《水土保持工程学》淤地坝设计.

流域分水线第三章流域沟道治理工程为固定沟床,防治沟蚀，减轻山洪及泥沙危害，合理开发利用水沙资源而在沟道中修筑的工程设施。沟道治理工程主要有沟头防护工程、谷坊工程、淤地坝、小水库和拦渣工程等。其主要作用在于：拦截沟道内的径流泥沙，减少下游洪灾和泥沙淤积；抬高侵蚀基准面，控制沟道向长、向宽和向深发展；合理配置和利用沟道内的水沙资源，为农林牧业发展奠定基础。第一节沟头防护工程一、沟头防护工程的形式黄土高原沟头防护工程的形式很多，常见形式可归纳为四类。（一）沟埂式沟头防护1.连续围堰式2.断续围堰式（二）池埂结合式（三）排水式沟头防护1．悬臂式2.台阶式3.陡坡式（四）分段蓄水式沟头防护二、工程设计（一）沟埂设计1．沟埂位置的确定L=（2~3）h2．沟埂尺寸确定埂长、埂断面尺寸以来水量确定来水量沟埂断面尺寸可根据经验定:b≈0.5m，侧坡1：1θ＜6°高度0.5~0.8m；θ=15°~25°高度0.6~1.2m埂长根据地形情况定1000iAtW每米埂长蓄水容积:H=ho+ΔhΔh=0.2m左右全部蓄水量：V=V·LV=W时，设计合理；V＞W时，设计尺寸偏大；V＜W时，应设第二道沟埂拦蓄剩余水量，但须在第一道沟埂上设溢水口，并注意采取防冲措施。)1(212tgmhVo（二）沟头蓄水池设计（三）排水管（槽）设计1.沟头来水流量Qm的确定Qm＝0.278αIpF2.排水管（槽）断面尺寸确定（四）台阶式排水设计1.跌水的结构构造进口跌水墙陡槽消力池出口2.跌水水力尺寸计算扭面扭面陡坡式多级跌水陡坡式多级跌水台阶式多级跌水（1）进口矩形缺口可按宽顶堰公式计算：Qm=MbcH03/2（2）陡槽水力尺寸计算小型陡槽可不必计算水面曲线，只计算临界水深和正常水深即可，以此确定陡槽的断面尺寸。（3）消力池水力尺寸计算要求：在消力池中产生淹没式水跃，淹没系数在1.05~1.10之间确定池深d、池宽b和池长Ld≥σh〞-h下b≥b水第二节谷坊工程一、谷坊工程的种类及适用条件谷坊种类较多，按建材分，有土谷坊，石谷坊、生物谷坊、混凝土谷坊等。（一）土谷坊（二）石谷坊1.干砌石谷坊2.浆砌石谷坊3.石笼谷坊（三）生物谷坊二、谷坊设计任务：确定谷坊位置、高度、结构尺寸、溢水口尺寸、座数（一）谷坊布设位置确定布设原则：顶底相照、小多成群，工程量小、拦蓄效益大。布设点：直段、防拐弯、坎上、沟窄处布设。（二）谷坊高度和断面尺寸土谷坊小于5m干砌石谷坊1.5m左右浆砌石谷坊：3—5m左右柳谷坊1m左右尺寸可参考表3-2（三）谷坊数量及间距1．在宽的干沟内谷坊间距：h=Lih－谷坊底到溢水的高度；i－沟道比降。H－最下游谷坊底到最上淤谷坊溢水口底的地形高差。2．底坡不均，有台阶或跌坎时根据地形高差确定座数及高度ihLhHn3.在比降大的冲沟、干沟内淤积有翅尾巴现象，谷坊间距可按下式求得：i－沟床原比降；ic－淤积物比降。粗砂兼卵石:ic=0.02；粘土：ic=0.01；粘壤土：ic=0.008；砂土：ic=0.005ciihL若采用谷坊高度相同,则：当i、ic、h已知时，则可由其绘图求得谷坊的位置和座数。（四）谷坊溢流口尺寸确定（一）设计洪水标准规范：10－20一遇3－6h最大暴雨（二）水力计算用堰流公式：Q=MBH3/2（宽顶堰不淹设自由出流公式）谷坊顶流速不能太大，太大会冲刷，故应校核谷坊顶流速。cLihHn根据试验：hk≈（0.46~0.64）Hhk－临界水深H－溢流口顶水深允许流速ν允见P59表3-4。kkkBhQQV淤地坝设计一、已知基本资料1.流域沟道坝址地形图一张（1/1000）；2.坝址以上集水面积5km2;3.经勘测计算，求得坝高H与库容V、淤地面积A的关系见图；4.流域年侵蚀模数K=10000t/km2,20年一遇设计洪水流量Q20=105m3/s，洪水总量W洪＝10万m3，200年一遇设计洪水流量Q200=180m3/s，洪水总量W洪＝17万m3；5.沟道无常流水；6.