防洪堤和堰坝设计.docx
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防洪堤和堰坝设计
农业综合开发土地治理项目
单项工程设计—防洪堤、堰坝
第一部分防洪堤
一、防洪堤的概念
防洪堤，是使某一保护范围能抵御一定防洪标准的洪水的侵害沿河岸修筑的线型水工建筑物。
农业综合开发土地治理项目建设的防洪堤主要功能是保护耕地和村庄不受洪水的侵害。
二、防洪堤工程的级别
设计高水位由洪水控制的河段，防洪堤工程的级别应按照防洪堤的防洪标准并兼顾河道等级确定。
表2-1防洪堤工程的级别
防洪堤工程级别
1
2
3
4
5
防洪标准
≥100
＜100，且≥50
＜50，且≥30
＜30，且≥20
＜20，且≥10
防护对象
城镇人口
50万以上
20-50万
10-20万
10万以下
农村人口
150万以上
50-150万
20-50万
10-20万
10万以下
工矿企业
特大型
大型
中型
中型
小型
注：
1、如防洪堤工程的级别与所在河道等级相差二个级别以上（含二个级别），则防洪堤的级别可以提高或降低一级。
2、对于防护人口超过150万的，防洪堤工程的防洪重现期应在200年以上。
3、防洪标准：
重现期（年）
河道建设等级可参照浙江省地方标准《河道建设标准》确定，入湖入海水系的河道，按照河段上游控制断面的集水面积或年径流总量来确定，河网地区的河道按照河宽来确定等级。
表2-2入湖入海水系的河道建设等级
河道等级
一级
二级
三级
四级
五级
集水面积（km2）
≥10000
＜10000，且≥1000
＜1000，且≥100
＜100，且≥10
＜10
年径流量（亿m3）
≥90
＜90，且≥10
＜10，且≥1.0
＜1.0，且≥0.1
＜0.1
表2-3平原河网地区的河道建设等级
河道等级
一级
二级
三级
四级
五级
平均河宽（m）
≥50
＜50，且≥30
＜30，且≥15
＜15，且≥5
＜5
我省农业综合开发土地治理项目中建设的防洪堤所在河道的等级，一般都属于4级或5级河道。
根据《国家农业综合开发土地治理项目建设标准》：
“农业综合开发山区小流域农业生态工程项目区的防洪标准不低于5年一遇，山区乡村镇不低于10年一遇，设施高效农业及平原区不低于20年一遇。
”所以农业综合开发土地治理项目建设的防洪堤工程的级别一般为5级，中型灌区节水配套改造项目以及控制性工程防洪堤的级别视具体的项目区情况而定，有可能达到4级或3级。
三、防洪堤型式
防洪堤的断面型式有：
直立式、斜坡式、复合式。
堤防断面型式选择应分析基础处理、地质地形、土地利用、交通要求、环境要求、工程造价和运行管理等因素。
堤身断面必须满足整体稳定和局部稳定要求，防渗和渗透稳定要求，防冲抗浪要求，保证河势和岸滩稳定。
防洪堤护岸可分为自然土质岸坡、人工粘土护坡、沙砾护坡、卵石护坡、干砌（堆砌、抛填）块石护坡、浆砌块石（条石）护坡、混凝土（混凝土预制板块）护坡和植物护坡等。
护岸型式选择应分析水文、地形、地质、生态、周围环境等条件。
农业综合开发土地治理项目建设的防洪堤断面型式一般采用前两种（直立式、斜坡式）。
复合式一般用在城市防洪工程中。
乡村河段的堤防宜选用斜坡式（建议坡度不小于1：
1.75），在土地使用紧张的平原河段，可采用直立式，直立式档墙高度不宜超过2.5米。
也可以两者相结合，比如在保护耕地的河段采用直立式防洪堤，在保护乡村的地段采用斜坡式。
在平原地区的河段的防洪堤护岸，一般宜采用自然土质岸坡、人工粘土护坡、通航河道护岸宜采用砼预制块或块石护砌（如杭嘉湖等地区）；对山区性河段或流速较大的河段，宜采用干砌（堆砌、抛填）块石护坡、浆砌块石（条石）护坡、混凝土（混凝土预制板块）护坡（如杭州，温州山区和丽水）。
