拦水土坝设计与施工技术规范

南南合作项目尼日利亚粮食安全特别计划拦水坝设计与施工技术规范元月贵南南合作项目中方专家组2003年9月目录1勘测与调查11.1选定坝址11.2坝址地形测量11.3库容测量与计算11.4集水面积测量21.5建筑材料勘测21.6水文资料的搜集与调查22库区规划22.1死库容的确定22.2有效库容的确定32.3滞洪库容的确定43土坝枢纽工程设计53.1土坝设计53.2放水工程设计73.3溢洪道设计74工程施工74.1施工准备74.2清基74.3土坝施工84.4溢洪道施工85工程管理95.1土坝的维修养护95.2土坝裂缝的处理95.3溢洪道维修养护95.4环境保护96工程设计说明书编写要求96.1文字部分96.2附表部分106.3附图部分10拦水土坝设计与施工技术规范1勘测与调查1.1选定坝址“口小肚大”，沟道比降较缓，同时应选在支沟分岔的下方和沟底陡坡、迭水的上方，以求修坝工程量小，库容大。有适宜的集水面积。集水面积过小，则水源不足；过大则洪峰高，洪量大，需要开挖很大的溢洪道。坝址及库址地质良好，基础稳固，无下陷情况。坝端岸坡应有开挖溢洪道的良好地形和地质；最理想的是距坝不远的马鞍形岩石山垭；两岸岸坡不应大于450，不应有集洼地或冲沟，不应有陷穴、泉眼等隐患；要求土质坚硬，地质构造稳定。坝址附近有良好的筑坝材料（土料、石料）和料场，而且采运容易，交通、施工方便。应尽量缩小库区淹没损失，避免淹没村庄、公路、大片耕地和其他重要建筑物。1.2坝址地形测量坝址地形测量是为了正确设计枢纽建筑物和估算工程量。测量范围包括坝身和溢洪道。比例尺用1/500～1/1000，等高线间距0.5～1.0m，测至坝体以上5m。可采用断面法进行：先沿坝轴线测一横断面，再在与坝轴线垂直的方向，用皮尺测定几个桩，分别在桩处测出其横断面。然后依据横断面之间的关系及高度变化情况，制成平面图，绘出地形等高线。1.3库容测量与计算库容测量在于绘出水位～库容关系曲线，为规划设计提供依据。采用的方法主要有三种：1.3.1横断面法 小型水库可用横断面法测量，首先测出坝轴线处的横断面，然后在库内沿河道施测一条与坝轴线垂直的纵断面，其桩号位置应根据两边山坡及河槽河滩变化定出，量出桩号间的距离，并测出各桩号处的横断面。计算库容时，在各横断面图上以不同水位为顶线，求出各横断面上不同高程一下的横断面面积，然后将相邻的两断面面积平均值乘以其间距离，便得出此二断面之间不同水位时的容积。最后把各部分容积按不同水位相加，即得出各种不同水位时的容积。以库容为横坐标，水位为纵坐标，就可绘出水位与库容关系曲线。1.3.2用地形图计算库容 用水准仪测出库区地形图，比例尺1/1000。在测得的地形图上，用几何方法求得各条封闭的等高线所包围的面积，取各相邻两面积的平均值乘以高差，即为这两条等高线中所包含的面积，各部分容积累计起来直至最大蓄水位，便是水库的总库容。1.3.3系数估算法 当没有仪器，无条件进行库容测量，且水库很小时，可采用下式估算:V=(HBL)/K式中 V- 水库容积（立方米）； B- 近坝处水面宽度（米）； H-近坝处水库水深（米）； L- 水库内水面长度（米）； K- 系数，在峡谷地形K=6，开敞地形K=4。1.4集水面积测量集水面积是估计水库蓄水量和洪水量的主要依据之一。方格法：用透明方格纸铺在划好的集水面积平面图上，数得集水面积范围内的方格数量。根据每一方格实际代表的面积，乘以总的方格数，得出集水总面积。梯形计算法：将集水面积划分成若干梯形，然后求各梯形面积之和。1.5建筑材料勘测调查坝址附近筑坝材料的位置、分布高度、厚度、储量、物理力学性质等。