左科后旗莲花吐塘坝农田建设规划典型工程设计大学论文.docx

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左科后旗莲花吐塘坝农田建设规划典型工程设计大学论文

科左后旗莲花吐塘坝农田建设规划典型工程设计

1塘坝典型设计

1.1基本情况

本次塘坝典型设计采用科左后旗莲花吐塘坝作为典型设计。

设计中P设=20%，P校=10%。

1.1.1工程位置

莲花吐塘坝位于科左后旗甘旗卡镇莲花吐村东南2公里处，属于柳河流域小青沟支流，沟内长年流水。

1.1.2社会经济情况

莲花吐村总人口585人，147户，劳动力283人，大小畜1200头（只），人口自然增长率12.5‰，人均纯收入970元。

现有耕地5880亩，主要农作物为玉米、水稻。

1.1.3工程自然地理条件

该沟道发育由北向南倾斜，进入辽宁省境内，沟深50—70米、沟宽80—120米。

沟道比降1/200，多年平均侵蚀模数为3850t/km2·年。

工程所在地属于半干旱大陆性季风气候区，多年平均降雨量为431.35mm，平均气温为5.8℃。

1.2水文

1.2.1流域自然概况

莲花吐塘坝是柳河流域小青沟上的一座拦河塘坝，流域面积为7.55km2，河道长度15.0km，河道平均坡降1/200。

1.2.2气象

莲花吐塘坝的气象资料，采用邻近甘旗卡气象站的实测资料。

1.2.3降雨

莲花吐塘坝属于柳河流域，具有半干旱大陆性季风型气候特征。

根据甘旗卡站观测资料，多年平均降雨量为431.35mm，降水年内分配极不均匀，年际变化大，春季4—5月份平均降水量在20—70mm之间，占全年降水量的5—16%，夏季降水集中，7—8月份平均降水150—250mm，占全年降水的40—60%，入秋以后降水减少，9月份降水30—80mm，占全年的7—18%，冬季降水极少。

1.2.4蒸发

本区多年平均蒸发量为1950mm（20cm蒸发皿）。

1.2.5风

本区是大风出现较多的地区，多年平均风速4.0m/s，多年平均最大风速为17m/s。

1.2.6气温

本区干旱少雨，天气多晴朗，日照时间较长，夏季炎热，冬季寒冷，该区多年平均气温5.8℃，年极端最高气温36.2℃，最低气温-32.2℃，一月平均气温-14.0℃，七月份平均气温23.2℃。

1.2.7冰冻

本区多年平均最大冻土深1.2m左右，最大冻土深达1.5m。

水库水面冰冻厚度一般在0.7—0.8m。

1.3水文基本资料

1.3.1水文测站情况

莲花吐塘坝是柳河流域小青沟上的一座拦河塘坝，其邻近流域有东五家子水库、三刀水库、大青沟水文站等均有年径流观测资料。

1.3.2关于参证站的选择

莲花吐塘坝位于小青沟中游，其邻近流域有东五家子水库、三刀水库、大青沟水文站等均有观测资料，上述三个有观测资料的站点，大青沟位于柳河流域与莲花吐塘坝最近，因此本次莲花吐塘坝年径流量参证站采用大青沟水文站。

大青沟水文站与莲花吐塘坝流域特征见表1-1。

表1-1大青沟水文站与莲花吐塘坝流域基本情况对比表

项目

大青沟水文站

莲花吐塘坝

河长km

48

15

入库河长km

32

9

地段

坨甸相向

坨甸相向

植被

草地

草地

土壤

沙土

沙土

流域宽度km

3.75

2.2

比降

1/300

1/200

流域形状

长方椭圆形

长方椭圆形

1.4径流

1.4.1计算方法

本次莲花吐塘坝年径流计算采用直接移值大青沟水文站的径流成果，按径流深换算到莲花吐塘坝，Cv、Cs均与大青沟水文站相同。

1.4.2径流

莲花吐塘坝以上流域面积为7.55km2。

按照大青沟水文站多年平均径流深为53.7mm，将其值直接移到莲花吐塘坝，则该塘坝多年平均径流量为40.52万m3，Cv与Cs值均采用大青沟水文站的特征值，Cv=0.52，Cs=2.5Cv，其成果见表1-2。