四、防洪堤堤线布置
防洪堤堤线布置和选择的优劣，直接关系到整个工程的合理性和建成后所发挥的功用，尤其对工程投资大小影响重大。
堤线布置和选择时，应根据防洪规划，地形、地势、地貌和地质条件，结合现有及拟建筑物的位置、型式、施工条件和河流历史演变，充分估计地质状况后综合分析确定。
农业综合开发项目建设的防洪堤，由于工程等级较低，规模较小，堤线布置应保留河道的自然形态、尽可能保留或恢复湿地、河湾、急流和浅滩。
对于未定规划堤线的河道，宜维持河道原有的岸线。
一般不应采用河道裁弯取直工程。
堤线布置时，应进行实地踏勘测量来确定。
五、防洪堤设计实例
（一）设计洪水流量计算（推理公式计算方法）
山区、半山区中溪流的设计洪水，大都用设计暴雨按推理公式计算：
Q洪=0.278CipF（立方米/秒）……………………………（5-1）
式中Q洪——相当于某一设计标准的洪水流量（立方米/秒）；
0.278——单位换算系数
C——洪峰径流系数。
它与地形条件、水土保持情况等因素有关。
可参考表5—1。
表5-1洪峰径流系数表
地形条件和水土保持情况
洪峰径流系数
地势平坦，水土保持良好
0.70～0.80
地势与水土保持一般
0.80～0.90
地势陡峻，水土保持差的
0.90～0.95
ip—暴雨强度，ip=
（毫米/小时），随着不同设计标准，不同地方的降雨量和集流时间而不同；
t—暴雨历时，对小流域来说，常常假设形成洪峰流量的暴雨历时，等于流域的集流时间τ（小时）
n—暴雨衰减指数，各地不同，可按照浙江省水文总站所编资料采用。
新安江、巨江、瓯江、飞云江、敖江等流域暂用0.6，在浙江省其他地区暂用0.67。
H24P—某一设计标准的24小时最大设计暴雨量（毫米）；
H24P=（1+ФCv）
24
24—多年平均最大24小时降雨量（毫米）
CV—年最大24小时点雨量变差系数
Ф—皮尔逊Ⅲ型曲线离均系数（由CS、CV查表可得）
F—集雨面积（平方公里）；
τ—集流时间，又叫做“汇流时间”，它是流域内最远处的一滴水流到设计断面所需的时间（小时）。
集流时间τ，包括水流流过山坡的坡流时间（符号：
τ坡）和流过河槽的槽流时间（符号：
τ槽）两个部分，即
τ=τ坡+τ槽=（0.2～0.5）+
（小时）……………（5-2）
式中τ坡—小流域大约0.2～0.5小时，一般采用0.3小时；
L—主流长度（公里）；
V平均—平均集流速度（米/秒），一般在山区可采用1.2米/秒；半山区采用1.0米/秒；平原地区采用0.8米/秒，凡有条件时应进行实测。
为简化计算，浙江省对汇流时间τ按表5-2所定大致数据，再结合实地调查后确定。
表5-2主流长L与洪峰汇流时间τ关系参考表
L（公里）
1
2
3
4
5
6
7
8
τ（小时）
0.5～0.6
0.7～0.9
0.9～1.1
1.1～1.4
1.3～1.7
1.5～2.0
1.6～2.2
1.8～2.5
（二）某县2007年农业综合开发山区小流域农业生态生态工程项目区内有一溪流，流域暴雨频繁，洪水暴涨暴落，主流左右摆动，侧向侵蚀严重，致使两岸人民生命财产受到严重威胁，为了保护两岸村民和农田的安全，在保证该溪流行洪宽度（25m）的前提下，拟设计溪流上的一段长1.35公里的防洪堤工程，可保护两岸200亩的耕地。
已知该溪流特性如下：
防洪堤出口段面以上集雨面积5平方公里，主流长3公里，流域属于土石山区，地势较缓，林木较多。
1．堤防级别及防洪标准
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000、《防洪标准》GB50201—94、《堤防工程设计规范》GB50286—98，以及浙江农业综合开发土地治理项目建设标准，本工程属Ⅴ等小
