报告东窑沟坝初步设计实用文案.docx
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报告东窑沟坝初步设计实用文案
1概况
1·1基本情况
东窑沟1#骨干坝位于右玉县北部李达窑乡境内东窑沟的主沟内,大坝控制流域面积6.34km2,属黄土丘陵沟壑区中的土石山区,主要地貌类型为梁、坡、峁、沟,地形支离破碎、沟壑纵横,水土流失严重,年平均侵蚀模数为8000t/km2.a。
坝址两岸坡土层较厚,为粉状壤土,含有少量砾石;沟底基岩裸露,多为玄武岩。
取土场分布在大坝右岸,土壤相对湿度适中,颗粒级配均匀,符合筑坝土料标准。
1·2区域社会经济情况
东窑沟1#骨干坝坝控范围全部在东窑沟范围内,该区域内共有村庄6个,人口780人,耕地4858亩,人均耕地6.2亩,粮食产量388640kg,平均亩产80kg,人均粮食498kg,人均收入697元,经济相对落后。
尤其是近几年连续遭灾,当地群众的生产、生活十分困难,广种薄收,靠天吃饭的局面一直没有大的改变。
1·3区域综合治理现状及规划情况
东窑沟是东窑沟小流域的一部分,流域面积11.21km2,其中耕地面积324hm2,占总面积的28.9%;林地面积272hm2,占总面积的24.3%;人工种草40hm2,占总面积的3.6%;非生产用地40hm2,占总面积的3.6%;荒地444hm2,占总面积的39.6%。
小流域内耕地已全部承包到户,并发放土地承包使用证书。
从流域的治理现状来看,农林牧各业用地比例极不协调,人均耕地达10亩左右,基本农田仅占1/10,农业生产仍是广种薄收、靠天吃饭。
从人口密度看,地广人稀,人均土地达2.04hm2,土地利用率低下,荒地占到总面积的39.6%,亟待开发利用。
为改变目前状况,提高土地利用率,增产增收,拟在东窑沟片修建骨干坝2座,中型坝3座及一些小坝。
工程建成后,可有效地遏制水土流失,改善基础的生存条件,达到保水保土,改变生态环境,提高人民生活质量的目的。
1·4兴建该工程的目的和作用
东窑沟1#骨干坝的兴建可有效拦截区域内的洪水泥沙、消减洪峰、稳定河床、防止沟壑侵蚀、抬高侵蚀基点,提高东窑沟小流域坝系的防洪能力,减少下游水毁灾害。
淤成的坝地可促进坡耕地退耕还林还草,同时结合流域坡面治理工程,可有效改善区域生存环境。
该坝的建成蓄水可解决人畜饮水困难,发展灌溉,对推动当地农业的发展具有重要作用。
1·5地形资料及建筑材料
本工程设计前对坝址地形进行了实测,从实测的1:
500坝址地形图可以判知:
右岸高差大,为26.84m,坡势较缓;左岸高差小,为19.22m,坡势较陡。
取土场可设于坝址的右岸,最大运土距离为200m。
东窑沟1#骨干坝的主要材料为:
上坝土方、石料、沙子、水泥、钢材、木材。
土料分布在坝址的右岸,岸坡土层厚,为壤土,储量充足,可以满足筑坝要求,平均运土距离为80m。
块石在距坝35km的料场购买,料源充足,石质良好,用汽车运输,购买价60元/方。
沙子可从距坝址35km的砂场购买,质量和料源均可满足工程所需,运输工具为汽车,购买价为35元/方。
水泥选用32.5#普通硅酸盐水泥,钢筋选用Ⅰ级钢,木材选用松木板材,均可从距坝址约32km的县城购买,运输工具为汽车,购买价分别为水泥280元/吨,钢筋3600元/吨,木材1150元/方。
1·6水文及气象资料
该流域内没有水文、气象测报站,其水文气象资料来源于右玉县气象局提供的有关数据。
多年平均气温3.6℃,年平均无霜期104天。
沟道内无泉水出露,无径流形成。
该流域属大陆性半干旱季风型气候,冬长夏短,其特点为干旱。
据右玉县气象站观测记载,多年平均降水量414mm,最大年降水量662mm,最小年降水量115.5mm,降水在年内变化较大,汛期6—9月份降雨量占到年降雨量的77.2%,易形成短历时洪水,并含有大量泥砂。
