山坪塘设计报告.docx
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山坪塘设计报告
附图：
附图1***山坪塘设计平面图（***-DJW-001）；
附图2大坝最大断面图（***-DJW-002）；
附图3溢洪道设计图（***-DJW-003）；
附图4放水卧管设计图（***-DJW-004）；
1工程概况
工程基本情况
***山坪塘介绍
***山坪塘位于***县***镇三磊子村3社，是一座以灌溉为主，兼有养殖、防洪综合利用效益的山坪塘水利工程。
***山坪塘坝址处河床底部高程（高程系统为假设高程系统），坝址以上控制流域面积，主河道长，流域平均比降‰。
总库容万m3，灌面110亩。
***山坪塘工程由大坝、溢洪道、放水设施组成。
最大坝高，按照总容积在2万立方米以上或坝高在6m以上的山平塘工程。
该工程为Ⅴ等工程，工程主要建筑物为5级，次要建筑物为5级。
主要建筑物设计洪水标准重现期为10年一遇，校核洪水标准重现期为50年一遇。
坝型为均质土坝，最大坝高，坝顶宽，坝顶轴线长。
坝顶高程，迎水面坡比为：
1：
，背水面坡比依次为1：
。
内外坡为C15混凝土六棱块护坡，六棱块边长为250mm，厚100mm。
在外坡坝脚建贴坡排水，顶高程为，高，内坡坡比为1：
，外坡坡比为1：
。
贴坡排水和坝体接触处设15cm厚粗砂和15cm厚碎石的反滤层。
溢洪道布置在左坝肩，控制段高程为，堰顶宽度为2m，堰高。
堰底采用20cm厚的C20混凝土。
边墙采用C20混凝土的重力式挡土墙，顶宽，内坡垂直，外坡坡比为1:
。
边墙和底板下设10cm厚的C15混凝土垫层。
***山坪塘放水设备位于大坝左坝上。
放水设施布置在左侧坝体上，采用卧管和涵管的形式。
卧管和涵管均采用C20钢筋混凝土结构。
卧管进水口孔径为200mm，上面采用钢板拍门结构，详见设计图。
涵管净空断面为300×400mm，壁厚为150mm。
设计标准
***山坪塘最大坝高，按照总容积在2万立方米以上或坝高在6m以上的山坪塘工程整治，可参照小
（二）型水库除险加固的有关技术规范。
该工程为Ⅴ等工程，工程主要建筑物为5级，次要建筑物为5级。
主要建筑物设计洪水标准重现期为10年一遇，校核洪水标准重现期为50年一遇。
***山坪塘工程主要特性表
***山坪塘工程主要特性见表1-1：
表1-1***山坪塘工程特性表
序号
项目名称
单位
主要指标
一
流域特性
1
集雨面积
Km2
2
主河槽长度
Km
3
主河槽比降
‰
4
多年平均降水量
mm
5
设计洪峰流量
m3/s
6
设计洪水总量
万m3
7
校核洪峰流量
m3/s
8
校核洪水总量
万m3
二
山坪塘特性
1
死水位
m
2
正常蓄水位
m
3
设计洪水位
m
4
校核洪水位
m
5
死库容
万m3
6
正常库容
万m3
7
总库容
万m3
续表1-1***山坪塘工程特性表
序号
项目名称
单位
主要指标
三
枢纽特性
（一）
大坝
1
坝型
均质土坝
2
坝顶高程
m
3
最大坝高
m
4
坝顶长度
m
5
坝顶宽度
m
（二）
泄洪建筑物
1
溢洪道型式
正槽开敞式
2
堰顶宽度
m
3
最大下泄流量
m3/s
4
堰顶高程
m
（三）
放水设施
1
放水建筑物型式
卧管
卧管
涵管
2
长度
m
3
断面尺寸（宽×高）
m
直径20cm
*
4
最低取水高程
m
5
最大放水流量
m3/s
四
工程效益
1
设计灌溉面积
亩
110
2
山坪塘对下游影响
110亩田地和下游村庄
注:
本次复核工作中利用1：
500实测地形图，高程系统采用假定高程系统，坐标系采用独立坐标系。
2．水文
概述
基本资料的收集、整理与复核