表1-2年径流频率计算成果表

名称

均值

（万m3）

CV

CS/CV

P（%）

计算

采用

20

50

75

90

莲花吐塘坝

40.52

0.55

0.52

2.5

55.63

36.10

25

18.07

根据灌溉要求，按设计年径流P＝75%的情况来选择，考虑月分配因素选择作为P＝75%设计年的典型年，按其年内分配所占百分数，计算该水库P＝75%时各月入库水量。

见表1-3。

表1-3　莲花吐塘坝入库水量表单位：

万m3

月

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

合计

P＝75%

入库水量

0.1

0.2

3.4

1.3

2.05

3.35

6.05

6.1

2.1

0.2

0.15

0

25

1.4.3成果合理性分析

（1）Cv值按照后旗坨甸相向地貌的特征，三刀、东五家子水库以及大青沟水文站，其Cv均在0.7—0.3之间，因此本次采用的Cv=0.52是符合地区特点的。

（2）Cs值，三刀、东五家子水库以及大青沟水文站以及邻近地区均在Cs=2.0Cv、Cs=2.5Cv之间，所以本次采用Cs=2.5Cv是合理的。

以上分析，认为莲花吐塘坝年径流成果是合理的。

1.5设计洪水

莲花吐塘坝无实测洪水资料，故本次设计采用吉林省水文图集中的地区经验公式法推求设计洪水。

1.5.1地区经验公式法

根据吉林省水文图集计算设计洪水，洪峰及洪量采用以下公式进行计算:

