289-2003）和《水土保持工程设计规范》（GB51018－2014），本工程为I等大（2）型淤地坝。1.1.2防洪标准根据规范选取相应的设计洪水标准为20年一遇，其相应的洪峰流量为39.0m3/s；校核洪水标准为200年一遇，其相应的洪峰流量为105.0m3/s。1.1.3设计淤积年限本工程为I等大（2）型淤地坝，依据《水土保持工程设计规范》（GB51018－2014），泥沙设计淤积年限取15年。1.2设计依据1.2.1法律依据1、《中华人民共和国水土保持法》，已由中华人民共和国第十一届全国人民代表大会常务委员会第十八次会议于2010年12月25日修订通过，自2011年3月1日起施行；2、《中华人民共和国环境保护法》，1989年；3、《中华人民共和国森林法》，1984年；4、《中华人民共和国土地管理法》，1998年；5、《甘肃省水土保持条例》已由甘肃省第十一届人民代表大会常务委员会第二十八次会议于2012年8月10日通过，自2012年10月1日起实施。1.2.2技术规范1、《水土保持综合治理技术规范沟壑治理技术》GB/T16451.3－2008；2、《水土保持工程设计规范》GB51018－2014；3、《水土保持初步设计编制规程》，SL449—2009；4、《水土保持治沟骨干工程技术规范》SL289—2003；5、《溢洪道设计规范》，SL253—2018；5、《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T50476－2019；7、《水利水电工程施工施工组织设计规范》SL303—2017；8、《水利水电工程施工安全防护设施技术规范》SL714—2015；9、《水利水电工程设计工程量计算规定》SL328—2005；10、《水利水电工程制图标准水土保持图》SL71.6—2015；11、《甘肃省水土保持治沟骨干工程建设管理技术标准》DB-62；1.2.3有关规定与技术文件1、《中央财政水利发展资金使用管理办法》财农〔2016〕181号；2、《关于进一步加强淤地坝等水土保持拦挡工程建设管理和安全运行的若干意见》（水保[2010]455号）；3、《甘肃省水利发展资金使用管理实施办法》（甘财农二[2017]号）；4、《甘肃省水利工程建设项目质量安全管理办法》（甘水安监发〔2014〕257号）；5、《关于进一步加强全省淤地坝建设管理和安全运行的指导意见》（甘水水保发[2017]310号）；6、《甘肃水利厅水土保持局关于进一步规范病险淤地坝除险加固工程初步设计工作的通知》（甘水利水保发[2016]12号）；1.2.4基础资料1、《甘肃省暴雨洪水图集》2、《甘肃省水文图集》3、《甘肃省水土保持治沟骨干工程技术手册》4、《甘肃省黄土高原地区水土保持病险淤地坝除险加固设计报告大纲》1.3工程总体布置本工程建设的主要目的在于控制洪水，拦蓄泥沙，结合本工程实际情况，本次设计拟定工程总体布置如下：丈子沟骨干坝工程由淤地坝坝体、放水建筑物及溢洪道三部分组成。本工程属于新建工程，经实地勘测，放水设施及溢洪道均适宜布置坝址左岸。工程总体布置详见工程总平面布置图及各建筑物设计图。1.4坝体设计1.4.1水位—库容、水位—面积曲线根据对工程项目区1:10000地形图，将坝址以上等高线在坝址部位闭合，量算其各个高程的面积，绘制坝高H—S面积曲线；据此采用面积包围法计算并绘制坝高H—V库容曲线。按下式计算各级水位下的库容。ΔVV=式中：V—某一水位下的库容（万m3）；Si—第i级水位对应的淤地面积（万m2ZiΔVi—分级水位所增库容（万m经计算得到水位、坝高、库容和淤地面积之间的关系表见表3-1，根据计算结果得到出坝高—库容、坝高—淤地面积关系曲线为图3-1。表3-1水位—库容、水位—面积关系表序号水位（m)坝高（m)库容（万m3）淤地面积(亩)1176100.001.442176210.122.243176320.321.574176430.625.405176541.067.736176651.6610.577176762.4611.448176871.4716.859176984.7421.0910177096.31252532.091217721110.5637.071317731211.2042.121417741316.1947.661517751419.5751.671617761521.3660.151717771627.5666.781817781732.1270.961917791837.0376.372017801942.3182.002117812047.9787.862217822154.0896.432317832260.65101.772417842367.66108.342517852475.11115.132617862581.02122.142717872691.48131.8828178827100.51138.9629178928110.03146.4830179029120.06154.41图3-1坝高~库容、坝高~面积曲线1.4.2坝高及设计高程根据S村骨干坝设计的作用要求，以及对枢纽布设的要求，结合坝址地形条件，确定工程枢纽由坝体、放水工程和溢洪道组成。