⑴流域洪水复核资料
本项目流域内无水文站和雨量站，属无实测资料地区。
因此采用暴雨途径计算设计流量。
按照小流域推理公式法方法计算，并进行成果合理性分析取值。
本次根据流域1/10000地形图，经现场踏勘，核实流域分水岭，量算流域面积、河长及河道平均比降，为：
F=，L=，J=‰。
⑵山坪塘工程资料
1）山坪塘库容曲线
水位～库容曲线根据库区万分之一地形图进行计算成果，见表2-1。
2）山坪塘面积曲线
水位～面积曲线根据库区万分之一地形图进行计算成果，见表2-1。
表2-1***山坪塘库容曲线和面积曲线表
水位
面积（亩）
库容（万m3）
1
806
0
2
807
3
808
4
809
5
810
6
811
7
812
8
813
图2-1***山坪塘水位——库容、面积关系曲线
基本资料
本项目流域内无水文站和雨量站，属无实测资料地区。
因此采用暴雨途径计算设计流量。
按照小流域推理公式法计算。
本次根据流域1/10000地形图，经现场踏勘，核实流域分水岭，量算流域面积、河长及河道平均比降，为：
F=，L=，J=‰。
设计洪水计算
暴雨特征
流域处在亚热带季风气候区，气候湿润多雨，常出现大雨或暴雨，暴雨出现时间为4～10月，其中以6月和7月出现频率最高，强度最大。
与之相对应，年最大洪峰流量发生在4～9月，多发生在6～7月。
洪水特征
工程区地形属于深丘区，河谷狭窄，汇流较快，河槽调蓄能力小，因此，洪水具有陡涨陡落的特点，洪水多为单峰型，一次洪水过程约持续七个小时左右。
通过该河流域洪水过程线分析，P=10%洪水涨退全过程为，形成洪峰时间为，峰型多为单峰。
设计暴雨
采用《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》中最大1/6h、1h、6h、24h暴雨均值及变差系数等值线图的查值成果。
暴雨资料统计参数见表2-2
表2-2***山坪塘区域暴雨参数表
利用资料
时段（h）
均值（mm）
Cv
Cs
查手册
1/6
15
1
40
6
70
24
82
设计洪水
洪水计算方法及标准
（1）计算方案
***山坪塘河道流域范围内无实测洪水资料,按照暴雨途径计算设计流量。
本次根据SL44-2006《水利水电工程设计洪水计算规范》，查《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》（以下简称《手册》）中的暴雨资料，采用推理公式法计算坝址设计洪水，并进行成果合理性分析。
推理公式的基本关系式为
式中：
Q—最大流量，（m3/s）；
—洪峰径流系数；
i—最大平均暴雨强度（毫米/小时）；
s—暴雨雨力，即最大1小时暴雨量（毫米/小时）；
n—暴雨公式指数；
F—集雨面积（平方公里）；
L—自出口断面沿主河道至分水岭的河道长度（公里）；
J—沿L的河道平均坡度；
—流域汇流时间（小时）；
—当
的流域汇流时间（小时）；
—产流历时（小时）；
u—产流参数，即产流历时内流域平均入渗强度（毫米/小时）；
m—汇流参数。
（2）洪水计算标准
根据水利部颁发的《水利水电工程等级划分及设计标准》（SL252-2000）的有关规定，***山坪塘工程等别为Ⅴ等，永久性主要水工建筑物级别为5级，本次采用设计洪水标准P＝10%，校核洪水标准P＝2%。
设计洪峰流量成果复核及合理性分析
（1）推理公式计算洪水
1）暴雨参数：
设计雨力Sp及暴雨公式指数n，参数n在不同暴雨历时范围内,其取值不同。
***山坪塘暴雨历时t在1～6h范围内，故按暴雨历时t=1～6h范围内的相应公式计算设计雨力Sp及暴雨公式指数n。
2）产流参数μ：
根据***山坪塘所在的地理位置、地质概况、植被较差；垦植度大、水土保持能力较弱，采用《手册》中表3-1盆地丘陵区的μ值统计系数公式：