最大24小时暴雨值55mm,年平均侵蚀模数8000t/km2.a。
2水文计算
2·1设计依据及设计标准
2.1.1设计依据:
《水土保持综合治理技术规范沟壑治理技术》(GB/T16453.3—1996),(以下简称为《国标》)。
《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL289—20XX),(以下简称为《部颁规范》)。
山西省企业标准《淤地坝工程技术规范》(晋Q834—85),(以下简称为省规范))。
《水工混凝土结构设计规范》(SL/T191-96)。
《黄土高原地区水土保持淤地坝工程初步设计要求》
《水利水电工程制图标准水土保持图》(SL73.6-20XX)。
实测1:
500坝址地形图和1:
10000地形图及流域现状调查资料。
2.1.2设计标准:
该坝库容大约在100万方以上,洪水设计标准选用30年一遇洪水设计,300年一遇洪水校核,淤积年限20年。
2·2水文计算
2·2·1设计暴雨量计算
采用《省规范》公式
H24·p=Kp·H24
式中:
H24·p——频率为p的24小时暴雨量(mm);
Kp——频率为P的皮Ⅲ型曲线模比系数;
H24——最大24小时暴雨均值(mm)。
查《省规范》表D-4得:
H24=55mmCV=0.55CS=3.5CV
根据以上数据查《省规范》表D—3得
K3%=2.43K0.33%=3.55
将数据代入公式计算得:
H24·3%=2.43×55mm=133.65mm
H24·0.33%=3.55×55mm=195.25mm
2·2·2设计洪峰流量计算
采用《省规范》公式:
Qp=C1·H24·p·F2/3
式中:
Qp——频率为P的洪峰流量(m3/s);
C1——洪峰地理参数,查《省规范》表3-1取C1=0.18;
F——骨干坝控制流域面积,F=6.34km2
其它符号同前。
将数据代入公式计算得:
Q3%=0.18×133.65×6.342/3=82.41m3/s
Q0.33%=0.18×195.25×6.342/3=120.39m3/s
2·2·3设计洪水总量计算
采用《省规范》公式:
Wp=K·Rp·F
式中:
Wp——频率为P的设计洪水总量(万m3);
K——小面积洪水折减系数,查《省规范》表3-2取K=0.8;
Rp——设计暴雨的一次洪水模数(万m3/km2);由设计暴雨查《省规范》表D-5得:
R3%=4.36万m3/km2R0.33%=9.37万m3/km2
其它符号意义同前。
将数据代入公式计算得:
W3%=22.11万m3W0.33%=47.52万m3
2·2·4年来沙量计算
采用《省规范》公式:
VS=(1-KS)·S·F
式中:
VS——年来沙量(万m3);
S——年均侵蚀模数S=8000t/km2.a
KS——坡面措施年均拦沙率,根据上游治理情况取KS=0;
VS=1.0×8000/1.35×6.34=3.76万m3
V拦=3.76×20=75.20万m3
水文计算成果汇总如下表:
控制面积
暴雨mm
洪峰(m3/s)
洪量(万m3)
淤积量(万m3)
Km2
H3%
H0.33%
Q3%
Q0.33%
W3%
W0.33%
年限
总量
6.34
133.65
195.25
82.41
120.39
22.11
47.52
20
75.20
3工程设计
3·1枢纽组成
通过实地勘测、调查坝址处地形、地质情况,经多方案比较,确定东窑沟1#骨干坝的枢纽组成为:
大坝和放水建筑物(卧管、涵洞)两大件,不设溢洪道,放水建筑物布设在大坝右岸。
坝址附近有适宜的壤土,其储量足以满足填筑坝体的需要,沟内无常流水,坝型选择均质碾压土坝。
