一座橡胶坝工程设计报告.doc
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一座橡胶坝工程设计报告.doc
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1综合说明
1.1绪言
小XX是竹竿河的一级支流,干流全长98.0km,流域面积796.0km2,是纵贯XX县境内的一条主要河流。
河道上游建有石山口大型水库,中下游建有小龙山拦河枢纽工程。
在小龙山以下4.0km处为XX县城所在地,城区面积7.0km2,现有人口7万多人,中长期发展规划城区面积为11.0km2,人口8~12万人。
国道312线由西到东穿越其间,开武(开封至武汉)公路贯通南北,西宁(西安至南京)铁路亦从这里经过。
便利的交通和优越的自然环境使之成为XX的政治、经济、文化中心。
小XX穿XX县城南而过,对城区及沿线乡镇工农业生产的发展起着举足轻重的作用。
特别是离城区较近的城郊高产大棚蔬菜发展迅速,不仅丰富了XX县城乡人民的菜篮子,而且还远销合肥、武汉、上海等地,是带动农村经济发展的拳头项目。
近几年由于浇灌水源得不到解决,发展规模和速度受到限制。
同时,随着经济的发展,县城人口逐渐增多,县城工农业和城市生活用水的供需矛盾日趋尖锐,并已成为城区经济发展的主要制约因素。
为了改善投资环境,加速城区的建设步伐,近几年来,XX人民对治理开发小XX,美化县城环境的呼声越来越高,渴望能使小XX早日成为有安全保障,可供人们茶余饭后逍遣漫步的旅游景点。
县委、县政府也决心下大力气对小XX城区段进行综合治理开发,力争使小XX变成河水清、水面宽、景点多的带状游览区。
近期拟在罗息桥下游120m处修建一座橡胶坝工程,使沿河两岸特别是城关段成为该县两个文明建设的窗口,为子孙后代造福。
受XX县水利局委托,我院积极组织人力对拟建橡胶坝的小XX河道段进行了勘探测量,并按照要求编制了该橡胶坝工程的工程设计。
工程特征值详见表1-1。
表1—1XX县小XX橡胶坝工程特征值表
序号及名称
单位
数量
备注
一.水文特征
1.坝址处多年平均径流量
亿m3
3.49
2.设计标准
20年一遇
3.设计流量
m3/s
1382
二.工程特征
1.橡胶坝坝顶长度
m
46
共1孔
2.坝袋高
m
2.5
3.设计河底高程
m
40.80
4.坝底板顶高程
m
41.30
5.坝袋顶高程
m
43.80
6.最高控制水位
m
44.30
7.最大允许溢流深
m
0.5
1.2水文
小XX是XX县境内的一条主要河流,发源于涩港乡同心村,由西南向东北纵贯XX全境,流经XX县城(东经114°31′,北纬32°13′),至竹竿乡河口寨入竹竿河,全长98.0km,平均比降1/1200,流域面积796.0km2,多年平均径流量3.49亿m3。
河道上游兴建有石山口大型水库控制工程,洪水标准为100年一遇洪水设计、1000年一遇洪水校核,控制流域面积306.0km2,最大库容3.68亿m3。
中下游兴建有小龙山拦河枢纽工程,控制区间汇流面积223.0km2,20年一遇洪水设计,无控制、调节能力,最大泄流量为834.0m3/s。
小龙山以下区间流域面积为267.0km2,其中平原、洼地面积占60%以上。
根据小XX小龙山枢纽~入河口区间各控制点现状、设计水位对比表,确定坝址(小XX桩号23+380)处二十年一遇洪水位为50.60m,相应流量为1382m3/s。
施工期流量计算按小龙山水库不泄洪,设计标准采用枯水期五年一遇流量。
经计算枯水期洪峰流量为109m3/s,可作为围堰、导流流量。
1.3工程地质
