1、东沈家庄西北山水库设计高新区鹏泉街道办事处东沈家庄西北山水库设计说明 莱芜高新区鹏泉街道办事处 二0一二年三月二十日一、 基本情况1、工程特性东沈家庄西北山水库位于高新区鹏泉街道办事处东沈家庄村西北山沟内，该处原有塘坝一座，建于1968年10月，由于当初施工条件有限，坝基渗漏严重，工程效益一直未得到发挥。为了使该水利工程充分发挥效益，经现场勘测，决定在原坝址下游50米处新建东沈家庄西北山水库，控制流域面积0.67平方公里，总库容15.44万立方米，其中兴利库容10.43万立米，工程特性指标见下表。设计指标表项目单位指标项目单位指标控制流域面积平方公里0.67总库容万立方15.44多年平均径流万
2、立方17.09灌溉面积亩850河底高程米18.87（假设）坝顶高程米32.00死水位米21.00最大坝高米13.13死库容万立方1.17溢洪道堰顶高程米29.50兴利库容万立方8.43溢洪道堰顶宽米10.0防洪库容万立方4.44防洪最大泻量米/秒5.30放水洞进口高程米22.00校核最大泻量米/秒24.5放水洞孔径米0.3保坝最大泻量米/秒42.22、地形地貌该水库位于东沈家庄村西北山沟内，地面坡度多在30度以下，沟谷“V”字型冲沟发育，呈扇形分布。库区内地形较为开阔，坝址在沟下游，坝轴较短，口小肚大，库区内为完整的花岗岩体，覆盖层较薄，两岸阶地，西坡较缓，土石交替，透水性微弱，东坡地势陡峻，
3、岩石裸露。地下水资源缺乏。同时由于受地形、地貌、自然气候和人为活动的影响，沿沟植被资源覆盖率极低，保水保土能力差。3、工程地质该流域为砂石山区，地层出露为元古代前震旦纪泰山群变质岩，沟底为第四纪沉积松散物。大坝工程地质评价：坝址处为砂砾覆盖，厚度1-2m，两岸沟坡风化层，厚度1-2m，沟底覆盖以下及沟两岸边坡风化层以下均为完整坚硬岩石，弱透水性，可作为大坝基础。库区内没有断层通过，也无其他不利地质构造，渗水能力极微弱，岸坡稳定，不存在塌岸、滑坡等地质灾害。4、水文气象该流域属暖温带半湿润季风性气候，四季分明，温差变化大。据莱芜气象站19751997年观测资料统计，多年平均气温12.6，极端最高
4、气温39.2，极端最低气温-22.5；根据莱芜水文站19581997年降雨资料统计，该区域内多年平均降水量为717mm，但四季雨量分配极不均匀，冬季受大陆西风控制，干冷少雨，夏季受东南季风影响，暖湿多雨。六月下旬至九月上旬为雨季，汛期多年平均降水量为520mm，占全年降水量的72.5，七月份最高为212.7mm，极端最大年降水量为1370.8mm(1964年)，极端最小年降水量为291mm(1989年)。 该区年平均蒸发量1681mm，六月份最大，为360mm；年均相对湿度63，最高年份70，年均绝对湿度11.4。受太平洋季风气候影响，全年主导风向为东北风，夏季主导风向为西南风，最大风速27.