（1）洪峰流量

计算公式为：

（2）洪量

计算公式为：

式中：

—洪峰流量均值（m3/s）

　　—洪峰均值参数　＝0.5

F—流域面积为7.55km2

Kp—模比系数，根据该水文图集，洪峰Cv＝1.4

Cs＝2.5Cv，由此可得不同频率kp值

QP—各频率洪峰流量（m3/s）

—洪量均值（万m3）

—洪量均值参数，

＝19.5

Wp—各频率洪量（万m3）

m—面积指数，m＝0.6。

计算成果见表1-4。

表1-4设计洪水计算成果表（地区经验公式法）　　　　　

项　目

Cv

Cs

P=2%

P=5%

P=10%

P=20%

洪峰（m3/s）

1.4

2.5Cv

9.28

6.32

4.27

2.44

洪量

（万m3）

1.4

2.5Cv

36.2

24.7

16.7

9.5

1.6塘坝水位、库容关系计算

根据塘坝库区内实测资料，计算塘坝水位、库容、面积关系，计算成果见表1-5，塘坝水位、面积，水位、库容关系曲线见图2—1、2—2。

表1-5水位—库容曲线表

水位

（m）

水库面积

（m2）

平均面积

（m2）

水层厚

（m）

水层容积

（m3）

累积库容

（m3）

110

0

0

111

2000

1000

1

1000

1000

112

3000

2500

1

2500

3500

113

16000

9500

1

9500

13000

114

23400

19700

1

19700

32700

115

40500

31950

1

31950

64650

116

54200

47350

1

47350

112000

117

72000

63100

1

63100

175100

118

93200

82600

1

82600

257700

119

130000

111600

1

111600

369300

120

16300

146500

1

146500

515800

121

17500

169000

1

169000

684800

122

190000

182500

1

182500

867300

1.7工程等级和设计标准

1.7.1工程等级和设计标准

该工程为小塘坝，正常运行和非常运行洪水重现期分别为10年一遇设计和20年一遇校核。

1.7.2死库容及死水位的确定

本次确定塘坝死水位主要考虑以下两个因素：

一是要满足除险加固30年后泥沙淤积要求；二是要满足塘坝养鱼要求及冰冻要求。

由于塘坝上游植被较好，泥沙淤积总量不大，认为泥沙全部淤积在死库容里。

同时考虑冰厚以及养鱼过冬需水的水深为1.5m左右，故确定死水位为111.5m，相应死库容为0.225万m3，满足淤积与养鱼、冰冻要求。

1.8兴利调节

1.8.1灌溉用水

莲花吐塘坝灌溉设计面积为0.06万亩，主要种植作物为玉米。

灌溉制度依据通辽市水科所汇编的《西辽河平原区主要农作物灌溉模式》研究成果，灌溉制度及用水量见表1-6。

表1-6各月用水量

月项目

3

7

8

合计

毛灌水定额（m3/亩）

116.7

83.3

83.3

283.3

用水量（万m3）

7.00

5.00

5.00

17.00

灌溉面积（万亩）

0.06

0.06

0.06

0.06

1.8.2兴利调节计算

根据塘坝的库容曲线、来水过程和用水过程及蒸发、渗漏损失进行兴利调节计算，调节原则为以洪定需，调节方式为年调节。

设计灌溉保证率采用P=75%。

计算成果见表1-7。

表1-7莲花吐塘坝P=75%（计入损失）兴利调节计算表

月

水库来水

水库用水

来水-用水

月末库容

月平均库容

平均面积

渗漏量

蒸发损失量

水库损失量

水库总用水

来水-用水

月末库容

不计损失

万m3

Km2

万m3

万m3

万m3

万m3

万m3

11.525

6.16

1

0.1

0.1

11.625

11.575

0.04

0.11575

0.38

0.49

0.49

-0.39

5.77

2

0.2

0.2

11.825

11.725

0.041

0.11725

0.41

0.53

0.53

-0.33

5.44

3

3.4

7

-3.6

0.225

6.025

0.024

0.06025

0.32

0.38

7.38

-3.98

0.225

4

1.3

1.3

1.525

0.875

0.017

0.00875

0.29

0.30

0.30

1.00

1.22

5

2.05

2.05

3.575

2.55

0.019

0.0255

0.54

0.57

0.57

1.48

2.71

6

3.35

3.35

6.925

5.25

0.029

0.0525

0.86

0.92

0.92

2.43

5.14

7

6.05

5

1.05

7.975

7.45

0.033

0.0745

0.94

1.02

6.02

0.03

5.17

8

6.1

5

1.1

9.075

8.525

0.032

0.08525

0.88

0.96

5.96

0.14

5.31

9

2.1

2.1

11.175

10.125

0.035

0.10125

0.35

0.45

0.45

1.65

6.96

10

0.2

0.2

11.375

11.275

0.038

0.11275

0.32

0.43

0.43

-0.23

6.73

11

0.15

0.15

11.525

11.45

0.039

0.1145

0.25

0.36

0.36

-0.21

6.52

12

0

0

11.525

11.525

0.04

0.11525

0.24

0.35

0.35

-0.35

6.16

0

0

合计

25

17

8

0.9835

5.78

6.77

23.77

1.24

备注

水库的死水位为111.5m，死库容为0.225万m3；兴利水位为115.11m，兴利库容为6.735万m3。

1.9洪水调节

本次设计确定塘坝设计洪水标准为10—20年一遇，校核洪水标准为30年一遇，20年一遇洪水洪峰流量为4.27m3/s，10年一遇洪水洪峰流量为2.44m3/s。

设计洪水过程线见表1-8

表1-8　　　　　　设计入库洪水过程线计算表

时　段

设计入库洪水过程线

Q典

2%

5%

10%

20%

0

0

0

0

0　

0　

2

7.84

4.46

3.04

2.05

1.17

4

10.98

6.25

4.25

2.87

1.64

6

14.31

8.14

5.55

3.75

2.14

8

16.31

9.28

6.32

4.27

2.44

10

15

8.53

5.81

3.93

2.24

12

14.02

7.98

5.43

3.67

2.10

14

13.24

7.53

5.13

3.47

1.98

16

11.86

6.75

4.60

3.10

1.77

18

10.49

5.97

4.06

2.75

1.57

20

9.12

5.19

3.53

2.39

1.36

22

7.84

4.46

3.04

2.05

1.17

24

6.67

3.80

2.58

1.75

1.00

26

5

2.84

1.94

1.31

0.75

28

3.14

1.79

1.22

0.82

0.47

30

1.96

1.12

0.76

0.51

0.29

32

0

0

0

0

0

1.9.1汛限水位的确定

本次设计采用原汛限水位115.11m，主要是因为灌溉要求与兴利水位取一致。

1.9.2洪水调节计算

根据水位—泄量关系曲线，采用单辅助曲线法进行调洪演算。

水位—泄量关系曲线见图3-1，辅助曲线见表1-9。

调洪成果见表1-10、5-11.