1.6水文资料的搜集与调查主要包括：该地区多年平均降雨量、多年平均径流深、年径流系数、泥沙情况及洪水资料等。2 库区规划一般小型水库的容积分为两部分，一部分是输水洞以上正常蓄水位以下的库容，称为有效库容或兴利库容；另一部分是输水洞以下的库容，叫死库容或垫底库容。2.1死库容的确定 灌区要求的死库容可根据自流灌溉所要求的高程（水位），从水位库容关系曲线上查出。 泥沙淤积要求的死库容可由下式估算：V=(FSoT)/Υs式中： V － 死库容（立方米）； F － 集水面积（平方公里）； So － 输沙量模数，即每平方公里集水面积冲淤下来的泥沙（吨/平方公里）； T － 水库使用年限（年）；Υs － 泥沙容重（吨/平方公里），一般用1.33。2.2 有效库容的确定有效库容应根据来水量和需水量进行计算。对缺乏资料、无法进行调节计算的小水库，可以采用调节系数法。方法如下： （1）水库来水量计算 水库来水量是指在某一设计保证频率时，一年内由集水面积流入水库的总水量。计算方法可采用年雨量乘径流系数法，即：W=1000KRF式中W－多年平均径流量，即水库来水量，m3;R－多年平均降雨量，mm;F－集水面积，km2K－径流系数。 (2) 用水量计算 小型水库用水主要是灌溉用水。灌溉用水量用下式计算：W=AG/(1-p1％)＝AG/л式中： W － 灌溉需水量（立方米）； A － 灌溉面积； G － 单位面积一年灌溉总用水量； p1％－ 渠道输水损失百分数；л － 渠道有效利用系数。 （3）有效库容的确定 当根据来水确定有效库容时，用下式计算：V有效＝nW来这些来水可以灌溉的面积：A＝W来（1－p1％）（1－p2％）/G 当根据灌溉用水量确定有效库容时：V有效＝nW需/（1－p2％）=nAG/（（1－p1％）（1－p2％））式中：p2％ － 水库渗漏、蒸发损失百分数，小型水库可按10％考虑； n － 库容调节系数。 库容调节系数是考虑到水是一面来一面用，边蓄边用，由水库进行调节。因此水库没有必要修得和来水（或用水）一样大，而要打一个折扣，这个折扣叫库容调节系数。根据以往经验，n＝0.3～0.7。当用水量小于来水量时，一般应按用水量确定库容，但同时也应考虑将来扩大灌溉面积，可以适当多蓄些水。当来水量小于用水量时，按来水量设计，再根据来水规划灌溉面积。2.3 滞洪库容的确定为了保证拦水坝工程安全，必须修建溢洪道。溢洪道不可能修得很大，也不可能来多少洪水就排泄多少洪水，这在经济上是极不合理的。所以，在拦水坝建设中，必须有一个滞洪库容，用以滞蓄由溢洪道暂时排泄不走的洪水，为此，需要进行调洪演算。调洪演算的任务是：根据设计洪水的大小，确定防洪建筑物的规模和尺寸，确定滞洪库容和相应的坝高。2.3.1设计洪水标准设计洪水包括设计洪峰流量、设计洪水总量和设计洪水过程线三个项目。对于小型水库建设，其设计洪水标准为十年一遇。设计洪峰流量计算小型水库集水面积较小，实测资料短缺，所以通常遇到的是无资料情况下的洪水计算。无资料地区设计洪峰流量主要应依据洪水调查，但尚需采用其它方法综合分析，最后确定。根据调查洪水设计洪峰流量调查时应在建坝地方或附近的上下游河段进行。调查河段应选择在河道比较顺直、稳定及无较大支流汇入的地方，以免影响调查洪水的准确性。通过调查，测出洪水痕迹处的纵横断面及洪水痕迹高度。按明渠均匀流公式估算历史洪水流量。用合理化公式推算洪峰流量合理化公式：Qp=0.278CIpF式中 Qp－频率为p的洪峰流量，m3/s;Ip－频率为p的暴雨强度，mm/h;F－集水面积，km2;K－径流系数，一般为0.5～0.8;0.278－单位换算系数。