μ=4.8F、CV=、Cs=计算各设计μ值。
3）汇流参数m：
根据《手册》中表3-2的m值综合成果表，盆地丘陵区的m值计算公式：
当θ=1～30时，m=θ。
成果见表2-3。
表2-3洪峰流量计算成果表
方法
P=10%洪峰流量（m3/s）
P=2%洪峰流量（m3/s）
手册
推理公式
表2-4***山坪塘设计洪水成果表
频率P（％）
10
2
洪峰流量Q（m3/s）
洪水总量W（万m3）
2.3.4.3设计洪水过程线
该河流为山溪性河流，洪水过程具有陡涨陡落的特点，峰型为单峰尖瘦型，校核、设计洪水过程线见表2-5。
表2-5***山坪塘校核、设计洪水过程线
序号
P＝10％
P=2%
时程（h）
流量（m3）
时程（h）
流量（m3）
1
0
0
0
0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
0
0
图2-2***山坪塘校核、设计洪水过程线图
坝顶高程计算
调洪演算
⑴山坪塘工程资料
1）山坪塘库容曲线和面积曲线
水位～库容曲线和水位～面积曲线，见表2-1。
2）山坪塘泄流能力曲线
***山坪塘正常蓄水位为，相应正常库容万m3。
山坪塘调洪设计、校核洪水采用坝址设计洪水过程线，设计洪水标准为P=10%，校核洪水标准为P=2%，山坪塘无防洪限制水位，调洪按静库容水量平衡法从山坪塘正常水位起调。
溢流进口宽度米，溢洪道按自由下泄进行计算，其泄流能力曲线成果见表2-6。
溢流堰泄流流量采用宽顶堰堰流公式：
公式中：
b—每孔净宽，b=米；
n—孔数，n=1；
H0—包括行近流速水头的堰前水头，即
；
v0—行近流速；
m—自由堰流的流量系数，它与堰型、堰高等边界条件有有关；
—收缩系数，它反映由闸墩（包括翼墙、边墩和中墩）对堰流的横向收缩，减小有效的过流宽度和加大局部能量损失对泄流能力的影响；
—淹没系数；当下游水位影响堰的泄流能力时，堰流为淹没出流，其影响用淹没系数来表达；当下游水位不影响堰的泄流能力时，为自由堰流，此时，
=1；
表2-6***山坪塘水位——泄流曲线
高程（m）
流量（m3/s）
高程（m）
流量（m3/s）
图2-3***山坪塘水位——泄流曲线图
⑶调洪成果
***山坪塘正常蓄水位为。
山坪塘调洪设计、校核洪水采用坝址设计洪水过程线，设计洪水标准为P=10%，校核洪水标准为P=2%，山坪塘无防洪限制水位，下游无限制泄量要求，调洪按静库容水量平衡法，溢洪道自由下泄进行计算，其调洪成果见表2-7。
表2-7***山坪塘调洪演算结果
洪水频率（%）
2%
10%
起调水位（m）
洪峰流量（m3/s）
最高洪水位（m）
最大库容（万m3）
最大泄流量（m3/s）
由表2-17可知：
调算结果山坪塘校核、设计洪水位分别为和，最大下泄流量分别为s和s，相应库容分别为万m3和万m3。
坝顶高程计算
按《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL189-2013）要求，坝顶超高（指坝顶高于正常运用或非常运用情况时静水位的高度）按公式计算确定为：
设计洪水位（P=10%），校核洪水位（P=2%）。
***山坪塘大坝为均质土坝。
溢流道为无闸开敞式溢流。
超高按下式确定：
y＝R＋A
式中：
y——坝顶超高，m；
R——最大波浪在坝坡上的爬高，m；
A——安全加高，m。
波浪的波高和平均波长采用官厅山坪塘公式：
；
式中：
h——当gD/W2=20-250时，为累积频率为5%的波高h5%（m）；当gD/W2=250-1000时，为累积频率为10%的波高h10%（m）；
W——计算风速（m/s）。
正常运用情况下取W=；非常运用情况下取W=V。
