水土保持淤地坝工程设计模板Word下载.docx
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10000×
5÷
1.3=19.23万m3
根据H-V关系曲线,查得相应坝高海拔为811m,则可计算出H拦=13.1m;
再由H-A关系曲线查得拦泥淤地面积为45亩。
2、滞洪库容V滞和滞洪坝高H滞:
由于本设计为三大件,即由坝体、溢洪道、放水建筑物组成的枢纽工程,所以滞洪库容要经过调洪演算后方可确定。
调洪演算(试算法):
(1)、初设取H滞为2.0m,由H-V关系曲线查得相应的V滞=6.77万m3,则溢洪道设计泄流量Q泄可按下式计算:
Q泄=Q洪(1-V滞/W洪)
Q泄——20年一遇的洪峰流量,105m3/s;
V滞——设计滞洪库容,5万m3;
W洪——20年一遇的洪水总量,10万m3。
则
Q泄=105×
(1-6.77/10)=33.915m3/s
根据下式可求出溢洪道的堰顶净宽B,即
Q泄=MBH3/2
Q泄——溢洪道设计流量,33.915m3/s
M——流量模数,取1.6
H——滞洪坝高,H滞=2.0m
B=Q泄/(MH3/2)=33.915/(1.6×
2.03/2)=7.49m
基于安全考虑,取B=10m。
确定安全加高⊿H:
在设计滞洪坝高时,安全加高取上限值,由表
(1)可知,本设计取⊿H=1.5m
表
(1)土坝安全加高值表
坝高H(m)
<10
10-20
>20
安全加高⊿H(m)
0.5-1.0
1.0-1.5
1.5-2.0
校核滞洪坝高:
根据公式:
Q泄=MBH3/2可计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——流量模数,取1.6;
B——溢洪道堰顶净宽,10m;
H——滞洪坝高与安全加高之和,3.5m。
则
Q泄=1.6×
10×
3.53/2=104.9m3/s;
200年一遇洪水的校核泄流量:
Q泄′=Q200(1-V滞/W200)
=180×
(1-6.77/17)
=108.3m3/s>Q泄=104.9m3/s
由上述可知,当H滞=2.0m时,溢洪道最大泄流量小于200年一遇洪水的校核泄流量,故初设H滞=2.0m不符合设计要求。
(2)设H滞=2.5m,由H-V关系曲线查得相应的V滞=7.77万m3。
此时溢洪道设计泄流量Q泄=105×
(1-7.77÷
10)=23.415m3/s;
溢洪道堰顶净宽B=3.7m,基于安全考虑,取B=8.0m;
安全加高如
(1)中所述,取⊿H=1.5m。
溢洪道最大可泄流量Q泄=102.4m3/s
200年一遇洪水的校核泄流量Q泄′=97.7m3/s<Q泄=102.4m3/s
综合上述可知,当H滞=2.5m时,溢洪道最大泄流量大于200年一遇洪水校核泄流量,故取H滞=2.5m符合设计要求。
此时,溢洪道堰顶净宽B=8.0m,滞洪库容V滞=7.77万m3,安全加高⊿H=1.5m。
3、最大坝高H的确定:
H=H拦+H滞+⊿H=13.1+2.5+1.5=17.1m
由坝高H=17.1m,结合坝址地形图知,坝顶海拔高度为815m。
(三)土坝设计
根据已知条件可知,沟道无常流水,且附近没有丰富的可利用水源,但有充足的筑坝土料,所以本设计选择用碾压方式筑坝,即坝型为均质碾压土坝。
1、坝顶宽度
坝顶宽度根据坝高及交通要求确定,一般可按筑坝土料控制性指标经验值取值。
而对于坝高大于15m的土坝,坝顶最小宽度为4m。
本设计取坝顶宽度最小值,即初设坝顶宽度为4m。
2、坝边坡及坝坡马道
