刘家湾治沟骨干扩大初步设计说明书 推荐.docx
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刘家湾治沟骨干扩大初步设计说明书推荐
陕西省榆林市米脂县
刘家湾治沟骨干坝扩大初步
设计说明书
×××规划设计院
米脂县水利水保局
二OO×年××月
批准：
×××
核定：
×××
审查：
×××
校核：
×××
编写：
××××××
参加设计人员：
××××××
××××××
米脂县刘家湾治沟骨干坝主要技经指标表
第一章概述………………………………………………×
第二章流域概况…………………………………………×
第三章水文计算…………………………………………×
第四章工程设计…………………………………………×
第五章工程施工…………………………………………×
第六章工程管护…………………………………………×
第七章施工组织设计……………………………………×
第八章效益分析…………………………………………×
第九章工程概算…………………………………………×
刘家湾治沟骨干坝主要技术经济指标简表
河系
无定河
主要工程量
土方
86000m3
建设地点
米脂县姬家峁流域
石方
445m3
建设性质
新建
混凝土
8.6m3
工程规模
控制面积
3.0km2
合计
86454m3
总库容
93万m3
投工
12100（工日）
拦泥库容
72万m3
投资
总投资
42.62万元
淤地面积
180亩
中央补助
淤积年限
24年
地方匹配
拦河坝
型式
均质土坝
群众自筹
最大坝高
24m
效益
防洪保护
60
坝顶长
104m
灌溉
坝体方量
8.01
养鱼
施工方式
水坠
单位库容投资
0.46元/m3
投资
单位拦泥投资
0.6元/m3
输水洞
型式
拱涵
单位工程量投资
4.9元/m3
洞身长度
93m
单位淤地投资
2300元/亩
断面
尺寸
宽×高
0.8×1.2m
单位工程量换库容
10.76m3/m3
直径
单位淤地面积拦泥
4000m3/亩
放水设备
型式
卧管
主要材料用量
水泥
45t
总高度
14.6m
钢材
0.25t
每台高度
0.65m
木材
4m3
断面
尺寸
宽×高
0.6×0.6m
炸药
直径
柴油
40.3t
溢洪道
型式
计划施工时
开工日期
××年××月
总长度
竣工日期
××年××月
断面高×宽
总工期
一年
第一章概述
第一节目的意义
控制和防治水土流失，充分利用水沙资源，是改变黄土高原地区农业生产条件，减少入黄泥沙，促进退耕还林还草和封山育林，改善生态环境的根本措施。
刘家湾骨干坝是米脂县姬家峁流域狮子沟内的一座控制性治沟骨干坝，工程建成后，前期可拦蓄洪水径流，为刘家湾村提供饮水水源，解决山区人畜饮水不足问题，并保护下游60多亩坝地的安全生产；后期可拦泥97.2万t，新增坝地180亩，上拦下保作用十分显著。
同时，工程可抬高沟道侵蚀基准点，防治沟头下切，促进流域内坡耕地退耕还林还草，坝顶可兼做乡村道路，带动本地经济的发展。
第二节编制依据
一、《水土保持治沟骨干工程暂行技术规范》
二、《陕西水土保持治沟骨干工程技术手册》
三、《陕西省榆林地区水文手册》
四、《黄河水土保持生态工程设计概算编制办法及费用标准》
五、《黄河水土保持生态工程概算定额》
六、《水坠坝设计及施工暂行规定》
七、《米脂县姬家峁流域坝系工程可行性研究报告》
八、1:
10000库区地形图，1:
1000坝址实测地形图，1:
500坝址实测横断面图
第三节工程主要技术参数
一、坝体参数
1、最大坝高24m，坝顶长104m，总库容93万m3。
2、水位及库容
死水位▽119.00m，拦泥库容72万m3。
校核洪水位▽102.00m，滞洪库容21万m3。
