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淤地坝设计学士学位论文.doc
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1、水土保持工程学-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 第一节
2、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、 放水工程组成二、
3、 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c=0.8
4、t/ 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(大坝和放
5、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有两个轴线
6、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,查出相应
7、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/W洪)求Q
8、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滞的值与求得的
9、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=5m。(二
10、)、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,将坝面流水送出坝脚以外。排
11、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。排水体顶端
12、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个参数时就可以求出第五
13、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;则稳定安全系数=1.3
14、11.25,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
15、。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h和Q的关系进行线性分析,做出趋势线,根据趋势线公式代入Q泄=42m3/s便可以求得hk 的值。临界水深试算表hk(m)Q泄(万m3)wk(m)Bk(m)127.58 9.7 10.71.133.58 10.8 10.91.238.49 11.9 11.11.34
16、3.67 13.0 11.31.449.11 14.1 11.51.554.80 15.3 11.71.660.74 16.5 11.91.2742.09 12.7 11.24通过计算可以求出:当Q泄=42m/s时,hk =1.27m,VK=Q泄/k =42/12.7=3.31m/s(二)、计算临界底坡ik其中 Kk为流量模数;k 为过水断面面积:k =12.7 m2Rk为相应的临界水深hk时的水力半径,Xk为相应的临界水深hk时的湿周n为粗糙系数,n=0.025 ;Ck为谢才系数,将hk =1.27m代入公式得:湿周Xk =12.3m;=12.712.3=1.03m:将k =12.7m,RK
17、=1.03m,代入下式, 得:KK=518.91m/s,ik=6.5510-3陡坡段底坡设计为i=1:5,因为ik =6.5510-3 i=0.2,所以陡坡水流为急流,可按照陡坡计算。(三)、计算陡坡长度L0P为陡坡段总落差,坝底高程为798m,溢流堰高程为822m,因此P=822-798=24 m;i=1:5=0.2,则=122.38m(四)、计算正常水深h0利用明渠均匀流公式:其中:A为过水断面面积,A=(B+H)H,B=8.7m;C 为谢才系数, ,n为粗糙系数,n=0.025;R为水力半径,Xk为湿周,;i为底坡坡度,i=0.2。明渠均匀流公式可以转化为只有一个变量h的公式,即:试算法
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