小型攔河壩設(shè)計(jì)

1、井岡山市紅軍灌區(qū)樞紐工程設(shè)計(jì)井岡山市水利局 張翼摘要紅軍灌區(qū)位于井岡山市中部，設(shè)計(jì)面積0.5萬(wàn)畝，樞紐工程為一座攔河壩，壩址位于紅軍鄉(xiāng)紅軍村，主要功能為灌溉。關(guān)鍵詞小型灌區(qū) 引水樞紐 重力壩 溢流壩說(shuō)明紅軍灌區(qū)、紅軍鄉(xiāng)、紅軍村、井岡河均為虛擬1前言1.1流域概況和樞紐任務(wù)紅軍河是井岡河的一條支流，河流全長(zhǎng)170公里，流域面積120平方公里。流域形狀略呈菱形，上下游狹窄，中游寬大，河道坡陡流急，具有暴漲暴落的特性。本樞紐工程以灌溉為主，灌溉農(nóng)田0.5萬(wàn)畝，并能減小洪災(zāi)對(duì)我市井岡河流域的危害。壩址設(shè)在紅軍鄉(xiāng)紅軍村河道上，壩址以上集雨面積14平方公里。1.2水文氣象流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，地處山區(qū)，多

2、雨少旱。多年平均降雨量1836mm，年內(nèi)分配不均，3-10月降雨量占全年總量的80%，年際分配也不均，豐水年比枯水年降雨量多近1倍。多年平均蒸發(fā)量約800mm，平均氣溫17.6度，極端最高氣溫40度（1971-07-26），極端最低氣溫-10度（1972-02-09），霜期較長(zhǎng)，初霜一般在11月上旬，終霜一般在3月中旬，多年平均風(fēng)速12.7m/s。流域內(nèi)無(wú)水文觀測(cè)站，以行洲水文站資料作參證，氣象資料采用茨坪氣象站資料。1.3設(shè)計(jì)洪水采用成果采用以行洲水文站資料推求以及暴雨徑流推理公式兩種方法，前種方法分析成果較大，后者較小，本次設(shè)計(jì)采用后者成果如下。頻率2%3.30%5%洪峰(m3/s)109

3、9078水位(m)328.01327.91327.821.3.1水文基本資料流域內(nèi)無(wú)水文觀測(cè)資料，取行洲站資料參證，行洲站資料的1981-2006年共26年系列，觀測(cè)精度可靠。茨坪氣象站位于行洲水文站控制流域的中心，兩者具有相關(guān)關(guān)系，取行洲水文站觀測(cè)系列年份對(duì)應(yīng)的資料相關(guān)分析結(jié)果如下：可用茨坪氣象站降雨資料延展流量系列，延展成果如下：年份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月19591.24 2.43 4.25 6.21 7.32 7.67 5.67 5.73 4.72 2.88 1.98 1.14 19601.14 2.22 3.89 5.68 6.70 7.02 5.19

4、5.24 4.32 2.64 1.82 1.04 19612.11 4.12 7.20 10.53 12.41 13.00 9.61 9.71 8.01 4.89 3.36 1.93 19621.39 2.72 4.75 6.95 8.20 8.58 6.35 6.41 5.29 3.23 2.22 1.27 19630.74 1.44 2.52 3.68 4.34 4.54 3.36 3.39 2.80 1.71 1.17 0.67 19641.36 2.66 4.65 6.80 8.02 8.40 6.22 6.28 5.18 3.16 2.17 1.25 19651.08 2.10 3.

5、68 5.38 6.34 6.64 4.91 4.96 4.09 2.50 1.72 0.98 19660.73 1.43 2.51 3.66 4.32 4.53 3.35 3.38 2.79 1.70 1.17 0.67 19670.74 1.45 2.54 3.71 4.37 4.58 3.39 3.42 2.82 1.72 1.18 0.68 19681.57 3.06 5.36 7.84 9.24 9.68 7.16 7.23 5.96 3.64 2.50 1.43 19691.16 2.26 3.96 5.79 6.82 7.15 5.29 5.34 4.40 2.69 1.85 1

