小型拦河坝设计计算书.docx

一、过坝洪水计算1、计算方法项目区及附近没有水文测站，无法采用长系列实测洪水资料推求设计洪水，只能采用暴雨资料推求设计洪水。白沙镇水管所自1994年安装有人工记录雨量站，主要用于暴雨观测，距今21年，资料系列满足统计年限精度要求，但由于记录人员不稳 定，操作欠规范，雨量资料准确性差，作为洪水计算统计资料成果误差大， 不宜采用 因此，本次洪水计算采用广西水文图集及暴雨径流查算图表中的雨量等值线 及Cv值图表计算洪水。拦河坝座落在干沟01下游，为简化计算，对干沟01全长进行洪水计算，然后按 面积比计算坝上洪水量。2、设计洪水标准选择根据广西壮族自治区土地整治工程建设标准，本次拦河坝引水枢纽引水流量 小于2.0m3/s,按10年一遇洪水标准设计。3、洪水计算(1)集雨面积将项目区及与之接壤，并正在安排土地整治项目建设的龙江村、文明村、白沙村 实测1: 1000地形图进行拼接，在图上框出干沟 01集雨面积为6.462Km2。(2)河道底坡计算计算公式：I (H H1)L1 (H1 H2)L2 (Hn4 Hn)-2HL J=J河道底坡；H0河道从下至上第一个断面处的河底高程；Hi、H2河道从下至上第二、第三个断面处的河底高程；Hn-1、Hn河道从下至上最后两个断面处的河底高程；L河道总长,图上量得 3030.28m , 3.03Km。计算得河道底坡：J=0.00184。(3)设计净雨计算1)根据项目所在地点查广西水文图集，得多年平均最大 1、6、24小时H值和CV值，然后查模比系数Kp值，计算不同频率年份设计雨量见表 5-2。表5-2各时段点暴雨量参数及频率计算成果表计算方法时段资料系 列均值(mm)CvCs/Cv频率(%)50.5210广西暴 雨统计参 数等值线 图集(2001 )10min截止2000 年240.33.537.749.442.533.61h截止2000 年650.3102.1133.9115.1916h截止2000 年1150.45216.2320.9258.918424h截止2000 年1600.5318.4489.6387.2265.62)取时段At为0.5小时，计算各时段设计暴雨根据暴雨径流查算图表，计算 P=10%暴雨递减指数np如下:Hi。n1p=1+1.2851g 10=1+1.285 X -0.433 ) =0.444 H 60 pH1p/、n2P=1+1.2851g -=1+1.285 X (-0.306) =0.607H6PH6P,、n2P=1+1.6611g 6=1+1.661 X -0.159 ） =0.736H24P式中H24p、H6p、H1p （H60p）、H10P分别为24小时、6小时、1小时、10分钟 设计暴雨（单位：mm）。各时点暴雨按下式计算：当 6Vt<24 小时：Htp=h24p（ ）1-n3p24当 1<t<6 小时：Htp=h1pt1-n3P或 Htp=h6P（：）1-n2p当 t<1 小时：Htp=h1pt1-n1p时段雨量为相邻两个时点之间的差值。查雨型分区图，合浦县属第8区，根据广西分区综合24小时雨型表进行分配时段雨量。3）净雨计算根据产流分区图，本区属7区，查降雨径流相关特征参数综合表得 Wm=100mm , 则初始蓄水量 Wo=0.7 Wm=70mm , Io= Wm- W0=30mm。根据暴雨径流查询图表，取平均稳定入渗率f=8mm （瞬时单位线法）和（i=4mm （推理公式）。4）瞬时单位线法计算洪峰流量根据汇流分区图，本区属二（1）区，属非岩溶地区，则：m1 稳=3.50F 0.150J-0.440 =3.54n=1.797F 0.082J0.028 =2.10第23页代吧=3.54/2.1=1.66 nFc=3.6, t6.4623.6 0.5=3.59根据计算的n、k值，查取S （t）曲线对应值，并结合计算的c值，算出各时段洪水流量见表,计算洪峰流量为 33.36m 3/s。