(1)、对于坝高大于10~15m的土坝,考虑到施工行人、交通、堆放材料、机件方便和坝坡排水,常在坝高中部设1~1.5m宽的横向水平通道,即马道。
本设计初设在坝高9.1m,即海拔804m处设一宽为1.5m的马道。
(2)坝边坡陡缓对其稳定性影响极大,根据各方因素考虑,并参考经验值,初设上游坡比为1:
2.0,下游坡比马道以下为1:
1.5、以上为1:
1.2。
表
(2)坝坡坡比与坡角值表
坝坡坡比
1:
1
1.2
1.5
2
坝坡坡角
45°
39.8º
33°
40′
26°
34′
(3)根据所选择的破率进行坝坡稳定性分析,校核下游边坡:
由安全因素考虑,假设马道上部的土体存在,取安全系数K为1.1。
Ck=C/K=0.8/1.1=0.72
Ø
k=ø
/K=20°
/1.1=18.18°
Nk=Ck/γh=0.72/(1.3×
17.1)=0.034
Ck——安全系数K为1.1时的土壤内聚力
C——土壤内聚力,0.8t/m3
Ø
k——安全系数K=1.1时的土壤内摩擦角
ø
——土壤内摩擦角,20°
Nk——安全系数K=1.1时的土坡稳定因素
根据ø
k、ø
k,可由《水土保持工程学》中相关图表查得ø
=34°
,大于本设计中下游边坡坡角33°
40′,所以取下游边坡坡比为1:
1.5符合稳定性要求。
3、大坝最大铺底宽度计算
坝底沟床的最大铺底宽度可按下式计算:
Bm=b+m1H+m2H1+m3H3+b′
Bm——土坝最大铺底宽度,m;
b——坝顶宽,4m;
m1——上游坡比;
m2——下游马道以下坡比;
m3——下游马道以上坡比;
H——最大坝高,17.1m;
H1——马道以下坝高,9.1m;
H2——马道以上坝高,8m;
b′——马道宽度,1.5m。
则Bm=4+2×
17.1+1.5×
9.1+1.2×
8+1.5=62.95m
4、排水体的设计
为了在排水的同时降低浸润线,本设计采用棱式反滤体。
其梯形断面尺寸如下:
上底宽为2m,边坡为1:
1,外层粗砂厚0.3m,内层小砾石厚0.3m,高为4m。
采用卵石填充,用干砌块石砌护暴露于空气中的坡面。
5、土坝的渗透计算
土坝渗透计算的目的是为了确定土坝中浸润线的位置。
均质土坝由于上下游水位差的作用,上游的水就会通过坝体和坝基土粒的孔隙向下游渗透。
在渗透过程中受阻力作用,渗透水流不断损失能量,使水头不断降低,形成一条逐渐下降的曲线,直至下游排水体。
渗流在坝身中形成的自由水面,叫做浸润面;
它在坝横断面上形成的一条抛物线叫做浸润线。
为简化计算,假设本设计坝址处地基为不透水地基,又加之已知坝下游无水且设有排水体,故土坝的渗透计算可按以下步骤进行:
图
(1)有堆石排水体、下游无水情况渗流计算图
本设计堆石排水体上游边坡为1,则单位坝长的渗流量可近似地按下式计算:
q/k=(L2+H2)1/2-L
浸润线在排水体上游坝址上的出逸高度a1按下式计算:
a1=q/[2k(1+m2)]
浸润线在排水体上游坝脚处的高度a0查《水土保持学》相关图表得a0=3.9m,然后可按下式计算q:
q/k=﹙H2-a02﹚/2L=0.19
坝体浸润线的位置按下式确定:
hx=﹙a02+2qx/k﹚1/2
6、坝坡保护措施设计
在上游淤积面以上和下游坝面上设置砌石,在下游坝面上布置三条宽50cm的纵向排水沟,以防止暴雨径流冲刷。
7、结合槽设计
在坝底部为防渗截水,增加坝体稳定性设置底宽为1m、高为1m、边坡为1:
1的梯形结合槽。
(四)溢洪道设计
1、溢洪道的布设
溢洪道布设原则及其基本要求是:
⑴工程量小要尽量利用天然的有利地形,将溢洪道建在坝端附近“马鞍形”地形的凹地处,或地形较平缓的山坡处,这样可减少开挖土石方量,降低工程投资,缩短工期。
