【《S村骨干坝工程初步设计》16000字（论文）】

第1章绪论1.1选题的目的及意义在《在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上的讲话》中提出当前黄河流域仍存在一些突出困难和问题，因此要将将黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略，提出“重在保护，要在治理”，要求“共同抓好大保护、协同推进大治理”，发出了“让黄河成为造福人民的幸福河”的伟大号召（纪平2019）。在中央财经委员会第六次会议上，习近平总书记再次强调，黄河流域必须下大气力进行大保护、大治理，积极探索富有地域特色的高质量发展新路子。控制和防治水土流失，充分利用水沙资源，是改变黄土高原地区农业生产条件，提高沟道抗洪能力，稳定河床，防治沟壑侵蚀，减少入黄泥沙，促进退耕还林还草和封山育林，改善生态环境的根本措施。目前水土流失防治仍然存在问题:水土流失控制率低，控制任务仍然十分严峻，控制措施布局不合理，工程质量标准低下，从而影响了水土保持工程的总体效益淤地坝建设作为水土保持综合治理的核心工程，其保土、保水效益在各类水保措施中见效最快（杜晓丽2021）。通过发展淤地坝建设，拦泥淤地、发展灌溉、解决人畜饮水、发展养鱼、以坝带路等等经济效益可以极大的促进当地经济社会发展，为后续的水土保持项目的实施奠定坚实的基础。因此，本次工程以建设S村骨干坝作为流域治理的建设内容。由于当地特殊的自然地理和社会经济条件，项目区侵蚀强度大，侵蚀区域集中，严重的水土流失，带来了多方面的危害。不仅造成当地生态环境恶化、群众贫困、经济落后，而且给下游防洪和人民生命财产安全构成了极大威胁。该项目建设的必要性有：1、该坝的建设有利于减轻沟道、河流洪水，保障下游防洪和人民生命财产安全。2、该坝的建设有利于拦泥保土，充分利用水沙资源，减少进入宋家沟水库泥沙。3、该坝的建设有利于改变农业生产基本条件，增加基本农田，促进退耕还林还草及土地利用结构调整，提高粮食产量。4、该坝建设后坝顶可兼做乡村道路，方便群众生产和生活。1.2国内外研究现状特殊的自然条件和长期以来频繁的人类活动积累，使得黄土高原成为世界上水土流失的范围最大，水土流失情况最严重，侵蚀强度最大的地区。黄土高原地区长期以来积累的严重的水土流失现象导致该地区的生态环境和生态系统条件较差，加剧了土地荒漠化的发展，并频发伴生灾害。这些灾害累加严重的影响制约了黄河流域各个方面的发展。这些年以来，我国不断地进行黄河流域水土保持科学方面的试验和研究，并且经过不断的研究实验取得了丰富的成果，这些成果为黄土高原水土流失的治理以及黄河流域综合治理开发提供了一定程度上的支撑。肖培青等（2020）认为，对水土保持的基本理论进行了研究，包括对水土流失规律的研究、对淤地坝拦沙减蚀作用的研究、对土壤侵蚀预测预报技术的研究以及水土保持减水减沙效益分析，其中提到“在一定频率洪水条件下保证坝系的安全，在保收频率洪水下坝地高产稳产，泥沙基本不出沟，充分合理利用水沙资源，维修工程量小”的坝系相对稳定的内涵和原理。认为淤地坝的拦泥减蚀机理和坝系建设在解决黄河泥沙问题中有一定的作用。YongjiaSong(2012)提出通过工程效益的计算，小流域工程规划具有显著的效益和成本效益基础，能够有效地防止小流域水土流失和水土保持，扩大坝址面积，减少泥沙入河，减轻洪涝灾害，提高生态效益和社会效益。自2003年以来，在中国淤地坝作为水利3个亮点工程之一在黄土高原地区取得了显著性的进展。同时，黄河水利委员会在编制完成的《规划》中指出2003年-2020年，黄土高原地区将修建淤地坝1.63×105座，其中骨干坝3万座。工程建成后，可新增拦泥能、蓄水能力、对黄土高原上的水土流失进行综合治理。并在今后不断加强黄土高原地区的病险坝除险加固及淤地坝建设。许多学者对淤地坝存在的问题进行了研究并提出了解决方法。刘克飞（2018）认为，由于坝址选择不合理及工程建设不规范的原因，淤地坝在投入使用过程中，坝基砂卵石层与岸坡结合处常出现渗漏现象，降低了整个坝体的稳固性，增加了安全隐患。解决这类问题的理想方法是集水输排法，这种方法就是将坝基内的渗水充分收集，并配合输水管道将其排放到坝体外，避免淤水沉积过量影响整个坝体结构的安全稳定性。按照作业方式差异可将集水输排法划分为单井输排法和截潜流输排法两种。张金良等（2020）认为，传统淤地坝存在溃决风险高、管护压力大及拦沙不充分三大问题，提出了创新淤地坝的设计理念，构建高标准免管护淤地坝理论技术体系，基于淤地坝水文计算新方法、新型坝工结构、黄土固化新材料、设计施工新技术等，可以实现淤地坝防溃决、保安全、免管护、多拦沙、降造价等目标，更好地发挥淤地坝的综合效益。以上是基于黄土高原的水土流失对生态环境带来巨大灾难的现状，在黄土高原修建淤地坝，利用其拦泥减蚀机理对黄土高原的水土流失进行生态上的治理，针对淤地坝存在的问题逐个进行解决，对病险坝进行除险加固。以达到对黄河流域生态保护的作用，并促进其的高质量发展。