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1、水土保持工程学-淤地坝设计淤地坝设计目 录第一章 概况第一节 基本资料第二节 淤地坝的组成和作用 一、淤地坝的组成二、淤地坝的作用第二章 淤地坝坝体设计第一节 淤地坝总体设计一、淤地坝组成方案选择 二、淤地坝类型选择三、坝址选择第二节 土坝坝体设计一、坝高及库容确定（一）、拦泥库容及拦泥坝高的确定（二）、滞洪库容及滞洪坝高的确定1、先用20年一遇洪水进行设计 2、按工程安全防洪标准确定溢洪道尺寸进行校核 3、安全加高h的确定二、土坝断面结构构造及尺寸（一）、坝顶宽度（二）、坝坡马道（三）、坝边坡（四）、坝坡保护（五）、坝体排水（六）、坝基和岸坡处理 第三节 土坝的稳定计算第三章 土坝溢洪道设计
2、 第一节 位置选择和布置形式一、位置选择二、布置形式第二节 水力计算一、溢流堰尺寸计算 二、陡坡段尺寸计算 （一）、计算临界水深hk （二）、计算临界底坡ik （三）、计算陡坡长度L0 （四）、计算正常水深h0 （五）、计算水面曲线（六）、陡坡终点水深ha和末端流速v（七）、陡坡边墙高度H确定三、出口段尺寸计算（一）、消力池深度S计算1、求跃后水深h2、求尾渠正常水深ht3、消力池深度（二）、消力池长度计算 第四章 溢洪道结构设计第一节 进口段设计一、 引水渠设计二、 渐变段设计三、 溢流堰设计第二节 陡坡段设计第三节 出口段设计第五章 土坝放水建筑物设计第一节 放水工程组成及作用一、 放水工
3、程组成二、 放水工程作用 第二节 工程布设第三节 水力计算一、 卧管水力计算（一）、进水孔尺寸计算（二）、卧管涵洞断面尺寸计算 二、 消力池水力计算 第四节 工程结构设计 一、 卧管结构设计 二、 输水涵洞结构设计第一章 概况第一节 基本资料1.坝址以上集水面积5km2;2.经勘测计算，求得坝高H与库容V、淤地面积A的关系见图；3.流域年侵蚀模数K=10000t/ km2,20年一遇设计洪水流量Q20=105 m3 /s，洪水总量W洪10万m3,200年一遇设计洪水流量Q200=180 m3 /s，洪水总量W洪17万m3；4.沟道无常流水；5.坝址附近有充足的筑坝土料，土壤内摩擦角20，内聚力
4、c=0.8t/ m2 ; 6.放水洞设计流量Q=0.5 m3 /s 。第二节 淤地坝的组成和作用一、淤地坝的组成淤地坝工程一般由三大件组成，即大坝、溢洪道，放水洞。二、淤地坝的作用 坝体是横拦沟道的挡水建筑物，用以拦蓄洪水，淤积泥沙。溢洪道是排洪建筑物，当淤地坝内洪水位超过设计高度时，洪水就会由溢洪道排出，以保证坝体的安全和坝堤生产的正常运行。放水建筑物用以排泄沟道长流水、库内积水到坝的下游，通常采用竖井和卧管的形式。淤地坝的最终目的就是增加农田。第二章 淤地坝坝体设计第一节 淤地坝总体设计一、淤地坝组成方案选择淤地坝枢纽工程组成在实践中有三大件方案（大坝、溢洪道和放水建筑物），也有两大件方案
5、（大坝和放水建筑物），还有一大件方案（大坝）。虽然三大件方案中溢洪道工程量大，工程投资和维修费用较高，但考虑到淤地坝控制的流域面积较大，为5km,从工程建成后运用安全方面及淤地坝上游淹没损失两方面综合考虑，淤地坝设计为三大件方案。二、淤地坝类型选择坝地附近有充足的筑坝土料，可以就地取材，考虑到土坝对地基要求低，施工技术较为简单，因此淤地坝设计为均质土坝。土坝按照施工方法可以分为碾压坝和水坠坝。在坝地附近有充足的土料，但是没有充足的水源，水坠坝无法施工，因此土坝设计为碾压坝。综上，淤地坝设计为碾压均质土坝。三、坝址选择好的坝址是淤地面积大、工程量小、施工方便、运用安全可靠。在流域沟道坝址地形图中