5）推理公式法计算洪峰流量6）净雨计算根据前述计算净雨，将稳定入渗率由f=8mm更换为（i=4mm。7）计算8、m值0= 1/3L =15.50J F1/4本区属丘陵区，植被一般，则：m=0.107 90.581=0.538）计算洪峰流量采用图解法进行计算，设5、6、7、8、9五个时段t,按公式Qm=0.278 hF及Qm=（0.278 L一）4分别计算 Qm值，计算结果：Qm=37.87m 3/s。 mJ1/36、计算洪峰流量结果比较及确定瞬时单位线法和推理公式计算 Qm值分别为33.36m 3/s、37.87m 3/s,两者相差13.5%,结果比较合理，本次设计从加强安全要求考虑，选择推理公式计算结果。7、过坝洪峰流量计算采用面积比法推求过坝洪峰流量， 从1 : 1000实测地形图上框量，坝上集雨面积2.629Km 2,上述洪峰流量计算对应集雨面积为 6.462Km 2,因此：Q 坝=3787M 2.629 =15.41 m3/s 6.462二、拦河坝设计1、坝址选择项目区内拦河坝只有一处，主要拦抬干沟 01水量灌溉平鸭营屯南部农田。从现 场调查来看，原有坝体已全部破坏，破坏原因主要有：一是原有坝身单薄，坝基及坝 肩渗径不够，坝基淘空后，坝身在自身重力作用下，沿坝轴线近似法线方向产生压扭 性断裂；二是原坝身为砌石体，经多年水流淘涮，容易造成浆、石分离，被水流带走, 加速破坏；三是坝下游缺乏消力池等消能工，容易造成坝后冲刷，危及坝身安全。从旧坝址来看，坝基主要土层分布为：上层约3050cm的污泥质土，土质软弱, 压缩性大，不能作为建筑地基使用；下层为第四系粉质粘土，属滨海沉积的第四系红 土，厚57m,沉积年代较远，地基持力好，稳定性好；具下为粉砂质泥岩，厚达 50m以上（参考合浦水利局2004至2005年打井资料）。坝基所在地不存在不稳定 活动层，粉质粘土层及粉砂质泥岩层地基承载力好，属弱透水层，可作为坝基。项目区内原有坝体设置是满足下游农田引用水水位要求的，坝址地质条件较好， 因此，本次仍选用原有坝址。2、坝身设计（1）坝身设计1）坝顶、坝基高程确定从现有坝肩引水渠来看，要满足引水渠引水灌溉要求，坝顶高程应到14.30m,但坝址所在地右岸农田田面基本在 14.30m高程左右，因此既要满足引水要求，也要 满足排水、排渍要求。本次设计划设计坝顶高程14.3m,沿坝轴线设4个排水孔，孔深80cm,也即孔底高程13.5m,农田灌溉取水时可通过增设平木板闸拦抬水位，不用 水时采用通过排水孔排水，避免农田渍害。坝址处表层淤泥质土厚3050cm,地基承载力小，压缩性大，需要清除，底层 粉质粘土沉积年低久远，压缩性小，透水性小，可作坝体持力层，为保证建基面土层 持力效果较好，结合坝身断面要求，本次计划坝基面选择在河道地面以下1.6m,也即10.82m高程。2）坝身设计本次设计坝身采用C20埋石碎浇筑，埋石量20%。设计坝顶高程14.30m,坝基 高程10.82m ;坝顶宽0.8m,以便人员自由通行；坝长 8m,坝体中部设置4个bx h=100cm >80cm的排水（砂）孔，孔顶设设置6cm厚钢筋碎人行盖板，孔口上部（迎 水面）设置5cm厚平木板闸槽。为加强坝肩稳定，坝身与两岸接触设置C20埋石碎刺墙伸入两岸，每侧伸入长度 为1.5m,顶部高程为13.5m,底部高程与坝基相同，均为10.82m。刺墙厚80cm。（2）坝身过流能力复核1）下游水位计算下游水位采用比降法计算，河道两岸砌石硬化，底宽 6.0m,糙率取0.022,底坡 0.0036,计算下游水位1.55m。2）闸孔过流能力计算公式： 3/2Q 闸=omB% 2g H0Q闸闸孔过流，m3/s。H0堰顶水头（含流速水头），经试算得H0=1.56m ,其中堰顶实际水深1.44m, 流速水头0.12m。淹没系数。