1.3设计内容1、工程规模：包括水库规模的确定，特征库容与特征水位的计算。2、工程等别和标准：根据相应规范确定工程等别和标准。3、工程布置和主要建筑物型式：包括坝址、坝型的选择，以及工程总体的布置。4、主要建筑物的设计：包括坝体、防水建筑物和泄水建筑物的设计。5、辅助设计：包括道路设计。1.4研究方法（思路）及技术路线1.4.1研究思路（1）建设任务项目主要建设任务：放水建筑物、泄水建筑物和坝体三大件组成，并配套上坝道路。（2）建设规模S村骨干坝现状总库容为73.17万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，主要建筑物（淤地坝坝体、放水建筑物及泄水建筑物）为2级建筑物，据此可选取相应的设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为200年一遇。（3）工程总体布置及主要建筑物S村骨干坝工程由淤地坝坝体、放水建筑物及泄水建筑物三部分组成。放水设施及泄水建筑物均适宜布置坝址右岸。（4）主要建筑物设计根据已知资料进行设计坝体、放水建筑物和泄水建筑物的设计。（5）辅助设计包括道路设计。1.4.2技术路线图1-1技术路线示意图第2章项目概况2.1工程概况及项目区选择2.1.1工程概况S村骨干坝位于甘肃省平凉市静宁县古城镇境内的葫芦河流域渝河支流宋家沟内，坝址位于东经105°51′30.60″，北纬35°30′5.20″，距静宁县26km，距古城镇10.19km，距离宁夏隆德县联财镇7.2km，控制流域面积4.78km2。S村骨干坝地位置如图所示。图2-1S村骨干坝位置图2.1.2项目区选择S村骨干坝位于宋家沟流域上游，属葫芦河支流渝河一级支流，全流域面积24.1km2，主沟道总长7.9km，宋家沟流域沟口处有宋家沟水库。S村骨干坝坝址以上无淤地坝等水利工程。S村骨干坝工程是一座以拦蓄洪水径流和泥沙为主的控制性工程，由于S村人口居住主要分布在主支沟左右岸距沟底52m以上的阶地上或上游半山坡上，村庄位置较高，沟道内现状无农田及其他建筑物，因此建坝上游无淹没损失。此外，该坝涉及古城镇S村，当地群众对建坝具有非常高的认识和积极性。因此，本次选择S村为骨干坝建设工程的项目区。2.1.3项目区概况（1）社会情况本项目涉及静宁县古城镇S村东庄、S、杨庄、上柳、下柳、上高、下高、王龙吉1个乡镇1个行政村的8个自然村，涉及人口271户1282人，劳动力806个，人口密度为250人/km2，人均耕地面积2.7亩。小流域内各自然村人口分布比较集中。（2）经济情况项目区2019年农村各业生产总值1045.34万元，其中：农业产值3；林业产值57.49万元，占5.5％；牧业产值3.7％；副业产值占56.4％；其他产值1.2％。项目区2019年农业人均产值8154元，农民人均纯收入4893元，人均产粮385公斤。（3）基础设施建设情况宋家沟流域内乡镇与行政村由乡村硬化路连通，沿沟道两岸有硬化路连通各自然村，小流域内乡村道路畅通便利，乡村公路、田间道路组成了小流域内发达便捷的交通道路网络。输变电线路遍布小流域各行政村及自然村，实现了村村通电。移动通讯网络覆盖了小流域90％以上的面积范围。各行政村均实施了集中供水工程，实现了户户通自来水。（4）坝址上下游沟道情况S村骨干坝控制沟道范围内上游无现状拦洪坝，工程上游淹没范围内无任何重要设施，新建该坝的目的主要是为了削减洪峰，减轻沟道洪水，保障下游防洪安全；抬高沟道侵蚀基准点，稳定沟坡，减轻沟道侵蚀，减少入宋家沟水库泥沙；淤地造田，增加耕地面积；坝顶兼田间道路，改善山区交通条件，改善农业生产条件；进而促进区域经济社会的发展。工程的新建不会危及下游安全。2.2水文概况2.2.1流域概况S村骨干坝位于宋家沟流域上游，属葫芦河支流渝河一级支流，全流域面积24.1km2，主沟道总长7.9km，宋家沟流域沟口处有宋家沟水库。S村骨干坝坝址以上流域面积4.78km2，坝址以上沟道长2.45km，沟道比降2.7%。项目区为典型的黄土高原黄土丘陵沟壑区，属于半山半川地貌，地势南高东低，上游沟道较狭窄，冲沟发育，为土质河床，山体陡峻。图2-2S村骨干坝沟道图2.2.2水文气象该流域深居内陆，属湿寒半干旱气候，光能丰富、热量不足、四季分明。全年无霜期148天，年平均日照时数2252小时，平均气温6.5摄氏度，年均有效降水量423.6mm，可靠值285mm。最热月为7月，平均气温18.6℃，最冷月1月，平均气温-8℃。土壤主要是黄绵土，全年主导风向为东南风，多出现在春冬季。境内气候条件偏干燥，所以该流域干旱情况严重、冰雹、霜冻等自然灾害经常会发生。2.2.3径流S村骨干坝坝址以上径流主要来源于降水，暴雨是河流的主要补给形式，由于降雨在年内分配不均，且较多的集中在汛期（5月~9月），其年径流的年内变化与降水年内变化基本相同。S缺乏实测径流资料，沟道内有长流水，流量约为0.03m3/s。