6、有两个轴线位置可以选择，其中轴线二处沟谷狭窄，上游地形开阔平坦，并处于口小肚大的葫芦口地形处，在轴线二处筑坝工程量小、库容大、淤地面积大。因此，选中在轴线二处筑坝。第二节 土坝坝体设计一、坝高及库容确定 淤地坝坝高H一般由拦泥坝高h拦，滞洪坝高h滞和安全超高h三部分组成，即坝高：H=h拦+h滞+h（一） 、拦泥库容及拦泥坝高的确定式中：F淤地坝控制的流域面积，单位km2，取F=5 km2K年平均侵蚀模数，K=10000t/（km2年） ns坝库排沙比，从安全角度考虑，认为土坝不排沙，即ns=0T设计淤积年限，N=10年rS淤积泥沙的干容重，rS =1.3t/m3得：=38.5万m根据H-V曲线
7、，查出相应的拦泥坝高h拦=24m，高程为822米。（二）、滞洪库容及滞洪坝高的确定对于三大件方案，滞洪库容需通过调洪计算确定。溢洪道最大泄流量Q泄为： Q泄=Q洪（1-V滞/W洪）溢流堰堰流公式为： Q泄MBh滞3/2两公示联立得： MBh滞3/2Q洪（1-V滞/W洪）其中，M流量系数，取值为M=1.7；H溢洪道堰上水头；B溢洪道堰顶净宽；W洪溢洪道最大泄洪量；V滞滞洪容积；Q洪来水洪峰流量。1、先用20年一遇洪水进行设计已知20年一遇设计洪水流量Q20=105m3/s，洪水总量W洪10万m3。求解采用试算法，步骤为：1）先假设一个h滞，再由HV曲线求得V滞；2）按公式 Q泄=Q洪（1-V滞/
8、W洪）求Q泄；3）按堰流公式 Q泄MBh滞3/2 求溢洪道宽度B；4）经过多次假设计算，最终对工程作经济、技术比较，取一个合适的B，该B所对应的h滞，Q泄，V滞即为调洪计算所求。根据经济分析技术比较最终得出h滞2m，B=8.7m。此时Q泄=Q洪（1-V滞/W洪）=42m3 /s 2、 按工程安全防洪标准确定溢洪道尺寸进行校核200年一遇设计洪水流量Q200=180 m3 /s，洪水总量W洪17万m3，校核步骤：1）先假设一个h滞，再由HV曲线求得V滞；2）按公式 Q泄=Q洪（1-V滞/W洪）求Q泄；3）按堰流公式 Q泄MBh滞3/2，其中M=1.7，B=8.7m,可求得h滞；4）将假设的h滞的
9、值与求得的h滞的值对比，如果两个数值接近或相等，则为所求的h滞。h滞=3m时，所求的两个数值比较的接近，因此校核h滞等于3m。3、安全加高h的确定20 年一遇的洪水计算 H20= h拦+h滞+h安=24m+2.0m+2.0m=28m200年一遇的洪水计算 H200= h拦+h滞+h安=24m+3.0m+2.0m=29m由于200年一遇洪水需要的坝体高度29m大于20年一遇洪水的坝体高度28m，故坝体高度H=29m取最大坝高为29m,相应坝顶高程为827m,沟底高程为798m。二、土坝断面结构构造及尺寸（一）、坝顶宽度坝顶设置单行道车道，由表3-8 中可以看出，对于高度在29m的土坝坝顶宽度B=
