农村骨干坝安全工程可行性研究报告经典版.docx

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农村骨干坝安全工程可行性研究报告经典版

农村骨干坝安全工程可行性研究报告

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）

1概况

1·1基本情况

某某1#骨干坝位于某某县北部某某乡境内某某的主沟内，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

某某1#骨干坝坝控范围全部在某某范围内，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

某某是某某小流域的一部分，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，拟在某某片修建骨干坝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

某某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，提高某某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。

某某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某某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。

据某某县气象站观测记载，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—2003），（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》（SL73.6-2001）。

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，确定某某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—2003）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991.0