（1）坝高H由拦泥坝高HL、滞洪坝高HZ和安全超高ΔH三部分组成，即H=H拦泥坝高由拦泥库容查坝高～库容曲线确定。拦泥库容VL用下式计算：VL式中：VL——拦泥库容（万m3Ws——多年平均输沙量（万m3N——设计淤积年限（a）。则：V则查坝高～库容曲线得，HL=18.43m，设计拦沙高程为1779.43m，对应淤积库容为39.45万m3。（2）滞洪库容根据调洪计算求得，再根据求得的库容查坝高～库容曲线得到滞洪坝高。根据同类工程及工程实际情况，确定溢洪道顶宽为5m，采用宽顶堰形式，其泄量曲线详见表3-2，淤地坝按照20年一遇设计，200年一遇校核，洪水成果详见表3-3，起调水位为拦沙高程，按水量平衡方程采用列表试算法逐时段计算，调洪计算过程见表3-4和表3-5，调洪计算结果统计详见表3-6。泄量计算采用宽顶堰流公式：Q=mξB2g式中：Q——流量（m3/s）；H0——水头（m）；m——流量系数取0.375；B——孔口宽度（m）；ξ——侧收缩系数0.92～0.98。经计算，溢洪道泄量曲线详见下表。表3-2溢洪道泄量曲线序号高程泄流量Q(m)（m3/s）11779.430.0021780.001.3931781.0015.5141782.0032.4951781.0051.1961784.0077.0471785.00101.67表3-3设计洪水成果表淤地坝名称流域面积（km2）设防标准重现期（年）洪峰流量（m3/s）洪水总量（万m3）S村4.78设计203920.79校核20010561.34表3-420年一遇调洪计算表时间t流量Q库水位Z库容V溢洪道泄量q来水Q平均泄水q平均ΔVV2'(h)(m3/s)(m)(万m3)(m3/s)(m3/s)(m3/s)(万m3)(万m3)0.000.001779.4339.450.0039.450.0511.001780.5139.579.526.504.760.1239.570.1026.001780.5839.9210.4019.509.960.3539.920.1539.001780.7040.5011.8532.5011.120.5940.500.2036.981780.8341.1911.5037.9912.670.6841.190.4028.941781.2841.5620.3332.9616.912.3741.560.8012.871781.8046.5729.1320.9124.731.0146.571.004.821781.8847.0330.406.4429.770.4647.031.120.001781.8947.1430.692.4130.550.1047.24表3-520年一遇调洪计算表时间t流量Q库水位Z库容V溢洪道泄量q来水Q平均泄水q平均ΔVV2'(h)(m3/s)(m)(万m3)(m3/s)(m3/s)(m3/s)(万m3)(万m3)0.000.001779.4339.450.0039.450.0535.001780.5539.7710.0217.505.010.3139.670.1070.001780.7440.7112.3552.5011.180.9540.420.15105.001781.0542.2916.3187.5014.331.5841.740.2098.001781.3844.1122.01101.5019.161.8341.220.4070.001782.3550.1638.4784.0030.246.0547.090.8014.001781.1456.2156.0542.0047.266.0546.331.000.001781.2056.7157.267.0056.66-1.5842.76表3-6调洪计算成果统计表项目设计洪水校核洪水（P=5%)Qm=39m3/s（P=2%)Qm=105m3/s起调水位（m）1779.431779.43最大泄量（m3/s）30.6957.26洪水位（m）1781.891781.20相应库容（万m3）51.1561.76滞洪库容（万m3）11.7022.31滞洪坝高（m）2.461.77从上表可以看出，设计洪水位为1781.89m，校核洪水位为1781.20m，对应滞洪库容22.31万m3。