5、3ms，平均风速24ms，瞬时最大风速40ms。暴雨是造成本流域洪水的主要原因，形成流域内暴雨的天气系统，主要有黄淮气旋、台风、南北切变、冷峰等。区内长历时降水多由维系时间较长的切变线或低压气旋连续发生造成，受台风天气影响，有时亦可能造成较大暴雨，但维持时间一般较短。区内年平均地表迳流量为17.09万立方米左右，水资源利用程度低，兴利除害效益得不到充分发挥。二、工程建设的必要性该水库地理位置相当重要，可削减洪峰流量，减少下游河道的洪峰流量，提高其防洪标准，保护东沈家庄、北张家庄等村2400多人的生命财产安全。根据当地水文资料，由水文图籍查得当地多年平均降雨量为720毫米，多年平均径流深等值线图
6、得多年平均径流深197毫米，则多年平均径流量为17.09万方，设计东沈家庄西北山水库库容为15.44万m3，有效解决周围650亩山岭地经济林及周围200耕地的灌溉用水，为该村进一步进行农业结构调整、发展生态旅游业打好基础。二、 设计依据和标准（一）条件依据1、 流域内筑坝材料丰富，可就地取材。2、 减轻下游淤积和防洪压力。（二）技术要求1、工程等级划分工程类别：小型工程等别：五等主要建筑物级别：5级次要建筑物级别：5级2、洪水标准东沈家庄西北山水库按20年一遇洪水标准设计，200年一遇洪水标准校核，设计淤积年限为25年。3、 筑坝材料(1)粘土心墙：土料必须有一定的可塑性，经碾压后结成整体 ，
7、能适应坝体和坝基沉降而不发生裂缝。当地塑性指数为10-17的中壤及塑性指数为17-20的粘土都比较合适。（2）大坝铺盖层：凡粒径级配好的中沙、粗沙、砾石、卵石等天然混合料都适宜于填筑坝壳。当地这种材料丰富，可就地取材。4、规划依据水利水电工程设计洪水计算规范（SL44-93）水建筑物荷载设计规范（DL5077-1997）防洪标准（GB50201-94）山东省水文图集其他有关的设计规范三、坝址确定与坝型选择 1、坝址确定 通过实地勘察，在原塘坝坝址下游50米处，上游无建筑物，有生产路直接可以通到坝址处，河道内长年有水，施工取水方便。该坝址处基础与两岸岩石较为完整，岩石为花岗片麻岩，弱风化，少有裂
8、隙发育，渗水能力极微弱，且地势高，最理想的坝址。2、坝型选择该坝址处，土料资源丰富，基础良好，适宜建粘土心墙均质坝。四、调洪演算该水库为小（二）型水库，其坝型为粘土心墙砂壳坝，故按20年一遇最大24小时降雨量进行设计， 200年一遇最大24小时降雨量进行校核，其方法步骤如下： 1、流域综合特征参数计算 采用公式K=L/F2/5J1/3 式中： F=流域面积，由万分之一地形图量得F=0.67Km2 I=流域最大流程,由万分之一地形图量得L=670m. J=河道干流平均坡降，采用加权平均法计算：J=0.045所以,流域综合特征参数：K=L/K2/5J1/3=0.67/0.672/50.0451/3
9、=0.225 2、设计暴雨量的计算： 按20年一遇最大24小时降雨量设计，200年一遇最大24小时降雨量进行校核，根据工程所在地点，查辅助计算图得： 多年平均最大24小时降雨量：H24=100mm 多年平均最大24小时降雨量变差系数：CV=0.6,采用CS=3.5CV,由皮尔逊III型频率曲线KP值表查得：K（1/20）=2.2 K(1/200)=3.62 则20年一遇最大24小时降雨量: H24（1/20）=K（1/20）H24=2.2100=220mm 200年一遇最大24小时降雨量: H24（1/200）=K（1/200）H24=3.62100=362mm3、单位面积最大洪峰流量的查算根
10、据实地情况，河道比降为20.2，大于10，砂石裸露，土壤瘠薄，定为山区。据已算的相应频率暴雨及综合流域参数，查太沂山南山区: qmH24K关系曲线得： qm（1/20）=24.5秒立方/KM2； qm（1/200）=42.2秒立方/KM2； 4、最大洪峰流量的计算：（面积小于1平方公里时加大10%） Qm（1/20）=qm（1/20）F1.1=9.98m3/s Qm（1/200）=qm（1/200）F1.1=17.17m3/s 5、洪水总量的计算： 20年一遇最大24小时降雨量H24（1/20）=220mm 200年一遇最大24小时降雨量H24（1/200）=362mmP（1/20） = H2
