水土保持工程學淤地壩設計

1、資源環(huán)境學院水土保持工程學 淤地壩工程設計 班級：水保102姓名：馬正良學號：2010011508 目 錄第一章 概況 第一節(jié) 基本情況 第二節(jié) 興建該工程的目的和作用 第二章 水文計算第三章 工程設計 第一節(jié) 樞紐組成 第二節(jié) 土壩設計 一.壩高計算 二.大壩設計 1.壩型選擇 2.壩頂寬度 3.壩坡 4.排水溝 5.結合槽 6.壩基和岸坡處理 7.護坡 8.壩體排水 9.大壩穩(wěn)定性分析第三節(jié) 淤地壩溢洪道設計 一.位置選擇 二.布置形式 三.水利計算 1.溢流堰尺寸計算 2.陡坡段尺寸計算 2.1計算臨界水深 2.2計算臨界底坡 2.3按陡坡計算用試算法計算正常水深 2.4計算陡坡長度 2

2、.5計算水面曲線 2.6確定陡坡側墻高度 3.出口段尺寸計算 4.陡坡段和出口段的厚度計算 第四節(jié) 放水建筑物設計 一.臥管設計 1.放水孔孔徑的計算 2.臥管結構尺寸的確定 3.臥管末端消力池斷面尺寸確定 3.1判斷是否需要設消力池 3.2消力池斷面尺寸確定 4.消力池結構尺寸確定二.蓋板厚度計算 三.涵洞設計 1.涵洞內水深計算 2.涵洞斷面尺寸確定 3.涵洞結構尺寸確定 四.涵洞出口消能段設計 1.明渠段水力計算 2.涵洞出口明渠段結構尺寸確定 3.明渠末端消力池設計 3.1判斷是否需要設消力池 3.2消力池斷面尺寸計算 3.3消力池結構尺寸確定第一章 概況 第一節(jié) 基本情況 1.壩址以

3、上集水面積5km2; 2.經(jīng)勘測計算，求得壩高H與庫容V、淤地面積A的關系見圖； 3.流域年侵蝕模數(shù)K=10000t/ km2,20年一遇設計洪水流量Q20=105 m3 /s，洪水總量W洪10萬m3,200年一遇設計洪水流量Q200=180 m3 /s，洪水總量W洪17萬m3； 4.溝道無常流水； 5.壩址附近有充足的筑壩土料，土壤內摩擦角20°，內聚力c=0.8t/ m2 ; 6.放水洞設計流量Q=0.5 m3 /s 。第二節(jié) 興建該工程的目的和作用 興建該壩的主要目的是攔蓄泥沙，防止水土流失，抬高侵蝕基準點，提高壩系整體的防洪能力，改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，攔泥淤地。 該壩建成10年后

4、，攔蓄泥沙約39萬m3，可新增壩地104畝，治理有顯著的促進作用。第二章 水文計算攔泥庫容計算： V欄= F·K·(1- NS)·T/rS式中：F淤地壩控制的流域面積， km2，取5 km2. K年平均侵蝕模數(shù)K=10000t/ km2. NS壩庫排沙比，此處取為0.rS淤積泥沙的干容重，t/m3,淤積泥取1.3t/m3.Tm3設計淤積年限，N=10年.得出V欄 =38.46萬m3 由H-V曲線查得相應的h攔=20.7m工程設計第一節(jié) 樞紐組成 通過調查壩址處地形、經(jīng)多方案比較,確定中型淤地壩的樞紐組成為大壩，溢洪道和放水建筑物(臥管、涵洞、明渠及消力池)三大件。

5、放水建筑物布置在大壩右岸。壩址附近有足夠的土料，其儲量足以滿足填筑壩體的需要,故壩型選擇為均質碾壓土壩。第二節(jié) 土壩設計 一.壩高計算采用公式：H= h攔+h滯+h安式中：H總壩高，m. h攔攔泥壩高,m. h滯滯洪壩高,m. h安安全超高,m.由壩高庫容曲線逐一進行試算后，確定攔泥壩高： h攔20.7m，相應攔泥高程為820.7m，淤地面積約為98畝，淤地年限約為10年。滯洪壩高確定：查規(guī)范知，設計洪水重現(xiàn)期為20年，校核為200年，庫容為38.46 m3，處于中性淤地壩。據(jù)此20年一遇設計洪水流量Q20=105 m3 /s，洪水總量W洪10萬m3， 確定溢洪道頂坎高程，由于溝道無常流水，故