工程区位于县城罗息桥下游120m处,地貌上属小XX一级阶地;橡胶坝拟建区现状条件下为小XX治理河道裁湾取直后的一段新开顺直河道,河底高程40.5~41.0m,两岸高程50.5~51.0m。
坝址处土层共分显三层,分别为粘土、泥质细砂和粗砂。
根据地质勘察试验提供的资料,土层标准承载力为80~130Kpa不等。
1.4工程设计依据及标准
设计依据:
①1997年9月编制的《XX县小XX下游治理工程规划报告》;②近几年XX小XX治理年度工程设计书;③2004年12月实测的小XX橡胶坝址段地形图及横断面图;④有关工程规划设计规范,其它有关资料、文件等。
设计标准:
根据《XX省淮河流域防洪规划工作大纲》要求,小XX防洪标准近期要达到20年一遇,确定橡胶坝设计洪水标准为20年一遇。
1.5工程设计
XX小XX橡胶坝工程主要包括上游铺盖段、坝身段、下游消力池、海漫段等。
坝址处,河底高程40.80m,坝底板高出河底0.5m,坝袋高2.5m,允许坝顶溢流水深0.5m,坝前最高控制水位44.30m坝底板顺水流方向长11.0m,厚1.5m,设前后齿墙,并沿底板每10m设一直径0.4m冲砂孔。
该橡胶坝共1孔,坝袋底宽36m,边墩以1:
2斜坡型式与坝端平台连接。
为减少坝体渗漏,在坝上游设20m长粘土铺盖,厚0.8~1.7m,其上设0.4m厚浆砌石护面。
两岸采用浆砌石和钢筋砼斜坡护岸。
下游设砼消力池长10m,M7.5浆砌石海漫长20m。
1.6工程施工
1.6.1施工条件
XX县小XX橡胶坝工程位于XX县县城城东罗息公路桥下游120m处,紧邻信叶高速公路,交通极为便利;施工用电可由附近的高压线引进,能保证施工时的电力供应要求;施工用水直接用潜水泵从河道内取得。
工程所需“三材”均可从县城购买。
1.6.2施工组织
该工程位于小XX主河槽上,受气候条件限制较大,需在枯水期突击完成,原则上以机械化施工为主,人工施工为辅;专业队伍施工为主,民工施工为辅,争取在2005年5月31日以前竣工并投入运用。
工程在项目管理上严格按照基本建设程序,在本工程施工过程中,必须认真细致地严把质量关,建立项目管理责任制和质量管理保证体系,确保工程质量,力争工程按期顺利完工。
1.7工程用地
本年度工程占地包括永久占地和临时占地。
计需永久占地11亩,临时占地20亩。
1.8环境影响评价
小XX橡胶坝工程是XX县小XX治理工程的一个重要组成部分。
它的建成不仅可解决沿岸高效农业区的灌溉水源,提供县城工业及居民生活用水,而且可提高地下水位,减少城市漏斗化,解决县城将要面临的水资源供需矛盾问题,提高城市供水能力。
同时还可发展水上娱乐及水产养殖项目,为发展当地经济奠定坚实的基础。
具有较好的生态效益和社会效益,宜尽快实施。
1.9工程数量及投资
工程计需土方开挖21539m3,土方填筑13255m3,M7.5浆砌石19521m3,砼及钢筋砼3264m3;工程总投资307.42万元。
XX县小XX橡胶坝工程建设资金由XX县公共事业局与县水利局共同承担。
1.10国民经济评价
根据水利部颁发的《水利建设项目经济评价规范》SL72-94及国家计委、建设部颁发的《建设项目经济评价方法与参数》进行分析。
本工程是集灌溉、旅游、改善生态环境、提高县城地下水位等为一体的综合枢纽,社会效益及生态效益显著。
评价结果为:
经济内部收益率为18.1%;经济净现值为132.8万元;静态与动态经济效益费用比分别为3.46和1.38,投资回收年限4.23年。
2水文
2.1流域概况
小XX是XX县境内的一条主要河流,发源于涩港乡同心村,由西南向东北纵贯XX全境,经XX县城(东经114°31′,北纬32°13′)于竹竿乡河口寨入竹竿河,全长98.0km,平均比降1/1200,控制流域面积796.0km2,多年平均径流量3.49亿m3。
