淤地坝设计(简)

淤 地 坝 工 程 设 计

班级：水保 姓名： 学号：

水土保持工程学——淤地坝工程设计

目 录

第一章 概况

第一节 基本情况

第二节 兴建该工程的目的和作用 第二章 水文计算 第三章 工程设计 第一节 枢纽组成 第二节 土坝设计 一.试算表 二.坝高计算 三.大坝设计 1.坝型选择

2.坝顶宽度 3.坝坡 4.排水沟 5.结合槽 6.坝基和岸坡处理 7.护坡 8.坝体排水 9.大坝稳定性分析

第三节 淤地坝溢洪道设计

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水土保持工程学——淤地坝工程设计

一.位置选择 二.布置形式 三.水利计算 1.溢流堰尺寸计算 2.陡坡段尺寸计算 2.1计算临界水深 2.2计算临界底坡

2.3按陡坡计算用试算法计算正常水深 2.4计算陡坡长度 2.5计算水面曲线 2.6确定陡坡侧墙高度 3.出口段尺寸计算

4.陡坡段和出口段的厚度计算 第四节 放水建筑物设计 一.卧管设计

1.放水孔孔径的计算 2.卧管结构尺寸的确定 3.卧管末端消力池断面尺寸确定 3.1判断是否需要设消力池 3.2消力池断面尺寸确定 4.消力池结构尺寸确定

二.盖板厚度计算

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三.涵洞设计 1.涵洞内水深计算 2.涵洞断面尺寸确定 3.涵洞结构尺寸确定 四.涵洞出口消能段设计 1.明渠段水力计算

2.涵洞出口明渠段结构尺寸确定 3.明渠末端消力池设计

3.1判断是否需要设消力池 3.2消力池断面尺寸计算 3.3消力池结构尺寸确定

第一章 概况

第一节 基本情况

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1.坝址以上集水面积5km2;

2.经勘测计算，求得坝高H与库容V、淤地面积A的关系见图； 3.流域年侵蚀模数K=10000t/ km2,20年一遇设计洪水流量Q20=105 m3 /s，洪水总量W洪＝10万m3,200年一遇设计洪水流量Q200=180 m3 /s，洪水总量W洪＝17万m3；

4.沟道无常流水；

5.坝址附近有充足的筑坝土料，土壤内摩擦角φ＝20°，内聚力c=0.8t/ m2 ;

6.放水洞设计流量Q=0.5 m3 /s 。 第二节 兴建该工程的目的和作用

兴建该坝的主要目的是拦蓄泥沙，防止水土流失，抬高侵蚀基准点，提高坝系整体的防洪能力，改善当地生态环境，拦泥淤地。 该坝建成10年后，拦蓄泥沙约39万m3，可新增坝地104亩，治理有显著的促进作用。

第二章 水文计算

拦泥库容计算：

V栏= F·K·(1- NS)·T/rS

式中：F——淤地坝控制的流域面积， km2，取5 km2.

K——年平均侵蚀模数K=10000t/ km2. NS——坝库排沙比，此处取为0.

rS——淤积泥沙的干容重，t/m3,淤积泥取1.3t/m3. T——m3设计淤积年限，N=10.4年.

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第三章 工程设计

第一节 枢纽组成

通过调查坝址处地形、经多方案比较,确定中型淤地坝的枢纽组成为大坝，溢洪道和放水建筑物(卧管、涵洞、明渠及消力池)三大件。放水建筑物布置在大坝右岸。坝址附近有足够的土料，其储量足以满足填筑坝体的需要,故坝型选择为均质碾压土坝。 第二节 土坝设计 一.试算表

根据坝高、库容曲线，各数据，得出以下试算表：

沟底高程=798 m h滞 （m） [817,819.5] [818.5,821] 高程区间 滞洪库容 (万m3) 4 3.5 5 7 7.5 8.5 h拦 B20 B200 （m） （m） （m） 19 9.96 21.76 20.5 10.79 22.60 22 8.3 20.08 2.5 [820,822.5] [821.5,824] [822,824.5] [822.5,825] 23.5 4.98 16.74 24 24.5 4.15 2.5 15.9 14.23 由经验，直接取h滞＝2.5m,在不同的高程区间试算出B20，B200，由比较和经验选出最合适的一组数据：

V滞＝7.5（万m3)，h拦＝24m,B20＝4.15m，B200＝15.9m,相应拦

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泥高程为822m,再得出V拦＝40(万m3)，淤地面积为79亩,淤地年限为10.4年。 二.坝高计算

采用公式：H=h拦+h滞+h安 式中：H——总坝高，m.

h拦——拦泥坝高,m. h滞——滞洪坝高,m. h安——安全超高,m.