6、.06 19701.84 3.59 6.29 9.19 10.84 11.35 8.39 8.48 6.99 4.27 2.93 1.68 19710.97 1.89 3.31 4.84 5.71 5.98 4.42 4.47 3.68 2.25 1.55 0.89 19720.72 1.68 1.01 7.32 7.19 3.70 2.05 6.80 4.15 2.80 2.80 2.05 19733.22 2.53 2.99 10.80 9.31 10.40 9.01 11.00 9.11 5.94 1.98 0.95 19740.84 1.90 1.32 1.59 2.82 9.50 6

7、.72 6.72 1.32 1.73 1.24 1.28 19751.75 2.88 6.98 5.72 13.30 8.50 4.74 7.68 7.28 9.11 4.62 1.70 19761.04 1.33 3.66 7.81 6.72 10.80 8.92 5.42 4.01 2.93 2.11 1.41 19772.02 1.86 1.46 4.61 11.90 14.60 8.06 5.91 3.08 2.44 0.97 0.78 19781.32 0.75 2.73 6.35 7.61 6.34 3.02 3.23 1.76 1.15 0.96 0.61 19790.81 1.

8、59 5.11 6.56 6.78 10.20 4.81 7.65 8.64 1.35 0.84 0.59 19800.65 2.41 2.58 8.11 7.81 4.05 6.86 5.24 5.46 1.56 0.93 0.74 19810.81 1.18 3.61 11.90 5.77 9.39 6.83 6.89 6.50 5.69 4.10 1.51 19820.89 3.83 4.92 5.16 4.86 10.90 4.61 9.66 4.81 2.77 4.09 2.39 19832.28 5.23 10.10 4.26 10.40 8.61 5.55 2.48 1.29 1

9、.89 1.04 0.73 19840.75 1.37 2.42 11.30 10.20 8.64 5.37 8.04 7.39 2.24 1.13 0.82 19850.85 5.87 4.42 4.78 3.68 4.90 3.37 7.14 5.97 1.54 0.91 0.79 19860.74 1.35 2.89 3.50 6.76 10.50 10.40 2.81 2.03 2.14 2.03 1.09 19870.75 0.86 3.45 6.92 6.53 3.38 4.97 4.37 2.54 8.16 4.51 2.11 19881.18 3.01 8.01 5.57 9.

10、70 4.96 2.11 2.51 3.71 1.24 0.81 0.58 19890.84 2.43 1.58 3.49 11.40 4.43 4.54 1.61 1.35 1.03 0.81 0.61 19901.76 2.67 6.45 8.33 3.84 7.20 8.49 7.95 7.33 3.20 4.26 1.47 19911.80 1.80 5.21 4.03 4.17 3.54 3.24 4.55 11.70 2.67 1.39 1.16 19921.74 6.21 10.50 7.93 7.70 8.09 8.93 3.11 4.05 0.83 0.83 0.98 199

11、31.11 1.72 3.85 3.19 5.75 9.37 4.59 7.68 2.45 2.26 2.10 1.14 19941.75 3.42 5.98 8.74 10.30 10.79 7.98 8.06 6.65 4.06 2.79 1.60 19951.24 2.42 4.24 6.19 7.30 7.65 5.66 5.71 4.71 2.88 1.98 1.13 19960.92 1.80 3.14 4.59 5.42 5.68 4.20 4.24 3.50 2.13 1.47 0.84 19970.02 0.05 0.08 0.12 0.14 0.15 0.11 0.11 0

12、.09 0.06 0.04 0.02 19981.87 3.65 6.38 9.33 11.01 11.53 8.53 8.61 7.10 4.34 2.98 1.71 19991.43 2.79 4.88 7.14 8.42 8.82 6.52 6.59 5.43 3.32 2.28 1.31 20001.31 2.55 4.47 6.53 7.70 8.06 5.96 6.02 4.97 3.03 2.08 1.20 20011.40 2.74 4.79 7.01 8.26 8.66 6.40 6.46 5.33 3.25 2.24 1.28 20022.21 4.31 7.54 11.0