10、5m。（二）、坝坡马道因坝高于15m，考虑到施工行人、交通、堆放材料、机件方便和坝坡排水,在坝的中部即15m的高度（高程813m）设置1.5m宽的横向马道。马道上部坝坡陡，下部坝坡缓。（三）、坝边坡上游马道以上坡比为1:2.1,马道以下坡比为1:2.3；下游马道以上坡比为1:1.7,马道以下坡比为1:1.9。（四）、坝坡保护为防雨水等冲刷，淤积面以上的上游坝面和下游坝面，须设置保护措施。、植物措施:保护措施可为种植牧草、栽植灌木、也可以砌石。、排水沟:下游坝面还需要设置纵向排水沟，特别是坝端与沟坡相接处，必须做好排水措施，以防暴雨径流冲刷。因此，在坝体与岸坡结合处设纵向排水沟，将坝面流水送出坝
11、脚以外。排水沟为矩形断面，尺寸为3030cm（深宽），边墙、底板厚均为20cm.、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。（五）、坝体排水坝库蓄水之后，由于上游水压力的作用，水流会通过坝体渗透到下游坝面坡脚处，对于下游坝坡产生冲刷，出现管涌和流土现象。为了保证坝体安全，需要在坝的下游坡脚处设置排水体。排水体的作用一是降低浸润线的位置，防止渗透破坏（流土，管涌）；二是增加坝坡稳定，减小坝的断面尺寸。棱式反滤排水体适用于中大型土坝，因此该土坝排水体设计为棱式反滤排水体。
12、排水体顶端长度为2.5m，高度为4m，粗砂厚度为0.3m，小砾石厚度为0.4m，内部坡比为1：1，外部坡比为1:1.5。棱式反滤排水体断面结构示意图见附图。（六）、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。第三节 土坝稳定性计算土坝稳定分析计算方法：泰勒分析法泰勒提出在土坡稳定分析中共有5个计算参数,即土的重度、土坡高度H、坡角以及土的抗剪强度指标c、，若知道其中4个参数时就可
13、以求出第五个参数Ns，称为稳定因数，即：泰勒通过大量计算得到Ns与及间的关系曲线。如图所示：图1：泰勒的稳定因数Ns与坡角的关系图2：泰勒的稳定因数Ns与坡角的关系土坝设计中总共涉及到4个大的坡度，进行边坡稳定分析时只需要对坡度最大的边坡进行分析即可。所分析的边坡高度为H=15m,坡比m=1:1.7,即坡角a=30.5，已知土壤内摩擦角20，内聚力c=0.8t/m2, 土的重度=1.7t/m3（一般坝体压实后的干容重大于1.5t/m3，设计为1.7t/m3）。从图2中可以看出当20，a=30.5时，N=0.024；由公式 可以得出c=NH=0.0241.715=0.612t/m2；则稳定安全系
14、数=1.311.25,所以该土坡处于稳定状态。第三章 土坝溢洪道设计第一节 位置选择和布置形式一、位置选择溢洪道是淤地坝中最主要的建筑物之一，根据对地形图的分析，沟道的右岸坡度较陡，左岸坡度较缓，地形较平缓故选择在沟道的左岸，同时溢洪道的进口布设在距坝端10m以外处，出口布设坝坡坡脚线20-50m以外处。二、布置形式根据此流域的集水面积，及泄流量情况，采用堰流式溢洪道，用浆砌石建造。根据地形及工程量大小选用陡坡正堰式溢洪道，由进口段，陡坡段，出口段三部分组成。第二节 水力计算一、溢流堰尺寸计算溢流堰采用无坎宽顶堰，堰上水深为H=h滞=2m，堰长设计为2.510倍的H，即L=10m，堰顶宽度为B=8.7m。二、陡坡段尺寸计算（一）、计算临界水深hk陡坡段设计为梯形,底宽B=8.7m,边坡比为1:1。对于梯形断面陡槽，hk可按照水力学公式试算求得，即式中：a为不均匀系数，a一般取值1.1；k、Bk分别为相应于hk的过水断面面积和水面宽； Q泄=42m/s；g为重力加速度，g=9.81m/s2试算法：假设一个水深h，可以求得一个流量Q，将
