郑州市新殡仪馆人工湖拦水坝初设报告108.docx
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郑州市新殡仪馆人工湖拦水坝初设报告108
郑州市殡仪馆人工湖工程
初步设计报告
河南华北勘测设计有限公司
二O一一年九月
批准：
张新中
审查：
康迎宾
校核：
罗国杰
编 写：
郭利霞于峙帅
工作人员：
栾晶菁贺烨萌张笑凡杨鹤
1工程概况
郑州市新殡仪馆位于郑州市西南6km三李村，规划面积330亩。
为了创造优美、和谐人文环境及改善循环水质，郑州市殡仪馆，拟在新馆西南角建人工湖一座。
2011年7月，受业主委托，我公司开展了人工湖的初步设计工作。
主要工作有：
（1）工程地形图1：
:
500测量；
（2）工程地质勘察；
（3）工程大坝设计。
（4）编写报告及完成设计图纸。
经过两个多月的勘测设计，2011年9月，完成初步设计报告及图纸。
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6.5m，溢洪道宽度为5m。
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8000m3。
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）分等指标，本工程水库总库容和坝高，工程规模为小
（2）型，建筑物级别为5级。
根据国家《防洪标准》GB50201-94，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。
2水文
2.1气象
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14.4℃，极端最高气温43℃，极端最低气温-19.7℃，年最高气温多出现在7月和8月。
b）降雨：
年平均降雨量640mm，24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100mm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，2004年以前历史纪录最大风速为24米／秒。
2004年6月24日最大风速刷新了历史纪录，瞬时最大风速达到了26米／秒，风力为10级。
2.2设计洪水
2.2.1计算公式
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·ψ·F
q——雨强度；
ψ——径流系数；
F——汇水面积（m2）
表2.2-1径流系数
区域情况
径流系数ψ
备注
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
2.2.2参数选取
2.2.2.1径流系数
工程位于城市郊区，建筑较稀疏的居住区，取径流系数ψ=0.45。
2.2.2.2汇水面积
330亩，F=330×667=220110m2。
2.2.2.3设计雨强
表2.2-2设计频率雨量计算成果表
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
3.5Cv
K5%=2.095
147
3.5Cv
K2%=2.585
181
24小时
100
0.53
3.5Cv
K10%=1.70
170
K5%=2.05
205
K2%=2.515
252
2.2.2.4设计洪峰流量计算
为安全计，按照t=1小时计算，Ht=45mm。
10年一遇，Q=0.076×0.45×220110/3600=2.09m3/s；
20年一遇，Q=0.091×0.45×220110/3600=2.50m3/s；
50年一遇，Q=0.112×0.45×220110/3600=3.08m3/s。
3工程地质
3.1完成工作量
本次地质勘察外业工作自2011年7月20日开始，共投入HT-100型钻机车1台，本次勘察实际完成工作量见表3.1-1。
表3.1-1勘察完成工作量表
项目
工作量
项目
工作量
钻探进尺
180米/9孔
常规实验
42组
原状土
42个
渗透试验
18组
标准贯入试验
40次
颗分液塑限
40组
扰动土
40个
击实试验
6组
定孔测高
9孔次
3.2工程地质条件
3.2.1地形地貌
工程区位于郑州市西南约6km的三李村，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，人工湖大坝坐落在天然宽40m～50m、长50m～60m冲沟内。
3.2.2地震
根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），郑州市抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第二组。
3.2.3地层岩性