6、采用頂坎與淤地面同高，即頂坎高程為820.7m。（1）按生產(chǎn)防洪標準確定溢洪道尺寸，采用生產(chǎn)防洪設計洪水標準為20年一遇，相應的庫容為40萬m3，滯洪庫容為7.5萬m3 ，溢洪道泄流量Q泄為： Q泄=Q洪（1-V滯/W洪） Q泄MBh滯3/2 由第一步推算的步驟如下： 先假設一個h滯，查壩高庫容關系曲線，得一V滯,再由MBh滯3/2Q洪（1-V滯/W洪），得到一個B，多次假設 ，得合理B。這樣就得到了合理的（h滯，B)。h滯2.5m時，B=6.57mh滯2.6m時，B=5.73mh滯2.7m時，B=5.41m根據(jù)經(jīng)濟分析技術比較最終得出h滯2.6m，B=5.73m。 （2）按工程安全防洪標準確

7、定溢洪道尺寸進行校核200年一遇設計洪水流量Q200=180 m3 /s，洪水總量W洪17萬m3，設滯洪壩高h滯=2.6m,則由H-V曲線查得相應的V滯=6.24萬m3洪道尺寸，此時溢洪道設計洪水標準為200年一遇時： 溢洪道泄流量： Q泄=Q洪（1-V滯/W洪） Q泄MBh滯3/2 由上面兩個式子得到MBh滯3/2Q洪（1-V滯/W洪） M 流量系數(shù)，取1.6，h滯2.6m時，B=5.73m，得出V滯13.36 m3量則壩體體積V= V滯+V攔=3.36+38.46=52.82m3，由H-V曲線查得相應的H絕=825.8m。所以壩體高度H= h攔+h滯+h安=25.8m+1.7m=27.5m

8、由于200年一遇洪水需要的壩體高度27.5m大于20年一遇洪水的壩體高度25m，故壩體高度H=27.5m取最大壩高為27.5m,相應壩頂高程為827.5m,溝底高程為800m。二.大壩設計1.筑壩土料豐富，故選用均質土壩筑壩土料設計，用碾壓法筑壩，筑壩土其有機質含量小于2%，水溶鹽含量小于5%，需滿足碾壓土壩對土質的要求。施工時土料的最優(yōu)含水量應控制在12%-15%。壩體干容重不應小于1.55t/m3，取1.6 t/m32.壩頂寬度 設壩頂有交通要求，查規(guī)范 ,壩頂寬度B=5m。3.壩坡 因壩高27.5m，查規(guī)范,取在下游12m處設馬道,上游馬道以上坡比1:2.25,馬道以下坡比1:1.75；

9、下游馬道以上坡比為1:2.2,馬道以下坡比為1:1.7。馬道寬1.5m。4.排水溝 為防止暴雨沖刷壩面，在壩體與岸坡結合處設縱向排水溝，將壩面流水送出壩腳以外。排水溝為矩形斷面，尺寸為30 × 30cm（深× 寬），邊墻、底板厚均為20cm，用M5.0水泥砂漿漿砌塊石砌筑,M10水泥砂漿勾縫。5.結合槽 為增加壩體穩(wěn)定性，防止土壩與溝底結合面上透水，沿壩軸線方向從溝底到岸坡開挖一道梯形斷面結合槽。結合槽底寬1.0m，深1m，邊坡比1：1，結合槽用黃土人工回填夯實。6.壩基和岸坡處理 壩體填筑前，必須對壩基和岸坡進行處理，清基范圍應超出壩的坡腳線0.6m，清基平均深度為30c

10、m，凡在清基范圍內的地面表土、亂石、草皮、樹木、腐殖質等均要清除干凈，不得留在壩內做回填土用。與壩體連接的岸坡應開挖成平順的正坡，土質岸坡不陡于1：1.5。7.護坡:在土壩上游淤面以上及下游壩坡設置草皮護坡,種植檸條,防止雨水沖刷。8.壩體排水：選用棱式反濾體排水，反濾體高度為壩高的1/5,即高度為5.6m。第三節(jié) 淤地壩溢洪道設計 一.位置選擇 溢洪道是淤地壩中最主要的建筑物之一，根據(jù)對地形圖的分析，溝道的右岸坡度較陡，左岸坡度較緩，地形較平緩故選擇在溝道的左岸，同時溢洪道的進口布設在距壩端10m以外處，出口布設壩坡坡腳線20-50m以外處。 二.布置形式 根據(jù)此流域的集水面積，及泄流量情況