表1-9莲花吐塘坝单辅助曲线计算表

时段

水位I（m）

库容V

q

q/2

（万m3）

t=2小时

115.11

0

0

0

0

0

115.5

1.88

2.61

0.39

0.195

2.81

116

4.24

5.89

1.34

0.67

6.56

116.5

5.52

7.67

2.62

1.31

8.98

117

10.55

14.65

4.16

2.08

16.73

表1-10莲花吐塘坝（P=20%）调洪计算表

时段（小时）

Q入（m3/s）

Q平均（m3/s）

v/Δt+q/2

时段末q

V

（万m3）

0

0

0

0

0

2

1.17

0.585

0.585

0.1

0.15

4

1.64

1.405

1.35

0.21

1.05

6

2.14

1.89

1.79

0.27

1.21

8

2.44

2.29

2.16

0.3

1.35

10

2.24

2.34

2.19

0.32

1.42

12

2.1

2.17

2.01

0.29

1.3

14

1.98

2.04

1.90

0.28

1.25

16

1.77

1.875

1.74

0.25

1.16

18

1.57

1.67

1.55

0.23

1.12

20

1.36

1.465

1.35

0.21

1.05

22

1.17

1.265

1.16

0.15

0.92

24

1

1.085

1.01

0.14

0.87

26

0.75

0.875

0.81

0.12

0.72

28

0.47

0.61

0.55

0.09

0.12

30

0.29

0.38

0.34

0.08

0.1

32

0

0.145

0.11

0.07

0.09

q=0.32m3/SH=115.41mv=8.38万m3

表1-11莲花吐塘坝（P=10%）调洪计算表

时段（小时）

Q入（m3/s）

Q平均（m3/s）

v/Δt+q/2

时段末q

V

（万m3）

0

0

0

0

2

2.05

1.025

1.025

0.13

0.86

4

2.87

2.46

2.40

0.35

1.66

6

3.75

3.31

3.14

0.59

1.98

8

4.27

4.01

3.72

0.71

2.2

10

3.93

4.1

3.75

0.75

2.5

12

3.67

3.8

3.43

0.62

2.1

14

3.47

3.57

3.26

0.61

2

16

3.1

3.285

2.98

0.42

1.92

18

2.75

2.925

2.72

0.37

1.78

20

2.39

2.57

2.39

0.34

1.5

22

2.05

2.22

2.05

0.29

1.35

24

1.75

1.9

1.76

0.27

1.2

26

1.31

1.53

1.40

0.22

1.1

28

0.82

1.065

0.96

0.13

0.8

30

0.51

0.665

0.60

0.1

0.15

32

0

0.255

0.21

0.075

0.095

q=0.75m3/SH=115.64mv=9.46万m3

1.9.3计算结果

根据调洪成果可知，塘坝总库容为9.46万m3，设计洪水位为115.41m，校核洪水位为115.64m。

1.10工程布置及建筑物设计

1.10.1大坝工程

大坝为均质土坝，采用当地土质，满足筑坝要求。

①坝顶高程的确定

1）设计波浪爬高

A、平均波高：

平均波高的计算公式采用《水工建筑物》上册中2—6公式：

2hl=0.0166V5/4D1/3

式中:

v—库面上的风速（米/秒）。

在正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应洪水期多年平均最大风速的1.5—2.0倍；在校核洪水位时，宜采用相应洪水期多年平均最大风速；