河道上游兴建有石山口大型水库控制工程(100年一遇洪水设计,1000年一遇洪水校核),控制流域面积306.0km2,最大库容3.68亿m3;中下游建有小龙山拦河枢纽工程(20年一遇洪水设计),控制石山口水库~小龙山枢纽区间流域面积223km2,无控制、调节能力,最大泄流量为834.0m3/s;小龙山以下区间流域面积为267.0km2,其中平原、洼地面积占60%以上。
小XX流域地形自西南向东北方向倾斜,河源—灵山一带为海拔827.00~200.00m的深山区,石山口水库以上为海拔200.00~70.00m的浅山区,由此以下属丘陵区,沿河阶地有一带状平原,地面高程70.00~40.00m。
流域内土壤肥沃,气候温和,多年平均气温15.1℃,霜期自11月中旬始至次年3月下旬止,无霜期230天。
多年平均降水量1000~1200mm,风力最大为8级,最大风速19m/s,多年平均风速为3.1m/s。
流域内一般土质粘重,保水性强,适宜种植水稻、小麦、黄豆、油菜、棉花等,是XX县的主要粮食产区之一。
小龙山拦河枢纽下游4.0km处有XX县城及312国道,沿河两岸台地有耕地10万多亩,人口10余万人。
石山口灌区及南湾灌区可自流灌溉两岸农田,但排水设施严重不足。
2.2设计洪水位计算
根据小XX小龙山枢纽~入河口区间各控制点现状、设计水位对比表(表2.1引自《XX县小XX下游治理规划设计》),确定坝址(小XX桩号23+380)处二十年一遇洪水位为50.60m,相应流量为1382m3/s。
表2.1小XX小龙山枢纽~入河口区间各控制点现状、设计水位对比表
桩号
三年一遇
五年一遇
十年一遇
二十年一遇
五十的一遇
说明
设计
流量
(m3/s)
设计水位(m)
流量
(m3/s)
设计水位(m)
流量
(m3/s)
设计水位(m)
流量
(m3/s)
设计水位(m)
流量
(m3/s)
设计水位(m)
0+000
505
43.8
774
44.70
1235
45.11
1642
45.70
2200
47.47
入竹竿河口,为水位起推处
4+930
505
44.29
774
45.24
1235
46.03
1642
46.82
2200
48.49
A段取直起点,黄湖林场
5+610
505
44.34
774
45.30
1235
46.17
1642
46.99
2200
48.68
A段取直终点,黄湖林场
10+800
505
45.05
774
46.09
1235
47.30
1642
48.24
2200
49.90
B段取直起点,陈湾
11+540
505
45.10
774
46.14
1235
47.38
1642
48.31
2200
49.95
B段取直终点,谢围子
13+040
505
45.23
774
46.27
1235
47.44
1642
48.39
2200
50.20
付金湖入河口
18+500
442
46.44
677
47.50
1083
48.65
1449
49.75
1937
51.17
C段取直起点,王小湾
20+965
442
46.55
677
47.70
1083
49.01
1449
49.94
1937
51.44
C段取直终点,尹寨
23+886
420
47.05
644
48.30
1043
49.67
1382
50.60
1846
52.09
罗息桥
24+545
410
47.17
629
48.65
1008
49.32
1353
50.75
1806
52.29
南关大桥,二支沟口
26+005
410
47.37
629
48.65
1008
50.04
1353
50.97
1806
