淤地壩設計2016

1、淤地壩設計一、 已知基本資料1. 流域溝道壩址地形圖一張（1/1000）；2. 壩址以上集水面積 5km;3. 經(jīng)勘測計算求得壩高H與庫容V、淤地面積A的關系總圖；4. 流域年侵蝕模數(shù)K=10000t/km2，20年一遇設計洪水量Q20=105m3/s，洪水總量 W洪=10萬m3,200年一遇洪水量Q200=180m3/s，洪水總量W洪=17萬m3。5. 溝道無常流水。6. 壩址附近有充足的筑壩土料，土料內(nèi)摩擦角ø=20º，內(nèi)聚力c=0.8t/m2。7. 放水洞設計流量Q=0.5m³/s。二、 設計內(nèi)容（一） 壩址選擇壩址選擇在很大程度上取決于地形和地質(zhì)條件，主要

2、考慮以下四個方面的內(nèi)容：1、 地形：壩址要選擇在溝谷狹窄、地形上游開闊平坦、口小肚大的葫蘆狀地形處，這樣筑壩工程量小、庫容大、淤地面積大。此外，還要有宜于開挖溢洪道的地形和地質(zhì)條件，例如有馬鞍形巖石山坳或有紅粘土山坡。2、 地質(zhì)：應選擇土質(zhì)堅實、地質(zhì)結(jié)構(gòu)均一、兩岸無滑坡和崩塌的地段筑壩，且地基無淤泥、泥沙和地下水出沒。3、 筑壩材料：壩址附近有足夠且良好的筑壩土料、砂石料，開采和運輸方便。水墜法筑壩須有足夠水源和一定高度的土料場。4、 其他：用碾壓法施工的大型淤地壩，要考慮土料運輸機械的操作之便，要求壩址處地形較為開闊平坦。綜合上述，再結(jié)合壩址地形圖看，本設計將壩址選擇在壩址地圖上標注的“壩軸

3、線2”處。（二） 淤地壩水文計算1、 攔泥庫容V攔和攔泥壩高H攔的計算：V攔=F·K·(1-ns) ·T/S式中： V攔攔泥庫容，萬立方米； F流域面積，5平方公里； K流域年平均侵蝕模數(shù)，1萬t/(km2.a)； ns壩庫排沙比，無溢洪道時取為0，有溢洪道時可稍大，但由安全性方面考慮，本設計取為0；T設計淤積年限，初設T=5a；S淤積泥沙的干容重，取1.30t/m3。則V攔=5×10000×5÷1.3=19.23萬m3根據(jù)H-V關系曲線，查得相應壩高海拔為811m，則可計算出H攔=13.1m；再由H-A關系曲線查得攔泥淤地面積為45

4、畝。2、 滯洪庫容V滯和滯洪壩高H滯：由于本設計為三大件，即由壩體、溢洪道、放水建筑物組成的樞紐工程，所以滯洪庫容要經(jīng)過調(diào)洪演算后方可確定。調(diào)洪演算（試算法）：（1）、初設取H滯為2.0m，由H-V關系曲線查得相應的V滯=6.77萬m3，則溢洪道設計泄流量Q泄可按下式計算：Q泄=Q洪（1-V滯/W洪）式中： Q泄20年一遇的洪峰流量，105m3/s； V滯設計滯洪庫容，5萬m3； W洪20年一遇的洪水總量，10萬m3。則 Q泄=105×（1-6.77/10）=33.915 m3/s根據(jù)下式可求出溢洪道的堰頂凈寬B，即Q泄=MBH3/2式中： Q泄溢洪道設計流量，33.915 m3/s

5、 M流量模數(shù)，取1.6 H滯洪壩高，H滯=2.0m則B= Q泄/(MH3/2)= 33.915/(1.6×2.03/2)=7.49m基于安全考慮，取B=10m。確定安全加高H：在設計滯洪壩高時，安全加高取上限值，由表（1）可知，本設計取H=1.5m表（1） 土壩安全加高值表壩高H（m）1010-2020安全加高H（m）0.5-1.01.0-1.51.5-2.0校核滯洪壩高：根據(jù)公式：Q泄=MBH3/2 可計算溢洪道最大泄流量,上式中：Q泄溢洪道最大泄流量，m3/s；M流量模數(shù)，取1.6；B溢洪道堰頂凈寬，10m；H滯洪壩高與安全加高之和，3.5m。則Q泄=1.6×10

