某塘壩的修復(fù)工程設(shè)計計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u31610某塘壩的修復(fù)工程設(shè)計計算案例 118737第1節(jié)設(shè)計洪水分析計算 1288581.1洪水標(biāo)準(zhǔn) 1127381.2最大入庫洪峰流量Qm的查算 2191181.3洪水總量和洪水過程線的計算 38975第2節(jié)死庫容的確定 319183第3節(jié)興利調(diào)節(jié)計算 4125323.1徑流量計算 4214843.2興利調(diào)算 525116第4節(jié)洪水調(diào)節(jié)計算 8122114.1計算原理 815794.2塘壩水位-庫容-泄量關(guān)系 935804.3調(diào)洪演算 914865第5節(jié)壩頂高程復(fù)核 11316525.1調(diào)洪演算 11297285.2波浪爬高的計算 11263695.3平均波高計算 11321495.4平均波長計算 1281035.5壩頂超高計算 12117035.6壩頂高程確定 1430112第6節(jié)穩(wěn)定分析計算 1468536.1基資料本 14315296.2大壩抗滑穩(wěn)定計算 1422323第7節(jié)溢流堰設(shè)計 16177647.1工程布置 16179407.2水力計算 1711179參考文獻(xiàn) 18第1節(jié)設(shè)計洪水分析計算1.1洪水標(biāo)準(zhǔn)洪水計算采用《山東省水利廳文件》（魯水管字【2008】2號）附件《山東省小型水庫洪水核算辦法》(試行)推求設(shè)計洪水。根據(jù)流域的坡度，土壤地質(zhì)植被等情況，黃錢塘壩工程項目區(qū)流域?qū)儆谏絽^(qū)，根據(jù)該辦法，當(dāng)山區(qū)、丘陵區(qū)的小型塘壩壩高低于15m，上下游最大水頭差小于10m時，且失事后對下游防洪影響不大，其洪水標(biāo)準(zhǔn)宜按平原、濱海區(qū)標(biāo)準(zhǔn)確定，則該塘壩的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。1.2最大入庫洪峰流量Qm的查算流域內(nèi)無實測洪水資料和暴雨資料，本次設(shè)計洪水采用《山東省小型水庫洪水核算辦法》（試行）中提供的方法進(jìn)行計算。1、流域特征參數(shù)計算應(yīng)用地區(qū)萬分之一地形圖，量得流域工程地點以上流域面積F為1.908km2，自工程地點沿主河道量至分水嶺得主河道長度L為1.75km，相應(yīng)于該河道的平均比降J為0.001m/m。從附助圖表查得F2/5=1.295，J1/3=0.1流域特征綜合參數(shù)：K=L/(J1/3×F2/5)＝1.75/(0.1×1.295)=13.522、設(shè)計暴雨量的計算根據(jù)工程所在地區(qū)，查輔助計算圖得，項目區(qū)多年平均最大24小時降雨量為95mm。多年平均最大24小時降雨量變差系數(shù)Cv為0.59。采用Cs=3.5Cv=2.065，應(yīng)用皮爾遜Ⅲ型頻率曲線KP值表查得10年一遇KP值為1.76，20年一遇KP值為2.18，則10年一遇最大24小時降雨量：H24=KP·=1.76×95=167.2mm20年一遇最大24小時降雨量：H24=KP·=2.18×95=207.1mm3、單位面積最大洪峰流量的計算根據(jù)已算的相應(yīng)頻率暴雨及流域綜合特征參數(shù)K=13.52，10年一遇最大24小時降雨量H24=167.2mm，20年一遇最大24小時降雨量H24=207.1mm，查附泰沂山北區(qū)qm～H24～K關(guān)系曲線得10年一遇qm=8.05s·m3/km2，20年一遇qm=10.05s·m3/km2。4、最大洪峰流量的計算10年一遇的最大洪峰流量：Qm=F×qm=1.908×8.05=15.36m3/s20年一遇的最大洪峰流量：Qm=F×qm=1.908×10.05=19.18m3/s1.3洪水總量和洪水過程線的計算1、洪水總量的計算根據(jù)山東省大暴雨資料分析，最大24小時出現(xiàn)兩次雨峰較多，主峰雨量約占24小時雨量的75%左右，一般歷時在6小時左右。