土石坝初步设计任务书某人工湖挡水建筑物初步设计.docx
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土石坝初步设计任务书某人工湖挡水建筑物初步设计
某人工湖挡水建筑物初步设计
刖言
第一章、基本资料
第一节、工程概况
工程位于郑州市西南6km三李村，规划面积330亩。
根据国家《防洪标准》GB50201-94,防洪标准按平原区滨海区的规定确定为10年一遇设计，20年一遇校核。
初步估算，湖面面积约4亩，库容约2万m3。
本地区年均降雨600〜700mm,集水面积0.5km2。
工程处于低丘陵沟壑地带，岩土构成主要为黄色粉质中壤土。
人工湖坐落在天然宽40m〜50m、长50m〜60m冲沟内，冲沟出口处为坝轴线位置；坝轴线下游10m〜15m处，另有一深15m〜20m的深沟，设计需要重点研究其对大坝稳定造成不利影响。
工程建设详细位置见附图（勘探点平面位置布置图）。
第二节、自然地理与水文气候特征
2.1流域概况
本地区年均降雨600〜700mm，集水面积0.5km2。
2.2水文
1）人工湖设计流量
根据《城市排水工程规划规范》GB50318-2000,雨水量应按下式计算确定：
Q=q?
书?
F
q――雨强度；
书——径流系数；
F――汇水面积（m2）
表1径流系数
区域情况
径流系数书
建筑稠密的中心区
0.60〜0.85
建筑稀疏的居住区
0.45〜0.60
建筑较稀疏的居住区
0.20〜0.45
2）参数选取
取径流系数书=0.45
汇水面积330亩。
3）设计雨强
表2设计频率雨量成果表
t
时间
Ht
（mm）
Cv
Cs
Kp
设计雨量
（mm）
1小时
45
0.52
3.5Cv
K10%=1.68
76
K5%=2.03
91
K2%=2.48
112
6小时
70
0.55
3.5Cv
K10%=1.72
121
K5%=2.095
147
K2%=2.585
181
24小时
100
0.53
3.5Cv
K10%=1.70
170
K5%=2.05
205
K2%=2.515
252
2.3气候特性
郑州市地处暖温带，属大陆性季风气候，四季分明，干湿明显，春季干旱多风沙，夏季炎热多雨，秋季凉爽，冬季干冷多风，雨雪稀少。
郑州市的干燥度指数k值小于1.5，属湿润区。
a）气温：
年平均气温14.4C,极端最高气温43C，极端最低气温-19.7C,年最高气温多出现在7月和8月。
b）降雨：
年平均降雨量640mm24小时降雨量多年平均值100mm每年7、8、9三个月的降雨量是全年降雨量的55%
c）冻土深度：
年平均地面结冰时间约为60天，标准冻深小于60cm,地面以下100mn冻结平均为55天。
d）风向及风速：
冬季盛行西偏北，夏季盛行南偏东，春、秋季则交替出现；
根据郑州市气象史了解，郑州市年平均风速约3.2m/s，瞬时最大风速达到了26
米/秒，风力为10级。
第三节、工程地质
工程区位于郑州市西南6km三李村，S316省道西侧郑州市新殡仪馆西，紧邻郑州市新殡仪馆。
处于郑州市西南低丘陵沟壑地带，地形为一冲沟，人工湖坐落在天
然宽40mr50m长50mn-60m冲中沟内。
1）区域地质构造及区域稳定性
工程场址位于郑州市西南部，大地构造位置属华北断块区南部，豫皖断块的开封凹陷的西边缘，区域地质构造较复杂，对场址有影响的北北东向区域活动断裂构造带主要有三条：
即太行山前断裂带、聊城—兰考断裂带和汾渭断陷盆地构造带，强地震大部分发生在这三个构造带上，北西向的区域活动断裂主要有两条：
即新乡—商丘断裂带和封门口—五指岭断裂带，这两条断裂带发生过中等强度地震。
它们对本区发生不同强度地震起严格的控制作用，总的来说，本区北纬35o以北主要受北北东向断裂构造控制，而35o以南（场区位于35o以南）主要受近东西向的秦岭纬向构造所支配。
场地附近历史地震及现今小震很少，仅发生过两次4级以上地震，即1928年郑州市北郊4级地震、1814年郑州市西南贾峪5级地震。
其它两次为1974年郑州市北郊邙山2.6级地震，1984年郑州市郑庵1.3级地震,因此，近场区内的地震活动强度和频度都很低。