52.56
312国道桥,一支沟口
27+518
380
47.37
584
48.65
936
50.05
1261
50.98
1682
52.58
小泥河入口,西湾南
28+580
282
47.62
434
48.82
700
50.20
962
51.20
1274
52.66
龙山枢纽泄洪闸下
2.3施工期导流洪水计算
XX县小XX橡胶坝建在小龙山水库枢纽下游月4km处,坝址以上流域面积为796km2,其中小龙山枢纽控制面积688km2,枢纽至橡胶坝区间流域面积为159km2。
区间内主要支流有小泥河,长度为27.9km,河流比降为1/1087。
施工期流量计算按小龙山水库不泄洪,设计标准采用枯水期五年一遇,由于流域面积小于200km2,计算方法采用推理法。
经计算枯水期洪峰流量为109m3/s,施工期定在1月~5月,其中主体工程在1~4月分完成,该流量可作为围堰、导流流量。
3工程地质
小XX橡胶坝工程地质勘探工作于2004年12月份完成。
勘探坝轴线位于罗息桥下游100m处的小XX上,坝轴线与主河床正交。
各项勘探具体情况及试验成果详见XX市水利勘测院编制的《XX县小XX橡胶坝工程岩土工程勘察报告》。
勘察报告简要摘录如下:
1、工程区位置和地形
工程区位于县城罗息桥下游100m处,地貌上属小XX一级阶地;橡胶坝拟建区现状条件下为小XX治理河道裁湾取直后的一段新开挖的顺直河道,河底高程40.5~41.0m,两岸高程50.5~51.0m。
2、地层
本次勘察在钻探深度范围内揭示,场地土层共分三层,分述如下:
第①层:
粉土
褐黄、稍密、湿、可塑~软塑,区内主要分布在小XX两岸,层厚1.5~10.0m。
第②层:
泥质细砂
灰黄色、稍密、饱水,层厚1.8~2.6m,区内均有分布层。
第③层:
粗砂
黄色、中密、饱水,区内均有分布,勘察未穿透此层、揭示最大厚度7.6m。
3、地下水
勘察表明,场区勘察揭示深度范围内地下水含水层只有一层,即砂层中的地下水,该地下水与外河水位一致,且呈互补关系。
4、土的物理力学性质
取样室内分析各层土的物理力学性质详见报告附件《土工试验综合成果表》及《土的物理力学性质统计表》。
孔位测试数据详见《工程地质剖面图》。
5、岩土工程评价
⑴场地稳定性和适宜性
勘察结果表明场地和持力层土具有以下特点:
①场地高差较大;
②浅层内持力层土分布较均匀,层序稳定,但强度低,可以区内第②层泥质细砂或第③层粗砂作为持力层土。
③适宜本工程建设。
④拟建区各层土的承载力标准值如下:
第①层:
粉土承载力标准值fk=80kPa
第②层泥质细砂承载力标准值fk=100kPa
第③层粗砂承载力标准值fk=130kPa
⑵地基方案
以区内第②层泥质细砂或第③层粗砂作为持力层土,采用天然地基方
⑶场地地震效应
按国家地震局的有关文件,本场地的基本地震烈度为Ⅵ度。
根据国家标准《建筑抗震设计规范》(GBJ11—89)的规定,从场地的性质和标准贯入测试数据判定,场地类别为Ⅱ类,场地属于中软场地土。
据场地土质和地下水埋藏条件,按规范规定初判:
在本区基本烈度为Ⅵ,抗震设计为Ⅵ时,场区地基土一般不会发生液化。
6、结论和建议
⑴场区地貌上属于小XX河岸阶地,现状条件下为小XX治理河道裁弯取直后的一段新开顺直河道,河底高程40.5~41.0m,两岸高程50.5~51.0m,相对高差大。
⑵区内地层分为三层,层序稳定;
⑶区内勘察揭示深度范围内只有一层地下水含水层;
⑷基础处理方案详见前节;
⑸本地区地震烈度为Ⅵ度;
⑹基坑开挖后,要会同有关部门进行验槽后方可进行下道工序。
4工程设计依据及标准
4.1设计依据
1、《橡胶坝技术规范》SL227-98;
2、《水闸设计规范》SL265-2001;