6、15;3.53/2=104.9 m3/s；200年一遇洪水的校核泄流量：Q泄 =Q200(1-V滯/W200) =180×(1-6.77/17) =108.3 m3/sQ泄=104.9 m3/s由上述可知，當H滯=2.0m時，溢洪道最大泄流量小于200年一遇洪水的校核泄流量，故初設H滯=2.0m不符合設計要求。（2）設H滯=2.5m，由H-V關系曲線查得相應的V滯=7.77萬m3。此時溢洪道設計泄流量Q泄=105×（1-7.77÷10）=23.415 m3/s；溢洪道堰頂凈寬B=3.7m,基于安全考慮，取B=8.0m；安全加高如（1）中所述，取H=1.5m。校核滯

7、洪壩高：溢洪道最大可泄流量Q泄=102.4 m3/s200年一遇洪水的校核泄流量Q泄=97.7 m3/sQ泄=102.4 m3/s綜合上述可知，當H滯=2.5m時，溢洪道最大泄流量大于200年一遇洪水校核泄流量，故取H滯=2.5m符合設計要求。此時，溢洪道堰頂凈寬B=8.0m，滯洪庫容V滯=7.77萬m3，安全加高H=1.5m。3、 最大壩高H的確定：H=H攔+H滯+H=13.1+2.5+1.5=17.1 m由壩高H=17.1m，結(jié)合壩址地形圖知，壩頂海拔高度為815m。（三） 土壩設計根據(jù)已知條件可知，溝道無常流水，且附近沒有豐富的可利用水源，但有充足的筑壩土料，所以本設計選擇用碾壓方式筑壩

8、，即壩型為均質(zhì)碾壓土壩。1、 壩頂寬度壩頂寬度根據(jù)壩高及交通要求確定，一般可按筑壩土料控制性指標經(jīng)驗值取值。而對于壩高大于15m的土壩，壩頂最小寬度為4m。本設計取壩頂寬度最小值，即初設壩頂寬度為4m。2、 壩邊坡及壩坡馬道（1）、對于壩高大于1015m的土壩，考慮到施工行人、交通、堆放材料、機件方便和壩坡排水，常在壩高中部設11.5m寬的橫向水平通道，即馬道。本設計初設在壩高9.1m，即海拔804m處設一寬為1.5m的馬道。（2）壩邊坡陡緩對其穩(wěn)定性影響極大，根據(jù)各方因素考慮，并參考經(jīng)驗值，初設上游坡比為1:2.0，下游坡比馬道以下為1:1.5、以上為1:1.2。表（2）壩坡坡比與坡角值表壩

9、坡坡比1:11:1.21:1.51:2壩坡坡角45°39.8º33°4026°34（3）根據(jù)所選擇的破率進行壩坡穩(wěn)定性分析，校核下游邊坡：由安全因素考慮，假設馬道上部的土體存在，取安全系數(shù)K為1.1。則 Ck=CK=0.81.1=0.72 Øk= øK=20°1.1=18.18° Nk=Ckh=0.72(1.3×17.1)=0.034式中： Ck安全系數(shù)K為1.1時的土壤內(nèi)聚力 C土壤內(nèi)聚力，0.8t/m3 Øk安全系數(shù)K=1.1時的土壤內(nèi)摩擦角 ø土壤內(nèi)摩擦角，20° Nk

10、安全系數(shù)K=1.1時的土坡穩(wěn)定因素根據(jù)øk、øk，可由水土保持工程學中相關圖表查得ø=34°，大于本設計中下游邊坡坡角33°40，所以取下游邊坡坡比為1:1.5符合穩(wěn)定性要求。3、 大壩最大鋪底寬度計算壩底溝床的最大鋪底寬度可按下式計算：Bm=b+m1H+m2H1+m3H3+ b式中：Bm土壩最大鋪底寬度，m；b壩頂寬，4m；m1上游坡比；m2下游馬道以下坡比；m3下游馬道以上坡比；H最大壩高，17.1m；H1馬道以下壩高，9.1m；H2馬道以上壩高，8m；b馬道寬度，1.5m。則Bm=4+2×17.1+1.5×9.1+1.