豫北地区及其附近多震区的强震有1870年磁县7.5级地震和1937年荷泽7级地震，这些地区近年4〜5级地震时有发生。
另外，禹州、登封交界地带1992年又发生了ML4.7级地震。
因此，就地震活动而言，近场区存在发生6级地震的背景。
2）坝址区工程地质
根据本次勘探钻孔揭露情况，本区岩性为第四系全新统人工杂填土、素填土及第四系上更新统粉质黏土、粉土，各土层自上而下分述如下。
1杂填土（Q4ml）:
黄褐色、以低液限粉土为主，含煤屑、砖瓦碎片、陶片等生活垃圾，含较多植物根系。
场区普遍分布，厚度：
0.50〜1.40m,平均0.79m；层底标高：
231.76〜234.56m,平均232.69m层底埋深：
0.50〜1.40m,平均0.79m。
2素填土（Q4ml）:
黄褐色、以低液限粉土为主人工回填冲沟形成。
混少量浅褐红色低液限黏土。
分布在场区中部，局部缺失，厚度：
1.60〜9.40m,平均6.57m；层底标高：
222.36〜230.84m,平均225.61m;层底埋深：
3.00〜10.40m,平均7.50m。
3低液限黏土（Q3al+pl）:
浅褐红色，坚硬〜硬可塑，含白色钙质网斑及少量钙质结核，粒径2〜25mm场区普遍分布，厚度：
2.30〜12.90m,平均7.44m；
层底标高:
219.91〜221.66m,平均220.88m层底埋深：
11.70〜13.40m,平均12.64m
4低液限粉土（Q3al+pl）:
黄褐色，稍湿，密实，可见锈斑，含少量钙质结核，粒径5〜30mm场区普遍分布，厚度：
2.60〜3.90m,平均3.17m；层底标高：
217.16〜218.36m,平均217.70m；层底埋深：
15.60〜16.70m,平均15.81m。
5低液限黏土（Q3al+pl）:
褐红色，坚硬〜硬可塑，可见黑斑，含少量钙质结核，粒径3〜35mm该层未穿透，最大揭露厚度14.60m。
各土层的空间分布见勘探点平面布置图及工程地质剖面图。
3）土物理力学指标建议值表
表3各土物理力学指标建议值表
物理指标
层号'、、
含水量
w（%）
干重度
丫d
3（kN/m）
比重
Gs
孔隙比
e
液性指数
IL
塑性指数
Ip
压缩
系数
-1
（MPa-）
压缩模量（MPa）
②
19.0
14.9
2.70
0.850
0.30
9.0
0.26
6.1
③
20.0
15.7
2.71
0.820
0.20
12.2
0.22
8.7
④
19.0
14.5
2.70
0.700
0.45
8.0
0.16
16.0
⑤
21.0
16.0
2.72
0.800
0.18
14.8
0.20
10.2
4）土抗剪强度指标建议值表
表4各土层的c、©值建议值表
层号
②
③
④
⑤
快剪
C（kPa）
15
20
15
22
①（°）
22
18
24
16
饱和固结快
剪
C'（kPa）
11
15
12
16
3（°）
17
8
18
10
第二章、工程等别及建筑物级别
根据SDJ12-78《水利水电工程枢纽等级划分及设计标准》，综合考
虑水库总库容，防洪效益，灌溉面积，工程规模由库容（正常蓄水位
时0.0002亿m3,估计校核情况下库容不会超过0.001m3）属于小
（2）主要建筑物为5级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级。
永久性水工建筑物洪水标准：
正常运用（设计）洪水重现期T=10,
即频率P=10%非常运用（校核）洪水重现期T=20,即频率P=5%
其中工程主要包括4部分：
大坝、溢洪道工程、人工湖防护边坡、大坝下游护坡。
主要建筑物为大坝、溢洪道工程，最大坝高6.6m,溢洪道宽度为5.0m。
次要建
筑物为人工湖防护边坡、大坝下游护坡。
初步估算，湖面面积约4亩，库容约
3
9000m。
第三章、洪水计算
第一节、设计洪水
表2设计频率雨量成果表
t
时间
Ht
（mm）
Cv
Cs
Kp
设计雨量
（mm）
设计流量
Q=q?
©?