3、《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000;
4、《水利工程水利计算规范》SL—95;
5、《水工混凝土结构设计规范》SL/T191—16;
6、《水力学》,成都科技大学教研室;
7、《XX县小XX下游治理工程规划报告》,1997年9月;
8、《XX省XX县小XX治理1998~2004年度工程设计书》;
9、《XX县小XX橡胶坝工程岩土工程勘察报告》,2005年1月;
10、2004年12月实测的小XX橡胶坝址段地形图及横断面图;
11、其它有关资料、文件。
4.2设计标准
根据《XX省淮河流域防洪规划工作大纲》要求,小XX防洪标准近期要达到20年一遇,确定橡胶坝设计洪水标准为20年一遇。
5橡胶坝工程设计
5.1坝址选定
根据XX县小XX综合治理规划,拟建中的小XX橡胶坝坝址选定在罗(山)~息(县)桥下游约120m处的小XX河段上(河道桩号23+380),该段河床为东北西南走向,河水自西北流向东南。
其间河床较为平缓,水流平顺,岸坡稳定。
经过勘探表明,坝址处土层共分三层,分别为粘土、泥质细砂和粗砂,因此要作好坝体及坝肩防渗处理。
5.2坝高选定及设计标准确定
坝址处河底高程为40.80m,根据建设单位在312公路桥处的回水要求,确定坝前正常蓄水位为43.80m,坝前蓄水深为3.5m。
考虑河道淤积因素确定坝底板高程为41.30m,高出河底0.5m。
坝袋高2.5m,坝顶高程43.80m。
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000,本工程属Ⅳ等4级建筑物,采用20年一遇洪水设计。
5.3工程布置
XX县小XX橡胶坝工程包括上游铺盖段、坝身段、下游消力池、海漫段等。
坝址处河底高程40.80m,坝底板高出河底0.5m,坝袋高2.5m,允许坝顶溢流水深0.5m,坝前最高控制水位44.30m。
坝底板顺水流方向长11.0m,厚1.2m,设前后齿墙,并沿底板每10m设一内径0.4m冲砂孔。
该橡胶坝共1孔,底宽36m,边墩以1:
2斜坡型式与坝端平台连接。
为减少坝体渗漏,在坝上游设20m长粘土铺盖,厚0.8~1.7m,其上设0.4m厚浆砌石护面。
两岸采用M7.5浆砌石和钢筋C15砼1:
2坡度斜坡护岸各10m。
下游设C20钢筋砼消力池长10m,M7.5浆砌石海漫长20m。
其工程布置情况详见施工设计图纸。
5.4水力计算
1、设计资料
橡胶坝底板顶高程41.30m,堰顶净宽36m,沿水流方向堰长11.00m,平均河底高程40.80m。
20年一遇洪峰流量1382m3/s。
2、塌坝泄洪坝上过水能力核算
坝前水流行近流速计算
行近水头
按满槽验算河道过水能力,堰顶高程41.30m,堰顶以上的上游水深
H上=9.71m,堰顶以上下游水深h下=9.3m。
因h下/H上=9.3/9.71=0.96>0.8属淹没出流,故按淹没宽顶堰堰流公式计算。
式中:
ε――侧收缩系数,采用ε=0.96
Ho――计入行近流速水头的堰上水深H上=9.71m
σ淹――淹没系数,查《水力学》上册表8-2,σ淹=0.59
B――堰顶以上过水断面的平均宽度,取48.1m;
m――流量系数,经计算得m=0.34;
Q槽=0.96×0.59×0.34×48.1××9.71=1241.6m3/s
Q滩地=m3/s
(该处河床断面见测量资料)
Q槽+Q滩地=1241.6+213.2=1454.8m3/s>Q1/20=1382m3/s
满足20年一遇行洪要求。
3、坝顶溢流水力计算
为减少坝袋的频繁起落,设计允许坝顶在一定水深范围内溢流,溢流水深最大控制在0.5m。