下游水位为13.97m,闸孔堰顶高程为13.50m,则下游水位与 堰顶高差 hs=13.97-13.5=0.47 ,从 hs/ H0=0.47/1.56=0.30 <0.80,判断 闸孔出流为自由出流，取6=1.0。B闸孔宽度，本次设置闸孔 4孔，每孔净宽100cm ,故B=4.0m。m流量系数，下游沟宽 B0=8.0m,闸孔宽B=4.0m , B/ B0=0.50 ,查流量系数表，得m=0.34 0g重力加速度，g =9.81m/s 2。计算得:Q 闸=11.73m 3/So3）堰顶过流能力计算公式：3/2Q 土限=os m By2g H0Q堰堰顶过流能力，m3/soH0堰顶水头（含流速水头），H0二坝上游水位+流速水头-堰顶高程=14.94（=13.5+1.44 ） +0.12-14.30= 0.76m 。其中堰顶实际水深 0.64m,流速水 头 0.12m 。os淹没系数。下游水位为13.97m,闸孔堰顶高程为14.30m,则下游水位与堰顶高差 hs=13.97-14.30=0.-0.33 ,从 hs/ Ho=-0.33/0.76=-0.43 <0.80, 判断闸孔出流为自由出流，取6=1.0。B堰顶计算宽度，B=4.0m。 侧收缩系数，=1-0.2 *H0/B=1-0.2 .8 >0.76/4=0.97。k边墩形状系数，按折线型边墩选取，Wk =0.8。m/ 流量系数，根据 H0/Hd=0.78 , P/Hd=1.94,查图得 m，=0.41。P 堰高，P=：K顶高程-坝址处河道底部高程=14.3-12.42=1.88m。Hd设计水头，Hd =上游水位-下游水位=14.94-13.97=0.97m。计算得：Q tg= 3.73m 3/So4)坝身过流能力复核Q坝核二Q闸+ Q 土=11.73+3.73=15.46 m 3/s,稍大于过坝设计洪峰流量 Q坝=15.41 m3/s,故坝身过流满足泄洪要求。(3)坝基渗透稳定计算根据水闸设计规范(SL265-2001 )的规定，考虑到本次工程属V等5级小型水坝，为便于计算，采用渗径系数法分正常运行和设计洪水2种工况计算，具体如下：计算简图：见图5-5、5-6。计算公式：C=L/mC渗径系数；L闸基防渗长度，为防渗部分水平段和垂直段的长度总和，按图 5-1和5-2计算，L为1,8/的边界条件总长：L=2.1+0.5+ J0.52 + 0.52 +3.35+0.52 +0.52 +0.5+1.5=9.37 ;阳一一上、下游水头。正常运行状况下，上游水位与坝顶高程一致，下游无水，则小=14.3-12.42=1.88m ;设计洪水状况下，上、下游水头 Hd =上游水位-下游水位=14.94-13.97=0.97m 。计算得：正常水位状况：C=L/小=9.37/1.88=4.98 > C =32;设计水位状况：C=L/zH=9.37/0.97=9.66 > C =32;结论：从计算结果来看，正常水位及设计水位运行状况下，坝基均满足抗渗破坏 要求。(4)坝身稳定计算1)抗滑稳定计算简图，见图5-7、5-8:计算公式：L-二二二r一三一一"3I =- I d根据碎重力坝设计规范(SL319-2005 )的规定，选择抗剪强度公式计算抗滑稳定：f 1W -U) K-PK抗滑稳定安全系数；本次坝基为粘土，参考水闸设计规=0.35 ;f坝体碎与坝基接触面的抗滑摩擦系数，范，瓦窑岭水库除险加固工程的地勘成果，取IW坝基上全部向下铅直荷载，KN ;EU 扬压力，KN;ZP 作用在坝体上的水平荷载。