F
（nm/s）
1小时
45
0.52
3.5Cv
K10%=1.68
76
2.091045
K5%=2.03
91
2.50375125
K2%=2.48
112
3.08154
6小时
70
0.55
3.5Cv
K10%=1.72
121
5.178699167
3.5Cv
K5%=2.095
147
6.2914775
3.5Cv
K2%=2.585
181
7.746649167
24小时
100
0.53
3.5Cv
K10%=1.70
170
10.39408333
K5%=2.05
205
12.53404167
K2%=2.515
252
15.4077
其中：
对于径流系数，根据资料，工程位于城市郊区，建筑较稀疏的居住区，取
径流系数“=0.45；汇水面积为330亩，即F=330X667=220110rn设计洪峰
流量计算如表中右列
为安全计，按照t=1小时计算，Ht=45mm
3
10年一遇，Q=0.076X0.45X220110/3600=2.09m/s;
20年一遇，Q=0.091X0.45X220110/3600=2.50m3/s;
3
50年一遇，Q=0.112X0.45X220110/3600=3.08m/s。
第一节、调洪演算与方案选择
2.1泄洪方式及水库运用方式
本枢纽拦河大坝初定为土石坝，需另设坝外泄水建筑物。
为宣泄超过水库调蓄能力的洪水或降低库水位，保证工程安全。
土石坝枢纽利用坝肩和坝头的有利地形修建溢洪道，可节省工程量，是一般较常见的布置形式。
2.2防洪限制水位的选择防洪限制水位取与正常限制水位重合，这是防洪库容与兴利库容全不结合的情况，因为防止河流特点暴涨暴落，整个汛期内大洪水随时都有可能出现，任何时刻都预留一定的防洪库容是很必要的。
该方案设计洪水水位236.90m;校核洪水水位为237.47m。
第四章、坝型选择及枢纽布置
第一节、坝址及坝型选择
4.1.1坝址选择
经过比较选择地形图所示冲沟出口处作为坝址。
4.1.2坝型选择
所选坝轴线处河床冲积层较深，两岸风化岩透水性深，基岩强度低，且不完整。
从地质条件看不宜修建拱坝。
支墩坝本身应力较高，对地基的要求也高，在这种地质条件下修建支墩坝也是不可行的。
混凝土重力坝也要求建在较完整的岩石地基上。
本区岩性为第四系全新统人工杂填土、素填土及第四系上更新统粉质黏土、粉土。
根据该地形处的地质条件及材料可以就地取材、就近取材选择土石坝方案：
1）采用机械化施工，施工速度快。
2）可充分利用工地挖方来回填土料场，运距近。
3）由于岩土力学理论、实验手段和计算技术的发展，提高了大坝分析计算的水平，加快了设计进程，进一步保障了大坝设计的安全可靠性。
但土坝1）防洪能力差。
2）两坝肩开挖量大，土方填方量较大。
3）土坝上游坡伸入湖内，所占库容较大。
4）土坝下游坡脚临近深沟，易造成下游边坡不稳。
通过对各种不同的坝型进行定性分析，综合考虑地形、地质条件、建筑材料、施工条件、综合效益等因素，最终选择土石坝方案。
第二节、枢纽建筑物的组成
挡水建筑物：
土石坝。
泄水建筑物：
溢洪道。
第二节、枢纽总体布置
4.1.3挡水建筑物——土坝
挡水建筑物按直线布置，坝布置在冲沟出口处。
第五章、大坝设计
第一节、土石坝坝型选择
影响土石坝坝型选择的因素很多，最主要的是坝址附近的筑坝材料，还有地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理、抗震要求等。
应选择几种比较优越的坝型，拟定剖面轮廓尺寸，进而比较工程量、工期、造价，最后选定技术上可靠，经济上合理的坝型。
本设计限于资料只做定性分析确定土石坝坝型的选择。
均质坝材料单一，施工简单，但坝身粘性较大，雨季施工较为不便，且无足够适宜的土料来作均质坝，故而均质坝方案不可行。
第二节、大坝轮廓尺寸的拟定大坝剖面轮廓尺寸包括坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡、防渗体及排水设备等。
5.2.1坝顶宽度
根据坝顶人行交通及构造要求,确定坝顶宽度为3.0m。
5.2.2坝坡与戗道
坝坡应根据坝型坝高坝的等级坝体和坝基材料的性质,坝所承受的荷载以及施工和运用条件等因素经技术经济比较确定，参考类似土坝工程选取上下游坝坡均为1：
2.0。
由于坝高较低，本设计不设戗道。
5．2.3坝顶高程
根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）第5.3节及附录有关规定,坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和,应按以下4种运用条件计算，取其最大值：