由坝高——库容曲线逐一进行试算后， 确定拦泥坝高：

h拦＝24m，相应拦泥高程为822m，淤地面积约为79亩，淤地年限约为10年。

滞洪坝高确定：

查规范知，设计洪水重现期为20年，校核为200年，处于中性淤地坝。据此

20年一遇设计洪水流量Q20=105 m3 /s，洪水总量W洪＝10万m3， 确定溢洪道顶坎高程，由于沟道无常流水，故采用顶坎与淤地面同高，即顶坎高程为822m。

（1）按生产防洪标准确定溢洪道尺寸，采用生产防洪设计洪水标准为20年一遇，相应的库容为40万m3，滞洪库容为7.5万m3 ，溢洪道泄流量Q泄为：

Q泄=Q洪（1-V滞/W洪）

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Q泄＝MBh滞3/2

其实由第一步推算省略的步骤如下：

滞，

先假设一个h查坝高－－库容关系曲线，得一V滞,再由

MBh滞3/2＝Q洪（1-V滞/W洪），得到一个B，多次假设 ，得合理B。这样就得到了合理的（h滞，B),再由经验，最终h滞＝2.5m。 （2）按工程安全防洪标准确定溢洪道尺寸进行校核

200年一遇设计洪水流量Q200=180 m3 /s，洪水总量W洪＝17万m3， 设滞洪坝高h滞=2.5m,则由H-V曲线查得相应的V滞=7.5万m3洪道尺寸，此时溢洪道设计洪水标准为200年一遇时： 溢洪道泄流量：

Q泄=Q洪（1-V滞/W洪）

Q泄＝MBh滞3/2

由上面两个式子得到溢洪道的宽度 B= Q洪（1-V滞/W洪）/(M h滞3/2）

M ——流量系数，取1.6 B= Q泄/(M h滞3/2）=100.59/（1.6×2.53/2）≈15.9m. 根据工程安全考虑，加上安全超高1.5m，此此时的淤地坝总高为H=24+2.5+1.5=28m。

取最大坝高为28m,相应坝顶高程为826m,沟底高程为798m。 三.大坝设计

1.筑坝土料丰富，故选用均质土坝筑坝土料设计，用碾压法 筑坝，筑坝土其有机质含量小于2%，水溶盐含量小于5%，需满足碾压土坝对土质的要求。施工时土料的最优含水量应控制在12%-15%。坝体

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干容重不应小于1.55t/m3，取1.6 t/m3

2.坝顶宽度

设坝顶有交通要求，查《规范》 ,坝顶宽度B=5m。 3.坝坡

因坝高28m，查《规范》,取在下游12m处设马道,上游马道以上坡比1:2.2,马道以下坡比1:2.25；下游马道以上坡比为1:1.7,马道以下坡比为1:1.75。马道宽1m。

4.排水沟

为防止暴雨冲刷坝面，在坝体与岸坡结合处设纵向排水沟，将坝面流水送出坝脚以外。排水沟为矩形断面，尺寸为30 × 30cm（深× 宽），边墙、底板厚均为20cm，用M5.0水泥砂浆浆砌块石砌筑,M10水泥砂浆勾缝。

5.结合槽

为增加坝体稳定性，防止土坝与沟底结合面上透水，沿坝轴线方向从沟底到岸坡开挖一道梯形断面结合槽。结合槽底宽1.0m，深1m，边坡比1：1，结合槽用黄土人工回填夯实。

6.坝基和岸坡处理

坝体填筑前，必须对坝基和岸坡进行处理，清基范围应超出坝的坡脚线0.6m，清基平均深度为30cm，凡在清基范围内的地面表土、乱石、草皮、树木、腐殖质等均要清除干净，不得留在坝内做回填土用。与坝体连接的岸坡应开挖成平顺的正坡，土质岸坡不陡于1：1.5。

