小型拦河坝设计计算书

一、过坝洪水计算1、计算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：J=J——河道底坡；H0——河道从下至上第一个断面处的河底高程；H1、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△t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：n1p=1+1.285lg=1+1.285×（-0.433）=0.444n2p=1+1.285lg=1+1.285×（-0.306）=0.607n2p=1+1.661lg=1+1.661×（-0.159）=0.736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6＜t＜24小时：Htp=h24p()1-n3p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W0=0.7Wm=70mm，I0=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μ=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=3.50F0.150J-0.440=3.54n=1.797F0.082J0.028=2.10K==3.54/2.1=1.66c===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33.36m3/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μ=4mm。7）计算θ、m值θ==15.50本区属丘陵区，植被一般，则：m=0.107θ0.581=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=0.278F及Qm=(0.278)4分别计算Qm值，计算结果：Qm=37.87m3/s。6、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33.36m3/s、37.87m3/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2.629Km2,上述洪峰流量计算对应集雨面积为6.462Km2，因此：Q坝==15.41m3/s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30～50cm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5～7m，沉积年代较远，地基持力好，稳定性好；其下为粉砂质泥岩，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30～50cm，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埋石砼浇筑，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b×h=100cm×80cm的排水（砂）孔，孔顶设设置6cm厚钢筋砼人行盖板，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埋石砼刺墙伸入两岸，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：Q闸=σmBQ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。σ——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σ=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。g——重力加速度，g=9.81m/s2。计算得:Q闸=11.73m3/s。3）堰顶过流能力计算公式：Q堰=σsεm＇BQ堰——堰顶过流能力，m3/s。H0——堰顶水头（含流速水头），H0=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。σs——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/H0=-0.33/0.76=-0.43＜0.80，判断闸孔出流为自由出流，取σ=1.0。B——堰顶计算宽度，B=4.0m。ε——侧收缩系数，ε=1-0.2ξkH0/B=1-0.2×0.8×0.76/4=0.97。ξk——边墩形状系数，按折线型边墩选取，ξk=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=堰顶高程-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堰=3.73m3/s。4）坝身过流能力复核Q坝核=Q闸+Q堰=11.73+3.73=15.46m3/s，稍大于过坝设计洪峰流量Q坝=15.41m3/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/△HC——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++3.35++0.5+1.5=9.37；△H——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△H=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/△H=9.37/1.88=4.98＞［C］=3～2；设计水位状况：C=L/△H=9.37/0.97=9.66＞［C］=3～2；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：根据《砼重力坝设计规范》（SL319-2005）的规定，选择抗剪强度公式计算抗滑稳定：K=K——抗滑稳定安全系数；f——坝体砼与坝基接触面的抗滑摩擦系数，本次坝基为粘土，参考《水闸设计规范》，瓦窑岭水库除险加固工程的地勘成果，取=0.35；∑W——坝基上全部向下铅直荷载，KN；∑U——扬压力，KN；∑P——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）∑W=G1+G2+¨¨¨+G11=0.5×（2.1+1.88）×25+0.2×0.3×25+0.2×0.2×0.5×25+（0.2+0.3）×（1.0+1.46+0.82）×25+0.5×0.5×0.5×25+0.5×0.82×0.82×25+0.82×（1.0+1.46）×25+0.5×（0.5+0.5+2.54）×1.46×25+（0.5+0.5+2.54）×1.0×25+0.5×0.5×0.5×25+0.5×0.5×25=49.75+1.5+0.5+41+3.125+8.405+50.43+64.605+88.50+3.125+6.25=350.79KN∑U=U1+U2+¨¨¨+U10=γ×△H1×5.35+γ×△H2×0.5×0.5+γ×△H2×（5.35-0.5）+γ×△H3×0.5×0.5+γ×△H3×（5.35-0.5-0.5）+γ×△H4×（2.54+0.82）×0.5+γ×△H4×（0.5+0.5）+γ×△H5×0.5×0.5+γ×△H5×0.5+γ×△H6×0.5×0.5=16.05+0.25+4.85+0.25+4.35+11.155+6.72+0.25+0.5+0.25=49.975式中：γ——水的容重，γ=10KN/m3；△H1、2～10——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△H=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△H1△H2△H3△H4△H5△H60.30.10.10.6720.10.1∑P=P土+P水=18.05+79.20=97.25KNP土——上游土压力；P土=0.5γ土h土2tg2(45-Φ/2)=0.5×18×2.12×tg2(45-22/2)=18.05KN；P水——上游静水压力，P水=0.5γ水h水2=0.5×10×（2.1+1.88）2=79.20KN。