坝址附近有充足的筑坝土料，土壤内摩擦角φ＝20°，内聚力c=0.8t/m2;7.放水洞设计流量Q=0.5m3/s二、设计任务、要求1.掌握中小型淤地坝设计方法、步骤；2.在1/1000地形图上进行枢纽布置；3.拟定淤地坝断面形状及尺寸；4.进行坝坡稳定分析计算；5.设计溢洪道及放水建筑物；6.绘制设计图；7.编写设计计算说明书。第三节淤地坝工程一．淤地坝的概念在沟道中拦泥淤地所打的坝叫淤地坝。在水土流失沟壑治理中还有一种型式的淤地坝叫拦洪淤地坝（骨干淤地坝或治沟骨干工程），它除了具有淤地坝的作用外，还有控制坝系洪水保护下游淤地坝、水库等运用安全的作用。二．淤地坝枢纽工程的组成及作用（一）淤地坝工程的组成及作用淤地坝工程一般由三大件组成，即大坝、溢洪道，放水洞（二）淤地坝枢纽工程组成方案选择1.三种组成方案的特点(1)三大件(2)两大件(3)一大件2.组成方案选择三、淤地坝的分级及设计洪水标准依据：重要性；失事后的危害性关系到技术安全、工程的造价和建设速度。主要依据库容将淤地坝分为大（一）、大（二）、中、小四级。四、淤地坝库坝址选择好的坝址，应淤地面积大、工程量小、运用安全可靠（一）地形方面（二）地质方面（三）筑坝材料方面（四）其它方面（施工、淹没损失、文物等）五、枢纽工程布置（一）土坝布设轴线短，分期加高，上下游，协调（二）溢洪道长短、地形、进出口（三）放水洞布设卧管竖井输水洞出口•取水建筑物：卧管竖井•输水建筑物：高程，消能六、淤地坝坝高、库容及淤地面积的确定（一）坝高、库容和淤地面积的关系（二）淤地坝坝高与库容的确定淤地坝坝高一般由拦泥坝高h拦，滞洪坝高h滞和安全超高Δh三部分组成：即坝高：H=h拦+h滞+Δh1．拦泥库容和拦泥坝高的确定当流域面积、来沙量一定时，应把淤地面积最大、工程量最小和达到“水沙相对平衡”时的相对坝高作为设计拦泥坝高。一般情况，可根据下式求出拦泥库容V拦或再以V拦查坝高~库容曲线求得h拦ssrTnKFV)1(拦ssrTnWsV)1(拦2．滞洪坝高的确定不设溢洪道：一次设计洪水总量定设溢洪道：调洪计算3．安全超高通常不作计算，可按规范选取按上述方法求得坝高H后，应和现场实际地形对照，不合适应再调整。七、淤地坝库的调洪计算（一）调洪计算目的任务确定溢洪道下泄流量（决定溢洪道尺寸）、滞洪库容和滞洪坝高。（二）调洪计算方法用简化三角形法（小坝不考虑滞洪作用）V滞=SΔoac-SΔobc=Q洪t3－Q泄t3=t3（Q洪－Q泄）洪水总量W洪=SΔoac＝Q洪t3t3=Q泄=Q洪（1－)调洪计算方法、步骤：21212121洪洪QW2洪滞iiWV1．由计划淹深假设h滞，再由H~V曲线求得V滞2．按公式Q泄=Q洪（1－）求Q泄3．按堰流公式Q=MBH3/2求溢洪道宽度B。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。洪滞WV（三）溢洪道顶坎低于淤地面时的调洪计算•适应条件：流域面积大，水土流失严重，沟道有常流水，须防盐碱化•采取措施：溢洪道顶坎高程降低（比淤地面低1.5－2.5m）泄水滞洪过程线具有的特点：溢洪道的最大下泄流量、排洪渠的最大流量与滞洪库容有如下关系：V滞=W洪（1－）α―系数α＝1－Q排/Q洪Q排=式中：β―系数β＝（1＋H2/H1）3/2H2―坝地允许洪水淹深H1―排洪渠最大水深此时调洪计算求V滞及h滞可按下述步骤进行：洪泄排QQQ1)1(洪滞洪WVQ（1）根据坝地生产要求（防洪标准）确定溢洪道的宽度Ba.根据允许淹深（0.5~1.5m）假设H2。b.据假设查V~H曲线得V允滞c.根据V允滞、Q洪、W洪，再据公式Q排=，求Q排（试算）d.按Q排=Q=MBH13/2求溢洪道宽度B（2）根据工程安全要求（防洪标准）确定h滞、V滞及Q泄a.根据工程安全假设h滞；b.再据假设h滞，查V~H曲线得V滞；1)1(洪滞洪WVQc.由假设h滞，及上求得B，据Q=MBH3/2=Q泄=MB（H1+h滞）3/2求Q泄；d.