（2）型工程，防洪堤工程按5级建筑物设计，防洪标准按十年一遇洪水设计，二十年一遇洪水校核。
2．堤线设计及断面型式。
堤线设计参照前面，该地区土地使用比较紧张，断面型式采用直立式浆砌块石挡墙结构。
防洪堤基础用浆砌块石护底，挡土墙采用M7.5浆砌块石砌筑，浆砌石厚度由上而下从0.50m渐变到1.10m；齿墙深0.50m，宽1.50m。
浆砌石护坡顺水流方向每10m设计三毡四油伸缩缝一道，缝宽2cm。
为确保堤内渗水向的堤外排泄，在防洪堤河床面以上设φ10PVC排水管一排，水平方向间距4m，排水管呈交错位置布置。
3．根据该流域的实际地形以及治理要求，确定流量计算的控制断面。
可根据实际情况选择控制断面，测量现有溪流的地形相关数据。
堤线共由四段组成：
0＋000～0＋350段,0＋350～0＋700段,0＋700～1＋200段,1＋200～1＋350段。
4．设计洪峰流量计算（以1+350断面流量计算为例）
（1）计算10年一遇24小时暴雨量H24P=10%及20年一遇24小时暴雨量H24P=5%。
由流域所在位置查水文资料中“多年平均最大24小时降雨量图”及相应的“年最大24小时降水量变差系数图”，查得
24=140毫米；Cs/Cv=3.5；Cv=0.6。
由Cv=0.6，偏差系数Cs=3.5Cv=2.1，查离均系数Ф值表，查得系数ФP=10%=1.29，ФP=5%=2.0。
所以：
KP=10%=1+ФCv=1+1.29×0.6=1.774
KP=5%=1+ФCv=1+2.0×0.6=2.2
H24P=10%=
24×KP=10%=140×1.774=248.36毫米；
H24P=5%=
24×KP=5%=140×2.2=308毫米。
（2）求暴雨强度ip，流域所在位置属暴雨衰减指数n=0.67，溪流主流长L=3公里，查表可得洪峰汇流时间τ=1.1小时。
由图查得，当τ=1.1、n=0.67时，A=
=0.33
暴雨强度系数ip=10%=
×H24P=10%=0.33×248.36=81.96毫米/小时；
ip=5%=
×H24P=5%=0.33×308=101.64毫米/小时。
（3）求洪峰流量QMP，根据流域特征，洪峰径流系数取ψ=0.85。
用推理公式求洪峰流量QMP=0.278·ip·ψ·F
则：
QMP=10%=0.278×81.96×0.85×5=96.8立方米/秒
QMP=5%=0.278×101.64×0.85×5=120.09立方米/秒
其他断面设计流量据此方法逐个计算，列表如下：
表5-2洪峰流量计算成果表
断面位置
集雨面积（平方公里）
主流长度（公里）
比降J
τ（小时）
QMP=10%（立方米/秒）
QMP=5%（立方米/秒）
0+000
4.5
1.65
0.0325
1.0
92.53
114.75
0+350
4.6
2.0
0.0268
1.03
92.73
115.00
0+700
4.7
2.35
0.0265
1.05
93.54
116
1+200
4.9
2.85
0.0210
1.09
95.10
117.94
1+350
5.0
3.0
0.0184
1.1
96.8
120.09
5．根据以上十年一遇洪峰流量计算结果，确定各控制断面水位流量关系曲线。
（1）计算公式
Q=AC
式中：
Q—河道计算断面流量（立方米/秒）；
A---河道过水面积（平方米），按梯形面积计算A=（b+mh）h
C—谢才系数；用曼宁公式求得：
C=
R1/6
R—水力半径（米）；R=
J--河床坡降
m—边坡系数，因防洪堤采取直立式挡墙结构，m=0；
n—河道糙率，因河道护岸采用浆砌块石，故n取0.03；
b—河道宽度（米）；
h—断面水深（米）；