暴雨强度Ip的计算：Ip=Sp/tn式中 Sp －雨力（即t=1小时的暴雨量）； t －降雨（集流）历时（小时），小面积可根据开始降雨至洪峰到达的时间决定； n －暴雨衰减指数，当t≤1小时，n=0.5～0.6；当t>1小时，n=0.75；集流时间的确定：t＝0.278L/V式中 L－主流长度（公里），无资料时可按L=1.6F0.6估算;V－洪峰集流的平均速度（米/妙），一般情况下，平原地区V=1.0米/妙(主河槽坡度10～20‰)；丘陵地区V=1.5米/妙(主河槽坡度20～40‰)；山区V=2.0米/妙(主河槽坡度40～100‰)； 雨力的确定：Sp＝Hr/T1-n式中 Hr－历时为T的暴雨量2.3.3设计洪水总量及洪水过程线的简化估算在中小河流，河槽调节作用很小，暴雨产生的洪水多为暴涨暴落，因此可将洪水过程线简化为三角形。洪水总量可由下式求出：Wm＝QmT/2式中 Qm －设计最大洪峰流量； T －设计洪水过程线的全部历时，在小河流涨水历时等于退水历时；2.3.4调洪演算 （1）当水库库容较小，水库蓄水面积与集水面积之比小于1/20，且溢洪水深较小时，可不考虑水库的调洪作用，溢洪道的设计流量即按计算的设计洪峰流量计算。 （2）当水库较大，水库蓄水面积与集水面积之比大于1/20，或溢洪水深较大时，由于考虑到正常高水位以上，设计或校核水位一下的库容（称滞洪库容）可以滞蓄一部分洪水，因而溢洪道的设计流量可按消减后的洪峰流量计算。 消减后的洪峰流量Q设可用下式计算：Q设＝Qm（1－Vm/Wm）式中 Q设 －调洪后的洪峰流量，即溢洪道的设计流量； Qm －设计或校核情况下的洪峰流量； Vm－正常高水位与设计洪水位之间的库容，可由水位与库容关系曲线上查得； Wm －设计或校核情况下的一次洪水总量。3土坝枢纽工程设计3.1土坝设计3.1.1土坝断面尺寸的拟定(1)坝顶高程的确定H=H死＋H有效＋H1＋H2式中： H－坝体总高（m）； H死－死库容水深；H正常－有效库容水深；H1－溢洪水深（m），即涨洪时溢洪道上过水的最大深度；H2－安全超高，小型水库可按0.5米计算。小型土坝坝高要求为3～5米。(2)坝顶宽度的确定对于小型拦水土坝，坝顶宽度一般为2～3米；若坝顶兼作路时，应适当加宽。(3)坝坡的确定上游坝坡1:2.5，下游坝坡1:2。3.1.2土坝的防渗处理土坝是挡水建筑物，应具有足够的不透水性；否则，应采取防渗措施。（1）塑性心墙塑性心墙用粘土或粘壤土填筑，其顶宽不小于0.8～1.0米，向下逐渐加厚，边坡5:1～10:1。心墙必须填筑在不透水层或岩石基础上，嵌入深度不小于0.5～0.8米。（2）刚性心墙刚性心墙用浆砌块石、混凝土或钢筋混凝土做成。（3）塑性斜墙塑性斜墙亦由透水性小的粘土或粘壤土填筑，斜墙顶部厚度不得小于1.0米，底部厚度不得小于2.0米。3.1.3护坡与排水(1)土坝护坡由于水库蓄水面积很大，坝的迎水坡受风浪冲刷有被掏空的危险，故对10米以上的土坝均需加以保护。在石料多的地区可采用块石护坡，块石直径以不小于30厘米为宜，单层铺砌，其下铺设一层厚15～20厘米的碎石及厚10～20厘米的粗沙。（2）排水设备排水设备式样很多，常用的有棱柱排水体、斜卧式排水体（表面排水体）、垫式排水体、组合式排水体等。3.1.4土坝坝基防渗（1）截水槽当透水层不太深，可做截水槽。即在透水坝基上开挖梯形断面的槽直达不透水层以下至少0.5米处，槽内回填不透水土料。截水槽的底宽一般不小于2.0～3.0米，其坡度不陡于1:1。（2）铺盖当透水层比较深时，可在坝上游作不透水铺盖与坝身相联，以延长渗径、减小渗流。铺盖用粘土或粘壤土等透水性小的土料筑成，其厚度一般在铺盖上游端不小于0.5米。3.2放水工程设计3.2.1放水流量的确定 放水流量是设计放水工程断面尺寸的依据，其大小应根据下游灌溉、施工导流、排沙以及泻空水库等所需要的流量来确定。