11、2×8+1.5=62.95m4、 排水體的設計為了在排水的同時降低浸潤線，本設計采用棱式反濾體。其梯形斷面尺寸如下：上底寬為2m，邊坡為1:1，外層粗砂厚0.3m，內(nèi)層小礫石厚0.3m，高為4m。采用卵石填充，用干砌塊石砌護暴露于空氣中的坡面。5、 土壩的滲透計算土壩滲透計算的目的是為了確定土壩中浸潤線的位置。均質(zhì)土壩由于上下游水位差的作用，上游的水就會通過壩體和壩基土粒的孔隙向下游滲透。在滲透過程中受阻力作用，滲透水流不斷損失能量，使水頭不斷降低，形成一條逐漸下降的曲線，直至下游排水體。滲流在壩身中形成的自由水面，叫做浸潤面；它在壩橫斷面上形成的一條拋物線叫做浸潤線。為簡化計算，假

12、設本設計壩址處地基為不透水地基，又加之已知壩下游無水且設有排水體，故土壩的滲透計算可按以下步驟進行：圖（1）有堆石排水體、下游無水情況滲流計算圖本設計堆石排水體上游邊坡為1，則單位壩長的滲流量可近似地按下式計算：qk=（L2+H2）1/2 L浸潤線在排水體上游壩址上的出逸高度a1 按下式計算：a1 =q2k(1+m2)浸潤線在排水體上游壩腳處的高度a0查水土保持學相關圖表得a0=3.9m，然后可按下式計算q：qk=H2 a02 2L=0.19壩體浸潤線的位置按下式確定：hx =a02 +2qxk1/26、 壩坡保護措施設計在上游淤積面以上和下游壩面上設置砌石，在下游壩面上布置三條寬50cm的縱

13、向排水溝，以防止暴雨徑流沖刷。7、 結(jié)合槽設計在壩底部為防滲截水，增加壩體穩(wěn)定性設置底寬為1m、高為1m、邊坡為1:1的梯形結(jié)合槽。（四） 溢洪道設計1、 溢洪道的布設溢洪道布設原則及其基本要求是：工程量小要盡量利用天然的有利地形，將溢洪道建在壩端附近“馬鞍形”地形的凹地處，或地形較平緩的山坡處，這樣可減少開挖土石方量，降低工程投資，縮短工期。地質(zhì)良好溢洪道應選在土質(zhì)堅硬、無滑坡塌方或非破碎巖基上。泄洪安全溢洪道進口應布設在距壩端至少10m以外，出口布設在距壩坡坡腳20-30m以外。溢洪道盡可能不與放水建筑物放在同一側(cè)，以免水流相互干擾，影響放水建筑物的安全。水力條件良好溢洪道軸線應布設為直線

14、，若因地形、地質(zhì)條件不允許而布置成曲線，轉(zhuǎn)彎半徑應不小于渠道水面寬度的5倍，并應在凹岸做好砌護工作。由以上原則結(jié)合地形圖，本設計將溢洪道設置在壩體左端距壩端10m以外的緩坡上。且，本設計所設置的溢洪道形式為溢流堰式溢洪道。2、水力計算土基上的明渠溢洪道多為梯形斷面，邊坡視土質(zhì)不同常采用1:11:1.5，縱坡可用1/501/100。由前面調(diào)洪演算確定溢洪道堰頂凈寬B為8m。1） 進口段進口段由引水渠、進口漸變段和溢流壩組成。引水渠引水渠的作用是將壩和庫內(nèi)的洪水平順地引送到溢洪道。它一般與壩地內(nèi)的排洪渠相連，其斷面為梯形，斷面尺寸用試算法確定。其長度不超過2030m。因為本設計壩址處全為土質(zhì)坡地，

15、故引水渠采用梯形明渠，用混凝土襯砌。其梯形渠道斷面邊坡根據(jù)經(jīng)驗取2。將引水渠水流按明渠均勻流處理，則根據(jù)梯形最佳寬深比公式可計算得到寬深比：=b/h=2 1+（1+m2）1/2-m 式中：最佳寬深比；b梯形斷面底寬，m；h水流深度，m；m梯形渠道邊坡，為2。則由計算可得=b/h3 擬取 b=3h=6m，h=2m根據(jù)下式校核梯形引水渠：Q=AC（Ri）1/2式中：Q渠道可過流量，m3/s；A渠道斷面面積，可用式A=b(b+mh)h計算得A=120m2；C流速系數(shù)，（C=1n·R1/6=1n·（A）1/6，式中n粗糙度，當表面為水泥抹面、砌石時查相關水力書籍得n=0.02；濕周