11、，采用堰流式溢洪道，用漿砌石建造。根據(jù)地形及工程量大小選用陡坡正堰式溢洪道，由進口段，陡坡段，出口段三部分組成。 三.水力計算1. 溢流堰尺寸計算 此處采用寬頂堰采用Q=MBH03/2計算由于溢洪道堰頂與淤地面齊平故Q=Q泄=38.47m3,H=2.6m,B=5.73m,M=1.62. 陡坡段尺寸計算 （1）計算臨界水深 我們采用的溢洪道斷面為矩形，則臨界水深為： =其中， 臨界水深，m. 流速分布不均勻系數(shù)，取1.0. q 單寬流量，m3/(s·m),q= Q泄/B. Q泄 溢洪道設計流量，m3/s. B 溢洪道寬，m. G 重力加速度，m/s，取9.81. 單寬流量q= Q泄/B

12、=38.47/5.73=6.71 m3/(s·m). 臨界水深 =1.65m.(2) 計算臨界底坡 其中， 臨界水深時的面積. 臨界水深時的水力半徑. 臨界水深時的水力半徑. WK=BHK=9.45m2 =1.05m =48.8m 代入計算得 =0.0067L=(P2+X2)1/2=(352+20.72)1/2=40.96mi=P/L=20.7/40.96=0.5其中， 總落差，m. 陡坡長度，m. 底坡比降.因為>,則坡度水流為急流，按陡坡計算。（3） 按陡坡計算用試算法計算正常水深 由 Q加=C 經(jīng)試算得正常水深為h0=0.44m.根據(jù)斷面的能量方程計算得正常水深h0=0.

13、44m對應的流速為22.13m/s。（5）計算水面曲線=() 溢洪道陡坡段相鄰兩過水斷面的水深，m. 底坡比降. 溢洪道陡坡段相鄰兩過水斷面水力坡度的平均值 ,溢洪道陡坡段相鄰兩過水斷面的水深，m ,溢洪道陡坡段相鄰兩過水斷面的平均流速，m/s ,相鄰兩過水斷面動能修正系數(shù)，取1.0經(jīng)計算得： =52.43 =1.33=42.74 =0.39=0.17 =62.13m由于距離較近,為了計算簡便期間 ,我們只選擇兩個斷面,求出的水面曲線長度=62.13m,=以溢洪道陡坡段末端水深h0為躍前水深試算出的躍后水深= 4.34m，以均勻流算出的尾渠水深0.98m 。>h尾，發(fā)生遠趨式水躍故需要修

14、建消力池。 （6）確定陡坡側墻高度考慮到陡坡流速較大，參氣會使水深增加，故邊墻高度H: H=h+hb+h h未摻氣時陡坡中的水深，m hb摻氣時的水深增加值，可按下式計算： 流速V=22.13m/s,大于20m/s故得hb=0.24mh安全加高，可取0.5m H=h+hB+h 1.18m3.出口段尺寸計算根據(jù)地形圖，土質及水流特點選擇底流式消能對于此淤地壩我們選用經(jīng)驗公式計算消力池的深度和長度 S=1.25(-)其中，以溢洪道陡坡段末端水深為躍前水深計算出的躍后水深，m. 尾渠水深，為假定值2m. = 代入數(shù)字得=4.34mS=1.25(-)=1.25×（4.34-2.00）=2.9

15、2m消力池長度計算： 得 L=18.84m4.陡坡段和出口段的厚度計算 對于土基上的陡槽底板，在底板下鋪設一層厚約0.10.2 m的碎石、砂卵石墊層，防凍 底板下還應設置縱橫向排水溝 ，防揚壓力 陡槽中流速較大，高速水流易使底板產(chǎn)生震動 ，對底板的厚度進行較核： =0.03aV (m) 要求底板的厚度 計算得底板厚度=0.4m。 漿砌塊石修筑，池底厚0.3m, 池前端設置齒墻，深0.51.0m， 厚0.30.5m，底板下設反濾排水孔，側墻構造同于陡槽，底板厚為可靠起見，可用下式校核： KVc h收縮斷面處水深，可取躍前水深； Vc收縮斷面處流速； K系數(shù)，Kc=0.03+0.17sin; 陡槽