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。
3.2.4岩土参数的统计、分析和选用
岩土性质指标的统计，是按划分土层分别进行，在统计中舍弃了个别薄夹层的指标和异常值；各类指标的统计成果中，按规范要求分别列出了参数的平均值、标准差、变异系数、数据分布范围、数据的数量和标准值。
在岩土工程评价或设计计算时，可按不同要求分别选用平均值或标准值。
3.2.5室内试验指标统计
场地内各层土物理性质指标统计时，仅对与工程有关的主要地层进行统计，对第1层杂填土不进行统计，统计结果见表3.2-1。
表3.2-1物理力学性质指标统计表
3.2.6标准贯入试验统计
根据现场标准贯入试验成果，按规范“GB50021-2001”第14.2.2条统计的要求,对标贯成果杆长修正前和杆长修正后分层统计如下表3.2-2。
表3.2-2各土层标贯统计表
层号
类别
n
min
max
Nm
σ
δ
采用值
②
经杆长修正
7
3.7
13.4
7.4
3.7
0.51
4.7
未经杆长修正
7
4.0
16.0
8.0
4.5
0.66
4.8
③
经杆长修正
18
10.4
24.4
17.6
4.7
0.26
15.7
未经杆长修正
18
13.0
29.0
20.2
6.1
0.30
17.7
④
经杆长修正
6
14.2
19.8
16.8
2.5
0.15
14.3
未经杆长修正
6
18.0
26.0
21.8
3.4
0.18
19.9
⑤
经杆长修正
10
15.6
20.6
17.3
4.1
0.23
15.0
未经杆长修正
10
21.0
29.0
23.8
5.7
0.24
20.6
3.2.7水文地质条件
（1）地表水
拟建人工湖冲沟内有新殡仪馆排放的污水被拦挡在沟内，同时拦挡沟上游降雨。
（2）地下水
勘察期间，拟建场地勘探内未见地下水，据区域水文资料表明，地下水埋藏较深，埋深大约在40m左右。
3.2.8不良地质作用及对工程不利的埋藏物
勘察期间在场地及钻孔内未发现对工程不利的古河道、沟浜、墓穴、防空洞、孤石等的埋藏物及对工程安全有影响的诸如岩溶、滑坡、崩塌、塌陷、采空区、地面沉降、地裂等不良地质作用。
3.3场地工程地质评价
3.3.1地层渗透性评价
本次勘探主要针对坝基第③低液限黏土及第④层低液限粉土进行了室内渗透性试验18组。
根据试验结果及郑州市地区经验，拟建场地内涂层均属弱透水层。
渗透系数建议值低液限黏土为5×10-5cm/s；低液限粉土为6×10-4cm/s。
3.3.2各土层承载力特征值及压缩性评价
根据室内试验及现场标贯试验，结合郑州市西南区域地层经验资料，经综合分析后提供各层土的承载力特征值及各土层100～200KPa压力段的压缩模量值，并据此对各层土的压缩性作出评价见表3.3-1。
表3.3-1各层土承力特征值及压缩性评价表
层号
②
③
④
⑤
fak（KPa）
110
220
230
250
压缩模量
Es（Mpa）
6.1
8.7
16.0
10.2
压缩性评价
中
中
低
中
3.3.3场地地震效应分析评价
3.3.3.1场地地震效应
为了准确评价工程场地土类型及建筑场地类别，依据有关规范要求，结合郑州市区域地质经验及场地地层分布情况，估算场地内20m以上等效剪切波速为298m/s，场地覆盖层厚度大于50m，按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）规定，工程场地土类型为中硬场地土，建筑场地类别为Ⅱ类。
3.3.3.2场地抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计特征周期
郑州抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组，故场地设计基本地震加速度为0.15g；由于场地类别为Ⅱ类，按“GB50011-2010”，设计特征周期为0.40s。
3.4工程区土层物理力学参数建议值
根据场地地层情况，浆砌石坝（或挡土墙）基底土层为第③低液限黏土层，坝基中部人工素填土需挖除换填黏性土，浆砌石坝（或挡土墙）基底与坝基土的摩擦系数f建议取0.30。
坝基采用桩基础处理时的桩的有关参数建议值见下表3.4-1。
表3.4-1人工挖孔灌注桩侧阻力和端阻力特征值表
层号
②
③
④
⑤
qsia（kPa）
15
42
35
40
qPa（kPa）
1300
坝基土的抗剪强度指标建议值表3.4-2
表3.4-2各土层的c、φ值建议值表
层号
②
③
④
⑤
快剪
C（kPa）
15
20
15
22
Φ（°）
22
18
24
16
饱和固结快剪
C’（kPa）
11
15
12
16
Φ’（°）
17
8
18
10
3.5湖区及拦水坝主要工程问题分析评价
3.5.1湖岸边坡稳定性问题