故在洪水總量的計算中，以不同設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的最大24小時暴雨H24P%的75%，加上前期影響雨量Pa，查P+Pa~hR降雨徑流關(guān)系6號線求出凈雨hR，以凈雨hR乘上流域面積F即得到洪水總量W：W=0.1hR*F（萬m3）前期影響雨量Pa取40mm。10年一遇洪水總量計算：10年一遇最大24小時設(shè)計暴雨量為167.2mm,75%為167.2×75%=125.4mm,pa取40mm，p+pa=125.4+40=165.4mm，查p+pa～hR曲線得hR=90.5mm；洪水總量為：W=0.1hR×F=0.1×90.5×1.908=17.27萬m3。20年一遇洪水總量計算：20年一遇最大24小時設(shè)計暴雨量為207.1mm，75%為207.1×75%=155.325mm，pa取40mm，p+pa=155.325+40=195.325mm，查p+pa～hR曲線得hR=119.3mm；洪水總量為：W=0.1hR×F=0.1×119.3×1.908=22.76萬m32、洪水過程的計算：洪水過程按三角形計算，洪水歷時T（即三角形過程的底寬）按下式計算：T=W/(0.18Qm)式中：T——洪水歷時（h）;W——洪水總量（萬m3）;Qm——最大洪峰流量（m3/s）;漲洪歷時為三分之一洪水歷時，即最大洪峰出現(xiàn)在T/3時。經(jīng)計算：10年一遇：T=6.25h，洪峰流量為15.36m3/s;20年一遇：T=6.59h，洪峰流量為19.18m3/s;第2節(jié)死庫容的確定黃錢塘壩死庫容的確定主要考慮泥沙淤積，由于黃錢塘壩所在河流域無水文測站，亦無實測泥沙資料。根據(jù)“山東省多年平均年侵蝕模數(shù)分區(qū)圖（懸移質(zhì)泥沙）”，塘壩流域?qū)儆趫D中的6區(qū)，懸移質(zhì)侵蝕模數(shù)為50～150t/km2?？紤]黃錢塘壩流域特性，本次懸移質(zhì)侵蝕模數(shù)采用50t/km2，推移質(zhì)按懸移質(zhì)的15%計算。砂的容重取1.3t/m3。由萬分之一地形圖量得，工程流域面積為1.908km2，按水庫運行期10年計算。多年平均懸移質(zhì)年輸砂量：1.908km2×50t/km2=95.4t多年平均推移質(zhì)年輸砂量：95.4×15%=14.31t多年平均總輸沙量：（95.4+14.31）×10/1.3/10000=0.08（萬m3）根據(jù)以上泥沙淤積分析計算成果，并考慮塘壩水質(zhì)要求，確定塘壩死庫容為0.08萬m3，相應(yīng)死水位為282.30m。第3節(jié)興利調(diào)節(jié)計算3.1徑流量計算因本流域無實測水文站，故本次徑流計算采用《濟南市水資源綜合規(guī)劃》中徑流深等值線圖計算，并采用典型站月分配得到不同頻率設(shè)計年月徑流。根據(jù)《濟南市水資源綜合規(guī)劃》中多年平均年徑流深等值線圖，塘壩所在流域處于100mm～150mm徑流深等值線之間，接近120mm，考慮本流域特性，本次計算采用平均年徑流深120mm；變差系數(shù)Cv值為0.62，取偏態(tài)系數(shù)Cs＝2.0Cv適線，計算得出塘壩不同頻率設(shè)計年徑流量。采用臥虎山水庫水文站典型年月分配按同倍比放大，得到不同頻率下的徑流年內(nèi)分配。計算成果見表3-1。表3-1塘壩不同頻率徑流量計算成果表單位：萬m3分類年份123456789101112全年多年平均0.440.400.420.500.671.457.866.102.841.060.720.5322.9950%20000.640.460.360.160.594.885.053.502.470.910.291.0220.3475%19860.970.600.190.060.050.101.385.800.920.900.900.5312.3995%19920.260.080.310.010.230.010.831.190.740.530.320.204.733.2興利調(diào)算1.