11、4（1/20）75%=22075%=165mmP（1/200） = H24（1/200）75%=36275%=272mm 前期影响雨量:Pa=40mm P（1/20）+Pa=165+40=205 mm P（1/200）+Pa=272+40=312 mm 查山东省暴雨径流关系表得： hR（1/20）=127mm hR（1/200）=230mm 所以，洪水总量：（面积小于1平方公里时加大10%） W（1/20）=0.1hR（1/20）F1.1=5.17万m3 W(1/200)=0.1 hR（1/200）F1.1=9.36万m36、洪水历时T的计算洪水过程为三角形，底边为T,其最大洪峰出现在T/3时
12、，则其洪水历时为：T（1/20）= W（1/20）/（1800Qm（1/20）=51700/（18009.98）= 2.88 小时T（1/200）= W（1/200）/（1800Qm（1/200）=93600/（180017.17）= 3.03 小时7、调洪演算由上述所得数值及水位库容泄量关系进行调洪演算。调洪演算采用单峰图解法。泄量公式采用：q=1.5BH3/2公式，堰顶宽为10.0米。溢洪道堰上水位库容泄量关系表水位（m）29.530.030.531.031.532.0水深（m ）00.51.01.52.02.5库容（万立米）11.011.7212.5813.3014.2215.44堰上库
13、容（万立米）00.721.582.303.224.44泄量（m3/s）05.3015.027.5642.4359.29调洪演算成果表项目Qm（m3/s）W（万立米）T（小时q（m3/s）W（万立米）溢洪水深（m）相应水位（m）波浪爬高(m)安全加高（m）核算坝顶高程（m）设计(1/20)9.985.172.8824.50.721.531.00.4420.531.94校核(1/200)17.179.363.0342.22.922.031.50.2750.332.075注：溢洪道底高程29.5m8、坝顶高程核算安全超高按公式d=hB+a+e计算式中 hB波浪爬高 e壅水高度，忽略不计a安全加高 a
14、设=0.5米 a校=0.4米设计波浪爬高按规范A.1.12条，当上游坝坡为单坡且m=1.5-5时，平均爬高hB按公式hB=3.2K(2h)tg式中：K=0.77 tg-迎水面坡度，2h-波浪高。2h0.0208V5/4D1/3式中：V风速，根据莱芜气象资料，多年平均最大风速V=13.43m/s，则V设计13.431.520.15m/s,V校核13.43m/s。D-水面吹程，单位为km（4）计算结果根据上述公式计算胜龙水库，水库内坡tg=1:2.0,吹程D=0.2km。2h设计0.020820.155/40.21/30.5m2h校核0.020813.435/40.21/30.17mhB设计=3.
15、20.770.51/2.00.69mhB校核=3.20.770.171/2.00.12m所以d= hB+a d设=1.19米 d校=0.52米则设计坝顶高程为H设=31+1.19=32.19m校核坝顶高程为H校=31.5+0.52=32.02m为方便施工取坝顶高程32.00m五、水面积、库容计算在实测的千分之一地形图上量得各等高线上的面积，然后计算库容，经计算该设计坝址以上最大库容为15.44万立方米。水位库容曲线水位水面积（万m2）相应库容（万m3）19.00.090.13521.00.391.1722.00.722.5224.01.023.7426.0 1.346.728.01.537.6
16、529.01.61 9.630 1.6611.72311.7813.30321.8615.44六、特征库容的确定 1、死库容的确定该坝址处输沙模数为250吨/平方公里年，由万分之一地形图量得：工程流域面积为0.67平方公里，年输沙量为2501.50.67=111.7方，按淤积年限20年计算，V死=111.720=2233.3方，死水位定为21.0米, 则死库容为1.17万方。2、兴利库容确定该工程以流域面积内来水量确兴利库容。该水库流域面积F=0.67平方公里，查山东省水文图集多年平均径流深等值线图得：多年平均径流深hR=255毫米，由此算得该流域多年平均来水量：W=0.1hRF=0.1255