坝顶高程▽124.00m。
二、放水工程参数
1、卧管最低放水孔高程▽108.4m，卧管最高放水孔高程
▽122.00m，卧管长度32.6m。
2、涵洞进水口高程▽107.00m，涵洞出水口高程▽106.07m，涵洞长度93m。
三、主要工程量及建筑材料
1、主要工程量计有：
土方开挖0.59万m3，水坠土方8.01万m3，浆砌块石445m3，砼8.6m3。
2、主要材料用量：
需用水泥45t，木材4m3，砂子180m3，柴油40.3t。
四、工程总投资42.62万元。
五、工程效益：
拦泥、淤地、防洪保护、解决交通和人畜饮水、改善生态环境等。
第二章流域概况
第一节自然条件
刘家弯骨干坝位于米脂县城关镇姬家峁流域，距县城15公里，属无定河的二级支流，该流域为典型的黄土丘陵沟壑区二副区，地貌由梁峁、沟坡、沟床三个单元组成，以坡为主，沟壑纵横、梁峁林立、沟谷深切、地形破碎，沟壑密度4.01km/km2，其地理特点是西、北高，东、南低，最大高差为100多m，地表出露层为砂岩，两岸覆盖黄土，主沟道断面多呈“U”形，支沟沟道断面多呈“V”字形。
刘家湾骨干坝控制流域面积3.0km2，主沟道长2.5公里，沟道比降2.2%，是姬家峁坝系上游左岸支沟狮子沟沟口的一座控制性工程，属刘家湾村所辖，该村是米脂县流域治理的重点村，群众对打坝淤地具有较高的积极性，并且积累了丰富的筑坝经验，兴建此坝即是流域坝系配套的需要，也是当地群众治穷致富、实现山川秀美的一项重要水保措施。
第二节社会经济情况
一、人口劳力：
工程所在流域涉及刘家湾1个行政村，共有人口1071个，劳力382人，人口密度38人/km2，人均收入1120元。
二、农业：
工程控制流域内有水地30亩，坝地320亩，梯田830亩，坡耕地2100亩，主要农作物有玉米、小米、土豆等，其中粮食总产量83万斤，人均粮食产量380kg。
三、林业：
流域内共有林地786亩，其中经济林186亩，主要为枣树，其它林木600亩，主要为松树、柳树和灌木，种草252亩，流域治理度为39%。
四、副业：
主要有羊、猪、鸡等。
表2-1流域社会经济情况表
人口总数（人）
劳力总数（个）
人口密度（人/km2）
人均耕地（亩）
人均基本农田（亩）
产值
纯收入
总（万元）
人均（元）
总（万元）
人均（元）
1071
382
38
3.06
1.1
274
2560
120
1120
第三节水文气象条件
流域属中温带半干旱气候，其特征是四季分明，春季干燥多风，夏季炎热干旱，秋季秋高气爽，冬季寒冷少雨雪。
多年平均气温8.0℃，绝对最高气温39.6℃，年均无霜期162天，多年平均降水量451.6mm，其中汛期6~9月份降雨量占全年降雨量的75%以上，最大年降雨量685mm，沟道有常流水，多年平均径流深140.6mm，多年平均侵蚀模数为1.35万t/km2·a。
表2-2流域水文气象特征表
气温℃
≥10°积温℃
年日照时数h
无霜期d
大风日数d
年降水量（mm）
多年平均暴雨次数（次/年）
年最高
年最低
多年平均
最大
最小
多年平均
39.6
-18.5
8
3286
2574
162
20
765
268
451.6
8
第四节工程地质
工程所在流域形状接近扇形，地势大致由西向东倾斜，地质构造属鄂尔多斯台地，坝址河床处岩石出露，岩性属沉积石灰质砂岩，容量为2600kg/m3，裂隙发育不明显，有利于坝基防渗。
沟道两岩结构完整，上部覆盖着深厚的黄土，高约50m，为沟壑纵横、支离破碎的黄土丘陵梁、峁、沟地形，土质主要为轻粉质壤土，表层为砂壤土，可两岸取土，储量能够满足工程施工和今后加高的需要。