（3）安全超高按《水土保持工程设计规范》（GB51018—2014）中5.4.1.1.3，坝高在20~30m，超高ΔH取1.5m。（4）工程设计总库容为：V（5）工程设计坝高为：H=坝顶设计高程为1784.70m。1.4.3坝顶断面尺寸（1）坝顶宽度按照《水土保持工程设计规范》（GB51018—2014）和已建工程经验，S村骨干坝因采用碾压施工方法，坝顶宽度考虑交通等功能取5m。（2）上下游坝坡根据《水土保持工程设计规范》（GB51018—2014）中5.4.1.2.2表上下游坝坡，该淤地坝坝高为21.70m，上游坝坡采用1︰2.75，下游坝坡采用1︰2.5。1.4.4细部结构设计（1）坝体排水—反滤体设计为了增加下游坝坡的稳定性，同时排出土质地基及坝体渗透水流，防止渗透水流将坝身及基础的小颗粒带走，在下游坝坡趾部设置棱体式反滤体。根据《水土保持工程设计规范》（GB51018—2014）表7.1.12，本淤地坝高度为21.70m，反滤体高度取1.0m。粗砂厚度30cm，碎石厚度30cm，顶宽2.0m。各层材料要求，块石粒径40～400mm，碎石粒径1～40mm，砂粒径0.25～2.0mm。（2）坝坡排水为了防止坡面及坝面暴雨径流冲刷坝坡，在背河侧坝面、马道及两侧岸坡上设置C20混凝土排水沟，其断面尺寸为0.4×0.3m，侧壁与底板厚度均取0.1m。（3）坡面防护坝体完工后，对坝体上游淤积面以上的坝坡部分和下游坝坡设置草皮护坡。且在坝肩以上开挖边坡采用草皮护坡。1.4.5稳定分析为防止坝坡失去平衡发生滑坡失事，对坝坡进行稳定分析计算，以求设计成果保持在稳定状态。本次设计坝高为21.70m，总库容为61.76万m3，施工方式为水坠，根据《混凝土结构耐久性设计规范》及经验，对施工期边梗和坝坡稳定进行验算。边梗稳定计算用水平推力法进行计算，抗滑稳定安全系数为：K=T式中：T1、TT=1T2式中：Φ1、C1——土的总强度指标，取ΦΦ2、C2——边梗土的总强度指标，取Φb——边梗宽度，取6mm——下游坝坡率，为2.5W1、Wγ1、γ2——分别为充填土的饱和容重，边梗的湿容重，γℎ1——流态区深度，计算得：T1=E=K=则边梗稳定满足要求。坝坡稳定分析水坠坝的坝坡稳定最不利情况是在施工的中后期。在坝高达到三分之二以后，坝体的平均孔隙压力系数最大。（缑锋利2012）所以对坝高为16m和21.7m时下游坝坡稳定性分别进行校核。坝坡稳定安全系数：K=a−bB式中：a、b——系数，有坝坡和坝体土的有限抗剪强度Φ'、C'决定B——滑弧面以上平均孔隙压力系数冲填土料速度为0.2m/天，固结系数C=1.50m2/天，有效强度指标Φ'=20.7°、C'=0，平均坡率a1=1.481a2=1.481坝基为黄土，属于透水性坝基，按Ⅲ型计算。分层高度：∆H1调整次数：n1=4C÷泥浆起始孔隙压力系数取B坝高为16m处滑动区深度Ht=0.47H，距坝底高程1−K=a−b则工程施工至坝高2/3处不会发生滑坡。坝高为21.7m处滑动区深度Ht=0.47H，距坝底高程1−K=a−b则设计坝高处工程稳定。结论经过以上计算，可知拟定断面符合抗渗及抗滑要求。1.5放水建筑物设计根据地形和地质条件，放水工程设在右岸原状土基上，由卧管、消力池、涵洞和明渠四部分组成。涵洞进水口底部高程为1767.00m，放水工程基础均为基岩，卧管、消力池和涵洞均采用C25钢筋砼结构，卧管坡度为1:2.5，卧管下接消力池，后经涵洞输水，接明渠输水至下游河道。1.5.1放水建筑物的设计流量S村淤地坝设防标准为20年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。根据《水土保持工程设计规范》7.1.5条规定可知，淤地坝放水建筑物要做到7天可以放完库内的滞留洪水。由于本部分内容属于加固改建，因此确定排水天数为7天。按七天排完一次设计洪水总量计算。由水文计算知：W20=20.79×104m3则：Q设=W20/(7×24×3600)=0.34m3/s根据《水土保持工程设计规范》7.5.4条规定卧管的设计流量比正常运用时的流量增大20%~30%，本次设计增大值取20%，则确定设计流量为0.41m3/s。