根据现场地质调查，湖区蓄水后两侧为7～10m高的低液限粉土近直立边坡，湖区蓄水后坡底受水影响软化易发生滑塌，需改造湖岸边坡，根据场地地层情况和区域地质经验，建议永久边坡1:
1.5。
3.5.2坝基稳定性问题
坝基土层经对第②层素填土挖除处理后，承载力可以满足坝体荷载要求，但需对整个湖区进行稳定性验算，防止湖区整体失稳破坏，不能满足情况下需对湖区进行加固处理。
3.5.3坝体下游边坡稳定性问题
拦水坝建成后，下游约10m左右存在高约14左右陡坎，在对湖区内冲沟回填素填土挖除处理后，经整体验算可行的前提下需对其边坡稳定性进行处理。
由于采用放坡处理受场地条件限制，建议在满足坝体稳定及坝址底部空间满足要求的前提下对下游陡坎采用适当放坡加固的措施，边坡加固可采用土钉墙支护及桩锚支护方案，具体支护方案需另行专门设计。
勘察期间因整平场地，并遇大雨，下游陡坎受积水影响已经被雨水冲出一道沟槽。
湖区建设时应考虑对下游坡体及坡顶、坡脚进行防水处理，以防止雨水对坡体的破坏。
勘察期间坝址东侧陡坎下有已经废弃的窑洞，对将来的湖区稳定有一定影响，建议对窑洞进行加固处理利用或充填封实处理。
3.5.4工程设计和施工中应注意的问题
（1）由于场地第②杂填土厚度较大，对拦水坝稳定性及湖底渗漏影响较大，设计时应充分重视。
根据以往经验，对素填土多进行换填处理。
根据工程实际情况也可以对坝址范围内素填土进行夯实处理；对湖区素填土进行部分换填防渗处理。
必要时对素填土补充进行原位测试。
（2）由于湖区位于冲沟内，对湖岸边坡进行必要的放坡处理，防止湖岸边坡受水影响坍塌；坝址下游约10m的高边坡设计时应注意对其稳定性进行充分分析评价，并采取有效的处理措施，消除其对大坝的影响。
（3）工程施工和使用期间需作好变形观测工作，直至沉降稳定为止。
3.6天然建筑材料
根据设计方案，工程所需砂砾石及块石料量，可直接向市场采购。
另外工程中土料可就近使用，勘察期间对场地内湖岸边坡低液限粉土及其下低液限黏土采取了6组扰动样做击实试验，击实试验成果及统计表见表3.6-1。
表3.6-1击实试验成果统计表
土样编号
岩土名称
最优含水量
Wop
（%）
最大干重度
ρdm
（g/cm3）
压实后的渗透系数（垂直）KV
（cm/s）
R1
低液限粉土
13.9
17.8
9.0E-06
R2
低液限粉土
13.7
17.3
1.1E-05
R3
低液限粉土
13.5
17.4
9.6E-06
平均值
13.7
17.5
9.87E-06
R4
低液限黏土
15.2
18.2
8.7E-07
R5
低液限黏土
15.7
17.9
1.3E-06
R6
低液限黏土
15.0
18.1
9.4E-07
平均值
15.3
18.1
1.04E-06
3.7结论与建议
（1）工程区位于郑州市市西南西南约6km的三李村，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40m～50m、长50m～60m冲沟内。
（2）经钻探查明，本场地在30m深度范围内共分5个工程地质单元层，地层基本稳定，属第四系全新统及上更新统地层，经综合评价，第④层为低压缩性，其余均为中压缩性土。
（3）工程场地土类型为中硬场地土，建筑场地类别为Ⅱ类，工程场地抗震设防烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度值为0.15g，设计特征周期为0.40s。
（4）工程场地附近无活动断层通过，场区是稳定的。
（5）工程区未见地下水，场地内有殡仪馆排放的污水。
（6）拟拦水坝工程优先采用浆砌石坝方案，亦可采用土坝方案砌石天然地基。
（7）施工期间应加强施工验槽工作，发现异常问题应立即会同有关部门协商解决。
4工程任务和规模
新馆位于二七区侯寨乡三李村南（紧挨郑密公路），距离老殡仪馆12公里，规划总征地面积达330亩，是老馆49亩的近7倍。
4.1工程任务
（1）是创造优美、和谐人文环境及改善循环水质的需要。
随着我国改革开放国民经济的发展，人们对环境提出了更高的要求。
在我国传统文化中，风水占有重要的地位，它体现了人性的与自然的和谐，属于科学范畴。
（2）是防止地质灾害的需要
根据2011年7月份实际观测，由于今年雨量较大，据统计2h，下雨达到45mm，殡仪馆东南角天然冲沟，即拟建大坝工程下游坡陡有进一步扩大现象，不仅影响现有已征土地安全，甚至造成更大范围的滑坡地质灾害。
（3）是水土保持的需要
目前陡坡已经是60°左右，随着时间的推移，冲沟如果任其发展，不加以保护，势必会向上游发展，加大水土流失。
4.2工程规模
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6.5m，溢洪道宽度为5m。
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8000m3。