16、未端射流與水平面夾角;計算得消力池底板厚度=0.87m 。第四節(jié) 放水建筑物設計 放水建筑物由放水臥管和輸水涵洞及出口明渠段三部分組成。放水臥管布設在大壩上游右岸的地基上，涵洞及出口明渠段布設在大壩右側底部的土地基上。一.臥管設計 臥管采用箱式方形結構，底坡為0.48:1，用M7.5水泥砂漿漿砌塊石砌筑成臺階式。臥管臺階高0.5m，蓋板采用C20鋼筋混凝土預制板。 1.放水孔孔徑的計算 臥管臺階高為0.5m，每臺設放水孔，每臺設一孔，按每次放水同時開啟2孔計算，放水孔孔徑為=1/4式中：d放水孔孔徑（m）. H1、 H2分別為第1、2孔的作用水頭（m）， H1=0.5m, H2=1m， Q放放

17、水流量（m3/s），Q放=0.5m3/s . 考慮在實際運用中，由于水位變化而導致的放水孔調節(jié)，臥管內流量比正常運用時應加大20%30%，故臥管斷面設計時要按加大流量計算，取Q加=1.2× Q放=1.2×0.5=0.6m3/s.計算得d=0.32m 臥管內的水流近似于明渠水流,按明渠均勻流公式進行水力計算,求出正常水深。為了方便維修擬定臥管底寬b=1.0m 。采用公式： Q加=C 式中：Q加臥管過水流量（m3/s），Q加= 0.6m3/s b臥管斷面底寬（m）,b=1.0m 過水斷面面積（m2）=b×h0=h0 C謝才系數(shù)，C=（1/n）R1/6 R水力半徑，R=

18、/X，X濕周，X=1+2h0 n糙率，n=0.025 i臥管底坡，i=0.5 將以上有關數(shù)值代入公式，經(jīng)試算得臥管正常水深為：h0=0.11m 。為保證放水孔水流跌落臥管時水柱的躍高不致淹沒進水孔底緣,使臥管內不形成壓力流,對方形臥管,其高度應為臥管正常水深的34倍，則臥管斷面高為：H=4×0.11m=0.44m。臥管斷面尺寸確定為（寬×高）1.0×0.44=0.44m 2.臥管結構尺寸確定查規(guī)范，取側墻頂寬0.3m,底寬0.5m,基礎外伸長0.10m,基礎厚0.4m,蓋板搭接長度0.15m。臥管軸線與涵洞軸線夾角為90度,臥管斜長75.23m，沿底板每隔10m設

19、一道斷面為0.5m×0.5m的齒墻,共7道,以增加其穩(wěn)定性。臥管總高度23.5m，共48臺，49塊蓋板。為防止臥管放水時產(chǎn)生真空，在臥管頂部設通氣孔，通氣孔高程835.8m,末端高程782.3m,最低放水孔高程780.5m。 3.臥管末端消力池斷面尺寸確定為使水流平順進入涵洞，在臥管末端與涵洞連接處設消力池。消力池為矩形斷面，用M7.5水泥砂漿漿砌塊石砌筑,蓋板采用C20鋼筋混凝土預制板。 3.1.判斷是否需要設消力池采用公式：式中：q單寬流量，q=0.6÷1.0=0.6m3/s.m. h2第二共軛水深,m. h0臥管正常水深（m），h0=0.11m. a流速不均勻系數(shù)，取

20、a=1.0. g重力加速度（m/s2），g=9.81m/s2.將以上有關數(shù)值代入公式計算得 h2=0.11÷2×(18×1.0×0.62÷9.81÷0.113)0.51 =0.84m下游涵洞正常水深hs=0.44m,h2>hS,故發(fā)生遠離式水躍,需設消力池。 3.2消力池斷面尺寸確定池深計算采用公式：d=（h2-hs）式中：d消力池深,m. 淹沒安全系數(shù),=1.25. h2消力池的躍后水深，m,h2=0.84m. hs緊接消力池出口的下游水深m，hs=0.44m.將以上有關數(shù)值代入公式計算得: d=1.25×(0.84