工况1:正常运行水位时(假设坝下游无水)EW=G1+G2+ - +G11=0.5 X (2.1+1.88 ) X25+0.2 X0.3 X25+0.2 X0.2 X0.5 X25+(0.2+0.3 )义(1.0+1.46+0.82 ) X25+0.5 X0.5 X0.5 X25+0.5 X0.82 >0.82 X25+0.82 义(1.0+1.46 ) X25+0.5 X(0.5+0.5+2.54 ) X1.46 >25+ (0.5+0.5+2.54 ) X1.0 >25+0.5 X0.5 >0.5 >25+0.5 >0.5 X25=49.75+1.5+0.5+41+3.125+8.405+50.43+64.605+88.50+3.125+6.25=350.79KNEJ= U1+U2+ - +U10=Y X" X5.35+ Y X也 X0.5 X0.5+ Y XH2 X (5.35-0.5 ) + 丫 XH3 X0.5 X0.5+ 丫 XH3 X (5.35-0.5-0.5 ) + T XH4X 2.54+0.82 ) >0.5+ 丫 XHX 0.5+0.5 ) + 丫 XH5X0.5>0.5+Y XH5X0.5+ y XH6X0.5X0.5=16.05+0.25+4.85+0.25+4.35+11.155+6.72+0.25+0.5+0.25=49.975式中： 水白容重，产10KN/m3;小1、210 扬压力增量值，根据上下游水头差H=(上游水位)-下游水位=14.30-12.42 (取下游无水)=1.88m ,取AH=H/L=1.88/9.37=0.20，从下往上按渗径长度推算各拐点扬压力增量值见表5-3 :表5-3扣拐点扬压力增量值小2小3小4小5小60.30.10.10.6720.10.1EP=P 土+P 水=18.05+79.20=97.25KNP 土上游土压力；P 土 =0.5 丫土 h 土 2tg2(45- /2)=0.5 X18 X2.1 2 乂tg2(45-22/2)=18.05KN ;P 水上游静水压力，P 水=0.5" h 水 2=0.5M0X 01+1.88 ) 2=79.20KN。计算得：K=fI(W-U) = 0.35(350.79-49.975)二的 >长满足稳定要求。P97.25工况2:设计洪水时，上游水位14.94m ,下游水位13.97m。IW=350.79KN (同正常工况)EU= U1+U2+U1o= 丫 XH1X5.35+ 丫 XH2X0.5M.5+丫 XH2X 6.35-0.5) + 丫 xHsX0.5X0.5+ T XH3X(5.35-0.5-0.5 ) + T XH4X 054+0.82 ) X0.5+ 丫 XH4X 0.5+0.5 )+ 丫 XH5 >0.5 >0.5+ 丫 XH5X0.5+ 丫 XH6M.5X0.5=73.30+0.125+2.425+0.125+2.175+5.58+3.36+0.125+0.25+0.125=87.59KN式中： 水白容重，产10KN/m3;小1、210 扬压力增量值，根据上下游水头差H=(上游水位)-下游水位=14.94-13.97 (取下游无水)=1.88m ,取AH=H/L=1.88/9.37=0.20，从下往上按渗径长度推算各拐点扬压力增量值见表5-4 :表5-4扣拐点扬压力增量值小1小2不3小4小5小61.370.050.050.3460.050.7EP=P 土+P 水=20.95+79.20=97.25KNP 土,上游土压力；P 土 =0.5 丫土 h 2tg2(45-/2)=0.5 X18 X2.12 X tg2(45-22/2)=18.05KN ;P 水上游静水压力，P 水上=0.5 "h 水2=0.5 X10X2.1+1.88+0.97 )2=122.51KN ;P 水下=0.5 计 h 水 2=0.5X10X 13.97-12.42+1.5 ) 2=46.51KN ;P 水=p 水上-p 水下=122.51-46.51=76.00计算得：Kf（35*7987.59）=1.21 > K=1.05,满足稳定要求P76.002）坝基应力计算计算公式：、（W-U） 、 M *x 、 （W-U） 6V M 0y=2ABB2工况1:施工期（上、下游均无水，坝基面不存在扬压力）W=350.79 （按前述计算）EU=0B坝基宽度，B=5.35 oZM计算见表5-5 :表5-5EM计算成果表序号荷载名称荷载值（KN）力臂（m）弯矩（KN m）备注一坝体自重汇W1G149.752.6755133.112G21.52.02553.043G30.51.80850.904G4411.925578.95序号荷载名称荷载值（KN）力臂（m）弯矩（KN m）备注5G53.1252.00856.286G68.4051.402511.797G750.431.267863.948G864.605-0.32-20.679G988.50-0.9078-80.3410G103.125-2.0085-6.2811G116.25-2.4255-15.16万M175.56Z (W - U)6 M 350.79-0 6175.56 ” = “c cc产土 2- =65.57 圾.80BB25.355.35计算得：omax=102.37KPa < 150 KPa ,满足地基承载力要求;omin=28.77KPa >0,满足地基承载力要求。正常运行期：!W=350.79KN!U=49.975KNB坝基宽度，B=5.35 oZM计算见表5-6 :表5-6EM计算成果表序号荷载名称荷载值（KN力臂（m）弯矩（KN m）备注一坝体自重万W175.561G49.752.6755133.112G1.52.02553.043G0.51.80850.904G411.925578.955G3.1252.00856.286G68.4051.402511.797G50.431.267863.948G864.605-0.32-20.679G88.50-0.9078-80.3410Go3.125-2.0085-6.28序号荷载名称荷载值（KN力臂（m）肖宛（KN m）备注11G16.25-2.4255-15.16一扬压力T U-25.371U116.05002以0.252.34250.593U34.85-0.25-1.214U40.251.84250.465U54.35-0.5-2.186U11.155-0.5555-6.207U76.72-2.1755-14.628U0.25-2.0085-0.509U90.5-2.4255-1.2110U1o0.25-2.5085-0.50二上游水、土压力-117.951P水79.20-1.33-105.342P 土18.05-0.6985-12.61E32.34(W-U)6 M 350.79 -49.975 6 32.34 ” “ s "产士 2 =土厂=56.23 678BB25.355.352计算得：omax=63.01KPa >0,满足地基承载力要求；omin=49.45KPa >0,满足地基承载力要求。设计洪水期：上游水位14.94m ,下游水位13.97m。!W=350.79KNUU=87.595KN坝基宽度，B=5.35IM计算见表5-7 :表5-7EM计算成果表序号荷载名称荷载彳1 （ KN）力臂（m）驾矩(KN-m)备注坝体自重士 W175.561G49.752.6755133.11序号荷载名称荷载彳I （ KN）力臂（m）弯矩（KN-m）备注2G1.52.02553.043G30.51.80850.904G411.925578.955G53.1252.00856.286G68.4051.402511.797G50.431.267863.948G64.605-0.32-20.679G88.50-0.9078-80.34一坝体自重万W175.5610Go3.125-2.0085-6.2811Gn6.25-2.4255-15.16一扬压力汇U-12.761U173.30002U20.1252.34250.293U32.425-0.25-0.614U40.1251.84250.235U52.175-0.5-1.096U65.58-0.5555-3.107U73.36-2.1755-7.318U80.125-2.0085-0.259U90.25-2.4255-0.6110U100.125-2.5085-0.31二上游水、土压力-144.771P水上122.51-1.54-188.672P水下46.511.21556.513P 土18.05-0.6985-12.61E18.03 (W-U)6、M 350.79 -87.595 6 18.0325.355.352=49.20 B78求。