17、0.67=17.09(万方)拟定兴利水位29.0米, 相应库容8.43万方。3、防洪库容：由调洪演算计算，经计算水库的防洪库容为4.44万m3。总库容=死库容+兴利库容+防洪库容=1.17+8.43+4.44=15.44万m3查水位库容曲线，死水位21.00m，兴利水位29.00m，防洪水位31.5m，安全超高0.5m。坝项高程32.00m，最大坝高13.13m，死库容1.17万m3，兴利库容8.43万m3，防洪库容4.44万m3，总库容15.44万m3。七、工程设计（一）坝体设计此水库坝身为粘土心墙砂壳坝，坝长123米，封顶宽4.0米，大坝内外坡度比为1：2.0，最大坝高为13.13米，最大
18、铺底宽56.52米，其中粘土心墙坡度比为1:0.5，封顶宽3.0米。设计坝顶高程为32.00米（BM点假设高程为20.00米）。经计算，大坝坝身共需土方20150.9m3，其中粘土心墙6303.7m3，护坡块石452.4 m3，碎石垫层226.2m3，棱体排水（长19.0米）干砌石62.5m3。1、坝顶：根据当地水文地质资料及流域控制面积，设计坝顶宽4.0米；坝顶护面材料采用级配碎石，以防止防渗体的干裂和雨水冲蚀，为排除雨水，坝顶向坝内倾斜，坡度为3%。2、护坡：坝体上游面（内坡）为防止波浪淘涮及漂浮物的损害、顺坝水流的冲刷等对坝坡的危害，必须进行护坡。本坝设计内坡进行干砌石护坡，其中干砌石护
19、坡厚度为30cm，碎石垫层厚15cm。外坡利用草皮护坡。3、坝顶路面：用150mm厚泥灰结石路面，下设100mm厚碎石垫层，路面横坡坡比2%。（二）坝基筑坝前要完全清除表层的腐殖土，包括较薄的细砂层、稀泥、草皮及树根、乱石和松动的岩块等，平均深度为0.3米，则坝基清除土石方1657.13m3；同时开挖槽深至不透水层或基岩，槽内回填粘土（或灰土）形成截水槽，平均深度均为2.0米，则截水槽开挖土石方1764m3，截水槽回填粘土1644 m3、灰土120m3。（三）溢洪道设在大坝东端距坝体5米处，基础为风化砂基岩，型式为开敞式，堰顶高程为29.5米，堰顶宽10.0米。保坝最大溢洪水深2.0米，高程3
20、2.0米以下为矩形槽，以上为1：0.5边坡，矩形槽块石浆砌，墙厚30 cm，铺底厚25 cm，长10米，堰长30米，陡坡段为自然山沟，砂岩裸露不用护砌，共需开挖土石方450方，砌石27m3。（四）放水洞放水涵管为300钢管，预埋在坝右侧，进口高程为22.00m，距坝底3.83m，坡降1%，在坝外放水涵管末端采用300闸阀控制。放水管水力计算：按管嘴出流公式Q=VcW（2gH）1/2计算，式中Vc= 0.8 w=r2=3.140.12=0.0314（m2）Q=0.80.031429.8 H1/2=0.083H1/2（m3/s）放水洞流量与水位关系表水位（m）22.023242526272829水
21、深（m）01234567流量（m3/s）00.0830.1170.1440.1660.1860.2030.219（五）灌溉渠道灌溉渠道布置于大坝右侧灌溉涵管（桩号0+000）起往西至狄家林地（桩号0+210.8），然后折向西南至薄岭，全长900m。灌溉涵管出水口设有消力池，灌溉渠道横断面形式采用窄深式矩形断面，渠道边墙采用M7.5浆砌石结构，灌溉渠设计灌溉流量为0.21m3/s，渠道进口设置闸门，闸门孔口尺寸为300mm，以便控制渠道灌溉流量；至田间农渠，进行农田灌溉。本次工程设计计算包括渠道的流量推算、渠道过水断面的计算、校核渠道流速的计算、渠道挡土墙的稳定计算及管道水力计算。(1) 设计渠
22、道流量的推算本灌区200亩耕地面积主要是粮田和菜地，查山东省灌溉定额，莱芜地区灌溉保证率90，净定额为340m3/亩，渠系水利用系数采用0.5，根据当地农民的灌溉习惯，主要用水季节为春季，为将水迅速引至农田，灌溉渠道设计流量推算为：Q渠0.25m3/s。 (2) 渠道过水断面的计算计算依据：工程等级：等小（2）型渠道类型: 清水渠道水流运动状态：均匀流渠道横断面形式：矩形断面计算谢才系数公式采用曼宁公式灌溉面积：200亩灌溉渠道总长： L=900m设计流量：Q设=0.25m3/s渠道比降： i=1/500浆砌石护面糙率： n=0.025堤顶超高：0.2m边坡系数： m=0计算公式：初选b0.5
23、m，列表作试算采用明渠均匀公式计算断面面积：湿周：水力半径：谢才系数： 渠道过水断面计算表 底 宽b(m)水深h设(m)面 积A（m2）湿 周x(m)水力半径R（m）谢才系数C（m1/2/s）设计流量Q（m3/s）0.50.60.31.70.17629.940.16850.60.80.482.20.21831.020.3109最后选取b=0.6m，h设=0.8m，故流量为Q=0.3109 m3/s而灌溉渠设计流量为0.25m3/s，小于渠道实际通过的流量，因此该渠道满足设计要求。(3) 校核渠道流速的计算渠道的平均流速按谢才公式计算根据水工设计手册计算渠道流速公式： 渠道流速为：1.19 (m