（2）各控制断面水位--设计流量关系曲线
表5-3各控制断面水位--设计流量关系曲线
断面位置
设计洪峰流量
（m3/s）
河床
坡降J
河宽b（m）
水深h（m）
波浪
爬高
（m）
设计流速
（m/s）
安全超高（m）
设计堤高（m）
0+000
92.53
0.0325
25
0.81
不计
4.07
0.5
1.31
0+350
92.73
0.0268
25
0.85
0
3.9
0.5
1.35
0+700
93.54
0.0265
25
0.9
0
3.86
0.5
1.40
1+200
95.10
0.0210
25
0.97
0
3.8
0.5
1.47
1+350
96.8
0.0184
25
1.0
0
3.87
0.5
1.5
至此，我们可以确定溪流各段面的防洪堤断面尺寸（以断面1+350为例）。
6.稳定计算
根据防洪堤断面型式，对防洪堤典型断面进行稳定分析，这里选择1+350断面，防洪堤高1.5米。
（1）荷载计算
堤身材料的各项物理指标：
浆砌块石容重r=23KN/m3，砼容重r=24KN/m3；堤内采用开挖的粘性土回填，容重r=18KN/m3，内摩擦角Φ=35°，地基的承载力标准值fk=300kpa。
堤顶附加人群荷载2.0KN/m2，墙底综合摩擦系数取0.40。
抗滑稳定安全系数KC≥[KC]=1.2。
（2）计算工况
正常运行情况：
挡土墙在建完后，已投入运行状态，即：
墙后填土到顶，墙前有水的情况。
非正常运行情况：
挡土墙在建完后，未投入运行状态，即：
墙后填土到顶，墙前无水的情况。
（3）计算方法
挡土墙抗滑稳定按下式计算
Kc=f∑G/∑H
式中，Kc—抗滑稳定安全系数；
∑G—作用于挡土墙基底全部竖向荷载之和；
∑H--作用于挡土墙全部水平向荷载之和；
f—挡土墙底面与地基土之间的摩擦系数，取f=0.4。
挡土墙抗倾覆稳定按下式计算
K0=∑My/∑M0
式中，Kc—抗滑稳定安全系数；
∑My—作用于挡土墙各力对墙前趾的稳定力矩；
∑M0--作用于挡土墙各力对墙前趾的倾覆力矩；
K0—抗倾覆稳定安全系数。
通过上述公式对挡土墙的抗滑、抗倾覆稳定进行验算，计算成果见下表：
表5-4抗滑、抗倾覆稳定计算成果表
计算断面
计算工况
抗滑稳定安全系数
抗倾覆稳定安全系数
σmax
σmin
1+350
正常运行情况
1.42
2.58
104.96
5.37
非正常运行情况
1.73
3.95
127.51
24.58
由上表可知，防洪堤的安全稳定系数均符合规范要求,基础最大压应力σmax小于地基承载力标准值[σ]=300kpa，应力均满足要求。
注：
如果是非岩基的，可不做抗倾覆验算。
第二部分小型堰坝
一、堰坝的概念
小型堰坝是一种壅水建筑物，用以拦截水流，抬高水位，调节水量，引水灌溉，发电和调整溪流坡降固沙防冲作用。
我省山区溪流密布，水利资源极其丰实，但耕地零星分散，农田灌溉很大程度靠小型堰坝引水。
小型堰坝是我省农业综合开发土地治理项目山区中低产田改造和山区小流域农业生态工程项目中的重要建设内容之一。
二、堰坝设计的前期准备
由于我们农业综合开发建设选择的小流域面积较小（一般≤20平方公里），往往缺少水文气象资料和实测的流域地形资料，因此，在规划建设和设计堰坝前必须深入调查，掌握上游流域面积，溪流长度，坡降，历史最大洪峰流量和洪水位，以及灌溉期溪流最枯流量和枯水位，灌区的分布、面积和农业生产等情况。
三、堰坝位置的选择
堰坝位置选择时应注意：
①堰址最好选在靠上游，以便充分利用河流落差扩大受益面积；②要选在河道平直、堰底平坦和两岸地基较好的地方，在河流弯道上及其附近都不宜筑堰；③要选在河面较窄的地方，以节省工程量，但也要考虑施工方便；④两溪汇流处不宜筑堰，因两溪洪水流量常有变化，主流方向不固定，使堰身和两岸受力不平衡，不稳定，容易坍垮或造成河流改道；⑤堰址的地质要坚实。