根据以上地形地质条件，该坝址处适宜修建均质土坝，坝基、坝肩结构完整，无软弱带和裂隙发育，两岸边坡无冲沟，无倾向下游的滑动面，适宜布设放水工程，坝基可修建齿墙，或开挖结合槽，不会引起坝基渗漏。
第三章水文计算
第一节水位—库容、水位—面积曲线
由库区1:
10000地形图，用求积仪量得各级水位下的淤地面积S，水位分级为2.5m，按下式计算各级水位下的库容。
ΔVi=（Si-1+Si）/2·ΔZi（3-1）
V=ΣΔVi（3-2）
式中：
V——某一水位下的库容（万m3）；
Si——第i级水位对应的淤地面积（万m2）；
Zi——水位分级高差（m）；
ΔVi——分级水位所增库容（万m3）。
经量算，水位—库容、水位—面积关系表见表3-1，水位—库容、水位—面积曲线见图。
表3-1刘家湾骨干坝水位—库容、水位—面积关系表
水位
（m）
淤地面积（万m3）
库容
（万m3）
水位
（m）
淤地面积（万m3）
库容
（万m3）
100.0
0.0
0.0
117.5
6.94
62.0
102.5
0.6
2.0
120.0
8.93
80.0
105.0
1.33
5.0
122.5
10.4
100.0
107.5
2.26
11.5
125.0
11.76
123.0
110.0
3.07
20.0
127.5
13.2
148.0
112.5
4.46
35.0
130.0
14.4
180.0
115.0
5.4
46.5
第二节设计洪峰流量计算
刘家湾骨干坝控制流域面积3.0km2，其上游仅有两座70年代修建的小型淤地坝，按照《水土保持治沟骨干工程暂行技术规范》的有关规定，不考虑其减沙减洪作用，因此洪水计算时按工程实际控制面积计算。
根据《陕西水土保持治沟骨干工程技术手册》和《陕西省榆林地区水文手册》中推荐的公式，结合流域的实际情况，设计洪峰流量计算采用24小时暴雨资料推求。
H24P=KP·
24P（3-3）
式中：
H24P——频率为P的24小时暴雨量（mm）；
KP——频率为P的皮尔逊Ⅲ型曲线模比系数；
24P——多年最大24小时暴雨均值（mm）。
QP=0.278×h/τ×F（3-4）
式中：
QP——频率为P的设计洪峰流量（m3/s）；
h——净雨深（mm）；
τ——流域汇流历时（h）；
F——流域面积（km2）。
由工程所在小流域，查《陕西省榆林地区水文手册》得多年最大24小时暴雨均值为57mm，变差系数CV为0.42，偏差系数CS与变差系数CV的比值CS/CV为2.0，从皮尔逊Ⅲ型曲线上查得相应频率的模比系数KP值分别为K10=1.83，K20=2.3，K200=3.92，计算得不同频率的24小时暴雨量见表3-2。
由τ=0.278×L/（mJ1/3·Qp1/4），已知沟道长L=2.5km，沟道平均比降J=2.2%，根据有关资料查得汇流参数m=1.2，与公式（3-4）联合求解，计算出不同频率的设计洪峰流量见表3-2。
第三节设计洪水总量计算
采用《水土保持治沟骨干工程暂行技术规范》推荐的推理公式计算：
WP=0.1·α·
24P·F（3-5）
式中：
WP——频率为P的设计洪水总量（万m3）；
α——24小时暴雨径流系数；
其它符号含义同前。
由《陕西省榆林地区水文手册》查得，不同频率24小时暴雨径流系数α分别为α10=0.22，α20=0.26，α200=0.31，计算得不同频率的设计洪水总量见表3-2。
表3-2不同频率24小时暴雨量、洪峰流量和洪水总量表
洪水频率P（%）
10
20
200
24小时暴雨量（mm）
104.31
131.1
223.44
设计洪峰流量（m3/s）
50.4
68.6
158.5
设计洪水总量（万m3）
6.9
10.2
21
第四节年输沙量计算