2.2.4洪水经过计算得到S村骨干坝坝址处20年一遇洪水的洪峰流量为39.00m3/s，洪量为20.79万m3；200年一遇洪水的洪峰流量为105.00m3/s，洪量为64.34万m3。计算设计洪水过程线的方法为《水文手册》中的五点概化法。（1）设计洪峰流量计算暴雨计算根据暴雨等值线图查得本流域最大1h、6h、12h的点暴雨参数，按P-III型曲线求得不同重现期最大1h、6h、12h点雨量，最大3h按公式H3内插求得。宋家沟流域属渭河水系，点面折减系数采用渭河区综合时~面~深关系，流域形状按近似扇形考虑。S村骨干坝控制流域面积4.78km2，根据图集查得不同历时的点面折减系数和流域形态系数，由此求得坝址以上不同重现期各历时面雨量和不同重现期设计暴雨成果见表2-1。表2-1骨干坝区间不同重现期设计暴雨成果表时段(h)1/213624点雨量统计参数均值(mm)17203655CV0.670.650.630.63Cs/Cv3.53.53.53.5点面折减系数0.990.990.990.9910.993流域形态系数（扇形）0.920.920.920.920.91不同重现期（年）设计雨量（mm）20点雨量39.9046.1065.3781.50124.52面雨量36.3441.9959.5774.31112.52200点雨量68.7878.46110.35136.87209.11面雨量62.6571.46100.55124.79188.96产流计算由于淤地坝控制流域面积为4.78km2，按照图集规定，暴雨时程分配选用主雨峰为1小时，计算其综合概化过程。淤地坝上游为黄土丘陵沟壑区，平均入渗f参照黄土区综合关系表计算，由此求得净雨过程成果见表2-2。表2-2骨干坝区间不同重现期净雨过程单位：mm时段雨型(%)20年一遇200年一遇H1/2H1-H1/2H3-H1H6-H3H24-H6面雨量（mm）入渗量f（mm）净雨深（mm）面雨量（mm）入渗量f（mm）净雨深（mm）1234560.114.208.307.064.962.0970.121.778.302.914.9680.152.218.303.644.9690.7310.768.302.4617.694.9612.731030136.348.3028.0462.654.9657.683015.658.308.814.963.85110.6811.958.303.6519.784.9614.82120.325.638.309.314.964.34130.311.468.303.1619.254.9614.29140.249.178.300.8715.404.9610.44150.13.828.306.424.961.45160.166.118.3010.274.965.30170.093.448.305.784.960.81180190200210220230240合计111112.5238.17188.96127.80设计洪水设计洪水采用《甘肃省暴雨与洪水图集》中的推理公式法进行推算。汇流参数m和流域特征参数θ采用黄土区的地区综合关系式推求，公式如下：m=2.5ℎθ=L式中：h为净雨深，单位mm，当净雨深h＞35mm时，h=35mm；L为河长，单位km；J为比降；F为面积，单位km2。洪峰流量Qm和汇流时间τ采用图解法推求。首先假设整时段t，根据净雨过程求出相应的净雨量ht，按公式分别求出不同时段洪峰流量，再根据公式τ=0.278×Lm分加别求出多个τ。点绘Qt～t及Qt～τ关系曲线，两曲线交点之纵横坐标即为所求洪峰流量Qm和汇流时间τ。推理公式法洪峰流量计算解析图详见图2-3~2-4，推理公式法汇流过程计算表2-3。表2-3推理公式法汇流过程计算表序号20年一遇200年一遇Qm~τ关系Qt~t关系Qm~τ关系Qt~t关系QmτQtt(h)QmτQtt(h)12000.74574.50.52500.70153.30.521700.77642.112100.7496.3131400.81423.221700.7857.7241100.86516.531300.8344.135700.96812.741000.8936.546401.114700.9730.657201.325501.05326.568101.575301.19723.479201.3220.858汇流历时τ(h)=1.12汇流历时τ(h)=0.90洪峰流量Qm(m3/s)=39洪峰流量Qm(m3/s)=105图2-320年一遇推理公式法洪峰流量计算解析图图2-4200年一遇推理公式法洪峰流量计算解析图（2）洪水过程线计算主雨峰汇流过程采用五点概化过程线，主雨峰净雨历时等于汇流时间τ，最大净雨深（2-5）相关参数Ka、Kw、KT由黄土区形状特征系数地区关系图查得。按转换公式、、、、、计算各特征点时程及流量。S村骨干坝汇流计算相关参数值见表2-4。表2-4S村骨干坝汇流计算相关参数统计表面积(km2)河长(km)比降(‰)θmKaKwKT4.782.4527.05.520.8110．