13、2 13.00 13.61 10.07 10.17 8.38 5.12 3.52 2.02 20030.58 1.13 1.97 2.88 3.39 3.56 2.63 2.66 2.19 1.34 0.92 0.53 20041.33 2.60 4.55 6.66 7.85 8.23 6.08 6.14 5.07 3.09 2.13 1.22 20051.38 2.70 4.71 6.89 8.13 8.51 6.29 6.36 5.24 3.20 2.20 1.26 20061.44 2.82 4.93 7.21 8.50 8.91 6.59 6.65 5.49 3.35 2.30 1.3

14、2 1.3.2暴雨洪水特征根據(jù)井岡山氣象站1959-2006年觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，年最大一日暴雨出現(xiàn)在5-9月的機(jī)率占87%，出現(xiàn)在6-8月的機(jī)率占61%，超過(guò)60mm小于100mm的日暴雨在3-11月均有出現(xiàn)。觀測(cè)資料中，最大一日暴雨降雨194.2mm（1961年8月27日），最大三日暴雨降雨247.9mm（1991年9月6日-8日）。根據(jù)行洲水文站1981-2006年觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，年最大洪水多發(fā)于4-10月，其中5-9月發(fā)生的機(jī)率占85.7%，出現(xiàn)在6-8月的機(jī)率占52.4%，匯流速度較快，漲水歷時(shí)3-6h，退水歷時(shí)10-15h，一次洪水過(guò)程約17-20h。1.3.3歷史洪水經(jīng)走訪，當(dāng)?shù)卮迕裾J(rèn)為

15、的歷次較大洪水均為常規(guī)洪水，其重現(xiàn)期在20年以下。1.3.4設(shè)計(jì)洪水計(jì)算采用兩種方法，一是利用行洲站水文資料分析、推求，二是利用暴雨資料，用暴雨徑流方法推求。（一）利用行洲站水文資料分析、推求通過(guò)對(duì)行洲站歷年洪水資料分析計(jì)算，求得行洲站洪峰流量均值q均=169m3/s，cv=0.6，cs=3.5cv，行洲歷年洪峰流量統(tǒng)計(jì)表如下：年份洪峰流量年份洪峰流量年份洪峰流量備注1915573197812219861971915年、1960年為歷史調(diào)查洪水。196045919793371987108197298.51980108198814519731871981162198983.8197497.519

16、82107199015219751751983127199123219761491984370199214519772961985681993107對(duì)洪水資料分析計(jì)算后，可得到行洲站不同頻率洪水流量：p=2%，q洪=466m3/s；p=3.3%，q洪=415m3/s；p=5%，q洪=372m3/s。本樞紐工程壩址以上洪水流量用面積比的2/3次方換算，結(jié)果如下：p=2%，q洪=108m3/s；p=3.3%，q洪=96m3/s；p=5%，q洪=86m3/s。（二）暴雨徑流方法推求利用江西省暴雨洪水查算手冊(cè)等值線圖查得，流域內(nèi)最大24h暴雨均值100mm，cv=0.45，cs=3.5cv，不同頻率設(shè)

17、計(jì)暴雨量如下表：時(shí)段1h3h6h24h點(diǎn)雨量(mm)4375100cv0.450.450.45cs/cv3.53.53.5點(diǎn)暴雨(mm)p(%)293.7134.3168.5224.63.386123.9156203579.1112.8141.1188.1k值0.96620.96970.97260.9889面暴雨(mm)p(%)290.5130.2163.9223.23.383.1120.1151.7201.6576.4109.4137.5186.8根據(jù)江西省暴雨洪水查算手冊(cè)，本地區(qū)屬i區(qū)，流域最大蓄水量im=110mm，土壤前期影響雨量70mm，暴雨歷時(shí)分布情況按3h分布計(jì)算結(jié)果如下：時(shí)段1

18、2345678合計(jì)p=2%8.98.9017.833.7130.215.48.3223.2p=3.3%7.57.501531.6120.1137201.7p=5%7.47.4014.927.8109.412.96.9186.7利用江西省暴雨洪水查算手冊(cè)查算扣除滲漏后，可得設(shè)計(jì)凈雨量如下：時(shí)段12345678合計(jì)p=2%213.8121.89.92.8150.3p=3.3%0.511.2109.77.31.7130.4p=5%0.7997.67.71.8116.8按推理公式：計(jì)算出q-t曲線如下，其交點(diǎn)為設(shè)計(jì)暴雨流量。p=5%，q洪=78m3/sp=3.3%，q洪=90m3/sp=2%，q洪=1