（1）设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；
（2）正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；（3）校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；（4）正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全加高。
当坝顶上游侧设有防浪墙时，坝顶超高是指水库静水位与防浪墙顶之间的高差，但在正常运用条件下，坝顶应高出静水位0.5m，在非常运用条件下，坝顶不得低于静水位。
本设计采用校核洪水位加非常运行条件的坝顶超高，针对该5级坝设计阶段安全超高取0.5m,确定坝顶高程为238.40m。
坝顶结构图
5.2.4坝体排水及反滤层
反滤层一般由1—3层级配均匀，耐风化砂、砾、卵石或碎石构成，每层粒径随渗流方向增加，水平反滤层的最小厚度为3.0m。
反滤层的级配、厚度和层
数都要经过分析比较，选出合理的方案。
本坝的与保护层相邻的第一层反滤层选用粒径合适的干砌石，第二层选用合适的碎石，第三层选用合适的粗砂。
棱体排水可以有效的降低浸润线，排除坝体的渗水和因降雨渗入坝体的雨水，防止坝坡冻胀，保护坡脚不受尾水淘刷，而且有支持坝体增加稳定性的作用，但石料用量大。
费用较高，与坝体施工有干扰，检修也较困难。
贴坡排水构造简单，用料节省、方便施工、易于检修，但不能降低浸润线，且易因冰冻而失效。
坝内排水能有效的降低浸润线，有助于坝基排水，加速软粘土地基的固结，缺点是对不均匀沉降的适应性差，易断裂，且难以检修。
综上所述比较几种排水设备的优缺点，并结合实际工程的条件，本工程选用贴坡排水，同时在下游坝址设排水沟，以排除雨水等。
坝坡和岸坡交接部位也设有排水沟，排水沟是用C20混凝土现浇而成。
第三节、大坝渗流稳定分析
5.3.1渗流计算边界及计算工况
本次选用水库设计坝体断面进行渗流稳定计算，所选断面为冲沟内最大坝高断面。
设计该断面坝顶宽3.0m,上游坝坡平均坡比1：
2.0，下游坝坡平均坡比
1:
2.0，大坝坝高6.64m。
渗流计算选用断面见图5.2—1
图5.2-1渗流计算断面
根据《碾压式土石坝设计规范》（SL27—2001）规定，对以下水位组合的工况进行计算：
a）上游设计洪水位与下游无水：
渗流计算时上游水位为：
设计洪水位236.9m,水深5.14m。
b）上游校核水位与下游无水：
渗流计算时上游水位为：
校核洪水位237.47m,水深5.71m。
表5.2-1主坝各种工况渗流计算参数表
序号
名称
平均渗透系数（cm/s）
平均渗透系数（m/d）
1
大坝筑填
土
6X10"4
0.5184
2
坝基
5X1Q"5
0.0432
（2）渗流计算理论及计算程序
大坝渗流计算采用平面公式法进行，。
由于大坝土体填筑压实，可认为土体
基本固结，采用不可压缩渗流方程，认为土层渗透系数是各向同性的，渗透系数
单位换算成m/日，稳定渗流水头函数满足如下方程:
（5.2-1）
hh、八
（k）（k）=0.x:
x:
y:
y
初始边界：
hyh（x,y）
边界条件：
水头边界：
h|「二h（x,y,t）
二q（h,x,y,t）
流量边界:
式中:
"和I2—流量边界；
q—流量函数；
h—水头函数；
t—时间；
x、y—坐标。
将上述方程采用加权残余法进行离散，用有限元法求解。
有限元网格见下图
5.2—2。
土层渗透系数按各向同性考虑。
图5.2-2渗流计算断面网格图
本次渗流计算程序选用北京理正软件设计研究院编制的《理正岩土系列软件――渗流分析程序》平面有限元法分析大坝渗流，程序功能有：
（1）可处理各种
非匀质土层分布及复杂坝体情况；
（2）可设置给定水头，给定流量，不透水边界等多种边界条件；（3）自动计算浸润线；（4）输出等势线、流线、浸润线各种计算结果曲线等。
（3）渗透坡降计算
渗透坡降计算采用有限元二维渗流方法，取坝体最大断面进行渗透坡降计
h
渗透坡降j计算公式按照达西定律基本公式：
（5.2-2）
L
式中：
J—渗透坡降；
L—渗透途径长度；
△H—上、下游水头差
（4）渗流量及渗流水深计算
参照《水工设计手册》（水利电力出版社）第三卷结构计算，大坝渗流量及
渗流水深采用下列公式计算：
a）不透水地基均质土坝
（5.2-3）
h二H2；L2H；-L
qD
22
Hi-h2
二k
2L
（5.2-4）
b）有限透水地基均质土坝
（5.2-5）
h：
（0.44km3k0）-（0.44qm3k0m3H2）h0-0.44kH；=0