000.080.10主雨峰前、后过程线采用概化三角形过程，洪峰流量按式（2-6）计算。基潜流部分，首先按黄土区基潜ξ(%)查表，求得ξ(%)值，将该值乘以地表洪峰流量得基潜流峰值。将各时段的净雨形成的过程线按同时序叠加得到洪水过程线见表2-5和表2-6。表2-520年一遇洪水过程计算表时间t（h）h1形成的三角形过程线（m3/s)主雨峰ht形成的五点概化过程h3形成的三角形过程Q表Q基Q潜Q5%Q平均ΔtW(m3/s×h）备注000.000.30.0000.320年一遇洪水总量为20.79万m313.0803.080.30.0013.381.8411.841.940.490.000.490.30.0020.792.090.941.962.12039039.000.30.00239.320.050.183.593.124.102.256.350.30.0036.6522.981.0023.033.244.042.526.560.30.0036.866.760.120.795.123.1903.190.30.0053.55.181.889.7412.200.000.30.0120.311.9057.0813.49230.300.30.30510.83.29合计57.74表2-6200年一遇洪水过程计算表时间t（h）h1形成的三角形过程线（m3/s)主雨峰ht形成的五点概化过程h3形成的三角形过程Q表Q基Q潜Q0.5%Q平均ΔtW(m3/s×h）备注000.000.30.000.3200年一遇洪水总量为64.34万m3213.58013.580.30.0413.927.11214.222.762.170.002.170.30.052.538.230.766.222.901050105.00.30.06105.3653.950.147.773.7111.0312.4523.470.30.0723.8564.610.8152.043.810.8813.9124.790.30.0725.1624.510.092.3210.90.1500.150.30.210.6612.917.191.6611.000.000.30.210.510.5850.10.06220.300.30.405114.46合计178.74经计算，S村骨干坝洪水计算成果见下表。表2-7S村骨干坝洪水计算成果表20年一遇200年一遇洪峰（m3/s)洪量(万m3)汇流时间（h）洪峰（m3/s)洪量(万m3)汇流时间（h）39.020.791.12105.064.340.92.2.5泥沙从流域内水土保持治理发展过程看，目前宋家沟流域的治理已经达到一个比较好的水平，参考当地水文资料及宋家沟水库资料，流域多年平均土壤侵蚀模数5500t/km2*a，坝控面积为4.78km2，坝控流域内年均土壤侵蚀量为2.63万t。2.3工程地质2.3.1区域地质概况本区位于地处静宁县东部，属于黄土梁峁沟壑区地貌。区内区内地势南高北低，沟谷密布，地形连绵起伏，黄土梁、黄土峁、沟壑交错分布。工程区地处贺兰经向褶皱带和鄂尔多斯地台的交汇部位，为相对稳定的区域，长期处于下沉状态。本区断裂不发育，地震活动较弱，据地震记载，自公元前780年以来发生5～5.5级地震共5次，其余地震均小于5级，对工程场区影响较弱。工程场区为构造较稳定区。根据《中国地震动峰值参数区划图》可知，工程地区相应的地震基本烈度为Ⅷ度。2.3.2坝区工程地质条件S村骨干坝位于宋家沟中上游，区内黄土地貌形态发育，为典型的黄土梁峁沟壑区。两岸地形坡度35°～65°。坝址处河谷为对称性较差的“V”型谷。坝区地层组成相对不复杂，主要为第四系松散堆积层（Q），没有出露的基岩。坝区地层岩性从老至新分述如下：（1）下更新统午城黄土（Q1eol）：主要分布在坝基及左右坝肩，是坝区的主要地层。为褐黄色重粉质壤土，局部为褐红色粉质粘土，含有少量钙质结核，呈坚硬～硬塑状。揭露最大厚度26.0m。（2）中更新统离石黄土（Q2eol）：分布于下更新统午城黄土之上，在坝区的出露高程左坝肩为1160.4m；右坝肩为1164.4m。离石黄土为褐黄色重～中粉质壤土，含少量钙质结核，呈坚硬～硬塑状。该层底部分布有0.5～2.0m厚的砂砾石夹壤土层。（3）洪积层（Q4pl）：分布于淤地坝上游左岸，主要由褐黄色～灰色重粉质壤土组成，局部见有薄层粉质粘土，可塑状。厚度3m～5m。（4）坡积层（Q4dl）：分布于淤地坝上游左岸，主要由褐黄色粉质壤土组成，可塑状，较疏松。厚度为3～5m。2.3.3坝基（坝肩）工程地质条件及评价S村骨干坝坝基、右坝肩地层为下更新统午城黄土（Q1eol），岩性为褐黄～褐红色重粉质壤土。根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2006）附录T初步判断得到结果，可以认为下更新统午城黄土（Q1eol）不具有湿陷性。2.3.4溢洪道工程地质条件及评价溢洪道位于淤地坝右岸下更新统午城黄土（Q1eol）之上，右侧紧靠谷坡。右坝肩边坡长期处于稳定状态，未发现坡面变形、坡缘张裂等失稳迹象。