19、09m3/s對(duì)兩種計(jì)算方法對(duì)比分析：p（%）23.35洪峰流量(m3/s)參證法1089686推理法1099078 兩種方法結(jié)果比較接近，考慮到行洲站水文資料有地域性，而江西省暴雨洪水查算手冊(cè)經(jīng)過(guò)綜合性定線，成果可靠，此次設(shè)計(jì)采用推理法求得的結(jié)果。1.4地質(zhì)勘測(cè)資料區(qū)域?qū)賱兾g中低山區(qū)，出露地層的主要有泥盆紀(jì)上統(tǒng)余田組（d3s）及第四系松散堆積層（q4），沖積層主要為含砂粘土及砂礫，厚度不大。根據(jù)中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（gb18306-2001），本地區(qū)震動(dòng)峰值加速度小于0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜周期為0.35s，穩(wěn)定性較好。壩址位于河道高程326.3米處，可利用基巖層高程為324.1米，壩與基巖之

20、間摩擦系數(shù)為0.7，基巖允許抗壓強(qiáng)度為6.3mpa ,壩基滲透系數(shù)（揚(yáng)壓力折減系數(shù)或剩余水頭系數(shù)）1、2可分別取0.25，0.34。1.5其它說(shuō)明項(xiàng)目區(qū)砂、石材料豐富，但含泥量較高，須從泰和購(gòu)入。施工現(xiàn)場(chǎng)交通方便，施工用電已到位。本工程完工后無(wú)車、人通行要求。2工程設(shè)計(jì)2.1綜合說(shuō)明2.1.1工程等級(jí)根據(jù)工程規(guī)模、效益，本工程為iv等，主要建筑物為4級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)p=5%，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)p=2%；次要建筑物為5級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)p=10%，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)p=3.33%。2.1.2工程布置本工程主要由攔河壩、引水閘、排砂閘、引水干渠組成。攔河壩：為砼重力壩，斷面采用wes實(shí)用堰，全壩段溢流，長(zhǎng)45米

21、，壩高2.5米。引水閘：位于左壩肩，孔寬1.5米，高2米。排砂閘：位于距左壩肩4米處，孔寬2米，高4米。引水干渠：位于引水閘后部，矩形斷面，寬1.2米，高0.9米。2.2壩址、壩型選擇壩址處河道穩(wěn)定，河床寬度較小，地質(zhì)條件較，交通方便，結(jié)合灌溉要求，選擇紅軍鄉(xiāng)紅軍村河道為壩址最適合。相比漿砌石重力壩，砼重力壩可采用機(jī)械施工，進(jìn)度較快，施工地點(diǎn)交通方便，最適宜采用砼重力壩。2.3重力壩設(shè)計(jì)2.3.1斷面確定根據(jù)灌溉水位、河床高程、洪峰流量、河堤高度、上下游水位要求等因素，確定攔河壩河床以上高度2.5米，壩頂高程為328.8米，上游采用三圓弧曲線，下游采用wes曲線實(shí)用堰斷面，定型設(shè)計(jì)水頭取可能的

22、堰上最大水頭hd的80%為1.5米。三圓弧特征值：r1=0.5hd，x1=0.175hdr2=0.2hd，x2=0.276hdr3=0.04hd，x3=0.282hdwes曲線方程：x1.85=2*hd0.85*y下游反弧段：壩下游坡采用1:0.7，反弧半徑按底流消能反弧計(jì)算：r=10nn=(3.28v+21h+16)/(11.8h+61)其中：r為下游反弧半徑，v為壩址處的流速，h為不計(jì)行進(jìn)流速的堰上水頭，取最不利運(yùn)行工況。經(jīng)計(jì)算，反弧段半徑為1.04m，設(shè)計(jì)取值為1m。壩體基本斷面圖確定如下：2.3.2消能防沖設(shè)計(jì)根據(jù)地質(zhì)情況和上、下游水位關(guān)系，宜選用底流消能。消能防沖按兩種工況設(shè)計(jì)，第一