3·2土坝设计
3.2.1筑坝土料设计
筑坝土料的平均运距为80m,土质为壤土,其有机质含量小于2%,水溶盐含量小于5%,理化性质均能满足碾压土坝对土质的要求。
施工时土料的最优含水量应控制在12~20%之间,坝体干容重达到1.55t/m3。
3.2.2坝高—库容—面积曲线绘制
根据1:
10000库区地形图,首先量出各层等高线包围面积,然后计算各层间库容及累计库容,得到下表数据,最后绘出坝高—库容—面积曲线。
曲线的绘制要结合实测坝址地形图确定,沟底相对高程为991m,详见附图。
坝高--库容--面积库容曲线计算表
高程(m)
高差
面积(万m2)
平均面积(万m2)
体积(万m2)
累积体积(万m2)
991
0
4
1.25
5
5
995
2.5
4
4
16
21
999
5.5
4
6.75
27
48
1003
8
2
8.6
17.2
65.2
1005
9.2
2
9.6
19.2
84.4
1007
10
2
10.4
20.8
105.2
1009
10.8
2
11.2
22.4
127.6
1011
11.6
2
11.95
23.9
151.5
1013
12.3
3.2.3坝高计算
采用公式H=h拦+h滞+h安
式中:
H——总坝高(m);
h拦——拦泥坝高(m);
h滞——滞洪坝高(m);
h安——安全超高(m)。
由V拦=75.20万m3,查曲线图得h拦=15.06m,相应拦泥高程为1006.06m,淤地面积7.52hm2。
设计情况下:
V滞3%=22.11万m3,V拦+V滞=75.2+22.11=97.31万m3,查曲线得h拦+h滞=17.24m,相应设计洪水位高程为1008.24m,h滞3%=2.18m。
校核情况下:
V滞0.33%=47.52万m3,V拦+V滞=75.2+47.52=122.72万m3,查曲线h拦+h滞=19.58m,相应校核洪水位高程为1010.58m,h滞0.33%=4.52m。
查《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL289—20XX)表4.1.4-1,取安全超高h=1.5m,则:
H设=17.24+1.5=18.74m
H校=19.58+1.5=21.08m
取坝高为21.1m,相应坝顶高程1012.1m。
3.2.4施工渡汛期拦洪坝高计算
为保证大坝施工期安全渡汛,需计算汛期拦洪坝高。
坝体在汛期前必须达到二十年一遇洪水重现期防洪渡汛高程。
经计算,该骨干坝二十年一遇设计标准下洪水总量为W5%=0.8×6.34×3.13=15.88万m3,卧管第一台阶放水孔高程以下死库容为1.30万m3,则总库容17.18万m3,查H-V-F曲线知,相应坝顶高程为998.30m,取安全超高1.5m,则相应坝顶高程为999.8m。
3.2.5坝体断面尺寸确定
⑴坝顶宽度
坝顶有交通要求,坝高在10m以上,考虑交通要求,取坝顶宽B=4m。
⑵坝坡
根据坝高、筑坝土料土质,并参考已成工程经验数据确定:
上游坝坡1:
2.5、1:
2.0;下游坝坡1:
2、1:
1.5,并在上、下游坝坡设置马道,马道宽2.0m。
⑶坝坡排水
为防止暴雨冲刷坝面,在下游马道内侧设横向排水沟,在坝体与岸坡结合处设纵向排水沟,纵横排水沟相互连通,将水流送出坝脚以外。
为防止坝肩两岸排水汇流坝顶形成洞穴,虑及坝体安全,必须设置坝肩排水沟,与纵问排水沟相连。
排水沟为矩形断面,马道排水沟断面20cm×20cm(宽×深),坝肩及岸坡排水沟尺寸为20cm×20cm(宽×深),边墙、底板厚均为20cm,用M7.5水泥砂浆浆砌块石砌筑,M10水泥砂浆勾缝。
⑷坝基、岸坡、结合槽处理
坝体填筑前,必须对坝基和岸坡进行处理,清基范围应超出坝的坡脚线0.5m,清基平均深度20cm。