V为多年平均最大风速，V=17m/s。
D——风作用于水域的长度（km），在此取D＝0.36km；
Lm——平均波长（m）。
由该公式求得hw。
风雍水面高度计算公式如下：
式中：
e——计算点处的风雍水面高度（m）；
D——风作用于水域的长度（km），在此取D＝0.36km；
K——综合摩阻系数，取×10-6；
——计算风向与坝轴线法线的夹角（°）；
Hm——水域平均水深（m）；
平均波浪爬高计算公式如下：
式中：
Rm——平均波浪爬高（m）；
m——单坡的坡度系数；
——斜坡的糙率渗透性系数，根据坡面类型确定，本工程为砼护坡，取
=；
——经验系数；
hm——平均波高（m）；
经计算，坝高复核成果见表2-8：
表2-8***山坪塘坝高复核成果表
项目
山坪塘水位（m）
R（m）
A（m）
坝顶高程
设计情况
校核情况
从表中可以看出坝顶高程小于计算坝顶高程，故山坪塘现状的泄洪和大坝的防洪能力不满足相关规范要求。
设计洪水位+和校核洪水位均低于坝顶高程，所以可以采用增设防浪墙高米，兼作防护栏杆使用，以保证大坝安全运行，既可以满足设计要求。
3．工程地质
区域地质及地震
***山坪塘位于***县三磊子村3社，所属的大地构造单元为重庆陷褶束（Ⅲ1级）－万州凹褶束（Ⅳ1级），为一系列北东—南西背、向斜构造，晚近期以来未见活动断裂发育，工程区位于石柱向斜的南东翼。
据1∶400万《中国地震动参数区划图》（GB18306—2015），工程区地震动峰值加速度为0.05g，反应谱特征周期为，相应地震基本烈度为Ⅵ度，地震设计分组为第一组，属构造相对稳定弱震环境，无影响工程建设的区域构造存在。
库区工程地质条件及评价
库区属构造剥蚀低山地貌，山体呈北西向展布，地表覆盖层为第四系残坡积粘土、粉质粘土，多为硬塑，部分可塑，厚度变化不一，两岸山坡可见零星的裸露基岩，覆盖层厚度一般小于，坡脚及山谷处～。
下伏地层为侏罗系中统沙溪庙组（J2s），岩性为紫红、棕红、灰紫色泥岩、粉砂质泥岩及泥钙质胶结的粉砂岩与浅灰绿色泥质胶结的长石石英砂岩互层，岩层倾向NW，倾角5°～9°，砂岩裂隙较发育，推测强风化厚度1～3m。
库区无断层及构造破碎带发育，两岸山体雄厚，下伏地层为相对隔水的粘土岩组成，库周近距离无低矮垭口、单薄分水岭及低邻谷存在，蓄水条件较好；库岸植被发育，树木茂密，无滑坡、崩塌等不良工程地质现象，水库蓄水后对库岸整体稳定无影响，水库浸没及淤积问题不严重。
总体而言，***山坪塘库盆封闭条件较好，具备成库条件。
坝址工程地质条件及评价
坝址发育构造剥蚀低中山地貌，两岸基本对称，地形坡度35°～45°，局部砂岩裸露地段坡度陡立。
两坝肩为薄层的第四系残坡积层覆盖，成分以粘土、粉质粘土夹碎石为主，多为硬塑状，厚度小于；河谷地形平坦，为阶梯式农田平台组成，覆盖层为残坡积粘土、粉质粘土，多为硬塑，部分可塑，厚度～。
坝址大地构造位于石柱向斜的南东翼，单斜岩层，产状301°～315°∠5°～9°，发育地层为侏罗系中统沙溪庙组（J2s），岩性为紫红、棕红、灰紫色泥岩、粉砂质泥岩及泥钙质胶结的粉砂岩与浅灰绿色泥质胶结的长石石英砂岩互层，推测强风化厚度1～3m。
地下水类型为基岩裂隙水、第四系松散岩类孔隙水，主要受大气降水补给，水量贫乏，对枢纽建筑物无影响。
坝址区无区域性活动断裂及构造破碎带通过，地质构造稳定；也无滑坡、崩塌、危岩等不良工程地质现象发育，建议坝基置于下部经碾压密实的粘土、粉质粘土层或强、弱风化基岩之上；为减少坝基、坝肩渗漏问题的处理难度，建议坝线应尽量避开砂岩区，坝肩应尽量开挖至弱风化岩体。
坝基岩（土）物理力学参数主要根据工程经验并类比周边同类工程提出，见表及。
表坝基土物理力学指标建议值
名称