23、種為設(shè)計(jì)洪水，為淹沒(méi)溢流；另一種為實(shí)用堰自由出流。淹沒(méi)溢沒(méi)情況下設(shè)計(jì)成果較自由溢流小，因此按自由溢流設(shè)計(jì)。分別取p=5%、p=3.3%、p=2%時(shí)的工況進(jìn)行計(jì)算：收縮水深hc、臨界水深hk利用以下參數(shù)查水利計(jì)算手冊(cè)圖表求解：e0：上游總能頭，e+v2/(2g)；q收縮斷面處單寬流量；g：重力加速度；：流速系數(shù)，取0.9。躍后水深hc”利用公式hc”=hc/2*(1+8*fr2)0.5-1)0.5計(jì)算，其中fr=q/(hc*(g*hc)0.5)。根據(jù)躍后水深和下游水位的關(guān)系確定是否建消力池，計(jì)算結(jié)果如下：頻率p=5%p=3.3%p=2%流量q(m3/s)7890109堰上水頭h(m)0.850.

24、931.06下游水深ht(m)0.70.740.85堰上總能頭e03.523.63.73臨界水深hk(m)0.670.740.84e0/hk5.34.94.40.90.90.9hc/hk0.280.450.37收縮水深hc(m)0.190.330.31fr6.693.374.48躍后水深hc(m)1.711.421.82可見(jiàn)，壩下游水流形態(tài)為遠(yuǎn)離水躍，須建消力池。偏安全值考慮，設(shè)計(jì)工況采用p=2%時(shí)狀態(tài)，采用底流消能，為深挖式消力池。消力池深z：（1）設(shè)=1，池深=1.2米（2）安全校驗(yàn)堰頂?shù)匠氐卓偰茴^e0=s0+e0=3.73+1.12=4.85e0/hk=4.85/0.84=5.77，按=

25、0.9查水力計(jì)算手冊(cè)，消力池內(nèi)后后水深hc0/hk=0.34，hc0=0.32*0.84=0.29根據(jù)安全系數(shù)=(s0+ht)/hc0+q2/(2ghc0)*1/(ht)2-1/(hc0)2公式計(jì)算出數(shù)值在（1.0，1.1）之間即可選擇設(shè)定的池深。式中：s0：池深；ht：下游水深；hc0：以池底計(jì)算的躍后水深；：流量系數(shù)，取0.9；q：?jiǎn)螌捔髁?。?jīng)計(jì)算=1.04，在（1.0，1.1）區(qū)間內(nèi)，池深定為1.2米。消力池長(zhǎng)lj：lj=6.9(hc”-hc)=10.42米。2.3.3進(jìn)水口設(shè)計(jì)進(jìn)水口設(shè)在左壩肩，寬1.5米，高2米，為矩形斷面。（1）引水流量灌區(qū)為中型灌區(qū)，干渠取水流量可根據(jù)灌溉模數(shù)、灌

26、溉面積確定，紅軍灌區(qū)引水干渠長(zhǎng)4.425km，坡降0.5%，渠道多數(shù)未襯砌，水利用系數(shù)取0.78，渠道糙率取0.027，渠道斷面為矩形，寬1.5米，高1.5米，設(shè)計(jì)灌溉流量0.56m3/s。壩址處流量可參照行洲水文站歷年平均月流量進(jìn)行計(jì)算。（2）進(jìn)水口底板高程進(jìn)水口有一座平板鋼閘門(mén)，進(jìn)水口水位由水閘控制，閘室底板為寬頂堰，水流形態(tài)為淹沒(méi)出流，底板高程為328.4米，年均最大用水月份取水量如下表：4月 5月 6月 7月 8月 9月 流量（m3/s）1.48 1.74 1.83 1.35 1.36 1.12 可供水量(萬(wàn)m3)383.20 466.99 473.40 361.73 365.32 2