由于工程所在小流域缺乏实测资料，因此在输沙量计算时，利用《陕西省榆林地区水文手册》中的输沙模数分区图，查得刘家湾骨干坝多年平均侵蚀模数为1.35万t/km2·a。
则工程控制流域年输沙量用下式计算：
Ws=S·F/γ（3-6）
式中：
WS——多年平均输沙量（万m3/α）；
S——多年平均侵蚀模数，取1.35万T/km2·α；
F——流域面积（km2）；
γ——泥沙容重，取1.35t/m3。
经计算，坝控流域年输沙量为3万m3。
第四章工程设计
第一节土坝设计
一、坝型选择
刘家湾骨干坝坝址两岸土料丰富，经现场查勘，土料储量和土料性质均满足筑坝要求，两岸取土运距不足50m，取土条件便利，按照因地制宜、就地取材的原则，将坝型确定为均质土坝。
该流域沟道内有常流水，水量约为0.05m3/s，且土场的位置高出设计坝高20m以上，坝基和两岸满足防渗要求，因此施工方法采用水坠法筑坝。
二、筑坝土料选择
根据实地勘测，选择两岸坝肩以上的土料为冲填土料，经试验测定，土质为轻粉质壤土，其粘粒含量为13%，塑性指数为9，崩解速度为8min，渗透系数为2×105cm/s，有机质含量<3%，水溶盐含量<8%，天然干容重为1.4t/m3，土粒比重为2.7，含水量为12%，从以上测试数据可以看出，坝址两岸的土料具有一定的透水性，遇水易于崩解且脱水固节速度快，能够满足水坠施工的要求。
三、设计标准
按照《水土保持治沟骨干工程暂行技术规范》的规定，刘家湾骨干坝的规模在50~100万m3之间，其设计洪水标准为20年，校核洪水标准为200年，根据其在坝系中的作用，为增加淤地面积，结合坝址地形条件，设计淤积年限取24年。
四、坝高确定
根据刘家湾骨干坝的作用和运用条件，以及对枢纽布设的要求，结合坝址地形条件，确定工程枢纽组成为二大件，由坝体和放水涵卧管组成。
坝高H由拦泥坝高HL、滞洪坝高Hz和安全超高ΔH三部分组成，即
H=HL+Hz+ΔH（4-1）
1、拦泥坝高由拦泥库容查水位—库容曲线确定。
拦泥库容VL用下式计算：
VL=N·WS（4-2）
式中：
VL——拦泥库容（万m3）；
WS——多年平均输沙量（万m3/α）；
N——设计淤积年限（α）。
则：
VL=3×24=72万m3，查水位—库容曲线得，HL=19m，设计淤积高程为▽L=119.00m。
2、滞洪坝高由滞洪库容查水位—库容曲线确定。
滞洪库容按一次校核洪水总量确定，即VZ=W200=21万m3；查水位—库容曲线得，HZ=3m，滞洪水位高程为▽Z=122.00m。
3、安全超高按《水土保持治沟骨干工程暂行技术规范》的有关规定取ΔH=2m。
4、工程设计总库容为：
V总=VL+VZ=72+21=93万m3
5、工程设计坝高为：
H=HL+Hz+ΔH=19+3+2=24m
五、坝体断面尺寸
1、坝顶宽度
按照《水坠坝设计及施工暂行规定》和已建工程经验，刘家湾骨干坝坝高在30m以下，考虑到其有交通要求，坝顶宽度取5.0m。
2、坝坡
根据《水坠坝设计及施工暂行规定》，迎水坡和背水坡均采用两级坡率，迎水坡在坝高7m以下为1:
2.75，7m以上为1:
2.5，背水坡在坝高13m以下为1:
2.75，13m以上为1:
2.5，变坡处均设马道一条，上游马道宽1.0m，下游马道宽1.5m。
3、边埂
边埂采用推土机碾压施工，断面为梯形，其外坡与坝坡相同，内坡采用1:
1.5，边埂高度高出冲填层泥面1.0m。
边埂顶宽根据坝高、坝坡和土料性质，拟定为5.0m，在坝体中下部采用等宽边埂，在坝体上部1/3范围内，边埂宽度可逐步缩窄为3.0m。
另外，在坝坡变化处，可适当加宽边埂。
4、排水设施
为减轻施工期坝体脱水固结对下游坝坡的破坏，增加坝体稳定性，在背水坡坝脚处设斜卧式排水体，根据工程运用条件和已建工程的经验，拟定排水体高度为3.0m，反滤料为粗砂层厚度0.2m，碎石厚0.2m，外层用厚0.5m的干砌块石护面，其各部尺寸详见土坝设计图。