密度（g/cm3）
天然固结抗剪强度
饱和固结抗剪强度
渗透系数（10-5cm/s）
物理力学指标
天然密度
饱和密度
c（kPa）
φ（°）
c（kPa）
φ（°）
坝体粉质粘土
120
表坝基岩体物理力学指标建议值
岩性
天然密度（g/cm3）
饱和密度（g/cm3）
抗剪强度（MPa）
变形模量（Mpa）
弹性模量（Mpa）
地基承载力（Mpa）
f′
C′
f
强风化泥岩
/
/
/
/
300
弱风化泥岩
850
950
800
强风化砂岩
/
/
/
/
350
弱风化砂岩
7000
7500
1200
天然建筑材料
（1）土料
本工程拟修建均质土坝，所用土料建议就近在库区开采，土料由残坡积粘土、粉质粘土构成，夹有少量的碎石，呈硬塑状，局部可塑，渗透系数一般小于10-4cm/s，储量大于15000m3，质量、储量基本能满足山坪塘填筑要求，平均运距500m，局部表层含有植物根系及腐殖质层，土质均一性差，施工遇该层时建议清除作弃土处理。
（2）混凝土骨料
本工程混凝土骨料用量不大，山坪塘附近无可供开采的砂料、碎石料，建议在离工程区最近的***镇购买，运距约15km。
4．主要建筑物除险加固设计
工程等级和洪水标准
工程等别及建筑物级别
***山坪塘是一个以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合利用的山坪塘。
山坪塘枢纽由大坝、放水设备、溢洪道组成。
正常蓄水位，相应库容万m3，设计洪水位，相应库容万m3，校核洪水位m，相应库容万m3，有效灌溉面积110亩。
根据水电部颁发《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252－2000）规定，参照V等工程，主要建筑物为5级，次要建筑物为5级。
设计洪水标准及相应特征水位
按《防洪标准》（GB50201-2014）《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）标准执行。
（1）洪水标准
山坪塘挡水坝坝型为均质土坝，枢纽工程永久建筑物设计洪水标准为10年一遇，校核洪水标准为50年一遇。
（2）特征水位
校核洪水（P=2%）时，最大下泄流量s，校核洪水位；
设计洪水（P=10%）时，最大下泄流量s，设计洪水位；
正常蓄水位为。
设计依据
基本资料
（1）重庆市水利局、重庆市发改委等部门对工程的各项要求；
（2）重庆市***县***山坪塘枢纽地质勘察。
规程规范
（1）《工程建设标准强制性条文》（水利工程部分）；
（2）《水利水电工程初步设计报告编制规程》（SL619-2013）；
（3）《防洪标准》（GB50201-2014）；
（4）《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252－2000）；
（5）《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-2013）；
（6）《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）；
（7）《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44－2006）；
（8）《溢洪道设计规范》（SL253－2000）；
（9）《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）；
（10）《水工建筑物抗震设计规范》（SL203－97）；
（11）《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）；