计算得：K===1.08＞［K］=1.05，满足稳定要求。工况2：设计洪水时，上游水位14.94m，下游水位13.97m。∑W=350.79KN（同正常工况）∑U=U1+U2+¨¨¨+U10=γ×△H1×5.35+γ×△H2×0.5×0.5+γ×△H2×（5.35-0.5）+γ×△H3×0.5×0.5+γ×△H3×（5.35-0.5-0.5）+γ×△H4×（2.54+0.82）×0.5+γ×△H4×（0.5+0.5）+γ×△H5×0.5×0.5+γ×△H5×0.5+γ×△H6×0.5×0.5=73.30+0.125+2.425+0.125+2.175+5.58+3.36+0.125+0.25+0.125=87.59KN式中：γ——水的容重，γ=10KN/m3；△H1、2～10——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△H=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△H1△H2△H3△H4△H5△H61.370.050.050.3460.050.7∑P=P土+P水=20.95+79.20=97.25KNP土——，上游土压力；P土=0.5γ土h土2tg2(45-Φ/2)=0.5×18×2.12×tg2(45-22/2)=18.05KN；P水——上游静水压力，P水上=0.5γ水h水2=0.5×10×（2.1+1.88+0.97）2=122.51KN；P水下=0.5γ水h水2=0.5×10×（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：K===1.21＞［K］=1.05，满足稳定要求。2）坝基应力计算计算公式：σy==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）∑U=0B——坝基宽度，B=5.35。∑M计算见表5-5：表5-5∑M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∑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∑M175.56σ===65.57±36.80计算得：σmax=102.37KPa＜150KPa，满足地基承载力要求；σmin=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。∑M计算见表5-6：表5-6∑M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∑W175.561G149.752.6755133.112G21.52.02553.043G30.51.80850.904G4411.925578.955G53.1252.00856.286G68.4051.402511.797G750.431.267863.948G864.605-0.32-20.679G988.50-0.9078-80.3410G103.125-2.0085-6.28序号荷载名称荷载值（KN）力臂（m）弯矩（KN·m）备注11G116.25-2.4255-15.16二扬压力∑U-25.371U116.05002U20.252.34250.593U34.85-0.25-1.214U40.251.84250.465U54.35-0.5-2.186U611.155-0.5555-6.207U76.72-2.1755-14.628U80.25-2.0085-0.509U90.5-2.4255-1.2110U100.25-2.5085-0.50三上游水、土压力-117.951P水79.20-1.33-105.342P土18.05-0.6985-12.61∑32.34σ===56.23±6.78计算得：σmax=63.01KPa＞0，满足地基承载力要求；σmin=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=350.79KN∑U=87.595KNB——坝基宽度，B=5.35。∑M计算见表5-7：表5-7∑M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∑W175.561G149.752.6755133.11序号荷载名称荷载值（KN）力臂（m）弯矩（KN·m）备注2G21.52.02553.043G30.51.80850.904G4411.925578.955G53.1252.00856.286G68.4051.402511.797G750.431.267863.948G864.605-0.32-20.679G988.50-0.9078-80.34一坝体自重∑W175.5610G103.125-2.0085-6.2811G116.25-2.4255-15.16二扬压力∑U-12.761U173.30002U20.1252.34250.293U32.425-0.25-0.614U40.1251.84250.235U52.175-0.5-1.096U65.58-0.5555-3.107U73.36-2.1755-7.318U80.125-2.0085-0.259U90.25-2.4255-0.6110U100.125-2.5085-0.31三上游水、土压力-144.771P水上122.51-1.54-188.672P水下46.511.21556.513P土18.05-0.6985-12.61∑18.03σ===49.20±3.78计算得：σmax=52.98KPa＜［σ］=180KPa，满足地基承载力要求；σmin=45.42KPa＞0KPa，满足地基承载力要求，也满足坝址处不出现拉应力要求。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：T0=hc+=hc+T0——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=2.20m3/s；φ——流速系数，取φ=0.95。经试算，hc=0.23m，T0=5.409m。hc”===2.08m＞下游水深ht=1.55m，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=σ0hc”-ht-△zσ0——水跃淹没系数，经校正，σ0=1.05；hc”——水流跃后水深，2.08m；ht——出池河床水深，ht=1.55m；△z——水流出池落差，m。△z==0.02φ＇——消力池出口流速系数，取φ＇=0.95。经计算，d=0.62m，取d=0.60m。池长计算：自由水跃起长：LJ=6.9×（hc”-hc）=12.74m；计算消力池长度：Lk=0.75LJ=0.75×12.74=9.56m，取=9.5m。消力池底板厚度计算：t=k1t——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；△H——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砼现浇结构，厚30cm；底板内设C20无砂砼滤水砖消散扬压力，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现浇砼消力坎。（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2.14～3.15m，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。第15页