式中：
q—通过坝体及坝基的渗流量；
qo—通过坝体的渗流量，按不透水地基上的均质土坝计算h—坝体渗流量计算中渗流水深；
h°—大坝渗流量计算中渗流水深;
m—排水棱体临水侧坡比；
T—有限透水地基厚度；
H—上游水深；
H—下游水深；
L—渗径；
k—坝体渗透系数，取《地质报告》建议值；
k0—坝基渗透系数，取《地质报告》建议值均值;m—上游坡比。
2渗流分析
a）设计水位
设计水位工况下，理正软件计算过程及结果：
计算项目：
渗流问题公式法1（设计水位）
［计算条件］
土堤顶部宽度b=3.000（m）
土堤顶部高度h=6.640（m）上游坡坡率1:
m1=2.000
下游坡坡率1:
m2=2.000
堤身渗透系数k=0.518（m/d）
上游水位h1=5.140（m）
下游水位h2不透水地基
O.OOO（m）
［中间计算结果］
L=19.280（m）
腖=2.056（m）
浸润线计算公式原点=26.275（m）
浸润线起点x坐标=10.280（m）
浸润线终点x坐标=26.275（m）
注：
中间计算结果的含义参见规范E.2.1条
［最终计算结果］
下游岀逸点高度h0=1.643（m）
单位宽度渗流量q=0.341（m3/d.m）
浸润线计算结果：
X（m）
Y（m）
11.879
4.649
13.479
4.417
15.078
4.173
16.678
3.913
18.277
3.634
19.877
3.333
21.476
3.001
23.076
2.627
24.675
2.191
26.275
1.643
比降计算结果：
下游岀溢点A的比降：
0.447
下游坡脚B的比降：
0.500
图5.2-3设计水位浸润线
1（h、0.25
坝基透水，沿渗出坡面的渗流比降公式：
J—一15，其中m为
边坡，h0是水头，计算所得的最大坡降J=0.060b）校核水位
校核水位工况下，理正软件计算过程及结果：
计算项目：
渗流问题公式法1（校核水位）
［计算条件］
土堤顶部宽度b=3.000（m）
土堤顶部高度h=6.640（m）上游坡坡率1:
m1=2.000
下游坡坡率1:
m2=2.000
堤身渗透系数k=0.518（m/d）
上游水位h1=5.710（m）
下游水位h2=0.000（m）
不透水地基
［中间计算结果］
L=18.140（m）
腖
=2.284（m）
浸润线计算公式原点
=25.224（m）
浸润线起点x坐标=11.420（m）
浸润线终点x坐标：
=25.224（m）
注：
中间计算结果的含义参见规范E.2.1条
［最终计算结果］
下游岀逸点高度h0=2.168（m）
单位宽度渗流量q:
=0.450（m3/d.m）
浸润线计算结果：
X（m）Y（m）
12.8005.123
14.1814.884
15.5614.632
16.9424.366
18.3224.083
19.7023.779
21.0833.447
22.4633.080
23.8442.664
25.2242.168
比降计算结果：
下游岀溢点A的比降：
0.447
下游坡脚B的比降：
0.500
矿H；：
丄"中J,
4rn
/、
二T
图5.2-3校核水位浸润线
（5）计算成果分析
a）计算成果
计算成果统计见表5.2-2及图5.2-3至图5.2-5
表5.2-2渗透坡降和渗流量表
计算工况
水位
逸出点高程
（m）
单位宽度渗流量
（m3/d.m）
上游
下游
设计洪水位
236.9
0
1.643
0.341
校核洪水位
237.47
0
2.168
0.450
b）计算成果的分析
1、临界水力比降
根据实测资料，坝体填筑土性质如下:
表5.2-3填筑土颗粒情况表
沙粒
粘粒
孔隙比
空隙率
0.075~0.005（mm）
小于0.005（mm）
e
n
82.1%
17.9%
0.85
0.459
因为Pc为土的细粒颗粒含量，即Pc=（82.1%+17.9%）*100=100〉100
4（1—n）
=46.211。
故土可能发生的渗透变形属于流土。
临界水力比降的确定，根据《水工设计手册》第十五章第九节确定临界水力比降的理论，所以采用流土计算方法确定。
下面采用两种公式进行计算。
（1）太沙基公式
Jc=（丄-1）（1-n）
=0.757
（5.2-6）
（2）南京水利科学研究所公式
Jc=1.17（」-1）（1-n）
=0.886
（5.2-7）
yy
式中s—土粒容重（当不能直接测定时，一般可采用s=2.65g/cm3）;
yy
—水容重，取=1.0g/cm3；
n
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