2.3.5放水工程工程地质评价放水工程位于淤地坝右岸下更新统午城黄土（Q1eol）之上，右侧紧靠谷坡。右坝肩边坡长期处于稳定状态，未发现坡面变形、坡缘张裂等失稳迹象。2.3.6天然建筑材料（1）土料根据S村骨干坝工程初步设计，坝体土方开挖总量为0.36万m3，土方回填总量为5.93万m3，优先选用坝体开挖土作为回填土是最为经济、合理的方案。根据道路，坝体、溢洪道等土方平衡计算，其余的4.49万m3回填土则需在左坝肩斜坡地带设置料场取土。左坝肩地层为第四系中更新统离石黄土（Q2eol），土层厚而稳定，结构简单，为褐黄色中粉质壤土。土料的各方面的性能均符合规范的要求。（2）混凝土粗、细骨料及石料混凝土粗细骨料拟采用外购，本地区各类建筑所需砂石料主要取自静宁县砂石料场。静宁县砂石料场距坝区约26km，砂石料场砂石储量较大，质量良好，可以满足本工程需求。2.3.7结论及建议（1）工程区地处贺兰经向褶皱带和鄂尔多斯地台的交汇部位，在大地构造上隶属祁吕贺兰“山”字型构造的贺兰褶皱带东侧的伊陕盾地。该区为一相对稳定的区域，长期处于下沉状态。根据《中国地震动峰值参数区划图》（GB18306—2001）工程地区相应地震基本烈度为Ⅶ度。（2）坝基、坝肩地层的土壤构造为下更新统午城黄土（Q1eol）和中更新统离石黄土（Q2eol）构成。坝区的地质构造简单，没有断层通过。（3）坝区地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水，受大气降水补给，向下游和低洼处排泄。（4）溢洪道基础土体为下更新统午城黄土（Q1eol），溢洪道右侧紧靠谷坡，目前坡体稳定，未发现失稳迹象。（5）以坝体开挖土作为主要回填土，不足部分在左坝肩斜坡地带设土料场，取第四系中更新统离石黄土（Q2eol），其质量满足回填土要求。S村骨干坝土样各项力学性能试验结果分析表，参照静宁县花果山水库相关资料。表2-8S村骨干坝土样土性物理性质试验结果土样编号取土深度m含水率%湿重度kN/m3干重度kN/m3饱和重度kN/m3孔隙比饱和度%孔隙率%液限%塑限%塑性指数液性指数1#3.513.217.115.319.60.78845.344.127.919.58.4-0.772#3.514.817.615.319.60.79051.144.127.419.38.1-0.553#3.518.418.015.319.60.79264.344.229.120.28.9-0.174#3.514.518.315.820.00.72354.741.927.118.58.7-0.455#3.516.219.216.120.10.66568.639.928.719.98.8-0.366#3.517.817.614.619.30.82258.845.129.120.68.5-0.33表2-9S村骨干坝土样力学性质试验结果土样编号固结不排水三轴剪切抗剪强度渗透系数（cm/s）饱和状态总应力指标有效应力指标垂直渗透水平渗透C(kPa)j(度)C¢(kPa)j¢(度)1#818.8526.65.76×10-51.23×10-42#521.4333.51.19×10-41.07×10-43#2116.61523.88.57×10-58.90×10-54#414.6325.68.68×10-53.86×10-55#1521.41526.64.49×10-63.93×10-56#159.61216.51.02×10-47.27×10-5表2-10S村骨干坝取土场土性指标建议值取样位置含水率%湿重度kN/m3干重度kN/m3饱和重度kN/m3固结不排水三轴剪切抗剪强度渗透系数（cm/s）饱和状态总应力指标有效应力指标垂直渗透水平渗透C(kPa)（度）C(kPa)（度）取土场16.117.915.419.81013.21020.79.84×10-51.07×10-43.13×10-55.02×10-5备注第一行，第二行渗透系数分别为大值平均值，小值平均值。表2-11S村骨干坝坝基、坝肩、溢洪道土体物理力学参数建议值地层时代土层代号及岩性粘粒含量天然状态下的基本物理指标土粒比重Gs液限Wl塑限Wp塑性指数Ip固结试验渗透试验直剪试验承载力含水率ω湿密度ρ干密度ρd孔隙比e孔隙率n饱和度Sr液性指数IL压缩系数Av1-2压缩模量Es1-2渗透系数k20饱和快剪凝聚力C摩擦角φ(%)(%)g/cm3g/cm%%%%MPa-1MPa10-5cm/skPa°kPaQ1eol重粉质壤土、粉质粘土27.018.42.101.770.5334.6094-0.082.7136.819.317.50.17511.550.1238.0222202.4工程总体布置及主要建筑物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：S村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右岸。坝体填筑料采用坝址附近就近取材，施工完绿植恢复。