7.护坡:在土坝上游淤面以上及下游坝坡设置草皮护坡,种植柠条,

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防止雨水冲刷。

8.坝体排水：选用棱式反滤体排水，反滤体高度为坝高的1/5,即高度为5.6m。

9.大坝稳定性分析: 比例 1:2.2 1:2.25

α 24.4 24  20 20 - 9 -

N1 H（m） 0.009 0.0085 .5 57.7 水土保持工程学——淤地坝工程设计

1：1.7 1：1.75 30.5 29.7 20 20 0.0275 0.025 17.84 19.62 查泰勒稳定数图表知当大坝上下游的坡度分别为1:2.2，1:2.25，1：1.7 ，1：1.75时是稳定的。 第三节 淤地坝溢洪道设计 一.位置选择

溢洪道是淤地坝中最主要的建筑物之一，根据对地形图的分析，沟道的右岸坡度较陡，左岸坡度较缓，地形较平缓故选择在沟道的左岸，同时溢洪道的进口布设在距坝端10m以外处，出口布设坝坡坡脚线20-50m以外处。 二.布置形式

根据此流域的集水面积，及泄流量情况，采用堰流式溢洪道，用浆砌石建造。根据地形及工程量大小选用陡坡正堰式溢洪道，由进口段，陡坡段，出口段三部分组成。 三.水力计算

1. 溢流堰尺寸计算 此处采用宽顶堰 采用Q=MBH03/2计算

由于溢洪道堰顶与淤地面齐平，故Q=Q泄，H0=2.5m,B=15.9m,M=1.6 2. 陡坡段尺寸计算 （1）计算临界水深

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我们采用的溢洪道断面为矩形，则临界水深hk为：

2（q） hk =g3其中，hk——临界水深，m.

α——流速分布不均匀系数，取1.0.

q——单宽流量，m3/(s·m),q= Q泄/B. Q泄——溢洪道设计流量，m3/s. B——溢洪道宽，m.

g——重力加速度，m/s，取9.81.

单宽流量q= Q泄/B=52.83/5.35≈6.33 m3/(s·m).

2（q）=1.599≈1.6m. 临界水深hk =g32(2) 计算临界底坡

ikQ2WCRKK22

K 其中，Wk——临界水深时的面积.

CK——临界水深时的水力半径. RK——临界水深时的水力半径.

CK=

1nR1/6K

Q2 代入ik计算的

WCRKK22

K ik=0.003

由于陡坡为土质 ， i=1:3-1:5，i取1：3。

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i>ik,则坡度水流为急流，按陡坡计算。

（3）按陡坡计算用试算法计算正常水深 由 Q加=ωC Ri

经试算得正常水深为h0=0.41m. （4）计算陡坡长度

L=P+(P/i)（m）

222 其中，P——总落差，m.

L——陡坡长度，m. i——底坡比降. i=1:3时 L≈75.m.

根据断面的能量方程计算得临界水深hk=1.60m时对应的流速为3.9m/s,正常水深h0=0.41m对应的流速为15.43m/s。 （5）计算水面曲线

L=

(h22.v2)(h11.v1)iJ2222

1v2) 1J=(v222C1.R1C2.R2 L——溢洪道陡坡段相邻两过水断面的水深，m. i——底坡比降.

J——溢洪道陡坡段相邻两过水断面水力坡度的平均值 h1,h2——溢洪道陡坡段相邻两过水断面的水深，m v1,v2——溢洪道陡坡段相邻两过水断面的平均流速，m/s

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1,2——相邻两过水断面动能修正系数，取1.0 经计算得：

C=52.43 R=1.33

11C

2

=42.74 R2=0.39

J=0.17 L=62.13m

由于距离较近,为了计算简便期间 ,我们只选择两个断面,求出的水面曲线长度L=62.13m,

28q\"1 h1=h2g'3h'以溢洪道陡坡段末端水深h0为跃前水深试算出的跃后水深h= 4.26m，

以均匀流算出的尾渠水深0.98m 。

\"h>h尾，发生远趋式水跃故需要修建消力池。

（6）确定陡坡侧墙高度

考虑到陡坡流速较大，参气会使水深增加，故边墙高度H: H=h+hB+△h

h——水深

hB——掺气时的水深增加值，可按下式计算： 流速V小于或等于20m/s时 ， hB= V2 流速V大于20m/s时，h B200gVh100\"Δh——安全加高，可取0.5－1.0m