计算得:omax=52.98KPa < b=180KPa ,满足地基承载力要求;omin=45.42KPa >0 KPa,满足地基承载力要求，也满足坝址处不出现拉应力要3、消力池及海漫设计(1)消力池设计1)水力计算下游水流衔接形式判别：q21.932T0=h c+= hc+2-2g 2hc2 0.952 hcT0消力池底板顶面算起总势能,m ;hc收缩水深，m；q 过坝单宽量，q=15.41/8=2.20m 3/s；小一一流速系数，取4=0.95。经试算，hc =0.23m , T0=5.409m。hc ”=hc(%+吗 _1) = 23( 11+ 8乂2.2 3-1) =2.08m 下游水深ht=1.55m,2 ghc32.9.81 0.233判断发生远离式水跃起，需建消力池。hc水流跃后水深，m；消力池深计算：d= co hc "- ht-&00水跃淹没系数，经校正，0- 0=1.05；hc ”水流跃后水深，2.08m；ht出池河床水深，ht =1.55m ;金水流出池落差，m2=0.02金 = q 2g*/2ht/ 消力池出口流速系数，取卜 =0.95经计算，d=0.62m ,取 d =0.60m。池长计算：自由水跃起长：Lj=6.9X (hc ”- hc) =12.74m ;计算消力池长度：Lk=0.75 Lj =0.75 Xl2.74=9.56m ,取=9.5m。消力池底板厚度计算：t=ki q Ht消力池底板计算厚度，m；k1消力池底板计算系数，取 0.20;q消力池进口处的单宽流量，q =2.20m3/s；阳坝上、下游水位差， m； H= =14.94-13.97=0.97m计算得：t=0.29m ,取 t=30cm。2)消力池设计根据计算成果，本次消力池设计池深 0.6m,池宽8m,长9.5m。消力池底板高 程11.82m,采用C20碎现浇结构，厚30cm；底板内设C20无砂碎滤水砖消散扬压 力，排距100cm ,单排内每200cm设置一个，排与排之间错开布置，呈梅花型布置； 底板下设层厚15cm的卵石垫层及15cm厚粗砂垫层。消力池末端设置C20现浇碎消 力坎。(2)海漫设计本次计划在消力池末端设置海漫平顺水流，海漫采用干砌石铺砌，厚度 50cm, 宽8m ,长5m。海漫砌石顶部高程为12.42m。4、两岸翼墙设计(1)上游翼墙设置上游翼墙采用重力式 M7.5浆砌石挡土墙结构，墙高 3.52m,顶宽50cm,直立 墙面迎水，背水面墙体边坡1: 0.4。墙顶采用2cm厚M10水泥砂浆压顶，迎水面及 背水面露天部分采用M10水泥砂浆勾凸缝。基础埋深为河道底部高程以下 50cm,也 即 12.42-0.5=11.92m 高程。(2)过坝段翼墙设置过坝段翼墙采用重力式M7.5浆砌石挡土墙结构，墙高2.143.15m，顶宽50cm , 直立墙面迎水，背水面墙体边坡 1 : 0.4。墙顶采用2cm厚M10水泥砂浆压顶，迎水面及背水面露天部分采用 M10水泥砂浆勾凸缝。基础埋深坝坡面高程以下 50cm。(3)下游翼墙设置下游翼墙采用重力式 M7.5浆砌石挡土墙结构，墙高 3.52m,顶宽50cm,直立 墙面迎水，背水面墙体边坡1: 0.4。墙顶采用2cm厚M10水泥砂浆压顶，迎水面及 背水面露天部分采用M10水泥砂浆勾凸缝。基础埋深为河道底部高程以下 50cm,也 即 12.42-0.5=11.92m 高程。