3.2.2卧管式放水工程设计（略）3.2.3深孔式放水工程（略）3.2.4塔式放水工程（略）3.3溢洪道设计在拦水土坝建设中，溢洪道设计多采用溢流堰式溢洪道。这种溢洪道通常由进口段、陡坡段和出口段组成。进口段由引水渠、进口渐变段和溢流堰组成。溢流堰的断面为矩形，堰顶宽B可用宽顶堰公式计算。B=Q/(MH1.50)宽顶堰堰顶水平长度，一般多采用3～8倍的溢洪水深。陡坡水面曲线计算在已知陡坡的坡度、宽度和边坡之后，可参考水力学中明渠非均匀流的计算方法，计算陡坡中各个控制断面处的流速和水深（即降落曲线），以便确定边墙的高度。出口段由消能设备和尾水渠组成。消能设备视地形条件，可采用底流式消能（即修建消力池）或跳流式消能。4工程施工4.1施工准备施工场地准备。包括选好土、石料场，确定运送土、石路线，修筑交通道路，修建堆放物资的临时仓库等。施工定线。根据规划、设计图纸，将土坝、溢洪道等建筑物的位置，用测量工具逐项落实到地面，并用打桩等方法予以确定。4.2清基包括土坝、溢洪道位置范围内的坝基与岸坡。土质沟床清基。要求将浮土、杂物等全部清除。清除深度一般要求30cm以上。沿坝轴线位置开挖结合槽，梯形断面底宽0.5～1.0m，深0.5～1.0m，边坡1:1。回填均质土，按夯实标准压实。削坡要求。土质岸坡不陡于1:1.0。4.3土坝施工取土要求：做到高土高用，低土低用；运土道路应布置成循环形式，往来路线分开；土壤含水量应达到设计要求，含水量较低的料场，应提前洒水；土壤粘粒含量20～30％的砂质或粉质壤土为宜。铺土要求：填筑的土料要求均质，不含腐殖质土、石块、大土块、草根、树枝等其他杂质。土料含水量要求在15％～18％，一般不低于14％。铺土应平行于坝轴方向呈条形延伸；条形间横向接缝应错开，厚度应均匀，宽度应一次铺够，避免接缝。人工夯实铺土厚应不超过20cm为宜（夯实为12～14cm即可）；羊角碾碾压铺土厚度可达25～30cm。压实要求：坝体压实应根据土料性质、含水量和压实工具事先进行试验，确定铺土厚度与夯碾次数。干容重标准数值，一般不低于1.55t/m3，在施工期间，每压实一层均需取样测定干容重和含水量。使用机械碾压，两次错车碾迹应重叠10～15cm，沿坝轴方向进行。人工夯实使用夯具重量要求40～50kg；采用梅花套打法，夯迹应重合1/3。土坝整坡：施工期间，每夯压升高一层，应按设计坡比随时进行整坡，要求整个坝坡均匀一致。4.4溢洪道施工溢洪道过水断面必须按设计的宽度、深度、边坡施工，同时要严格掌握溢洪道底高程，不能超高或降低。土质山坡开挖溢洪道时，过水断面边坡不小于1:1.5，过水断面以上山坡不小于1:1.0。在断面变坡处要留一平台，宽1.0m左右。溢洪道上部的山坡应挖排水沟，以保证安全。浆砌料石施工。在溢洪道施工中，应根据具体情况做好浆砌料石施工。基础处理：岸坡开挖，清除表面的覆盖物，并使利用的基岩面平整，坡度要符合设计要求。土质基础不座浆，岩石基础应清基后座浆。石料与砂浆准备：料石尺寸应基本一致，长50～60cm，宽30～40cm。浆砌前应将砌石表面的泥污、水锈等洗刷干净。砂浆配置必须按设计的配合比调和稠度应适中，过干不易捣实，过稀降低质量。砌石要求：镶面石要一顶一顺间隔排列，上下层镶面石的竖缝应错开8cm以上；腹石应错开石块长度的1/3～1/2；砌石缝宽与石料形状有关，粗料石为1.5～2.0cm，块石为3cm，片石为4cm左右。砌筑方法应用挤浆法，先在基础表面铺一层厚3cm的砂浆，将石料放在砂浆上，用脚踩或锤击，使之紧密结合，然后给竖缝灌砂浆，至缝深2/3后，向缝内挤片石，并用铁锤捣实，使砂浆与石块紧密结合。5工程管理5.1土坝的维修养护严禁在坝体