⑵地质良好溢洪道应选在土质坚硬、无滑坡塌方或非破碎岩基上。
⑶泄洪安全溢洪道进口应布设在距坝端至少10m以外,出口布设在距坝坡坡脚20-30m以外。
溢洪道尽可能不与放水建筑物放在同一侧,以免水流相互干扰,影响放水建筑物的安全。
⑷水力条件良好溢洪道轴线应布设为直线,若因地形、地质条件不允许而布置成曲线,转弯半径应不小于渠道水面宽度的5倍,并应在凹岸做好砌护工作。
由以上原则结合地形图,本设计将溢洪道设置在坝体左端距坝端10m以外的缓坡上。
且,本设计所设置的溢洪道形式为溢流堰式溢洪道。
2、水力计算
土基上的明渠溢洪道多为梯形断面,边坡视土质不同常采用1:
1~1:
1.5,纵坡可用1/50~1/100。
由前面调洪演算确定溢洪道堰顶净宽B为8m。
1)进口段
进口段由引水渠、进口渐变段和溢流坝组成。
⑴引水渠
引水渠的作用是将坝和库内的洪水平顺地引送到溢洪道。
它一般与坝地内的排洪渠相连,其断面为梯形,断面尺寸用试算法确定。
其长度不超过20~30m。
因为本设计坝址处全为土质坡地,故引水渠采用梯形明渠,用混凝土衬砌。
其梯形渠道断面边坡根据经验取2。
将引水渠水流按明渠均匀流处理,则根据梯形最佳宽深比公式可计算得到宽深比:
β=b/h=2[1+(1+m2)1/2-m]
β——最佳宽深比;
b——梯形断面底宽,m;
h——水流深度,m;
m——梯形渠道边坡,为2。
则由计算可得
β=b/h≈3
拟取b=3h=6m,h=2m
根据下式校核梯形引水渠:
Q=AC(Ri)1/2
Q——渠道可过流量,m3/s;
A——渠道断面面积,可用式A=b(b+mh)h计算得A=120m2;
C——流速系数,(C=1/n·
R1/6=1/n·
(A/χ)1/6,式中n——粗糙度,当表面为水泥抹面、砌石时查相关水力书籍得n=0.02;
χ——湿周,m。
);
R——水力半径
i——水力坡度,本设计取0.01。
Q=AC(Ri)1/2=A×
1/n×
R1/6(Ri)1/2=31.3m3/s
由于梯形断面过水流量Q=31.3m3/s大于溢洪道设计泄流量Q泄=23.415m3/s,所以可知设计溢洪道引水渠尺寸可取,即底宽b为6m,长度为10m,边墙厚0.5m,底板厚0.4m、深入地基1.0m(采用浆砌石砌护),底坡为0.01,边墙高等于水深加安全加高即为2.5m。
⑵渐变段
渐变段是衔接引水渠和溢流堰的渠段,即是梯形断面到矩形断面的过度断,故采用扭曲面。
其墙高为2.5m,边墙厚为0.5m,底宽由6m渐变到8m,深入地基1m,地板厚0.4m,底坡0.01,用浆砌石砌护。
⑶溢流堰
根据坝址地形地质条件,本设计采用宽顶堰,则由下式校核堰顶宽度B:
B=Q/(MH03/2)
B——堰顶宽度,m;
Q——溢洪道设计泄流量,23.415m3/s;
H0——堰顶水头,取1.5m。
则B=23.415/(1.6×
1.53/2)=8m,与调洪演算确定的堰顶净宽一致。
故溢流堰堰顶宽为8m。
由水力学书可知,宽顶堰堰长δ为堰上水头H0的2.5~10倍,本设计取堰长δ=5H0=7.5m。
所以溢流堰的尺寸为:
宽8m,长7.5m,堰上水头为1.5m,侧墙采用重力式挡土墙的形式,其墙高为2.5m,顶宽0.4m,墙高与底宽之比为2:
1,基础厚0.4m,溢流底板与渐变段底板相连,连接处设一深为1m、厚0.5m的防渗抗滑齿墙。
2)陡坡段
由于设计坝址为土基,故陡坡段采用梯形断面,其临界水深hk可由下式求出
ωk2/Bk=αQ2/g
ωk——过水断面面积,m2,ωk=b(b+mhk)hk
Bk——水面宽,m,根据设计及相应标准取为5m;
α——水流系数,1.1;
g——重力加速度,9.81m/s2。