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）分等指标，本工程水库总库容和坝高，工程规模为小
（2）型，建筑物级别为5级。
根据国家《防洪标准》GB50201-94，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。
5工程选址、工程总布置及主要建筑物
5.1枢纽布置
5.1.1坝型选择
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。
同时可以采用混凝土坝方案，因为该方案下坝轴线短，两坝肩开挖量小，坝前不占库容；防洪超泄能力强，除了溢流坝泄流外，特大洪水，挡水坝段也可过水；设计简单，不需要涵管；坝体方量小。
但所需水泥、砂、石料需要外购，运距远。
主要靠人工施工，机械化程度低。
故需对二者进行方案对比分析，选取最优方案。
5.1.2枢纽布置及工程等级
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，冲沟出口处可设为坝轴线位置。
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0.8万m3。
工程等级为Ⅴ级，主要建筑物等级为Ⅴ，次要建筑物级别为Ⅴ级。
5.2土坝坝工设计
5.2.1挡水坝段断面设计
5.2.1.1坝顶高度
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,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Ⅴ级坝设计阶段安全超高取0.5m,确定坝顶高程为238.3m.
5.2.1.2坝顶宽度
根据坝顶人行交通及构造要求,确定坝顶宽度为3m。
5.2.1.3坝坡选择
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。
5.2.1.4大坝渗流稳定分析
（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3m，上游坝坡平均坡比1：
2，下游坝坡平均坡比1：
2，大坝坝高6.54m。
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》（SL274—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236.8m，水深5.04m。
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237.37m，水深5.61m。
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）
1
大坝筑填土
6×10-4cm/s
2
坝基
5×10-5
（2）渗流计算理论及计算程序
大坝渗流计算采用平面有限元法进行,。
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）
初始边界：
边界条件：
水头边界：
流量边界：
式中：
—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算。
渗透坡降J计算公式按照达西定律基本公式：
（5.2-2）
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）
（5.2-4）
b）有限透水地基均质土坝
（5.2-5）
式中：
q─通过坝体及坝基的渗流量；
qD─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；
h0—大坝渗流量计算中渗流水深；
m3—排水棱体临水侧坡比；
T—有限透水地基厚度；
H1—上游水深；
H2—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；
m1—上游坡比。
（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
渗流量（m3/d）
上游
下游
设计洪水位
236.8
无水
0.06
校核洪水位
237.37
无水
0.069
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
0.075~0.005（mm）
粘粒
小于0.005（mm）
孔隙比
e
空隙率
n
82.1%
17.9%
0.85
0.459
因为Pc为土的细粒颗粒含量，即Pc=85>
=46.253。
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
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