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va=15.43m/s 此处取V小于或等于20m/s时情况 hB=0.25m Δh=0.65m H=h+hB+△h ≈2.5m 3.出口段尺寸计算

根据地形图，土质及水流特点选择底流式消能

对于此淤地坝我们选用经验公式计算消力池的深度和长度 S=1.25(h-ht)

其中，h——以溢洪道陡坡段末端水深ha为跃前水深计算出的跃后水深，m.

ht——尾渠水深，m.

28q\" 11 h=h'32gh'\"\" 尾渠水深ht由明渠流计算得为0.98m 代入数字得h=4.26m

S=1.25(h-ht)=1.25×（4.26-0.98）=4.1m，为修筑方便取4m。 消力池长度计算：Lk=(4.3-4.9) h 得 Lk=18.318—20.874m 选Lk=19m

4.陡坡段和出口段的厚度计算

• 对于土基上的陡槽底板，在底板下铺设一层厚约0.1~0.2 m

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\"\"\" 水土保持工程学——淤地坝工程设计

的碎石、砂卵石垫层，防冻

• 底板下还应设置纵横向排水沟 ，防扬压力

• 陡槽中流速较大，高速水流易使底板产生震动 ，对底板的厚度进行较核：

h δ=0.03aV (m) 要求底板的厚度≥δ 计算得底板厚度δ=0.6m。

浆砌块石修筑，池底厚0.3m, 池前端设置齿墙，深0.5~1.0m， 厚0.3~0.5m，底板下设反滤排水孔，侧墙构造同于陡槽，底板厚为可靠起见，可用下式校核：

δ≈KVc h h′－收缩断面处水深，可取跃前水深； Vc－收缩断面处流速； K—系数，Kc=0.03+0.17sinα; α —陡槽未端射流与水平面夹角; 计算得消力池底板厚度δ=0.98m.取厚度为1m 。 第四节 放水建筑物设计

放水建筑物由放水卧管和输水涵洞及出口明渠段三部分组成。放水卧管布设在大坝上游右岸的地基上，涵洞及出口明渠段布设在大坝右侧底部的土地基上。

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一.卧管设计

卧管采用箱式方形结构，底坡为0.48:1，用M7.5水泥砂浆浆砌块石砌筑成台阶式。卧管台阶高0.5m，盖板采用C20钢筋混凝土预制板。

1.放水孔孔径的计算

卧管台阶高为0.5m，每台设放水孔，每台设一孔，按每次放水同时开启2孔计算，放水孔孔径为

QQ1Q22g(H1H2)=1/4d

2式中：d——放水孔孔径（m）.

H1、 H2——分别为第1、2孔的作用水头（m）， H1=0.5m,H2=1m，

Q放——放水流量（m3/s），Q放=0.5m3/s .

考虑在实际运用中，由于水位变化而导致的放水孔调节，卧管内

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流量比正常运用时应加大20%—30%，故卧管断面设计时要按加大流量计算，取Q加=1.2× Q放=1.2×0.5=0.6m3/s.

计算得d=0.403m,取孔口盖板直径为0.4m 。

卧管内的水流近似于明渠水流,按明渠均匀流公式进行水力计算,求出正常水深。为了方便维修拟定卧管底宽b=0.8m 。

采用公式：

Q加=ωC Ri

式中：Q加—卧管过水流量（m3/s），Q加= 0.6m3/s b—卧管断面底宽（m）,b=0.8m

ω—过水断面面积（m2）ω=b×h0=0.8×h0 C—谢才系数，C=（1/n）R1/6

R—水力半径，R=ω/X，X湿周，X=0.8+2h0 n—糙率，n=0.02 i—卧管底坡，i=0.5

将以上有关数值代入公式，经试算得卧管正常水深为：h0=0.11m 。 为保证放水孔水流跌落卧管时水柱的跃高不致淹没进水孔底缘,使卧管内不形成压力流,对方形卧管,其高度应为卧管正常水深的3—4倍，则卧管断面高为：H=4×0.11m=0.44m,但为了维修和便于施工，取H=1.2m