则,用试算——图解法计算得hk=1.72m。
临界底坡由式ik=Q泄2/kk2
kk——流量模数,kk=ωk·
Ck·
Rk1/2
则经计算得ik=0.003
根据地形图及溢洪道大致布设位置可得出陡槽正常底坡为
i=sinθ=h/L
i——陡槽正常底坡;
θ——陡坡段坡角;
h——陡坡段高差,m,由地形图计算为11m;
L——陡槽长度,m,由地形图计算为34m。
i=0.32
因为i>ik,所以设计陡槽取值符合陡坡条件。
陡坡边墙高度计算:
起始断面的边墙高:
H1=hk+⊿h
末端断面的边墙高:
H2=hB+⊿h
hk——临界水深,1.72m;
hB——掺气水深,m,hB=(1+v/100)h=2.1m;
h——正常水深,由式Q=AC(Ri)1/2进行试算得h=1.2m;
v——水流速度,m/s,根据Q=Av计算得v=55.38m/s;
⊿h——安全加高,取0.5m。
H1=1.72+0.5=2.22m
H2=2.1+0.5=2.6m
用直线连接H1H2,即得全陡坡的边墙高。
综合上述可知,陡槽设计长度为34m,宽为3m,边坡为2,底坡为0.32,侧墙高为2.2~2.6m,宽0.5m,底板厚0.4m,深入地基1m,用浆砌石衬砌;
每隔8m修一齿墙,齿墙厚0.5米、深0.5米;
每隔10m修一沉陷缝,缝宽2cm。
3)出口段
出口段包括消力池、渐变段和尾水渠3部分。
渐变段与进口渐变段相同,尾水渠即一般明渠。
假如不设置消力池,则尾水渠尺寸根据经验拟定为底宽4m,高度2m,边坡为2的梯形断面尾水渠。
根据式Q=AC(Ri)1/2可计算出下游渠道水深即尾水渠内水深为h下=1.5m。
陡坡底部水跃跃前水深h′即为陡坡段正常水深h0=1.2m。
根据下式求出跃后水深h″
h″=h′/2[(1+8q2/gh03)1/2-1]
q——尾水渠内单宽流量,m3/s
则h″=1.6m>
h下=1.5m,即跃后水深大于下游渠道水深,发生趋势水跃,故必须修建消能工防。
根据经验以及本设计具体情况,采用矩形断面消力池。
池长Lk由式Lk=4h″计算
即Lk=4×
1.6=6.4m。
池深d根据式d=1.1h″-h下=1.1×
1.6-1.5=0.26m。
校核消力池消能性能,根据下式
(h0+d)/h″≧1.05~1.10
h0——正常水深,0.48m;
d——池深,0.26m;
h″——跃后水深,1.6m。
则(h0+d)/h″=1.07,在校核范围内。
所以,消力池尺寸为:
池深0.26m,长6.4m,宽5m,为防止不均匀沉陷,在下部修一缝宽为2cm的沉陷缝与陡槽隔开,同时修一道齿墙,其宽为0.5m,深为0.5m。
(五)放水工程设计
放水工程由进口取水工程、输水工程和出口消能工程组成。
取水工程常见者为卧管、竖井和放水塔;
输水工程常见者为坝下涵洞、管道和隧洞;
出口消能工程常见者为底流消能,有时也为挑流消能。
1、进口取水工程
本设计土坝为中型淤地坝,根据经验以及本设计实际情况,选择卧管作为进口取水工程。
卧管上端应高出坝库最高水位1~2m。
为防卧管放水时发生真空,卧管上端顶部须设通气孔。
卧管涵洞水流应保持无压自由留,为此,卧管涵洞高度应比正常水深大3~4倍。
(1)进水孔尺寸计算
卧管进水孔设计为斜孔,则其单孔直径可按下式计算
d=0.68(Q/H1/2)1/2
d——单孔直径,m;
Q——放水洞设计流量,0.5m3/s;
H——单孔中心距水面高,一般为一级台阶高,设计为0.6m。
d=0.55m。
考虑安全因素,当d>
0.4m时,同一台阶需设置两个孔,以减小孔径尺寸。
则有
d=0.68[Q/(H11/2+H21/2)]1/2