六、坝坡稳定分析
刘家湾骨干坝坝高小于30m，总库容小于100万m3，其运用方式为拦洪淤地，根据《水坠坝设计及施工暂行规定》的要求，结合已建工程的经验，仅对施工期边埂和坝坡稳定进行验算。
1、边埂稳定计算
用水平推力法进行计算，抗滑稳定安全系数为：
（4-3）
式中：
T1、T2——水平抗滑力
T1=（W1+W2）tgØ1+C1m1h1
=（1/2γ1m1h12+γ2bh1-γ2b2/2m）tgØ1+C1m1h1
T2=W3tgØ2+C2b
=γ2b2/2m·tgØ2+C2b
式中：
Ø1、C1——土的总强度指标；
Ø1=9.8°C1=0.4t/m2
Ø2、C2——边埂土的总强度指标；
Ø2=18.7°C2=0.68t/m2
b——边埂宽度，由前知b=5m；
m——下游坝坡率，m=2.625；
W1、W2——滑动面L1以上边埂土和冲填土的重量（t）；
W3——滑动面L3以上边埂土的重量（t）；
γ1、γ2——分别为冲填土的饱和容重，边埂的湿容重（t/m3）；
由试验知γ1=1.9t/m3，γ2=1.68t/m3
h1——流态区深度（m）。
由经验统计值知：
冲填速度V=0.2m/日，土料为轻粉质壤土时，h1/Ht=0.27
则：
h1=0.27Ht=0.27×24=6.5m
将各值代入计算得：
T1=31tT2=4.5t
泥浆水平推力
E=1/2γ1h12
=1/2（1-sinØ2）γ1h12
=33.3t
则：
边埂稳定满足要求。
2、坝坡稳定分析
水坠坝的坝坡稳定最不利情况是在施工的中、后期，而且在坝高达三分之二以后，坝体平均孔隙压力系数最大，所以本设计对坝高18m和24m时下游坝坡的稳定性分别进行校核。
稳定计算方法采用《水坠坝设计及施工暂行规定》（SD122-84）中介绍的有效应力法进行简化计算：
即坝坡稳定安全系数
（4-4）
式中：
a、b——系数，由坝坡和坝体土的有效应力抗剪强度
C′、Ø′决定；
——滑弧面以上平均孔隙压力系数。
冲填土料为轻粉质壤土，冲填速度为0.2m/日，固结系数C=1.5m2/日，有效强度指标C′=0，Ø′=32.5°，坝高18m以下下游坡平均坡率为m1=2.68，24m以下平均坡率m2=2.64，由《暂行规定》表5.4.3查得：
a1=1.71b1=1.953
a2=1.682b2=1.932
本坝基础为黄土，属透水性地基，按I型计算。
分层高度：
则调整次数：
泥浆起始孔隙压力系数取为B0=1。
（1）计算坝高18m处（滑动区深度Ht=0.47H）
查《暂行规定》附表5.1，由调整次数n=15及n=18两项内插求n=17的B值。
滑动区深度为Ht=0.47H，距坝底高程为：
（1-0.47）H=0.53H=9.5m
由内插求得坝高H=9.5m以上平均孔隙压力系数
=0.294
则：
K=1.71-1.953×0.294=1.14>[k]=1.05
施工坝高达到18m时不会发生滑坡。
（2）计算竣工时（即坝高24m）稳定情况
经验统计值，滑动区深度为Ht=0.47H=11.3m（坝高12.7m处），查《暂行规定》附表5.1，由调整次数n=11及n=15内插求n=12.5时坝高12.7m以上平均孔隙压力系数
=0.318
则：
K=1.682-1.932×0.318=1.07>[k]=1.05
达到设计坝高时坝坡是稳定的。
经对不同施工坝高的稳定验算，原拟坝体断面符合要求，施工期不会发生滑坡。
对于该坝，运用期不蓄水，随着坝体内不断脱水固结，坝坡更趋稳定，不另验算。
七、基础处理
1、清基
在土坝填筑前，应清除坝基范围内的草皮、树根、耕植土和乱石，清基厚度为0.5m，同时应清除岩石地基表面松动的石块、凹处积土和突出的岩石。