27、91.55 引水流量（m3/s）0.52 0.54 0.56 0.50 0.52 0.49 引水量(萬(wàn)m3)135.57 145.24 145.61 134.99 140.09 125.77 下泄水量(萬(wàn)m3)247.64 321.75 327.79 226.74 225.23 165.78 2.3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）攔河壩抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算抗滑穩(wěn)定系數(shù)按公式ks=f(w)/ p計(jì)算；上游邊緣正應(yīng)力按公式gu=(w/b)+(6m/b2)計(jì)算；上游邊緣正應(yīng)力按公式gd=(w/b)-(6m/b2)計(jì)算。f壩體和基礎(chǔ)的摩擦系數(shù)，取0.45；w總鉛直力；p總水平力；b壩底寬度；m對(duì)壩截面形心的總力矩。（

28、2）設(shè)計(jì)情況上游水深3.35米，下游水深1.9米，沖積層厚度2.2米。w=518.06kn；p=53.94kn；ks=4.32；1.05滿足穩(wěn)定要求。gu=25.24 kn/m；0滿足強(qiáng)度要求。gd=156.86kn/m；1.05滿足穩(wěn)定要求。gu=30.45 kn/m；0滿足強(qiáng)度要求。gd=152.43 kn/m；4.3*103 kn/m滿足強(qiáng)度要求。設(shè)計(jì)情況應(yīng)力計(jì)算表荷載作用及分項(xiàng)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值（kn）設(shè)計(jì)值（kn）力臂（m）力矩標(biāo)準(zhǔn)值（kn.m）力矩設(shè)計(jì)值（kn.m）垂直力水平力垂直力水平力-+-+-+-+-+-壩體自重15125120.9-460.8-460.8水平水壓1.2-17.695

29、4.99-21.22865.984.04150.69180.83垂直水壓124.9424.941.99-49.63-49.63泥沙壓力16.029.186.029.181.64-15.06-15.06揚(yáng)壓力1.2-20.75-24.90.42-7.82-10.46小計(jì)-18.62-20.75542.96-17.6964.17-24.9542.96-21.2275.168150.69-533.31180.83總計(jì)522.2146.48518.0653.94-382.62-355.12校核情況應(yīng)力計(jì)算表荷載作用及分項(xiàng)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值（kn）設(shè)計(jì)值（kn）力臂（m）力矩標(biāo)準(zhǔn)值（kn.m）力矩設(shè)計(jì)值（kn.

30、m）垂直力水平力垂直力水平力-+-+-+-+-+-壩體自重15125120.9-460.8-460.8水平水壓1.2-18.4462.45-22.12874.944.04177.8213.36垂直水壓128.0328.031.99-49.63-55.78泥沙壓力16.029.186.029.181.64-15.06-15.06揚(yáng)壓力1.2-21.47-25.760.42-7.82-10.82小計(jì)-18.62-21.47546.05-18.4471.63-25.76546.05-22.1284.12177.8-533.31213.36總計(jì)524.5853.19520.2961.99-355.51-329.12.3.5排砂閘設(shè)計(jì)由于紅軍河為山間河流，洪水陡漲陡落，水流挾砂量大，容易發(fā)生壩前淤積，久而久之引水干渠也會(huì)因泥砂淤積而減少過(guò)水能力，造成工程效益下降，幫在左壩肩設(shè)置一道閘門(mén)，采用2米x2米平板鋼閘門(mén)，5噸螺桿啟閉機(jī)，閘孔寬2米，閘墩凈高4米。（1）閘室穩(wěn)定性和應(yīng)力計(jì)算計(jì)算方法同壩體穩(wěn)定和應(yīng)力計(jì)算?？够€(wěn)定系數(shù)：按公式ks=f(w)/ p計(jì)算；上游邊緣正應(yīng)力：按公式gu=(w/b)+(6m/b2)計(jì)算；上游邊緣正應(yīng)力：按公式gd=(w/b)-(6m/b2)計(jì)算。f閘室和基礎(chǔ)的摩擦系數(shù)，取0.45；wz總鉛直力；pz總水平力；bz閘基礎(chǔ)底寬度；mz對(duì)