卧管断面尺寸确定为（宽×高）0.8×1.2m 2.卧管结构尺寸确定

查《规范》，取侧墙顶宽0.3m,底宽0.5m,基础外伸长0.10m,基础厚0.4m,盖板搭接长度0.15m。

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卧管轴线与涵洞轴线夹角为125度,卧管斜长55.46m，沿底板每隔10m设一道断面为0.5m×0.5m的齿墙,共5道,以增加其稳定性。卧管总高度23.5m，共48台，49块盖板。为防止卧管放水时产生真空，在卧管顶部设通气孔，通气孔高程824.5m,末端高程798m,最低放水孔高程798.5m。

3.卧管末端消力池断面尺寸确定

为使水流平顺进入涵洞，在卧管末端与涵洞连接处设消力池。消力池为矩形断面，用M7.5水泥砂浆浆砌块石砌筑,盖板采用C20钢筋混凝土预制板。

3.1.判断是否需要设消力池

2ho8aqh11采用公式：22 3gh0式中：q——单宽流量，q=0.6÷0.8=0.75m3/s.m. h2——第二共轭水深,m.

h0——卧管正常水深（m），h0=0.11m. a——流速不均匀系数，取a=1.0. g——重力加速度（m/s2），g=9.81m/s2. 将以上有关数值代入公式计算得

h2=0.11÷2×[(1＋8×1.0×0.6252÷9.81÷0.113)0.5－1]

=0.97m

下游涵洞正常水深hs=0.43m,h2>hS,故发生远离式水跃,需设消力

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池。

3.2消力池断面尺寸确定

池深计算

采用公式：d=δ（h2-hs） 式中：d——消力池深,m.

δ——淹没安全系数,δ=1.25. h2——消力池的跃后水深，m,h2=0.8m.

hs——紧接消力池出口的下游水深m，hs=0.43m. 将以上有关数值代入公式计算得: d=1.25×(0.97-0.43)=0.68m 取池深D=0.7m。 池长计算 采用公式:LK=(3～9)h2 =(3～9)×0.97=2.91～8.73 取池长LK=8m 池宽计算

采用公式:B=b+0.4=0.8+0.4=1.2m 取池宽B=1.2m

消力池断面尺寸确定为:长×宽×深=8m×1.2m×0.7m 经检验合理 4.消力池结构尺寸确定

查《省规范》表D—8，确定消力池结构尺寸为：侧墙顶宽0.65m,

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底宽1.4m,基础外伸长0.2m,基础厚0.5m,盖板搭接长度0.3m。

消力池底高程为m,盖板顶高程为m。

二.盖板厚度计算

为了方便应用起见:我们查钢筋混凝土盖板厚度表

取盖板上部淤泥厚为25m，净跨为0.8m时所对应的盖板厚度为35cm,钢筋面积为8.7cm2 。

用此尺寸购买或现浇即可。 三.涵洞设计

根据地形条件，涵洞布置在左岸高程为993.4m的红粘土地基上，采用浆砌石拱涵，用M7.5水泥砂浆浆砌块石砌筑，M10水泥砂浆勾缝。涵洞底坡为1/100，进口与陡坡末端消力池连接，出口与消能段连接。涵洞与卧管消力池夹角为125度。

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1.涵洞内水深计算

采用明渠均匀流公式： Q=ωCRi

式中：Q—涵洞内过水流量（m3/s）,Q=Q加=0.6(m3/s). ω—过水断面面积（m2），ω=b×h○=0.8×h○. b—涵洞底宽（m），取b=0.8m.

C—谢才系数，C=（1/n）R1/6.

R—水力半径，R=ω/X，X为湿周，X=0.8+2h○.

n—糙率，n=0.02. i—涵洞底坡，i=1/100.