（12）《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》（GB50199-2013）；
（13）《四川省暴雨洪水计算实用手册》。
枢纽工程设计
坝体设计
内坡设计
内坡坡比为1:
，为了防渗在坝坡整平夯实后铺设复合土工膜，复合土工膜须嵌入坝脚齿墙和防浪墙基础200mm以上，上垫层采用厚的碎石垫层，保护层采用C15厚100mm，边长250mm的六边形预制砼块。
在坝脚设置×的C15齿墙。
坝顶设计
坝顶高程，宽；上游侧设置防浪墙，采用浆砌砖结构，厚度240mm，基础（高×宽）为300mm×400mm的C15混凝土。
坝顶为100mm厚C15混凝土路面，下设100mm厚碎石垫层。
每隔10m设置一道2cm伸缩缝，缝内设低发泡沫板；
外坡设计
外坡从坝顶到坝脚坡比依次为1:
1:
和1:
，在高程为的位置设有1m宽的马道。
在外坡坝脚建贴坡排水，顶高程为，高，内坡坡比为1：
，外坡坡比为1：
。
贴坡排水和坝体接触处设15cm厚粗砂和15cm厚碎石的反滤层。
溢洪道
溢洪道布置在左坝肩，控制段高程为，堰顶宽度为2m，堰高。
堰底采用20cm厚的C20混凝土。
边墙采用C20混凝土的重力式挡土墙，顶宽，内坡垂直，外坡坡比为1:
。
边墙和底板下设10cm厚的C15混凝土垫层。
溢洪道水面线计算
按照《溢洪道设计规范》SL253—2000，泄槽水面线由能量方程采用分段求和法推算，校核下泄流量按s计。
计算公式：
式中：
hc—临界水深；
α—流速不均匀系数，取；
q—单宽流量；
g—重力加速度；
△l1-2—分段长度；
h1、h2—分段始、末端面水深；
v1、v2—分段始、末断面平均流速；
α1、α2—流速分布不均匀系数；
θ—泄槽底坡角度；
i—泄槽底坡，i=tgθ；
—分段内平均摩阻坡降；
n—泄槽槽身糙率系数；
—分段平均流速，
=（v1+v2）/2；
—分段平均水力半径，
=（R1+R2）/2。
掺气水深按如下公式计算：
式中：
h—不掺气水深，m；
—掺气后的水深，m；
V—不掺气情况下计算断面的流速，m/s；
ξ—修整系数，可取—m，流速大者取大值；本次取m。
按规范规定，安全加高可取～，因本工程为山坪塘，单宽下泄流量不大，下泄较高标准洪水频率不高，安全加高取。
水面线计算结果见表4-4。
表4-4溢洪道泄槽水面线计算成果表
距陡槽首端
项目
0+
0+
流速V（m/s）
计算水深（m）
掺气高（m）
安全加高（m）
计算墙高（m）
设计墙高（m）
从表中可以看出，溢洪道经整治后过流能力满足要求，边墙高度满足《溢洪道设计规范》要求。
消力池水力计算
根据溢洪道设计资料，其消能结构采用的挖深式消力池。
消力防冲按10年一遇洪水设计，设计下泄流量为s。
消力池池深计算式：
d=σh2-ht-ΔZ
式中：
d—池深（m）
σ—水跃淹没度，取
h2—池中发生临界水跃时的跃后水深（m）
ht—下游水深（m）
Δz—消力池出口水面跌落（m）
Δz=
φ—水流消力池出流的流速系数，取；
b—消力池宽度（m）；
Q—流量（m3/s）；
Lk=0.8L
Lk—消力池长度（m）；
L—自由水跃的长度（m）；
经计算：
产生远离水跃，b=，L=，Lk=，d=，所以下游需要修建消力池，本次设计消力池的尺寸为××（长×宽×高）。
4.3.8.4溢洪道边墙稳定计算
计算公式：
KC：
按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；
f：
边墙与基岩接触面的抗剪摩擦系数；
∑
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