興利調(diào)算方法（1）計算方法根據(jù)黃錢塘壩現(xiàn)狀來水情況、供水情況采用長系列變動用水時歷法進(jìn)行調(diào)節(jié)計算。長系列變動用水時歷法基本計算公式為：Vi+1=Vi+W來-W用-W損-W棄Vi、Vi+1——分別為水庫底i時段初及時段末的蓄水量；W來——第i時段的來水量；W用——第i時段綜合利用各部門用水量之和；W損——第i時段水庫蒸發(fā)、滲漏等損失量之和；W棄——第i時段水庫棄水量。水量單位為萬m3。（2）蒸發(fā)滲漏損失1）蒸發(fā)損失計算塘壩無實測水面蒸發(fā)資料，根據(jù)“山東省多年平均陸上水面蒸發(fā)量等值線圖”查得：該工程所處的多年平均陸上水面蒸發(fā)深為1200mm，工程水面與陸上水面蒸發(fā)深換算系數(shù)為0.936，則多年平均陸上水面蒸發(fā)深為0.936×1200=1123.2mm。將多年平均蒸發(fā)深按水面蒸發(fā)的月份分配比例分配到個月即得塘壩月蒸發(fā)深。計算結(jié)果見表3-2。表3-2多年平均水面蒸發(fā)深月分配表月份123456分配0.0300.0370.0670.0720.1100.133mm33.7041.5675.2580.87123.55149.39月份789101112全年分配0.1130.1090.0990.0840.0500.0320.936mm126.92122.43111.2094.3556.1635.94塘壩蒸發(fā)損失水量=水庫月蒸發(fā)深×F，（F為庫水面面積，由水位~庫容~面積曲線求得）。根據(jù)庫區(qū)地質(zhì)情況及工程防滲措施，此次調(diào)算采用月均庫容的4%計算塘壩滲漏損失。2.水位~庫容~面積關(guān)系黃錢塘壩水位~庫容~面積關(guān)系根據(jù)測繪的1:1000庫區(qū)地形圖量算而得。相鄰高程間的部分容積按以下公式計算：△V=△H式中：△V——相鄰高程間的容積，萬m3；F1F2——相鄰上下水位相應(yīng)的水庫面積，萬m3；△H——高程差，m。黃錢塘壩水位~庫容~面積關(guān)系見表3-3，水位~庫容曲線見圖3-1，水位~面積曲線見圖3-2。表3-3水位~庫容~面積關(guān)系表水位(m)相應(yīng)水面面積(m2)庫容(萬m3)280.0014.280.00280.5046.040.00281.00209.980.01281.50582.530.03282.00778.450.06282.50892.050.10283.00952.300.15283.501002.880.20284.001060.890.25284.501105.350.30285.001165.860.36285.501215.830.42286.001278.840.48286.501384.930.55圖3-1水位-庫容關(guān)系曲線圖3-2水位-面積關(guān)系曲線3.興利調(diào)算原則黃錢塘壩興利調(diào)算初始起調(diào)水位為死水位282.30m。調(diào)算用最后一年的年末庫容作為起調(diào)庫容再進(jìn)行調(diào)算，直至起調(diào)庫容與最后一年的年末庫容一致。上限水位采用興利水位控制，超過該水位則為棄水。興利庫容的確定黃錢塘壩建成后，首先要滿足下游河道內(nèi)生態(tài)用水要求，并為項目區(qū)65畝農(nóng)田提供灌溉水源。為合理確定塘壩興利庫容，本次通過試算，以最終調(diào)算出的可供水量能滿足以上用水要求為原則。經(jīng)試算，確定黃錢塘壩興利庫容為0.34萬m3，相應(yīng)興利水位為285.50m。塘壩興利調(diào)算成果見表3-4表3-4塘壩興利調(diào)算成果表天數(shù)月份來水量(萬m3)灌溉供水量(萬m3)下游生態(tài)補水(萬m3)總需水量(萬m3)損失水量(萬m3)月末庫容