将以上有关数值代入公式,经试算得涵洞内正常水深为：h○=0.43m 涵洞允许最大水深为：h允=0.75h=0.75×1.2=0.9(m)，h允≥ho，故涵洞内不会出现有压流。

2.涵洞断面尺寸确定

涵洞采用等截面半圆拱形式。根据涵洞水深计算结果，考虑到检修方便，取涵洞底宽0.8m，高1.2m，拱圈内半径0.4m。

3.涵洞结构尺寸确定

涵洞基础厚0.5m，拱圈厚0.4m，墩高0.8m，起拱面宽0.5m，基础外伸长0.1m，基础宽0.85m，基础厚0.5m。

涵洞全长200m，进口高程为993.4m，出口高程为992.91m。为适应地基不均匀沉降，防止温度伸缩引起管裂，沿涵洞轴线每隔10m设一道沉陷缝，并与温度缝结合在一起，共5道。 为防止洞身与坝体结合时，沿管壁产生集中渗流，结合沉陷缝设截流环。截流环顶厚0.62m，

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底厚1m，四周均凸出洞壁 0.5m。沉陷缝宽2cm，用沥青麻刀回填。涵洞洞身用粘土做1m厚的涵衣，人工夯实，干容重达到1.6T/m2以上。 四.涵洞出口消能段设计

涵洞出口建筑物由陡坡明渠段及消力池组成。明渠段水平段长18.6m，底坡1:5，进口高程992.91m，出口高程9.2m。明渠段采用矩形断面，底宽0.8m，用M7.5水泥砂浆块石砌筑，M10水泥砂浆勾缝。在明渠段中部底板增设一道宽深各为0.5m的齿墙。 1.明渠段水力计算

qXX界水深计算采用公式：hk3g

2式中：hk—XX界水深,m α—系数，α=1.0.

q—单宽流量，q=0.6/0.8＝0.75m3/s.m.

g—重力加速度，g=9.81m/s2.

将以上有关数值代入公式计算得：

hk＝（1.0×0.752/9.81）1/3=0.39m 。

正常水深计算采用明渠均匀流公式：Q=ω·C·Ri 式中已知Q=0.6m3/s，i=1/100 n=0.02, b=0.8m

将以上有关数据代入公式，经试算得水深ho=0.43m。 2.涵洞出口明渠段结构尺寸确定

涵洞明渠段底板厚0.4m，进出口侧墙均采用挡土墙形式，进口侧墙高为XX界水深加0.5m的安全超高，即0.209+0.5=0.709m，取0.8m，顶宽0.4m，底宽0.75m，基础外伸0.1m，基础厚0.4m；出口侧墙高为

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水土保持工程学——淤地坝工程设计

正常水深加0.5m的安全超高，即0.0706+0.5=0.571m，取0.6m，顶宽0.4m，底宽0.7m，基础外伸0.1m，基础厚0.4m。 3.明渠末端消力池设计

为使水流平顺地进入河槽，在明渠出口处设消力池，消力池为矩形断面，底宽0.8m 。

3.1判断是否需要设消力池

2ho8aqh11采用公式：22 3gh0式中：q—单宽流量，q=0.6/0.8＝0.75m3/s.m.

h2—第二共轭水深,m.

h0—明渠段正常水深，h0= 0.43m. a—流速不均匀系数，取a=1.0. g—重力加速度，g=9.81m/s2. 将以上有关数值代入公式计算得：

h2=0.43÷2×[(1＋8×1.0×0.752÷9.81÷0.433)0.5－1] =0.34m 紧接消力池出口的下游沟道无长流水，水深hs=0m，h2＞hs，故发生远离式水跃，需设消力池。

3.2消力池断面尺寸计算 池深计算 d=1.25(h2-hs) 池长计算 Lk=(3～9)h2 将有关数值代入公式计算得：

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水土保持工程学——淤地坝工程设计

d=1.25(0.34-0)=0.425(m) 取池深d=0.5m

Lk=(3～9)×0.34=1.02～3.06m 取池长Lk=3m

池宽计算 B=b+0.4=0.8+0.4=1.2m

消力池断面尺寸确定为:长×宽×深=3m×1.2m×0.5m 3.3结构尺寸确定

侧墙顶宽0.4m，底宽0.8m，基础外伸长0.1m，基础厚0.5m。

查砌石拱涵断面尺寸表得

当填土高度为30m时，拱跨为80cm时起拱高度为80cm时，对应的拱圈厚为35cm，拱座顶宽为50cm，拱座底宽为100cm，垫层厚度35cm.

用此尺寸购买或现浇即可。

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