某沟中型淤地坝项目设计说明书.docx
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某沟中型淤地坝项目设计说明书
XX沟中型淤地坝项目设计说明书
第一章概况
第一节基本情况
XX沟中型淤地坝位于XX县XX镇XX村村,距县城40km。
属黄河水系,XX河的三级支流,XX沟的二级支流,XX沟小流域坝系,XX村沟子坝系。
坝控面积2.1km2,地貌类型属黄土丘陵沟壑区第一副区,该流域沟壑纵横,植被稀少,水土流失严重。
多年平均侵蚀模数13200t/km2(约9778m3/km2)。
坝址所在沟道主沟道长1.8km,支毛沟14条,沟壑密度3.7km/km2,沟道平均比降4%,平均沟深60m,平均沟底宽45m,沟上部宽度350m,岸坡坡度15°—25°左右,沟床及沟岸土质多为黄土,取土场分布在大坝两岸,储量丰富。
第二节社经情况
XX沟中型淤地坝位于XX县XX镇XX村,该村总户数237户,人口837人,劳力397个,耕地面积2081亩,人均耕地2.5亩,粮食总产14.8万kg,亩产141kg,人均产粮177kg,人均纯收入931元。
第三节综合治理现状及规划情况
XX沟中型淤地坝坝控面积2.1km2,上游坡面治理较差,只有一些零星治理措施。
根据《XX县退耕还林还草总体规划》,规划五年内完成治理面积1.47km2,其中乔木林72公顷,灌木林75公顷,治理度达到70%,年平均治理进度29%。
第四节兴建该工程的目的和作用
兴建该坝的主要目的是拦蓄泥沙,防止水土流失,抬高侵蚀基准点,提高坝系整体的防洪能力,改善当地生态环境,拦泥淤地,增加粮食产量,提高人民群众的生活水平。
该坝建成10年后,拦蓄泥沙20.53万m3,可新增坝地4.4hm2,可增加粮食产量2.1万kg,可促进退耕还林还草396亩,对流域综合治理有显著的促进作用。
第五节建筑材料
土场:
坝址两岸有丰富的土料,属中粉质壤土,能够满足筑坝需要。
石料:
距坝址5km处有石料厂,有块石、碎石可满足供应,购价55元/m3,用小四轮车运输,运杂费7.6元。
砂子:
距坝址20km处的砂厂,砂源充足可满足供应,购价65元/m3,用三轮车运输,运杂费14.6元。
水泥:
距坝址10km处县水泥厂有工程所需的C32.5水泥,能满足供应,购价270元/t,用三轮车运输,运杂费4.6元。
钢材:
到坝址40km处的县城购买,购价3850元/t,用三轮车运输,运杂费18.2元。
柴油:
到坝址40km处的县城购买,购价4450元/t,用三轮车运输。
第六节水文及气象资料
根据《XX地区水文手册》,以及XX县气象局多年实测资料,本流域属暖温带大陆性季风气候,主要气候特征是:
一年内四季分明,春季干燥多风,降雨稀少;夏季炎热,雨量较多;秋季凉爽,气候宜人;冬季寒冷,降雪很少。
全年平均日照时数为2868小时,年均无霜期170天左右。
年平均气温在6.8℃—11.8℃之间,大于10℃的积温为3512℃。
年内平均大风日数为8日,平均风速为2.6m/s。
年平均降雨量为492mm,降雨年际变化大,最大年降雨量达867.1mm(1961年),最小为204.2mm(1965年)。
年内分配不均匀,6—9月降雨量占全年总降雨量的76%,12—3月仅占全年的5.4%。
沟道内无常流水,径流多由暴雨引起。
流域多年平均径流总量为11.93万m3,径流模数为5.68万m3/km2,多年平均土壤侵蚀模数13200t/km2,年输沙量为2.77万t。
第二章水文计算
第一节设计依据及设计标准
1、设计依据
中华人民共和国水利行业标准《水土保持治沟骨干工程技术规范》SL289—2003;山西省企业标准《淤地坝工程技术规范》晋Q834-85;中华人民共和国国家标准《水土保持综合治理技术规范沟壑治理技术》GB/T16453.3—1996;中华人民共和国行业标准《水工混凝土结构设计规范》SL/T191—96;中华人民共和国行业标准《水利水电工程制图标准水土保持图》SL73.6—2001;流域内万分之一地形图、实测1/500坝址地形图及流域现状调查资料。
2、设计标准
洪水重现期按20年一遇设计(P=5%),50年一遇校核(P=2%),设计淤积年限10年。
第二节水文计算.