21、-0.44)=0.40m取池深D=0.7m。池長計算采用公式:LK=(39)h2=9×0.84=7.56池寬計算采用公式:B=b+0.4=1.0+0.4=1.4m取池寬B=1.4m消力池斷面尺寸確定為:長×寬×深=7.56m×1.4m×0.7m=7.41m3經(jīng)檢驗合理 4.消力池結構尺寸確定 查省規(guī)范表D8，確定消力池結構尺寸為：側墻頂寬0.65m,底寬1.4m,基礎外伸長0.2m,基礎厚0.5m,蓋板搭接長度0.3m。消力池底高程為m,蓋板頂高程為m。二.蓋板厚度計算 為了方便應用起見:我們查鋼筋混凝土蓋板厚度表 取蓋板上部淤泥厚為25m，凈

22、跨為0.8m時所對應的蓋板厚度為35cm,鋼筋面積為8.7cm2 。用此尺寸購買或現(xiàn)澆即可。三.涵洞設計根據(jù)地形條件，涵洞布置在左岸高程為838.4m的紅粘土地基上，采用漿砌石拱涵，用M7.5水泥砂漿漿砌塊石砌筑，M10水泥砂漿勾縫。涵洞底坡為1/100，進口與陡坡末端消力池連接，出口與消能段連接。涵洞與臥管消力池夾角為125度。 1.涵洞內水深計算采用明渠均勻流公式： Q=C式中：Q涵洞內過水流量（m3/s）,Q=Q加=0.6(m3/s). 過水斷面面積（m2），=b×h=1.0×h. b涵洞底寬（m），取b=1.0m.C謝才系數(shù)，C=（1/n）R1/6. R水力半徑，R

23、=/X，X為濕周，X=1+2h. n糙率，n=0.025. i涵洞底坡，i=1/100. 將以上有關數(shù)值代入公式,經(jīng)試算得涵洞內正常水深為：h=0.41m 涵洞允許最大水深為：h允=0.75h=0.75×1.2=0.9(m)，h允ho，故涵洞內不會出現(xiàn)有壓流。2.涵洞斷面尺寸確定 涵洞采用等截面半圓拱形式。根據(jù)涵洞水深計算結果，考慮到檢修方便，取涵洞底寬0.8m，高1.2m，拱圈內半徑0.4m。3.涵洞結構尺寸確定 涵洞基礎厚0.5m，拱圈厚0.4m，墩高0.8m，起拱面寬0.5m，基礎外伸長0.1m，基礎寬0.85m，基礎厚0.5m。 涵洞全長200m，進口高程為m，出口高程為99

24、2.91m。為適應地基不均勻沉降，防止溫度伸縮引起管裂，沿涵洞軸線每隔10m設一道沉陷縫，并與溫度縫結合在一起，共5道。 為防止洞身與壩體結合時，沿管壁產(chǎn)生集中滲流，結合沉陷縫設截流環(huán)。截流環(huán)頂厚0.62m，底厚1m，四周均凸出洞壁 0.5m。沉陷縫寬2cm，用瀝青麻刀回填。涵洞洞身用粘土做1m厚的涵衣，人工夯實，干容重達到1.6T/m2以上。四.涵洞出口消能段設計 涵洞出口建筑物由陡坡明渠段及消力池組成。明渠段水平段長18.6m，底坡1:5，進口高程782.3m，出口高程750.3.2m。明渠段采用矩形斷面，底寬1.0m，用M7.5水泥砂漿塊石砌筑，M10水泥砂漿勾縫。在明渠段中部底板增設一道寬深各為0.5m的齒墻。 1.明渠段水力計算XX界水深計算采用公式：式中：hkXX界水深,m 系數(shù)，=1.0. q單寬流量，q=0.6/1.00.60m3/s.m.g重力加速度，g=9.81m/s2.將以上有關數(shù)值代入公式計算得：hk（1.0×0.62/9.81）1/3=0.33m 。 正常水深計算采用明渠均勻流公式：Q=·C· 式中已知Q=0.6m3/s，i=1/100 n=0.025, b=0.8m將以上有關數(shù)據(jù)代入公式，經(jīng)試算得水深ho=0.41m。 2.涵洞出口明渠段結構尺寸確