(萬m3)棄水(萬m3)滲漏損失蒸發(fā)量小計0.083175.050.230.060.290.010.010.020.424.413183.500.320.060.380.010.010.020.423.113092.470.230.060.290.010.010.020.422.1731100.910.380.060.440.010.010.020.420.4530110.290.380.060.440.010.010.010.260.0031121.020.000.060.060.010.010.010.420.783110.640.000.060.060.010.010.020.420.572820.460.000.060.060.010.010.020.420.383130.360.350.060.410.010.010.020.360.003040.160.350.060.410.010.000.010.090.003150.590.350.060.410.010.000.010.260.003064.880.350.060.410.010.010.010.424.30365合計20.342.930.723.650.110.10.24.316.17第4節(jié)洪水調(diào)節(jié)計算4.1計算原理調(diào)洪驗算的基本原理是水量平衡，即塘壩的入庫流量過程線與經(jīng)過塘壩調(diào)蓄后的出庫流量過程線之間的關(guān)系，可用水量平衡方程式來表示，即：式中：Q1、Q2——時段初、時段末的入庫流量，m3/s;q1、q2——時段初、時段末的出庫流量，m3/s;V1、V2——時段初、時段末的塘壩蓄水量，萬m3;△t——計算時段，單位：h(本次調(diào)算中取△t=1h)水量平衡方程式中q2與V2是未知數(shù)，還是必須建立塘壩下泄流量與庫容的關(guān)系，即：4.2塘壩水位-庫容-泄量關(guān)系塘壩水位-庫容-泄量關(guān)系見表3-5表3-5塘壩水位-庫容-泄量關(guān)系表水位（m）庫容（萬m3）q泄285.500.420.00286.000.4810.61286.500.5530.00287.000.5055.11287.500.5584.85288.000.61118.594.3調(diào)洪演算根據(jù)山東省水利廳下發(fā)的洪水核算辦法，對于無閘控制的溢流堰，下泄流量計算公式如下：q=1.5Bh3/2式中：B——溢洪道寬度（m），取20m;h——溢洪道底部以上水深（m）。根據(jù)山東省水利廳下發(fā)的洪水核算辦法，經(jīng)壩前庫容消減后，壩前10年一遇的最大洪峰流量折算為15.29m3/s。壩前20年一遇的最大洪峰流量折算為19.10m3/s。調(diào)洪過程見圖3-3、3-4。圖3-310年一遇調(diào)洪演算·圖3-420年一遇調(diào)洪演算設(shè)計洪水位時：設(shè)計洪水時堰上達(dá)到的最高水頭為0.62m，即設(shè)計洪水位為286.12m校核洪水位時：校核洪水時堰上達(dá)到的最高水頭為0.72m，即校核洪水位為286.22m。本次塘壩調(diào)洪成果見表3-6：表3-6調(diào)洪成果表水位（m）庫容（萬m3）調(diào)洪庫容（萬m3）下泄流（m3/s）興利水位285.500.4200設(shè)計洪水位286.120.500.0815.29校核洪水位206.590.510.0919.10通過塘壩調(diào)節(jié)計算和調(diào)洪驗算，黃錢塘壩的指標(biāo)為：死庫容0.08萬m3，相應(yīng)死水位282.30m；興利庫容0.34萬m3，相應(yīng)興利水位285.50m；設(shè)計洪水位286.12m；校核洪水位286.22m，總庫容0.51萬m3。依據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2017），確定本設(shè)計工程規(guī)模為小（2）型塘壩。第5節(jié)壩頂高程復(fù)核5.1調(diào)洪演算根據(jù)調(diào)洪分析計算，成果如下：壩底高程：280.00m；興利水位：285.50m；設(shè)計洪水位：286.12m；校核洪水位：286.22m。