1、设计暴雨量的计算
采用省《淤地坝工程技术规范》(以下简称《省规范》)(3—1)式H24·P=KP·H24
式中:
H24·P——频率为P的24小时暴雨量(mm)
H24——最大24小时暴雨均值(mm)查《省规范》附表D-4
得,H24=65mm,Cv=0.55
KP——频率为P的皮Ⅲ型曲线模比系数。
查《省规范》附表D-3得K5%=2.1K2%=2.58K10%=1.72
将以上数据代入(3-1)式得
H24.10%=1.72×65=111.8(mm)
H24.5%=2.1×65=136.5(mm)
H24·2%=2.58×65=167.7(mm)
2、设计洪峰流量的计算
采用《省规范》(3-2)
QP=CH24·PF2/3
式中:
QP——频率为P的洪峰流量(m3/s)
C1——洪峰地理参数,查表3—1丘陵沟壑区C1=0.17,
F——坝控面积
将已知数据代入式3—2得
Q10%=0.17×111.8×2.12/3=31.17(m3/s)
Q5%=0.17×136.5×2.12/3=38.05(m3/s)
Q2%=0.17×167.7×2.12/3=46.75(m3/s)
3、设计洪水总量的计算
采用《省规范》(3—3)式
WP=K·RP·F
式中:
WP——频率为P的洪水总量(万m3)
K——小面积折减系数,查《省规范》表(3-2),取K=0.7
RP——设计暴雨的一次洪水模数(万m3/km2)
由设计暴雨查《省规范》附表D-5得
R10%=2.908(万m3/km2)
R5%=4.555(万m3/km2)
R2%=7.016(万m3/km2)
将数字代入上式得:
W10%=0.7×2.908×2.1=4.27(万m3)
W5%=0.7×4.555×2.1=6.70(万m3)
W2%=0.7×7.016×2.1=10.31(万m3)
4、年来泥沙量计算
采用《省规范》(3—7)式:
VS=(1-KS)·S·F
V栏=VS·N
式中:
VS——年来泥沙量
S——年平均侵蚀模数S=0.9778万m3/Km2
KS——坡面治理措施平均拦沙率Ks=0
V栏——淤积库容
N——淤积年限,N=10年
VS=(1-0)×0.9778×2.1=2.053(万m3)
V拦=2.053×10=20.53万m3
5、水文计算成果汇总表
控制面积
(km2)
暴雨(mm)
洪峰(m3/s)
洪量(万m3)
淤积量
P=5%
P=2%
P=5%
P=2%
P=5%
P=2%
年
万m3
2.1
136.5
167.7
38.05
46.75
6.70
10.31
10
20.53
第三章工程设计
第一节枢纽组成
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XX沟中型淤地坝的枢纽组成为大坝和放水建筑物(卧管、涵洞、明渠及消力池)两大件,不设溢洪道。
放水建筑物布置在大坝左岸。
坝址两岸有适宜的中粉质土壤,其储量足以满足填筑坝体的需要,故坝型选择为均质碾压土坝。
第二节土坝设计
一、筑坝土料设计
筑坝土料的平均运距60m,土质为中粉质壤土,其有机质含量小于2%,水溶盐含量小于5%,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%-15%。
坝体干容重不应小于1.55t/m3。
二、坝高、库容、面积曲线绘制
坝高与面积、库容关系曲线的绘制是由经纬仪、水准仪网络交汇测量绘制的地形图量算求得的。
根据实测坝址以上沟道的纵横断面,计算不同水位面积和层间库容,然后计算出累计库容,坝高——库容——面积计算见下表,然后绘制出坝高(H)——库容(V)——面积(A)曲线。
水位(m)
坝高(m)
层间面积(m2)
平均层间面积(m2)
水层厚度(m)
水层间体积(m3)
库容累计(m3)
990
0
0
0
300
2
600
1272
2
600
600
900
2
1800
1274
4
1200
2400
1700
2
3400
1276
6
2200
5800
2900
2
5800
1278
8
3600
11600
4300
2
8600
1280
10
5000
20200
6120
2
12240
1282
12
7240
32440
8360
2
16720
1284
14
9480
49160
10540
2
21080
1286
16
11600
70240
12600
2
25200
1288
18
13600
95440
14600
2
29200
1290
20
15600
124640