项目坝址处均有简易道路到达，施工交通条件良好。2.5电气设计本工程主沟道两侧遍布输变电线路，实现了村村通电。因此，根据S村骨干坝的运行条件，本次设计在本工程枢纽区暂不考虑永久用电设施，施工期用电可用电缆从S村10kV变压器临时引入。第3章工程布置及主要建筑物的设计3.1设计标准3.1.1工程等别、主要建筑物级别S村骨干坝现状总库容为73.17万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。3.1.2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。3.1.3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。3.2设计依据3.2.1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。3.2.2技术规范1、《水土保持综合治理技术规范沟壑治理技术》GB/T16453.3－2008；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》SL73.6—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；3.2.3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）；3.2.4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》3.3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。3.4坝体设计3.4.1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=Δ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)1176100.001.442176210.122.243176320.323.574176430.625.405176541.067.736176651.6610.577176762.4613.448176873.4716.859176984.7421.0910177096.31252532.091217721110.5637.071317731213.2042.121417741316.1947.661517751419.5753.671617761523.3660.151717771627.5666.781817781732.1270.961917791837.0376.372017801942.3182.002117812047.9787.862217822154.0896.432317832260.65101.772417842367.66108.342517852475.11115.132617862583.02122.142717872691.48131.8828178827100.51138.9629178928110.03146.4830179029120.06154.41图3-1坝高~库容、坝高~面积曲线3.4.2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）11779.430.0021780.003.3931781.0015.5141782.0032.4951783.0053.1961784.0077.0471785.00103.67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20010563.34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)0.000.001779.4339.450.0039.450.0513.001780.5139.579.526.504.760.1239.570.1026.001780.5839.9210.4019.509.960.3539.920.1539.001780.7040.5011.8532.5011.120.5940.500.2036.981780.8341.1913.5037.9912.670.6841.190.4028.941781.2843.5620.3332.9616.912.3743.560.8012.871781.8046.5729.1320.9124.733.0146.571.004.821781.8847.0330.406.4429.770.4647.031.120.001781.8947.1430.692.4130.550.1047.24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)0.000.001779.4339.