5.2波浪爬高的計算根據(jù)《砌石壩設(shè)計規(guī)范》中的公式：當(dāng)m≤1.25時Rm=K△KwR0hm式中：Rm——平均波浪爬高（m）；K△——斜坡的糙率滲透系數(shù)，查表得砌石為0.78；Kw——經(jīng)驗系數(shù)，查表得P=5%、10％時，Kw分別為1.06和1.18；m——斜坡的坡度系數(shù)，m=0.1hm——平均波高，采用莆田試驗站公式計算；5.3平均波高計算式中：W——計算風(fēng)速，m/s；D——風(fēng)區(qū)長度，m；Hm——水域平均水深，m；取2/3倍的壩前迎水面水深H。g——重力加速度，取9.81m/s2；根據(jù)南山區(qū)風(fēng)速統(tǒng)計數(shù)值，平均最大風(fēng)速為14.0m/s。根據(jù)《砌石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，正常運用情況（P=10%）取平均最大風(fēng)速的1.5倍，即21.0m/s，非常運用情況（P=5％）取平均最大風(fēng)速14m/s。黃錢塘壩不同設(shè)計工況風(fēng)區(qū)長度、水域平均水深見表3-7。表3-7水庫不同設(shè)計工況風(fēng)區(qū)長度、水域平均水深表工況正常蓄水位設(shè)計水位校核水位水位（m）285.50286.12286.22風(fēng)區(qū)長度（m）454950水域平均水深（m）3.674.084.155.4平均波長計算Lm——平均波長，采用下式：式中字母含義與上述相同。按規(guī)范要求，設(shè)計爬高值按工程等級確定，對4、5級大壩取累積概率P=5%的爬高值R5%。根據(jù)查表得：P=5%的Rp/Rm值為1.84。根據(jù)Rm及表Rp/Rm計算各種設(shè)計頻率最大波浪爬高。經(jīng)計算，黃錢塘壩不同工況設(shè)計波浪爬高計算結(jié)果見表3-8表3-8庫區(qū)不同設(shè)計工況波浪爬高計算成果表工況正常蓄水位設(shè)計水位校核水位水位（m）285.50286.12286.22平均波高h(yuǎn)m（m）0.0810.0840.054平均波長Lm（m）2.4795.5761.666平均波浪爬高Rm（m）0.0970.0990.057設(shè)計波浪爬高Rp（m）0.1780.1820.1065.5壩頂超高計算壩頂超高計算公式：Y=R+A+e式中：Y——壩頂超高（m）；R——最大波浪爬高（m）；A——安全加高（m）；e——風(fēng)壅水面高度（m）。根據(jù)規(guī)范A.1.10條，風(fēng)壅水面的高度計算公式如下：式中：K—綜合摩阻系數(shù)，取值0.0000036；D—風(fēng)區(qū)長度，設(shè)計和校核情況分別取49m、50m；β—計算風(fēng)向與壩軸線法線的夾角，取值0°；W—計算風(fēng)速，設(shè)計情況取值21.0m/s，校核情況取值14.0m/s；Hm—風(fēng)區(qū)內(nèi)水域平均水深，設(shè)計情況時取值4.08m，校核情況時取值4.15m。風(fēng)壅水面高度計算成果見表3-9。表3-9風(fēng)壅水面高度e計算成果表水位（m）KD（m）β（°）W（m/s）Hm（m）e（m）正常蓄水位0.0000036450213.670.00099設(shè)計洪水位0.0000036490214.080.00097校核洪水位0.0000036500144.150.00043根據(jù)以上壩頂超高計算公式，壩頂超高計算成果如下表：庫區(qū)不同設(shè)計工況壩頂超高計算結(jié)果見表3-10表3-10壩頂超高計算結(jié)果表工況正常蓄水位設(shè)計水位校核水位水位285.50286.12286.22設(shè)計波浪爬高R（m）0.180.180.11風(fēng)壅水面高度e（m）0.000990.003530.00043安全加高（m）0.50.50.3壩頂超高（m）0.680.680.415.6壩頂高程確定壩頂高程計算成果見表3-11表3-11壩頂高程計算成果表項目水庫靜水位壩頂超高壩頂高程取值正常蓄水位285.500.68286.18286.80設(shè)計水位286.120.68286.80校核水位286.220.41286.63通過計算，壩頂高程應(yīng)為286.80m，確定壩頂高程為286.80m。