四、堰坝的布置型式和类型
堰坝的布置型式一般有两种。
①堰与河道正交，堰的轴线最短，工程量最小，但水流进入引水渠进水闸的情况比较差；②堰与河道斜交，一般是从进水闸斜向上游，这种堰的溢流面长，单宽流量较小，冲击能量小，下游淘刷较轻，由于堰轴线较长，工程量较大，同时，水流进入进水闸时河岸可能会受到冲刷。
在选择堰坝的类型和布置型式时要因地制宜，就地取材。
堰坝的类型。
我省农业综合开发土地治理项目建设的小型堰坝一般都为溢流式的实用堰（0.67H＜堰顶宽度δ＜2.5H）。
在多泥沙河流上的堰坝应设置合理的排沙孔。
断面型式一般按建筑材料分为干砌石堰、浆砌块石堰、圬工硬壳堰、堆石堰、轻型堰、石墩闸板堰、活动堰和橡胶坝等。
（一）干砌石堰
干砌石堰的断面一般做成梯形，它的作用是适当抬高水位，并将部分河水引入渠道。
表1-1可供设计干砌石堰断面尺寸时参考。
表1-1干砌石堰断面尺寸参考表
地基
堰高
（米）
顶宽
（米）
上游坡
下游坡
备注
岩石
1～2.5
1.5～2
1:
0.5～1:
1
1:
1.5～1:
3
2.5～4
2～2.5
1:
0.75～1:
1.5
1:
2～1:
4
4～5
2～2.5
1:
0.75～1:
1.5
1:
3～1:
4
砂卵石
1～2
1.5～2
1:
0.75～1:
1.5
1:
2.5～1:
4
坦水长约6米
2～4
2～2.5
1:
0.75～1:
1.5
1:
3～1:
5
坦水长约9～12米
（二）浆砌块石堰
这种堰适合建造在岩基上，是用水泥砂浆将块石砌筑而成，整体性好，断面体积较小，缺点是要用水泥，造价较干砌石堰高，施工要求也比较高。
这种堰上游面筑成垂直或近乎垂直，下游面筑成斜坡，顶部做成宽1～2米的平顶，并使转角成圆弧形，以改善水流条件。
表1-2可供设计岩基上浆砌块石堰断面尺寸时参考。
表1-2浆砌块石堰断面尺寸参考表（岩基上）
单宽流量
（立方米/秒）
堰高
（米）
断面尺寸
顶宽（米）
上游坡
下游坡
5以下
3以下
3～6
1.5～2.0
2.0
1:
0
1:
0～1:
0.3
1:
1～1:
1.3
1:
1.3～1:
1.5
5～10
3以下
3～6
2.0
2.0
1:
0
1:
0～1:
0.3
1:
1.1～1:
1.5
1:
1.5～1:
1.8
10～15
3以下
3～6
2.0
2.0
1:
0
1:
0～1:
0.3
1:
1.5～1:
1.8
1:
1.8～1:
2.0
（三）圬工硬壳堰
这种堰宜筑在岩基上。
当要求堰较高，溢流量较大，而堰址附近又有一定数量的石料和河砂，水泥供应充足时，可考虑建筑这种堰型。
表1-3可供设计圬工硬壳堰断面尺寸时参考。
表1-3圬工硬壳堰断面参考表
单宽流量
（立方米/秒）
堰高
（米）
断面尺寸
顶宽（米）
上游坡
下游坡
3以下
3米以下
3～5
1.5～2.0
2.0
1:
0.75～1:
1
1:
1
1:
1.3～1:
1.5
1:
1.5～1:
2.0
3～6
3米以下
3～5
2.0
2.0～2.5
1:
0.75～1:
1
1:
1
1:
1.5～1:
2.0
1:
2.0～1:
2.5
6～10
3米以下
3～5
2.0
2.0～2.5
1:
0.75～1:
1
1:
1
1:
2.0～1:
2.5
1:
2.5～1:
3.0
（四）堆石堰
这种堰宜筑在砂砾石覆盖层较厚的河床上，可以就地取材，施工简易，造价较低，缺点是整体性差，需要经常维修。
（五）其它型式堰（拱形堰）
有的地方为了减少堰的工程量，节省建筑材料，在河谷狭窄，呈“V”形或“U”形，两岸为坚硬岩石的河段，建筑平面上呈拱形的浆砌条石堰，高度4米以下，堰的厚度上下均约1米，从顶上溢流的水深可达0.5～0.7米。