基础开挖后要求轮廊平顺，避免地形突变，如开挖后发现破碎带，应视具体情况进行处理。
2、削坡
按照《水坠坝设计及施工暂行规定》的要求，坝体与岸坡结合应采用斜坡平顺连接，经现场查勘，坝址左岸陡坎坡度为1:
0.5，应削坡至1:
1.0，右岸部分冲沟应结合开挖涵洞基础予以处理。
3、结合槽
为防止坝体与坝基结合处形成集中渗流，保证坝体与基础紧密结合，在坝轴线及其上游30m处布设两道结合槽，采用梯形断面，底宽1.5m，深2.0m，边坡1:
1.0。
八、坝面护坡及排水
工程竣工后，对土坝上游淤积面以上坝坡和下游坝坡设置护坡，护坡措施采用生物护坡，即上下游坝坡处密植紫穗槐，坝顶两边栽植油松。
在下游坝坡处设置纵、横向排水沟，即坝体与两岸交汇处顺坝坡布设纵向排水沟，在马道内侧布设一条横向排水沟，纵横向排水沟相互连通。
排水沟采用浆砌石结构，断面尺寸取0.3×0.3m，详见坝体平面图。
第二节放水工程设计
一、放水工程组成
刘家湾骨干坝主要任务是拦泥排清，即在设计洪水情况下，沉淀泥沙，排出清水，因此，进水形式采用分级卧管。
根据现场查勘情况，坝址右岸土质较坚硬，岸坡较缓，布置放水卧管开挖量较小，且下游淤地坝的排洪渠也在右岸，因此，卧管布置在上游右岸，坡度为1:
2，采用浆砌石砌筑，卧管下接消力池，后经涵洞输水、陡坡泄水、消力池消能后输入河槽。
二、设计放水流量的确定
按两天泄完10年一遇一次洪水总量计算。
由水文计算知：
W10=6.9万m3
则：
Q设=6.9×104/（86400×2）
=0.4m3/s
三、卧管放水孔尺寸的确定
卧管进水形式采用正面立孔进水，进水孔断面为半圆拱形，由平板闸门调节控制水量。
按同时开启上下两孔放水设计，设卧管台阶高度为0.65m，则第一孔水头为0.5m，第二孔的水头为1.15m，按孔口出流公式计算：
Q=µw
（4-5）
式中：
Q——卧管放水流量（m3/s）；
µ——流量系数，取0.62；
W——进水孔断面面积（m2）；
g——重力加速度，取9.81m/s2；
H——孔口中心至水面深度（m）。
则第一孔流量为
Q1=0.62×лd2/8×（2×9.81×0.5）1/2=0.76d2
第二孔流量为
Q1=0.62×лd2/8×（2×9.81×1.15）1/2=1.15d2
Q=Q1+Q2即0.4=0.75d2+1.15d2
则d=0.45m取d=0.6m
Q放=（0.76+1.15）×0.62=0.68（m3/s）>0.4m3/s，满足卧管放水要求。
加大流量Q加=Q设（1+20%）=0.68×1.2=0.81m3/s
四、卧管断面及结构设计
卧管断面尺寸确定时，考虑到由于水位变化而导致的放水孔调节，比正常运用时的流量加大20%，即Q加=0.81m3/s。
当卧管底宽0.6m、比降1:
2、正常水深为0.2m时，由明渠均匀流公式计算放水流量。
Q=WC（Ri）1/2（4-6）
式中：
Q——泄水流量（m3/s）；
W——过水断面面积（m2）；
i——卧管比降；
C——系数，C=1/nR1/6,n为糙率，取0.025，R为水力半径，R=W/X=0.6×0.2/（0.6+0.2×2）=0.12
则Q=0.6×0.2×1/0.025×0.121/5×（0.12×0.5）1/2
=0.83m3/s>Q加
考虑到放水孔水流跌落卧管时的水柱跃起，方形卧管高度取正常水深的3倍，即3×0.2=0.6m，故确定卧管断面尺寸为0.6×0.6m。
卧管顶高程为123.00m，卧管最低放水孔高程在淤积高程以下0.5m，即108.4m
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