第6節(jié)穩(wěn)定分析計算6.1基資料本由庫底高程280.00m下挖1.5m至巖石層，C30混凝土基礎(chǔ)厚1.0m，地基與基礎(chǔ)的摩擦系數(shù)f=0.5，漿砌石容重為23KN/m3。6.2大壩抗滑穩(wěn)定計算根據(jù)《砌石壩設(shè)計規(guī)范》（SL25-2006）進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計算。1.斷面選?。焊鶕?jù)大壩情況，選取大壩最大壩高斷面進(jìn)行穩(wěn)定分析計算。2.計算工況正常運行期：上游水位285.50m，下游水位285.10m；設(shè)計洪水：上游水位286.12m，下游水位平地面；校核洪水：上游水位286.22m，下游水位平地面；3.計算公式抗滑穩(wěn)定計算公式如下:Kc=式中：∑V作用在基礎(chǔ)上的全部豎向荷載；∑H作用在基礎(chǔ)上的全部水平荷載；f建筑物基底與地基之間的摩擦系數(shù)，f=0.5；4.荷載計算當(dāng)上游水位為興利水位，荷載為基本組合時，計算過程如下：（以1m壩體為計算對象）水平方向上，靜水壓力P1=1/2γh2L=0.5×10000×5.52×1=151.25KN淤沙壓力P2=5.87KN浪壓力P3=2.30KN豎直方向上，壩體自重：G=γV=23×31.48=957.63KN揚壓力F=1/2γh×B×L=0.5×10000×5.5×6.72×1=184.80KN計算結(jié)果見表3-12表3-12興利水位工況（基本組合）：最大壩高壩段荷載水平方向H（KN）豎直方向V（KN）壩體自重957.63靜水壓力151.25淤沙壓力5.87浪壓力2.30揚壓力-184.80合計159.42772.83注：荷載水平方向向下游為正，豎直方向向下為正。單位為KN?？够=f∑V=386.41抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K=R/∑H=2.42>1.05設(shè)計水位工況見表3-13表3-13設(shè)計水位工況（基本組合）：最大壩高壩段荷載水平方向H（KN）豎直方向V（KN）壩體自重957.63靜水壓力185.35淤沙壓力5.87浪壓力2.30揚壓力-205.63合計193.52752.00注：荷載水平方向向下游為正，豎直方向向下為正。單位為KN?？够=f∑V=376.00KN抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K=R/∑H=1.94>1.05校核水位工況見表3-14表3-14校核水位工況（特殊組合）：最大壩高壩段荷載水平方向H（KN）豎直方向V（KN）壩體自重957.63靜水壓力190.85淤沙壓力5.87浪壓力2.30揚壓力-208.99合計199.02748.64注：荷載水平方向向下游為正，豎直方向向下為正。單位為KN?？够=f∑V=374.32KN抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K=R/∑H=1.88>1.005.計算結(jié)果計算結(jié)果匯總見表3-15表3-15計算結(jié)果匯總表計算工況抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KK允許值興利水位2.421.05設(shè)計水位1.941.05校核水位1.881.00由此表可以看出，大壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。第7節(jié)溢流堰設(shè)計7.1工程布置黃錢塘壩為砌石結(jié)構(gòu)，壩長28m，其中溢流段長20m，非溢流段長8m，壩體上游側(cè)增設(shè)50cm厚M15漿砌塊石面層和40cm厚C30混凝土防滲心墻，向兩端各延伸1.0m至基巖，向下伸入不透水層0.5m；壩頂設(shè)交通橋，橋面兩側(cè)