D—库面的波浪吹程（公里）。

按照通常情况，它

是从坝算起沿着库水面直到对岸的最大直线距离；当库面特

别狭长时，以5倍平均水面宽度为限。

D=0.15公里。

计算结果均列于表5-12。

B、设计波浪爬高的计算

根据《水工建筑物》上册第五章公式计算:

Ha=3.3K（2h）tgθ

式中:

Ha—波浪在坝坡上的爬高（米）。

K—坝坡护面粗糙系数，块石K=0.77。

θ—上游坝面坡角。

计算结果见下表5-12。

2）风壅水面高度：

风壅水面高度的计算公式采用《水工建筑物》上册中5—2式即：

式中：

e—坝前库水位因风浪引起的壅高（米）。

D—吹程（公里）；D=0.15公里。

H—坝前水深（米）。

—计算风向与坝轴线法线的夹角，0—45°。

计算结果列于表4-1。

3）大坝超高

莲花吐塘坝设计洪水位为115.41m，校核洪水位为115.64m。

大坝超高计算采用的公式为《水工建筑物》上册5—2公式即：

Y=Ha+e+A

式中：

Y—大坝超高（m）

Ha—波浪爬高（m）

e—风壅水面高（m）

A—大坝安全加高（m）。

大坝超高值计算见表5-12。

表5-12风浪要素计算成果表

水位

平均波高

（m）

平均波浪

爬高（m）

风雍高度

（m）

安全加高

（m）

坝顶超高（m）

坝顶高程

（m）

设计水位

0.51

0.32

0.003

0.5

0.82

116.23

校核水位

0.30

0.19

0.003

0.3

0.49

116.13

根据以上计算结果，确定大坝坝顶高程为116.30米。

②大坝稳定计算

大坝结构稳定计算

A、计算条件

根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001进行坝体结构稳定计算，计算条件为：

设计洪水位下的稳定渗流期的上、下游坝坡稳定、校核洪水位下的稳定渗流期的上、下游坝坡稳定、正常蓄水位时上、下游坝坡稳定、水库不利水位（1/3坝高）时的上游坝坡稳定四种计算情况。

经计算，校核洪水位时坝体不能形成稳定渗流，可不考虑此种情况；且1/3坝高与正常蓄水位相接近，故本次设计只考虑正常蓄水位与设计洪水位时水库运行情况。

B、计算公式

根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001，对于均质坝可采用不计条间作用力的瑞典圆弧法计算坝坡抗滑稳定安全系数，按有效应力法公式进行计算。

式中：

b—条块宽度

W—土条重量

Q、U—分别为水平和垂直地震惯性力（本次计算不考虑）

u—作用于土条底面的空隙压力u=0

α—条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角

C/、φ—土条底面的有效应力抗剪强度指标

Z—坝坡外水位高出条块底面中点的距离

MC—水平地震惯性力对圆心的力矩

R—圆弧半径。

C、稳定计算参数的确定

塘坝坝体为粉细砂，土的比重为G=2.65t/m3，土料的平均含水量W=5.2%，干容重r干=1.59t/m3，经计算r湿=1.64t/m3，r饱=1.97t/m3，r浮=0.97t/m3，修止角φ＝31°。

计算结果见表5-13。

表5-13大坝上下游坝坡抗滑稳定计算成果表

上游坝坡

下游坝坡

设计洪水位

校核洪水位

1/3坝高

设计洪水位

校核洪水位

1/3坝高

0+060

1.92

1.95

1.91

1.89

1.89

1.88

由上表可知，各断面的抗滑稳定安全系数均大于允许抗滑稳定系数[k]=1.25，说明坝坡是稳定的。

③大坝渗透稳定计算

坝体渗透稳定计算对大坝断面进行分析计算，采用库水位为校核水位115.64米，下游水位110.00米，正常汛限水位115.11米，下游无水情况下按有限深透水地基进行计算，参考《水工设计手册》进行计算。

A、通过坝体与坝基的渗流量为

式中：

q—坝体部分渗流量，按在不透水地基上的均质土坝计算

K0—地基渗透系数为0.013米/昼夜

H1—上游水深

H2