H1——上孔孔口水头,m;
H2——下口孔口水头,m。
d=0.35m。
符合设计要求,故卧管进水孔定为每一级台阶设置两个,孔径为0.35m。
(2)卧管涵洞断面尺寸计算
卧管涵洞断面尺寸,应按加大流量Q加计算,可取Q加(1.2~1.25)Q设。
将卧管涵洞断面设为方形,其断面尺寸可按明渠均匀流公式计算,即
Q=A·
C(Ri)1/2
Q——卧管涵洞设计流量,取1.2Q设=0.6m3/s;
A——卧管涵洞过水断面面积,m2;
R——水力半径,m;
i——水力坡度,根据经验取为1:
2;
经试算得卧管涵洞水深h=0.25m
为满足检修要求,取底宽为0.8m,高为1.5m。
(3)混凝土盖板厚度计算
根据下列公式:
M大=1/8·
q·
L02
Q大=1/2·
h=(6M大/δb)1/2
h=1.5Q大/δTb
M大——最大弯矩,KN·
m;
q——均布荷载,KN/m2,q=γ土H;
γ土——土壤饱和容重,KN/m3
H——盖板上泥沙淤积高度,m;
L0——计算跨度,m,L0=1.05L;
L——净跨,为0.8m;
h——板厚,m;
b——盖板单厚,取1.0m;
δ——条石或混凝土弯曲时的允许拉应力,kPa,查相关手册得δ=7.8kPa;
δT——条石允许剪应力或混凝土的允许拉应力,kPa,查相关手册得δT=7.7kPa。
计算盖板厚h得,
h=0.38m
综合上述,卧管设计结果定为底坡1:
2,长度40m,每隔8m设一宽2cm的沉陷缝,每隔10米设一宽50厘米、深0.5米的齿墙;
矩形断面底宽0.8m,底板厚0.4m,侧墙高1.5m,设计成重力式挡土墙的形式,上端宽0.3m,墙外侧边坡为1:
4,盖板厚38cm,接头长0.05m;
侧墙底与底板处有沉陷缝,其宽为5cm;
孔口直径0.35m,斜口斜度角为与水平面成45°
的角,底板墙址宽为0.3m。
2、消力池
本设计拟采用方形消力池。
根据下列公式计算消力池尺寸,即
L=(3-9)h″
b0=b+0.4
d0=1.25(h″-h0)
h″=0.5h′[(1+8q2/gh′3)1/2-1]
L——池长,m;
b0——池宽,m;
d0——池深,m;
b——卧管宽度,m;
h″——跃后水深,m;
h0——正常水深,m,即卧管涵洞水深,为0.25m;
q——单宽流量,m3/s;
h′——跃前水深,m,即卧管涵洞水深,为0.25m。
则,计算可得
h″=0.59m;
L=3.54m;
b0=1.0m;
d0=0.43m
设计消力池为:
池长4米,净宽1米,池深0.5米,边墙采用重力式挡土墙的形式,顶宽0.3米,边坡1:
4,墙址宽0.3米,基础0.4米,盖板厚0.4米,盖板街头0.05米,在侧墙内侧底部修两条2cm的沉陷缝,在消力池与陡坡段连接处采用宽0.5米、深0.5米的齿墙连接。
3、输水工程的设计
本设计采用无压流砌石涵洞。
故其尺寸可采用明渠均匀流公式进行试算:
Q=ωC(CRi)1/2
Q——设计涵洞输水流量,0.5m3/s;
ω——涵洞过水断面面积,m2;
C——谢才系数,C=1/n·
R1/6
n——粗糙系数,查水力学书籍得n=0.019;
R——水力半径,m;
i——水力坡度。
当涵洞底宽B取0.6m时,经计算可得涵洞高H为0.17m。
要求涵洞内水深小于涵洞高度的3/4,故涵洞高度应为0.23m,但基于检修考虑,取涵洞高为1.5m。
根据经验,取输水涵洞底坡为1:
100,断面宽为0.6m,高度为1.5m,拱圈厚0.3m,拱座底宽0.85m,拱座顶宽0.35m,垫层厚度0.3m。
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