16、，m。）；R水力半徑i水力坡度，本設計取0.01。則Q=AC（Ri）1/2=A×1/n×R1/6（Ri）1/2=31.3 m3/s由于梯形斷面過水流量Q=31.3 m3/s大于溢洪道設計泄流量Q泄=23.415 m3/s，所以可知設計溢洪道引水渠尺寸可取，即底寬b為6m,長度為10m,邊墻厚0.5m,底板厚0.4m、深入地基1.0m（采用漿砌石砌護）,底坡為0.01,邊墻高等于水深加安全加高即為2.5m。漸變段漸變段是銜接引水渠和溢流堰的渠段，即是梯形斷面到矩形斷面的過度斷，故采用扭曲面。其墻高為2.5m，邊墻厚為0.5m，底寬由6m漸變到8m，深入地基1m，地板厚0.4m

17、，底坡0.01，用漿砌石砌護。溢流堰根據(jù)壩址地形地質(zhì)條件，本設計采用寬頂堰，則由下式校核堰頂寬度B：B=Q(MH03/2)式中：B堰頂寬度，m；Q溢洪道設計泄流量，23.415 m3/s；H0堰頂水頭，取1.5m。則B=23.415（1.6×1.53/2）=8 m，與調(diào)洪演算確定的堰頂凈寬一致。故溢流堰堰頂寬為8m。由水力學書可知，寬頂堰堰長為堰上水頭H0的2.510倍，本設計取堰長=5 H0=7.5m。所以溢流堰的尺寸為：寬8m，長7.5m，堰上水頭為1.5m，側(cè)墻采用重力式擋土墻的形式，其墻高為2.5m，頂寬0.4m，墻高與底寬之比為2:1，基礎厚0.4m，溢流底板與漸變段底板相

18、連，連接處設一深為1m、厚0.5m的防滲抗滑齒墻。2） 陡坡段由于設計壩址為土基，故陡坡段采用梯形斷面，其臨界水深hk可由下式求出k2Bk=Q2g式中：k過水斷面面積，m2，k= b(b+mhk)hkBk水面寬，m，根據(jù)設計及相應標準取為5m；水流系數(shù)，1.1；Q溢洪道設計泄流量，23.415 m3/s；g重力加速度，9.81m/s2 。則，用試算圖解法計算得hk=1.72m。臨界底坡由式 ik=Q泄2kk2式中：kk流量模數(shù)，kk=k·Ck·Rk1/2則經(jīng)計算得ik=0.003根據(jù)地形圖及溢洪道大致布設位置可得出陡槽正常底坡為i=sin=hL式中：i陡槽正常底坡；陡坡段坡

19、角；h陡坡段高差，m，由地形圖計算為11m；L陡槽長度，m，由地形圖計算為34m。則i=0.32因為iik，所以設計陡槽取值符合陡坡條件。陡坡邊墻高度計算：起始斷面的邊墻高：H1 =hk +h末端斷面的邊墻高：H2 = hB +h式中：hk 臨界水深，1.72m；hB摻氣水深，m,hB=（1+v100）h=2.1m;h正常水深，由式Q=AC(Ri)1/2 進行試算得h=1.2m；v水流速度，m/s，根據(jù)Q=Av計算得v=55.38m/s；h安全加高，取0.5m。則H1 =1.72+0.5=2.22 mH2 =2.1+0.5=2.6 m用直線連接H1 H2 ，即得全陡坡的邊墻高。綜合上述可知，陡

20、槽設計長度為34m，寬為3m，邊坡為2，底坡為0.32，側(cè)墻高為2.22.6m，寬0.5m，底板厚0.4m，深入地基1m，用漿砌石襯砌；每隔8m修一齒墻，齒墻厚0.5米、深0.5米；每隔10m修一沉陷縫，縫寬2cm。3） 出口段出口段包括消力池、漸變段和尾水渠3部分。漸變段與進口漸變段相同，尾水渠即一般明渠。假如不設置消力池，則尾水渠尺寸根據(jù)經(jīng)驗擬定為底寬4m，高度2m，邊坡為2的梯形斷面尾水渠。根據(jù)式Q=AC（Ri）1/2可計算出下游渠道水深即尾水渠內(nèi)水深為h下=1.5m。陡坡底部水躍躍前水深h即為陡坡段正常水深h0=1.2m。根據(jù)下式求出躍后水深hh= h2 （1+8q2gh03）1/2-