三、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=20.53万m3,查坝高—库容曲线得:
h拦=14.4m,相应拦泥高程为1004.4m,淤地面积4.4hm2。
设计情况下:
V滞5%=6.70万m3,V拦+V滞5%=20.53+6.7=27.23万m3,查坝高~库容曲线得:
h拦+h滞=15.76m,相应设计洪水位为1005.76m,h滞5%=15.76-14.4=1.36m。
校核情况下:
V滞2%=10.31万m3,V拦+V滞2%=10.31+20.53=30.85万m3,查坝高~库容曲线得h拦+h滞=16.4m,相应校核洪水位1006.4m,
h滞2%=16.4-14.4=2.0m。
查《省规范》表4—1取h安=1.1m
则H设=14.4+1.36+1.3=17.06m
H校=14.4+2.0+1.3=17.7m
取最大坝高为17.7m,相应坝顶高程为1007.7m,沟底高程为990.0m。
四、施工期汛期拦洪坝高计算
为保证大坝施工期安全渡汛,需计算汛期拦洪坝高。
汛期拦洪坝高为汛期防洪库容(最低放水孔以上能拦蓄20年一遇洪水总量)对应的坝高与安全超高之和。
卧管最低放水孔高程为994.75m,查坝高—库容曲线,相应死库容为1.426万m3,设计洪水总量为6.70万m3,则总库容为8.126万m3,查坝高—库容曲线,相应坝高为9.5m,相应高程为999.5m,取安全超高2m,则H汛=9.5+2=11.5m,相应高程1001.5m。
五、坝体断面尺寸确定
⒈坝顶宽度
因坝顶无交通要求,查《省规范》表4-2,坝顶宽度B=3m。
⒉坝坡
因坝高17.7m,查《省规范》表4-3,取在上下游10m处设马道,上游马道以上坡比1:
1.75,马道以下坡比1:
2;下游马道以上坡比为1:
1.5,马道以下坡比为1:
1.5。
3、排水沟
为防止暴雨冲刷坝面,在坝体与岸坡结合处设纵向排水沟,将坝面流水送出坝脚以外。
排水沟为矩形断面,尺寸为30×30cm(深×宽),边墙、底板厚均为20cm,用M5.0水泥砂浆浆砌块石砌筑,M10水泥砂浆勾缝。
4、结合槽
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1.0m,深1m,边坡比1:
1,结合槽用黄土人工回填夯实。
5.坝基和岸坡处理
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0.6m,清基平均深度为30cm,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。
与坝体连接的岸坡应开挖成平顺的正坡,土质岸坡不陡于1:
1.5。
6.护坡:
在土坝上游淤面以上及下游坝坡设置草皮护坡,种植柠条,防止雨水冲刷,护坡面积2111.5m2。
7.取土场整治
工程完工后,取土场用推土机按机修梯田标准整平,整治面积2719m2。
第三节放水建筑物设计
放水建筑物由放水卧管和输水涵洞及出口明渠段三部分组成。
放水卧管布设在大坝上游左岸的红粘土地基上,涵洞及出口明渠段布设在大坝右侧底部的红粘土地基上。
一、卧管设计
卧管采用箱式方形结构,底坡为1:
2,用M7.5水泥砂浆浆砌块石砌筑成台阶式。
卧管台阶高0.4m,盖板采用C20钢筋混凝土预制板。
1、放水流量的确定
根据中华人民共和国《水土保持综合治理技术规范》,要求排掉洪水保坝,按3天内放完一次10年一遇洪水总量计算
Q放=W10%/T=4.27×10000/3×86400=0.165m3/s
取Q=0.1653/s为设计放水流量。
2、放水孔孔径的计算
卧管台阶高为0.4m,每台设放水孔,每台设一孔,按每次放水同时开启2孔计算,放水孔孔径为
d=0.68×{Q放÷(H11/2+H21/2)}1/2
式中:
d——放水孔孔径(m)
H1、H2——分别为第1、2孔的作用水头(m),
H1=0.4m,H2=0.8m,
Q放——放水流量(m3/s)Q放=0.165m3/s
将以上有关数值代入公式得
d=0.68×{0.165/(0.40.5+0.80.5)}1/2=0.224(m)
取放水孔孔径为0.23m
验算下泄流量:
Q放={d2×(H11/2+H21/2)}÷0.682
={0.232×(0.41/2+0.81/2)}÷0.682=0.175m3/s
3、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应加大20%—30%,故卧管断面设计时要按加大流量计算,取Q加=1.3×Q放=1.3×0.175=0.228m3/s.