1.5.2放水孔径确定考虑到设计放水流量为0.41m3/s。设计台阶高差为0.5m，每台设置1个放水孔，运行方式采用上下两级放水孔同时放水。根据《水土保持工程设计规范》7.5.3中计算公式确定卧管放水孔直径，其计算公式如下：d=0.68Q式中Q—下泄流量（m3/s）；d—放水孔直径，m；H1，H2—放水孔中心至水面深度，m；根据上述计算可知，当库水位由最高洪水位降至淤积高程时，开启台阶（放水卧管台阶阶高定为0.5m）放水孔，则所需的放水孔直径为0.39m。1.5.3卧管结构设计根据地形条件，卧管底坡采用1:2，底部相应坝高2.3m处，卧管H=36.42m。参照《淤地坝设计》确定卧管断面尺寸为0.35×0.35，侧墙的厚度为0.15m，基础的厚度为0.20m，盖板搭接长度0.1m，盖板厚0.15m。卧管每隔8m做一道深0.3m宽0.3m的齿墙。1.5.4涵洞设计根据坝址右岸实际地布设形条件，涵洞进口高程拟在1761.00m处，涵洞进口距离坝底2.00m，涵洞采用C25钢砼矩形结构，洞长60m，根据规范要求，涵洞比降取1%，则涵洞出口高程为1762.40m。涵洞断面选用0.8×1.2m，洞身衬砌厚度为0.3m。1.5.5明渠设计涵洞出口接明渠，明渠比降为1:100。明渠采用矩形C25钢砼矩形渠道，长10m，明渠尺寸为0.8×1.2m，侧壁及基础厚均为0.30m。明渠出口摆放9m³格宾笼石防冲.1.6溢洪道设计采用岸坡式正槽溢洪道，包括引水渠、控制段、池槽、出口消能段以及尾水渠。设计根据《水土保持工程设计规范》（GB51018-2014），本淤地坝属大型淤地坝，工程等别为Ⅰ等。主要建筑物级别为2级，消能防冲建筑物设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为200年。设计按200年进行计算。1.6.2水力计算计算求得各部分水力尺寸。溢流堰采用宽顶堰，堰宽B=5m。调洪演算的结果Q泄=57.26根据公式：B=Q式中：B—溢流堰宽（m）；Q泄—溢洪道设计流量（m3M—流量系数，取1.60；H1求得堰上水头：H=3.71m，则堰底高程为1779.49m。堰顶长度按水力学要求：3H<L<6H，取L=15m。陡坡段按照地形条件，陡坡底坡i=1/3，底宽与溢流堰相同。陡坡起点水深为临界水深ℎℎk式中：q—单宽流量（m3/s）；a—流速分布不均匀系数，取1.1；g—重力加速度，取9.81则ℎ正常水深ℎ0Q=WCRi试算得ℎ（5）求水面线根据《溢洪道设计规范》（SL253－2018）附录A.3泄槽水力计算：泄槽水面线应根据能量方程，用分段求和法计算，计算公式为：∆l1−2j=式中：△l1-2－分段长度，m；h1、h2－分段始末断面水深，m;υ1、υ2－分段始末断面平均流速，m/s；α1、α2－流速分布不均匀系数，取1.05；θ－泄槽底坡角度，（°）；i－泄槽底坡，i=tgθ；－分段内平均摩阻坡降；n－槽身糙率系数，取0.014～0.025；－分段平均流速，，m/s；－分段平均水力半径，，m。泄槽段水流掺气水深采用以下公式计算：ℎb式中：h、hb－泄槽计算断面的水深及掺气后水深，m；υ－不掺气情况下泄槽计算断面的流速，m/s；－修正系数，可取1.0～1.4s/m，在此取1.4s/m。因泄槽上游接宽顶堰，所以起始计算断面定在泄槽首部，水深h1取用泄槽首端断面计算的临界水深hk表3-7溢洪道水面线计算成果流量底坡I糙率n底宽b水深h过水面积A湿周X水力半径R平均半径R流速V1050.330.01550.542.706.080.441050.330.01550.954.756.900.690.5722.681050.330.01551.206.007.400.810.7530.131050.330.01551.457.257.900.920.8638.041050.330.01551.708.508.401.010.9646.511050.330.01551.959.758.901.101.0555.541050.330.01552.2011.009.400.441.1365.051050.330.01552.4512.259.900.691.2075.08设计流量平均流速V平均坡降JI-JαV2/2gEsΔEsΔSΣΔS掺气水深19.070.010.320.016.588.541.512.632.638.4926.290.050.280.0510.2110.752.210.411.0511.5431.970.080.250.0814.0715.024.280.510