凡在清基范围内的地面表土、乱石、草皮、树木、腐殖质等均要清除干净,不得留在坝内做回填土用。
与坝体相连的岸坡应开挖成平顺的正坡,土质岸坡不陡于1:
1.5,岩石岸坡不陡于1:
0.75。
为增加坝体稳定性,防止土坝与沟底结合面上透水,沿坝轴线方向从沟底到岸坡开挖一道梯形断面结合槽。
结合槽底宽1m,深1m,边坡比1:
1。
⑸坝体防渗稳定处理
为有效排出渗流,降低坝体浸润线,防止下游坝脚遭受尾水淘刷,增加下游坝坡稳定性,在下游坝脚设棱体式反滤排水,查《省规范》表D—6,结合下游坝设计情况,取反滤体高2.8m,顶宽1.5m,底宽9.2m,外坡1:
1.5,内坡1:
1.25,粗砂层厚0.2m,碎石层厚0.2m,反滤体每米用料,块石13.5m3,碎石2.6m3,砂子2.7m3。
6坝体施工要求
沿坝轴线方向分层均匀铺土,用履带拖拉机碾压,压迹重叠10~20cm,每层铺土厚度不超30cm,压实后测25cm,坝肩人工夯实。
大坝回填整体土干容重平均达到1.55t/m3,每层铺土前应对碾压表面刨毛、洒水。
3·3放水建筑物设计
放水建设物的组成:
大坝放水建筑物由放水卧管、输水涵洞及出口三部分组成,放水卧管布设在大坝上游右岸原坡开挖基础上,涵洞及出口段布设在大坝右岸坚实地基上。
3.3.1卧管设计
卧管采用箱式方型结构,底坡1:
2,用M7.5浆砌块石砌成台阶状,用M10水泥砂浆抹面。
卧管台阶高0.4m,盖板采用C20钢筋混凝土预制板。
⑴放水流量的确定
根据《黄土高原地区水土保持淤地坝工程初步设计要求》,骨干坝按5天放完一次设计洪水总量计算放水量:
Q放=
=22.11*10000/(5*86400)=0.51m3/s
根据《省规范》对设计淤积年限10年以上的骨干坝,10天内排完拦蓄库容的50%的水量计算放水量:
Q放=
=0.5×475200/864000=0.28m3/s
经上述两种方案计算比较,取大值0.51m3/s为设计放水流量。
⑵放水孔径的计算
卧管台阶高0.4m,每台设一孔,同时开启3孔放水,孔径计算公式为:
d=0.68
式中:
d——放水孔直径(m);
H1、H2、H3——分别为三孔的作用水头(m),其中:
H1=0.4mH2=0.8mH3=1.2m;
Q放——设计放水流量Q=0.51m3/s
将以上有关数值代入公式计算得:
d=0.68×
=0.30m
⑶卧管断面尺寸确定
考虑在实际运用中,由于水位变化而导致的放水孔调节,卧管内流量比正常运用时加大20%,故卧管断面设计时要按加大流量计算,取Q加=1.2Q放=1.2×0.51=0.61m3/s。
管内水流近似于明渠均匀流,水力计算求出正常水深。
拟定卧管底宽为0.5m。
采用Q加=WC
公式
式中:
Q加——卧管过水流量(m3/s),Q加=0.61m3/s;
b——卧管断面底宽(m),b=0.5m;
W——过水断面积(m2),W=b×h0=0.5h0
C——谢才系数,C=(1/n)R1/6
R——水力半径,R=W/X,X为湿周X=0.5+2h0
n——糙率,n=0.023;i——底坡i=1/2
将上述有关数值代入公式,求得卧管内正常水深为h0=0.18m。
为保证放水孔水流跌落卧管时,水柱的跃高不致淹没进水孔底缘,使卧管内不形成压力流,对方形卧管,其高度应为卧管正常水深的3~4倍,则卧管断面高为:
H=3×0.18=0.54m取H=0.6m
卧管断面尺寸确定为(宽×高)0.5m×0.6m。
⑷卧管结构尺寸确定:
依据规范并参考已成工程经验,取侧墙顶宽0.4m,侧墙底宽0.7m,基础外伸0.15m,基础厚0.4m,盖板搭接长度0.15m。
卧管轴线与涵洞轴线夹角为80.4度,卧管斜长42.2m,沿底板从下至上每间格5m设一道断面为50cm×50cm的齿墙,共8道,以增加其稳定性。