24、/s)砼衬砌的允许不冲流速V0=8m/s。假定的渠道断面要素，满足过流要求。七、施工组织设计1、施工测量：（1）根据设计图纸要求用经纬仪放样确定坝轴线，以此为基准确定坡顶线和坡脚线，并作好埋设固定。（2）用平水仪由有关基准点引测各控制高程，稳固标注。（3）以一定的控制距，按标准断面的设计坡度放样施工坡度，并用木桩测设控制，以便施工复核。2、坝基清理：（1）坝基清理的范围包括坝身、坝顶及坝坡后载的基面，其边界在设计基面线外0.30.5m。（2）坝坡表层的淤泥、腐殖土、泥炭等不合格土及草皮、树根、建筑垃圾等杂物必须清除干净。（3）基面处理质量控制：基面处理属于隐蔽工程，施工时安排专职质检人员现场监
25、理，并按设计要求落实好不同的基面处理措施，按相应的技术标准，作各项质量检测，以保证工程施工质量。（4）坝基清理的施工工艺流程图：3、坝身土料填筑： 3.1.测量放样 (1)、按照设计图纸的要求，将坝体的断面尺寸、填筑轮廓，并预留一定的沉降量，相隔5-10m的距离设立样架，并测设高程控制点。平面位置允许偏差 30mm-50mm，高程允许偏差 30mm，坝轴线点30mm。( 2) 坝身放样时，应根据设计要求预留一定的沉降量，一般按经验取值。施工中可根据已知预留沉降率及坝顶加宽率，一般根据土质、压方式、铺土厚度以及含水量等因素确定，可参考工程经验取值：实施坝坡率参考值土壤类别坝高（m）（%） 沙质土
26、壤各种高度3粘质土壤 833.2.铺料作业： ( 1)、坝身填筑时，应从坝脚开始水平分层由低至高逐层填筑，不得顺坡铺填。（2）、铺料厚度和土块直径的限制尺寸，宜通过碾压试验确定，在缺乏试验资料时可参照下表规定取值： 铺料厚度和土块直径限制尺寸表压实功能类型压实机具种类铺料厚度 （cm）土块限制直径（cm）轻型人工量、机械量1520 55T10T平碾2025 8中型12T15T平碾斗容 2.5m3铲运机5T8T振动碾2530 10重型斗容大于 7m3铲运机10T16T振动碾加载气胎碾305015（3）、铺料至坝边时，应在设计边线外侧各超填一定余量；人工辅料为10 cm，机械辅料为30 cm。 （
27、4）、已铺土料表面在压实前被晒干时，应洒水湿润。在新层铺料前，应对压光层面作刨毛处理。填筑层检验合格后因故未继续施工，因搁置较久或经过雨淋干湿交替使表面产生疏松层时，复工前应进行复压处理。 3.3压实作业：（1）施工前应先做碾压试验，验证碾压质量能否达到设计干密度值，上坝土料的土质及其含水率应符合设计和碾压试验确定的要求。填筑作业面平料完成后，振动碾采用进退错距法进行碾压。碾压机械平行于坝轴线方向进行碾压，不得垂直坝轴线方向碾压。相邻作业面碾压搭接宽度在顺碾压方向上为0.5米，垂直碾压方向上为1.5米。碾压时碾压机行车速度控制在1-2档车速。碾压不到的部位，利用蛙式打夯机采用连环套打法夯实。各
28、施工段的相邻作业面均衡上升，以减少施工缝。土料压实后，根据规范规定的检测频率，采用环刀法进行压实度的检测，并报请监理工程师监督检测部位、检测过程及成果计算，合格后方可进行下一步填筑作业。（2）、调整土料含水量a、降低含水量挖装运卸过程中自然蒸发：当土料含水量稍高于施工控制含水量，又有合适的气候条件时，应尽量在土料开挖、运输及装卸过程中采用平面分层取土、适当提高卸土高度加快水分蒸发，降低土料含水量。翻晒法：采用翻晒法时，做好全面规划，分区分层翻晒、取土，以做到连续均衡生产。开采土料时，采用推土机平面开采。在利用旱季或高温季翻晒以备雨季使用时，采用堆“土牛”的备料措施。“土牛”的形状尺寸符合受雨面积与土方之比最小，排水通畅，并做好防雨措施。施工期间应经常检查，作业时用挖掘机立面开采。b、提高含水量：开采土料含水量仅稍高于施工控制含水量下限时，首先应在开挖、运输过程中采取立面开挖，减少倒运次数，缩短取土、运输、铺筑时间。如采取上述措施后，土料压实前含水量低于施工控制含水量下限时，应采用加水措施。加水措施采用开挖、装料、运输过程中加水，在料场开挖掌子面喷水，这样既增加了土料的含水量又缩短了土料加水工期。（3）土坝填筑压实作业施工工艺流程： 4、干砌石护坡：（1）坡面清理：采用人工精确削坡至设计土坝边坡线，人工开挖脚槽土方，并清除坡面杂物。（2）反滤层铺筑：采用人工由下至上铺筑，振动
