浅析小流域沟道治理中的滚水坝设计

赵海仙

摘要：滚水坝为小流域综合治理常见的小型沟道治理工程，为拦蓄沟道来水用于坡面林草、耕地的浇灌和牛羊的饮用，在主沟道修建的蓄水工程，以和顺县石板沟滚水坝为例进行设计。

关键词：滚水坝；小流域；沟道治理

1、工程概况

本工程滚水坝位于回黄流域石板沟村东主沟道，沟道底宽为20.m，坝址处河床为砂砾土，沟道右侧岸坡为砂砾土，左侧岸坡为岩石。地理位置为东经：113°33′46″，北纬：37°28′44″。

2、设计依据及技术规范

1）现场勘测及测量有关数据

2）《水土保持工程设计规范》（GB51018-2014）

3）《山西省水文计算手册》

4）《山西省淤地坝工程技术规范》

5）《水力计算手册》

6）《水土保持综合治理技术规范小型蓄排引水工程》

3、设计标准

根据实际地形及《水土保持工程设计规范》，该滚水坝工程级别为2级，设计防洪标准为5年一遇设计。

4、水文计算

由于流域无实测资料，采用设计暴雨推求设计洪水，本节计算参数全部按照《山西省淤地坝工程技术规范》进行。

1）设计暴雨量的计算

采用公式：H24P＝KP×24

式中：H24P──频率为P的24小时暴雨量（mm）；

KP──频率为P的皮Ⅲ型曲线模比系数；

24──最大24小时暴雨均值（mm）。

查《山西省水文计算手册》得：24.＝59.5mm，Cv＝0.50，K20%＝1.326；则：

H24，20%＝1.326×59.5＝78.90（mm）

2）设计洪峰流量的计算

采用公式：QP＝C1×H24P×F2/3

式中：QP──频率为P的洪峰流量（m3/s）

C1──洪峰地理参数

F──坝控制面积（km2），F1＝9.29km2

查《规范》表3—1得：C1＝0.17，则：

Q1.20%＝0.17×78.9×9.292/3＝59.27（m3/s）

3）坝高库容关系

坝高库容从1∶10000地形图量取，先求出每根等高线的水面面积，乘5m层间高，得层间库容、累计总库容，见坝高～库容～面积计算表（表1）。

表1滚水坝坝高库容计算表

5、结构总体设计

石板沟滚水坝分溢流段和非溢流段，溢流段布置在河槽的中间。拟定坝顶宽2.0m，坝体上游面为直立面，下游坡比1：0.75，坝体采用浆砌石砌筑，右侧坝肩深入墙体1.0m，左侧坝肩深入墙体0.5m。下游河床为砂砾土，不考虑消能，只是本滚水坝下游右侧河床需淸淤（见图1）。

1）溢流段设计

石板沟滚水坝沟道基流量0.001m3/s；受益区面积约92.36hm2，其中乔木林73.99hm2，经济林18.37hm2（沟台地间作）。参照农业不同作物丰产经济和农田灌溉试验成果，一个灌溉周期内受益区林地的需水量1349m3。考虑牛羊饮水和项目区上游产业调整（蔬菜大棚的需水），据本滚水坝坝高～库容计算表，确定滚水坝溢流坝高度为2.5m。

图1滚水坝平面布置图

溢流段位于浆砌石坝的中间部位，横断面为非真空溢流圆角梯形剖面的形式，溢流坝段长20.0m，高度为2.5m，取溢流段顶宽2.0m，剖面尺寸采用下式确定：

因溢流坝为单孔堰，侧收缩边数N=2，溢流宽度b=20.0米。按圆形墩头由圆形墩头收缩系数表查得墩形收缩系数k=0.015，则侧收缩系数

表4溢流段设计水头成果汇总表

3）溢流坝侧墙高度设计

溢流段水面曲线采用下式计算：

式中：h——溢流坝面各处水深（m）；

q——单宽流量（m3/s/m）；

H——从上游最高水位至坝面该点的距离（m）；

V——对应坝面各点的流速（m/s）。

溢流坝侧墙由水深加安全超高确定，安全超高为0.3m～0.5m。计算结果见表5。

表5溢流段水面曲线计算表

溢流段下游侧墙高取0.8m。

详见图2。

图2滚水坝结构

4）墙体稳定分析计算

非溢流坝坝高4.625m，基础深1.1m，上游水深3.75m，下游河槽水深0.33m，采用浆砌石块砌筑，砌体容重22KN/m3，地基与砌体间的摩擦系数f=0.45，地基地基的允许承载力[σ]=1200KN/m2。

（1）坝体荷载（以1.0m坝长计算）

自重：

G1=4.625×1.1×1×22=111.93KN（↓）

G2=2×4.25×1×22=187.00KN（↓）

G3=1/2×2.625×3.5×1×22=101.06KN（↓）

G4=1/2×0.6×0.8×1×22=5.28KN（↓）

水压力：

P水1=1/2×10.0×3.752=70.31KN（→）

P水2=1/2×10.0×0.332=0.54KN（←）

扬压力：

浮托力：

wφ1=10.0×1.0×0.33×4.625=15.26KN（↑）

渗透压力：

wφ2=1/2×10.0×（3.75-0.33）×4.625=79.09KN（↑）

滚水坝受力计算详见表6和图3。

表6滚水坝受力分析计算表（对A点取矩）

图3滚水坝受力分析图

（2）坝体抗滑稳定分析

σ=99.91KN/m2＜[σ]=1200KN/m2，34.54KN/m2＞0

（不会产生拉应力）。

说明坝体安全。。

滚水坝偏心距及地基承载力见表7。

表7浆砌石滚水坝稳定分析结果表

6、结语

鉴于目前小流域综合治理工作大规模的开展，本文主要是在小型沟道治理工程—--滚水坝方面进行了设计技术的探讨，互相学习，提高业务水平，有利于今后类似工作的开展。