这种拱形堰施工要求严格，水泥砂浆通常采用75号或100号。
五、堰高的确定
确定堰的高度要考虑下面两种情况：
（一）如果灌溉需要一定库容进行水量调节，堰的高度应按照要求库容的大小来决定，并以不淹没或尽可能少淹没上游农田为原则。
（二）如果灌溉不需要调节库容，而只要求筑堰拦截灌溉设计流量进入渠道，则堰的高度可以由渠首设计水位再加上0.1～0.3米，减去堰址岩基面高程而得，可用下式表示：
堰高=渠首设计水位+（0.1～0.3）-堰址岩基面高程
式中：
渠首设计水位就是进水闸上游水位；
0.1～0.3米是渠首进水流速所需要的水头（流速水头）。
六、堰上游回水影响的计算
溪中筑堰后，堰上游水位将因回水影响而壅高，特别在洪水期可能淹没上游两岸的田地和村庄。
因此，在工程设计时就应该弄清楚壅水高度及其可能影响的范围，以便筑堤防护或采取其它措施。
下面介绍壅水高度和回水距离的计算方法。
（一）壅水高度
将堰高和设计洪水流量时的溢洪水深H0相加，减去原来该处洪水深度就得筑堰壅水高度h。
（二）回水距离
筑堰后的回水距离与壅水高度、河床坡降有关。
求出了堰址壅水高度和测量了河床坡降以后，可由下式（5--1）求出回水距离L。
L=2
（米）…………………………（5--1）
式中L—回水距离（米）；
h—筑堰后与筑堰前的洪水位差即壅水高度（米）；
i—河床纵坡（或称坡降）常用几百分之一或几千分之一表示。
（三）沿河回水高度的计算
回水曲线是一条抛物线，沿河各处的回水高度可简单地分为四处计算（图5--1）：
图中虚线表示筑堰前的洪水水面线，由堰址至
处的回水高度等于
；在
处，回水高度等于
；在
处，回水高度等于
。
七、小型堰坝设计实例
要在溪流断面0+000处设计一引水灌溉堰坝，以保证200亩的农田的灌溉。
本工程属Ⅴ等小
（2）型工程，工程按5级建筑物设计。
（一）堰型的确定
由于溪流断面0+000处地质基础条件较好，基岩裸露，适合建造浆砌块石堰，故选择堰型为浆砌块石堰。
（二）确定堰高
由200亩农田的设计灌溉流量Q设及引水渠道的断面大小确定渠道设计水深h0=0.7m，则堰高h堰=h0+0.3=1m。
（假定0+000处堰岩基面高程为96.5米）
（三）计算通过堰顶的洪水流量Q洪及单宽流量q洪
由上面设计洪水计算结果，溪流断面0+000处的设计洪水流量为Q洪=92.53m3/s，q洪=Q洪/L=92.53/25=3.7m3/s。
由于下游水深h下＜h堰，为自由出流。
查图可得，堰顶溢洪水深H0=1.7m
（四）断面型式确定
选择浆砌块石堰，堰高1米，顶宽取1.5米，上游面直立，下游坡度取1：
1.3。
因溪流泥沙不多，故不设置排沙孔。
（五）稳定计算
参考防洪堤稳定的计算方法，得出稳定安全系数满足要求。
（六）堰上游回水影响的计算
1．壅水高度
h=h堰+H0-h水深=1+1.7-0.81=1.89米
2．回水距离
L=2×
=2×1.89/0.0325=116米
由堰址至
处的回水高度等于
；在
处，回水高度等于
；在
处，回水高度等于
。
在
=29米处，回水高度
=1米；
在
=58米处，回水高度
=0.47米；
在
=87米处，回水高度
=0.12米；
故应在有回水影响的河段对防洪堤进行加高处理。
（七）消能设计
上游有效总水头T0=H0+h水深=1.7+0.81=2.51米
临界水深hc=
=
=1.12米
=2.51/1.12=2.24
按折线型实用堰上自由出流，流速系数ψ=0.9。
由
和ψ查图可得hc
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