用Q洪、W洪及Q泄用公式V滞=W洪（1－）求V滞；f.看V滞与b步查得V滞是否相等，若不，则另设h滞重复以上步骤，直至相等为止。（四）坝系调洪计算坝系调洪溢洪道设计流量计算可按下式进行：Q泄=(Q上P＋Q区P)（1－）洪排泄QQQPPWWV区上滞式中：Q上P—频率为P的上坝溢洪道设计流量；Q区P—上坝之下本坝控制区间面积，频率为P时的设计洪峰流量；V滞—本坝滞洪库容；W上P—本坝溢洪道开始溢流达最大溢流时段内的上游工程下泄的洪水总量；W区P—相应于Q区P的设计洪水总量；调洪计算示例：第四节土坝设计一、土坝的分类及坝型选择（一）土坝分类1.按施工方法：夯碾坝、水坠坝2.按土坝构筑结构组成材料分（土料在坝体内的位置及防渗体的位置）：均质土坝、心墙坝、斜墙坝、铺盖坝等按筑坝材料分：土坝、土石混合坝按用途分：拦泥生产坝、缓洪骨干坝。拱坝砌石重力坝淤地坝坝型的选择主要是根据筑坝材料、坝址处地质、水文地质和施工条件等来定。对黄土地区本着就地取材一般选用均质土坝。土石山区可考虑选用土石混合坝。对于断面呈“V”字型的沟道（基岩），还可考虑拱坝。由于黄土区最常见的是均质土坝（夯碾坝、水坠坝），故本章如非着意指出，我们所说的淤地坝一般指均质土坝。（二）坝型选择1.均质土坝2.非均质土坝两种土料筑成，透水性小的土料作防渗体3.心墙、斜墙、铺盖、混合坝说明：淤地坝对防渗性的要求小于水库的要求，因而常用均质坝，一般粘土、砂土均可用。二、坝土料选择（一）土料特性试验测定（二）碾压坝筑坝土料选择（三）水坠坝筑坝土料选择三、土坝断面结构构造及尺寸拟定坝高定后，断面尺寸还包括坝顶宽，上下游边坡等。（一）坝顶宽度坝顶宽度与结构，高度和交通要求等有关。可参考表3~8。（二）坝边坡与坝高、筑坝材料和施工方法等因素有关，参阅表3~8。然后经过上坡稳定分析计算最终确定。（三）坝坡马道当坡高超过10~15m时，考虑到施工、行人、交通、排水和临时堆放材料之需，可在坝中部设1~1.5m宽的人行马道（戗台）。马道上部坝坡陡，下部缓。（四）坝坡保护上游坝面（淤地面以上）防风浪，常用干砌石保护。下游坝面防降雨冲刷，可种植牧草、灌木，还需作纵横向排水措施，特别是坝端与沟坡相接处。（五）坝体排水•淤地坝一般为土坝，其透水性和压实程度有关（与土质也有关），压实性好，透水性小，压实差，透水性大。压实程度常用干容重表示，一般需要干容重rd1.5吨/m3，低坝可小些。即便可满足要求，仍会产生渗漏。•浸润线：渗透水流在坝体中渗透形成的自由水面叫浸润面，在横断面上形成的自由水面线叫浸润线。•浸润线以下土体为饱和状，在浮力和渗透力作用下，土粒有效重量减少，可能会造成坝体破坏。因此，采取一些排水措施降低浸润线的位置有重要意义。•排水措施的作用就是有计划的将渗水导向坝体下游，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。•对反滤层的要求：–相邻两层中，颗粒较小的一层颗粒不得穿过颗粒较粗一层的孔隙；–各层内的颗粒不能发生位移；–被保护土壤的颗粒不得穿过反滤层，但允许细小的颗粒被渗流带走。因为只要土骨架不被破坏，就不致产生渗透变形；–反滤层不能被堵塞，即细小颗粒能自由通过各层的孔隙；–耐久、稳定，在使用其间，不会随着时间的推移和环境的影响而改变性质。排水措施的作用：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。•常见的排水措施有下面几种：1．表面排水优点：用料少、便于施工观察、维修，防止渗透破坏。缺点：不能降低浸润线位置适用于：中、小型淤地坝。反滤层：一般由2到3层粒径不同的砂石料铺筑而成，层面与渗流方向近乎垂直，沿渗流方向粒径由小逐渐加大。2．棱式反滤体排水优点：降低浸润线，支撑坝体，利于稳定缺点：用料多，检修麻烦。具体尺寸，见书上。适用于：大、中型土坝和水库。3．有水平砂沟的排水（褥垫排水）适用于：不透水地基或透水性较