卧管总高度18.4m,共46台,46个出水孔,46块盖板。
为防放水时产生真空,在卧管顶部设通气孔,通气孔顶高程1010.98m,最低放水孔高程1010.98m。
⑸卧管未端消力池断面尺寸确定
为使水流平顺入涵洞,在卧管未端与涵洞连接处设消力池,消力池为矩形断面,用M7.5水泥砂浆浆砌块石砌筑,用M10水泥砂浆抹面,盖板采用C20钢筋混凝土现浇板。
①、判断是否设消力池
采用公式 h2=
式中:
q——单宽流量 q=0.61/0.5=1.22m3/s;
h2——第二共轭水深 (m);
h0——卧管正常水深(m),h0=0.18m;
——流速不均匀系数
=1.1;
g——重力加速度(m3/s), g=9.81m3/s。
将上述有关数值代入公式得:
h2=1.28m
下游涵洞正常水深hs=0.63m(可从涵洞水力计算得知),h2>hs,故发生远离式水跃,需设消力池。
②、消力池断面尺寸确定
池深计算:
采用公式d=1.1h2-h
式中:
d——消力池深(m);
h2——消力池的跃后水深(m),h2=1.28m;
h——紧接消力池出口的下游水深(m),h=0.63m。
将以上有关数值代入公式计算得:
d=0.78m。
池长计算:
采用公式Lk=(3—5)h2
式中:
Lk——消力池长(m);
h2——消力池的跃后水深(m),h2=1.28m;
将以上有关数值代入公式计算得:
Lk=(3—5)×1.28=3.84—6.4m,取池长Lk=5.5m。
池宽计算:
B=b+0.4=0.5+0.4=0.9m,取池宽B=0.9m。
根据以上计算可确定消力池断面尺寸为:
长×宽×深=550cm×90cm×78cm。
③、消力池结构尺寸确定
依据《水土保持治沟骨干工程技术规范》,参照已成工程经验,确定消力池结构尺寸为:
侧墙顶宽60cm,底宽145cm,基础外伸20cm,基础厚50cm,盖板搭接长度30cm。
消力池底高程990.22m,盖板顶高程992.58m。
⑹盖板配筋计算
A、卧管盖板配筋计算
卧管盖板采用钢筋砼预制板,盖板为80cm×105cm,拟定盖板厚度为15cm,砼强度等级为C20,相应的抗压强度f0=10N/mm2,钢筋采用热轧Ⅰ级钢,相应抗拉强度fy=210N/mm2。
取钢筋砼容重r砼=2.5t/m3=25KN/m3,淤泥饱和容重r淤=2t/m3=20KN/m3,水容重r水=1t/m3=10KN/m3,砼保护层25mm。
盖板上淤泥厚度h淤=13.48m。
盖板上水深h水=4.52m,跨度方向板长80cm,而盖板宽度方向则为105cm。
盖板内力按简支板计算,每块盖板配筋量计算如下:
1均布荷载计算
荷载标准值计算
自重荷载gk1=r砼·b·h=25×1.05×0.15=3.94KN/m
淤泥压力荷载gk2=r淤·b·h淤=20×1.05×13.48=283.1KN/m
水压力荷载gk3=r水·b·h水=10×1.05×4.52=47.46KN/m
荷载设计值计算
板自重荷载分项系数rG1=1.05,淤泥压力荷载分项系数rG2=1.2,水压力荷载分项系数rQ=1.0。
g=rG1·gK1+rG2·gK2=1.05×3.94+1.2×283.1=343.86KN/m
q=rQ·gK3=1.0×47.46=47.46KN/m
板的计算跨度按下公式计算取最小值:
L=L0+
L=1.1×L0
式中:
L0——板的净跨mL0=0.5m
——搭接长度m
=0.15m
将以下有关数据代入公式计算得:
L=0.5+0.15=0.65m
L=1.1×0.5=0.55m取L=0.55m
跨中弯矩设计值采用公式:
M=
r0
(g+q)L2
支座截面剪力设计值采用式:
V=
r0
(g+q)L0