卧管内的水流近似于明渠水流,按明渠均匀流公式进行水力计算,求出正常水深。
拟定卧管底宽b=0.4m。
采用公式:
Q加=ωC
式中:
Q加—卧管过水流量(m3/s),Q加=0.228m3/s
b—卧管断面底宽(m),b=0.4m
ω—过水断面面积(m2)ω=b×h0=0.4×h0
C—谢才系数,C=(1/n)R1/6
R—水力半径,R=ω/X,X湿周,X=0.4+2h0
n—糙率,n=0.017
i—卧管底坡,i=1/2
将以上有关数值代入公式,经试算得卧管正常水深为:
h0=0.0881m
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=4×0.0881m=0.352m,为了便于施工,取H=0.4m
卧管断面尺寸确定为(宽×高)0.4×0.4m
4、卧管结构尺寸确定
查《省规范》表D—13,取侧墙顶宽0.3m,底宽0.5m,基础外伸长0.10m,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125度,卧管斜长30.97m,沿底板每隔10m设一道断面为0.5m×0.5m的齿墙,共3道,以增加其稳定性。
卧管总高度14.55m,共31台,32块盖板。
为防止卧管放水时产生真空,在卧管顶部设通气孔,通气孔高程1007.15m,末端高程992.6m,最低放水孔高程994.75m。
5、卧管末端消力池断面尺寸确定
为使水流平顺进入涵洞,在卧管末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,盖板采用C20钢筋混凝土预制板。
5.1判断是否需要设消力池。
采用公式:
式中:
q——单宽流量,q=0.228÷0.4=0.57m3/s.m
h2——第二共轭水深(m)
h0——卧管正常水深(m),h0=0.0881m
a——流速不均匀系数,取a=1.1
g——重力加速度(m/s2),g=9.81m/s2
将以上有关数值代入公式计算得
h2=0.0881÷2×[(1+8×1.1×0.572÷9.81÷0.08813)0.5-1]=0.865m
下游涵洞正常水深hs=0.249m,h2>hS,故发生远离式水跃,需设消力池。
5.2消力池断面尺寸确定
池深计算
采用公式:
d=δ(h2-hs)
式中:
d——消力池深(m)
δ——淹没安全系数,δ=1.25
h2——消力池的跃后水深(m),h2=0.865m
hs——紧接消力池出口的下游水深(m),hs=0.249m
将以上有关数值代入公式计算得:
d=1.25×(0.865-0.249)=0.77m
取池深D=0.8m
池长计算
采用公式:
LK=(4.8~5.5)(h2-h0)
=(4.8~5.5)×(0.865-0.0881)=3.76-4.27m
取池长LK=4.0m
池宽计算
采用公式:
B=b+0.4=0.4+0.4=0.8m
取池宽B=0.8m
消力池断面尺寸确定为:
长×宽×深=4.0×0.8×0.8m
6、消力池结构尺寸确定
查《省规范》表D—8,确定消力池结构尺寸为:
侧墙顶宽0.65m,底宽1.4m,基础外伸长0.2m,基础厚0.5m,盖板搭接长度0.3m。
消力池底高程为992.6m,盖板顶高程为994.8m。
二、盖板配筋计算
1、卧管盖板配筋计算
卧管盖板采用钢筋砼预制板,盖板长×宽=0.7×1.0m,拟定盖板厚度为0.15m。
砼强度等级为C20,相应的抗压强度fc=10N/mm2,钢筋采用热轧Ⅰ级钢,相应的抗拉强度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,砼保护层厚α=25mm
盖板上淤泥厚度h淤=14.4-4.75=9.65m,
盖板上水深h水=16.4-14.4=2.0m,
盖板宽度b=1.0m。
盖板内力按简支梁计算,每块盖板配筋量计算如下:
1.1均布荷载计算
荷载标准值计算
自重荷载gk1=r砼×b×h砼=25×1.0×0.15=3.75KN/m
淤泥压力荷载gk2=r淤×b×h淤=20×1.0×9.65=193KN/m
水压力荷载qk3=r水×b×h水=10×1.0×2.0=20kN/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×qk1+rG2×qk2=1.05×3.75+1.2×193=235.54kN/m
q=rQ×qk3=1.0×20=20kN/m
Q=g+q=235.54+20=255.54kN/m
1.2内力计算
板的计算跨度按以下公式取小值
L=L0+a
L=1.1×L0
式中:
L0——板的净跨(m),L0=0.4m
a——搭接长度(m),a=0.15m
将以上有关数据代入公式计算得:
L=0.4+0.15=0.55m
L=1.1×0.4=0.44m
取L=0.44m
跨中弯矩设计值采用公式:
M=0.125r0Ψ(g+q)L2
支座截面剪力设计值采用公式:
V=0.5r0Ψ(g+q)L0
式中:
r0——结构重要性系数,r0=0.9
Ψ——设计状况系数,Ψ=1.0
其它符号意义同前.