坝顶最大溢流量按自由堰流计算。
式中:
m――流量系数,胶袋冲胀时,可视为曲线型实用堰,经计算得m=0.4;
b――坝顶以上过水断面的宽度,取47m;
ε――侧收缩系数,采用ε=0.986;
H溢――不计行进流速水头的堰上水头,H溢=0.5m
则:
Q溢=0.34×0.986×47×4.42×0.5=28.9m3/s
超过该流量,橡胶坝应采取塌坝措施。
5.5消能计算
橡胶坝消能计算,经比较以坝顶最大溢流流量,相应坝下无水为消能控制条件,已知堰上溢流水深为0.5m,相应溢流量为28.9m3/s,单宽流量为0.8m2/s,采用消力池消能,见图5-1。
1、坝下游河道水深计算
当橡胶坝泄流量Q=28.9m3/s时,坝下游河道水深按下式推算:
Q=
式中:
n——河槽糙率系数,选用n=0.03;
A——河槽过水断面面积A;
R——水力半径;
J——河道洪水比降,J=1/2000。
经试算得:
ht=1.18m,即坝顶溢流时,下游河道水位为41.98m。
2、消力池深度确定
按《水闸设计规范》(SL265-2001)附录B公式计算
式中—消力池深度(m);
—水跃淹没系数。
采用1.10;
—跃后水深(m);
—收缩水深(m);
—水流动能校正系数,采用1;
—过闸单宽流量(m2/s);
—消力池首端宽度(m),取30m;
—消力池末端宽度(m),取30m;
—由消力池底板顶面算起的总势能(m);
—出池落差(m);
—出池河床水深(m)。
经过试算,消力池深度d为0.47m,但考虑到万一出现塌坝不及时,Qm有可能大于28.9m3/s的泄洪情况,为保证消能安全,消力池仍采用1.0m深。
3、消力池长度确定
水跃长度
消力池长度
所以,消力池长度m,实际池长定为10m,消力池采用钢砼结构,内设排水孔。
4、海漫长度计算
式中—海漫长度(m);
—消力池末端单宽流量(m2/s);
—海漫长度计算系数,闸址处为粉质粘土,取12;
—上、下游水头差,即44.30-41.98=2.32m
代入上式得
根据已建工程经验,海漫段长度定为20m,海漫一段采用浆砌块石护砌长10m,海漫二段采用浆砌块石护砌长10m。
6橡胶坝体稳定计算
6.1计算情况
1、升坝拦水时,上游水位平坝顶43.80m,下游无水,水头差3.00m。
2、坝上溢流时,上游水位44.30m,下游水位41.98m,水头差2.32m。
以第一种情况控制设计,坝底板顺水流方向长11.0m,厚1.20m。
6.2坝基渗透破坏计算
1、正常工作情况:
上游铺盖有效,下游排水设备正常工作,按勃莱法,实际地下轮廓总长度
L实=20+0.5+0.8++8.0++0.8+0.72+0.5
=33.76m
查《水闸》表4-1,勃莱法渗径系数取10(细砂),作用水头H=3m,故最小地下轮廓总长度应为L计=CH=10×3=30m 因此,正常工作情况下不会发生渗流破坏。 2、特殊工作情况: 上游铺盖有效,下游排水失效。 按勃莱法,实际地下轮廓总长度L′实=33.76+3.36+8.64=45.76m。 排水设备失效相当于未设反滤层,查《水闸》表4-1,C=10.0,作用水头H=3.0m,故最小地下轮廓总和应为: =CH=10.0×3.0=30m<=45.76m,因此,特殊工作情况下坝基不会发生渗透破坏。 6.3渗透压力计算 按上游铺盖有效,下游排水失效计算渗透压力,按勃莱法计算底板各点渗透压力(计算简图见图6-1),由公式: Hx=x/L·△H 式中: L——地下轮廓不透水部分的拉直总长度,L=45.76m; △H——计算情况下的上下游水位差,△H=3.0m; Hx——距
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