式中:
r0——结构重要性系数r0=0.9
——设计状况性系数
=1.0
其它符号意义同前。
将上述有关数值代入公式计算得:
M=
×0.9×1.0×391.32×0.552=13.32KN·m
V=
×0.9×1.0×391.32×0.5=88.05KN
②配筋计算
a、采用公式M=
×fc×as×b×h02求as
as=
式中:
as——受拉钢筋合力点到受压区边缘的距离
rd——结构系数,rd=1.2
M——跨中弯矩,M=10.15KN·m=10.15×106N·mm
fc——砼抗压强度,fc=10N/mm2
b——板的宽度,b=1.05m=1050mm
a——砼保护层厚度a=25mm
h0——盖板有效厚度h0=h-a=150-25=125mm
将上述有关数值代入公式计算得:
as=0.074
b、根据as计算受压区相对相对高度
采用公式:
=1-
将有关数值代入式得:
=0.077。
判断是否满足
≤
b条件,该工程采用热轧Ⅰ级钢,
b=0.614。
因
=0.077<
b=0.614,满足条件,说明不需要加大截面积尺寸或提高砼强度等级。
c、计算钢筋截面面积As
采用公式:
As=
×b×h0×
将相关数据代入
As=0.077×1050×125×
=481.25mm2
d、检验配筋率是否满足
≥
min条件
设计卧管配筋Ⅰ级
min=0.15%
采用公式:
=
将有关数值代入公式计算得:
=0.077×
=0.4%>
min=0.15%
e、选配合适的钢筋直径和根数
查表每块盖板选用7φ10的受力钢筋,分布筋选用5φ8的钢筋。
f、斜截面抗剪校核
首先按以下公式验算截面尺寸是否满足
因为h/b
<4
所以采用V≤
×0.25×fc×b×h0进行计算:
×0.25×fc×b×h0=295313N>V=88050N
说明截面尺寸满足要求。
B、消力池盖板配筋计算
消力池采用C20钢筋砼预制盖板,盖板长1.5m,盖板宽0.6m,拟定盖板厚度为20cm。
参用数据同卧管盖板数值相同,砼保护层25mm。
盖板上淤泥厚度h淤=13.48m,盖板上水深h水=4.52m。
盖板内力按简支板计算,每块盖板配筋量计算如下,步骤同卧管计算相同)。
1均布荷载计算
gk1=25×0.6×0.20=3KN/m
gk2=20×0.6×13.48=161.76KN/m
gk3=10×0.6×4.52=27.12KN/m
g=1.05gk1+1.2gk2=1.05×3+1.2×161.76=197.26KN/m
q=1.0×27.12=27.12KN/m
板的计算跨度按以下计算取最小值:
L=L0+a=0.9+0.3=1.20m
L=1.1L0=1.1×0.9=0.99m取L=0.99m
跨中弯矩设计值:
M=
r0
(g+q)L2
=
×0.9×1.0×224.38×0.992
=24.74KN·m
支座截面剪力设计值:
V=
r0
(g+q)L0
=
×0.9×1.0×224.38×0.9
=90.87KN
2配筋计算
as=
=0.161
=1-
=0.18<
b=0.614
满足条件,不需加大截面或提高砼强度等级。
③计算钢筋截面面积As
As=
×b×h0×
=0.18×600×175×
=900mm2
=
=0.18×
=0.9%>
min=0.15%
选配主筋5φ16,分布筋选用10φ8的钢筋。
④抗剪校核
因为
<4
所以采用V≤
×0.25×fc×b×h0进行计算:
×0.25×10×600×175=218750N>V=151500N
说明截面尺寸满足要求。
3·3·2涵洞设计
根据地形条件,涵洞布置在高程为991.0m左右
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