将以上有关数值代入公式计算得:
M=0.125×0.9×1×255.54×0.442=5.57KN·m
V=0.5×0.9×1×255.54×0.4=46.0KN
1.3配筋计算
a、采用公式M=1/rd·fc·as·h02,求as
as=rd·M/fc·b·h02
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=5.57KN·m=5.57×106N.mm
fc——砼抗压强度,fc=10N/mm2
b——板的宽度,b=1.0m=1000mm
a——砼保护层厚度,a=25mm
h0——盖板有效厚度,h0=h-a=150-25=125mm
将以上有关数值代入公式计算得:
as=1.2×5.57×106/10×1000×752=0.043
b、根据as计算受压区相对高度ξ
采用公式:
ξ=1-(1-2as)1/2
将有关数值代入公式计算得:
ξ=1-(1-2×0.043)1/2=0.044
判断是否满足ξ<ξb条件。
该工程采用热轧Ⅰ级钢ξb=0.614,因为ξ=0.044<ξb=0.614,满足条件,说明不需要加大截面尺寸或提高砼强度等级。
c、计算钢筋截面积As
采用公式:
As=ξ·b·h0·fc/fy=0.044×1000×125×10/210=260.11mm2
d、检验配筋率是否满足ρ>ρmin条件
卧管盖板配置Ⅰ级钢筋,ρmin=0.15%
采用公式:
ρ=ξfc/fy=0.044×10/210=0.21%>ρmin=0.15%
满足最小配筋率要求
e、查表选配合适的钢筋直径和根数
查表确定每块盖板选用5φ10的受力筋,实际钢筋面积As=392.5mm2,分布筋选用5φ6.5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要求
因为h0/b=125/1000=0.125<4
所以采用公式:
Vc截面=1/rd×0.25×fc×b×h0=(1/1.2)×0.25×10×1000×125=260420N>V=46000N
说明截面尺寸满足要求.
按以下公式验算剪力是否满足要求
Vc剪力=1/rd×0.07·fc·b·h0=(1/1.2)×0.07×10×1000×125=72917N>V=46000N
满足剪力要求,不需弯起钢筋。
2、消力池盖板配筋计算
消力池盖板采用钢筋砼预制板,盖板长×宽=1.4×8m,拟定盖板厚度为0.2m,砼强度等级为C20,相应的抗压强度fc=10N/mm2,钢筋采用热轧Ⅰ级钢,相应的抗拉强度fy=210N/mm2。
取钢筋砼容重r砼=2.5t/m3=25KN/m3,淤泥饱和容重r淤=2.0t/m3=20KN/m3,水容r水=1.0t/m3=10KN/m3,砼保护层a=25mm。
盖板上淤泥厚度h淤=9.6m,盖板上水深h水=2.0m。
盖板内力按简支梁计算,取1m板宽计算:
2.1均布荷载计算
自重荷载gk1=r砼·b·h=25×1.0×0.2=5KN/m
淤泥压力荷载gk2=r淤·b·h淤=20×1.0×9.6=192KN/m
水压力荷载qk3=r水·b·h水=10×1.0×2.0=20KN/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=1.05×5+1.2×192=235.65KN/m
q=rQ×qk3=1×20=20KN/m
Q=g+q=235.65+20=255.65kN/m
2.2内力计算
板的计算跨度按以下公式取小值:
L=L0+a
L=1.1×L0
式中:
L0——板的净跨(m),L0=0.8m
a——搭接长度(m),a=0.35m
将以上有关数据代入公式计算得:
L=0.8+0.35=1.15m
L=1.1×0.8=0.88m
取L=0.88m
跨中弯距设计值采用公式:
M=r0·ψ·1/8·(q+g)·L2
支座截面剪力设计值采用公式
V
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