21、1式中：q尾水渠內(nèi)單寬流量，m3/s則h=1.6m>h下=1.5m，即躍后水深大于下游渠道水深，發(fā)生趨勢水躍，故必須修建消能工防。根據(jù)經(jīng)驗以及本設計具體情況，采用矩形斷面消力池。池長Lk由式Lk=4 h計算即Lk=4×1.6=6.4m。池深d根據(jù)式d=1.1 h- h下=1.1×1.6-1.5=0.26m。校核消力池消能性能，根據(jù)下式（h0+d）h1.051.10式中：h0正常水深，0.48m；d池深，0.26m；h躍后水深，1.6m。則（h0+d）h=1.07，在校核范圍內(nèi)。所以，消力池尺寸為：池深0.26m，長6.4m，寬5m，為防止不均勻沉陷，在下部修一縫寬為2

22、cm的沉陷縫與陡槽隔開，同時修一道齒墻，其寬為0.5m，深為0.5m。（五）放水工程設計放水工程由進口取水工程、輸水工程和出口消能工程組成。取水工程常見者為臥管、豎井和放水塔；輸水工程常見者為壩下涵洞、管道和隧洞；出口消能工程常見者為底流消能，有時也為挑流消能。1、進口取水工程本設計土壩為中型淤地壩，根據(jù)經(jīng)驗以及本設計實際情況，選擇臥管作為進口取水工程。臥管上端應高出壩庫最高水位12m。為防臥管放水時發(fā)生真空，臥管上端頂部須設通氣孔。臥管涵洞水流應保持無壓自由留，為此，臥管涵洞高度應比正常水深大34倍。（1） 進水孔尺寸計算臥管進水孔設計為斜孔，則其單孔直徑可按下式計算d=0.68（QH1/2

23、）1/2式中：d 單孔直徑，m；Q放水洞設計流量，0.5 m3/s；H單孔中心距水面高，一般為一級臺階高，設計為0.6m。則d=0.55m?？紤]安全因素，當d>0.4m時，同一臺階需設置兩個孔，以減小孔徑尺寸。則有d=0.68Q(H11/2+H21/2)1/2式中：d 單孔直徑，m；Q放水洞設計流量，0.5 m3/s；H1上孔孔口水頭，m；H2下口孔口水頭，m。則d=0.35m。符合設計要求，故臥管進水孔定為每一級臺階設置兩個，孔徑為0.35m。（2） 臥管涵洞斷面尺寸計算臥管涵洞斷面尺寸，應按加大流量Q加計算，可取Q加（1.21.25）Q設。將臥管涵洞斷面設為方形，其斷面尺寸可按明渠均

24、勻流公式計算，即Q=A·C(Ri)1/2式中：Q臥管涵洞設計流量，取1.2 Q設=0.6 m3/s；A臥管涵洞過水斷面面積，m2；R水力半徑，m；i水力坡度，根據(jù)經(jīng)驗取為1:2；經(jīng)試算得臥管涵洞水深h=0.25m為滿足檢修要求，取底寬為0.8m，高為1.5m。（3） 混凝土蓋板厚度計算根據(jù)下列公式： M大=18·q·L02 Q大=12·q·L02 h=（6 M大b）1/2h=1.5 Q大Tb式中：M大最大彎矩，KN·m；q均布荷載，KN/m2，q=土H；土土壤飽和容重，KN/m3H蓋板上泥沙淤積高度，m；L0計算跨度，m，L0=1.05L；L凈跨，為0.8m；h板厚，m；b蓋板單厚，取1.0m；條石或混凝土彎曲時的允許拉應力，kPa，查相關手冊得=7.8 kPa；T條石允許剪應力或混凝土的允許拉應力，kPa，查相關手冊得T=7.7 kPa。計算蓋板厚h得，h=0.38m綜合上述，臥管設計結(jié)果定為底坡1:2，長度40m，每隔8m設一寬2