450.0039.450.0535.001780.5539.7710.0217.505.010.3139.670.1070.001780.7440.7112.3552.5011.180.9540.420.15105.001781.0542.2916.3187.5014.331.5841.740.2098.001781.3844.1122.01101.5019.161.8343.220.4070.001782.3550.1638.4784.0030.246.0547.090.8014.001783.1456.2156.0542.0047.266.0546.331.000.001783.2056.7157.267.0056.66-3.5842.76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）1781.891783.20相应库容（万m3）53.1561.76滞洪库容（万m3）13.7022.31滞洪坝高（m）2.463.77从上表可以看出，设计洪水位为1781.89m，校核洪水位为1783.20m，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。3.4.3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23.70m，上游坝坡采用1︰2.75，下游坝坡采用1︰2.5。3.4.4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7.3.12，本淤地坝高度为23.70m，反滤体高度取3.0m。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。3.4.5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23.70m，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、W2——γ1、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23.7m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m=2.5，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23.7m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。3.5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。3.5.1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。3.5.2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。3.5.3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。3.5.4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1763.00m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。3.5.5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.3.6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。3.6.2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19.070.010.320.016.588.543.512.632.638.4926.290.050.280.0510.2110.752.210.413.0511.5433.970.080.250.0814.0715.024.280.510.9312.4742.110.120.220.1118.1819.384.360.380.9013.3650.900.150.190.1422.5423.994.610.320.7114.0760.170.180.160.1727.2428.944.960.290.6114.6869.930.210.130.2032.2034.155.210.260.5415.2280.230.240.100.2337.4339.635.480.230.4915.71根据计算求侧墙高度：Δℎ即侧墙高度取3.49m。5.9.2消力池计算根据《溢洪道设计规范》（SL253－2018）附录A.6底流消能、《水闸设计规范》（SL265－2016）附录B.1～B.3计算方法，计算公式为：（1）自由水跃共扼