武汉大学水工建筑物课程设计报告.docx
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武汉大学水工建筑物课程设计报告
宜宾南溪区牛巷口至坎上房子段
长江防洪堤初步设计说明书
班级：
2014级港航一班
姓名：
学号：
指导教师：
冯晓波
武汉大学水利水电学院
2017年6月
一、综合说明
宜宾市南溪区牛巷口至坎上房子（简称“坎上房子段”）长江防洪堤工程，位于宜宾市南溪区，拟新建护岸工程长度为2.733km。
宜宾市南溪区位于四川省南部，素有“万里长江第一县”之称，2011年经国务院批准成为宜宾百万人口大市的一个新区，幅员面积704km2，总人口42万。
由于历史原因和南溪城区所处的特殊地理位置，历史上洪涝灾害十分频繁。
1950～2005年的56年有20年发生洪涝灾害，平均每两、三年就要遭受长江洪水或县内暴雨洪水不同程度的侵害，为抵御洪水灾害，南溪县人民政府于二十世纪五、六十年代开始，进行了一系列防洪护岸工程建设。
此次牛巷口至坎上房子段长江防洪堤工程将与已有三期工程平顺衔接，共同形成完整的南溪城区防洪体系。
二、水文气象
2.1气象
据南溪县气象站1981～2005年气象观测资料统计，多年平均气温18.1℃，极端最高气温39℃，极端最低气温-1.5℃。
多年平均降水量为974.8mm，多年平均蒸发量为920.2mm，多年平均风速1.7m/s，多年平均年最大风速14.0m/s。
2.2洪水
根据历史洪水调查资料及对李庄站、横江
（二）站、屏山
（二）站、高场（五）站水文资料的插补与延长，分析计算得到相关设计洪水成果。
拟建防洪工程处（建设范围中部）设计洪水成果，见表1。
表1拟建工程处设计洪水水位表
河名
洪水频率
2%
5%
10%
代表断面
工程名称
流量（m3/s）
水位（m）
流量（m3/s）
水位（m）
流量（m3/s）
水位（m）
长江
坎上房子段
57800
267.72
51000
266.22
45600
265.07
上游起点
57800
267.13
51000
265.68
45600
264.57
下游起点
水流的局部冲刷流速取2.5m/s；水流平均流速取3.5m/s。
三、工程地质
3.1工程地质
拟建工程区岩性组成由下至上分别为第四系松散堆积层主要为河流冲积层、残坡积层、崩坡积层及人工堆积层，出露基岩为侏罗系上统遂宁组及中统沙溪庙组地层，现由新到老分述如下。
（1）第四系（Q4）
1）人工堆积层（Q4ml）
主要表现为杂填土及耕植土：
耕植土成分主要是粉质粘土、粉土杂含泥岩，含较多的植物根系，厚0.5m左右；杂填土主要有粉质粘土、砂岩碎块石、卵石、建筑垃圾、生活垃圾及少量工业弃渣，厚0.50～5.00m。
各工点均有零星分布，主要位于城市附近。
其结构松散、凌乱。
2）河流冲积层
工程区河流冲积层主要为漫滩堆积层（Q4al）及阶地堆积层（Q4al），各工点堤防位置均有分布，其中：
漫滩堆积层（Q4al）主要位于近河岸地段，岩性主要为砂卵石，粉细砂，局部地段为粉土或粉质粘土、淤泥质粘土，一般厚3.0～5.0m，最厚达20.00m。
阶地堆积层（Q4al）主要分布于阶地平台之上，岩性主要为含卵石粉土，局部见砂卵石层分布，一般厚10～15m，局部达25m以上。
地表现多为人工构筑物所覆盖。
3）残坡积层（Q4el+dl）
岩性主要为褐黄色、棕红色粉质粘土夹少量砂、泥岩碎块石强风化，可塑-硬塑状，主要分布于山体斜坡地段，厚度较薄，一般厚1.0～4.0m，本次在“翠屏区天池片区防洪工程”起点附近700m范围内以及“宜宾县横江镇防洪工程”局部有揭露，其余几个工段均未揭露。
（2）基岩（J）
工程区出露地层除第四系松散堆积层外，主要出露侏罗系中统沙溪庙组（J2S）地层，本层为紫红色泥岩、粉砂质泥岩间夹粉砂岩，泥岩、粉砂质泥岩呈紫红色，泥质结构，块状构造，由泥质、钙质、铁质组成，钙质多呈团块状，细脉状产出。
粉砂岩呈暗紫色，主要成份为长石、石英、含少量云母及粘土矿物，细至中粒结构，呈薄层状产出。
各工段均有分布，且分布于场地底部，以强风化～中风化为主，强风化厚度一般1.5～1.9m，中风化厚度较大，本次揭露最大为15.6m。
3.2物理力学指标
根据地勘报告的成果，地质各层及土石混合料物理力学参数及开挖边坡坡率分述如下：
（1）人工堆积层：
天然容重取17.0～19.5kN/m3，饱和重度17.8～20.5kN/m3，天然综合摩擦角为11°～19.5°，饱和综合摩擦角为8°～16.5°。
（2）砂卵石：
天然重度为18.5～21.0kN/m3，饱和重度为19.5～21.5kN/m3，天然C=0、φ=28～33°，饱和C=0kPa、φ=25～30°，压缩模量8.59MPa，渗透系数为13.54×10-4cm/s，地基容许承载力300～450kPa（地下水位以上），基底摩擦系数取0.4～0.45。
（3）泥岩：
天然容重25.4kN/m3，强风化地基容许承载力300kPa，基底摩擦系数取0.45；中风化地基容许承载力1500kPa，基底摩擦系数取0.50。
（4）砂岩：
天然重度24.9kN/m3，强风化地基容许承载力450kPa，基底摩擦系数取0.45；中风化地基容许承载力5000kPa，基底摩擦系数取0.50。
（5）土石混合料：
根据区内的岩土特征及护堤可能采用的填筑材料，土石混合料重度20.5kN/m3，饱和重度取21.5kN/m3，天然内摩擦角为30°，饱和内摩擦角为28°，C=7kPa。
（6）条、块、片石料：
天然重度24.5kN/m3，饱和重度24.7kN/m3；中风化砂岩天然抗压强度25.7MPa，饱和抗压强度19.23MPa；抗剪强度C=4.0MPa、φ=42°。
（7）临时边坡坡率取值为：
土层1:
1～1:
1.50、强风化基岩1:
0.5～1:
0.75、中风化基岩1：
0.2～1：
0.3；永久边坡坡率取值为：
土层1:
1.25～1:
1.5、强风化基岩1:
0.75～1:
1、中风化基岩1:
0.3～1:
0.5。
不考虑地震。
四、工程布置及建筑物
4.1设计依据
4.1.1设计基本资料
（1）工程概况：
宜宾市南溪区牛巷口至坎上房子长江防洪堤工程，位于宜宾市南溪区。
宜宾市南溪区幅员面积704km2，总人口42万。
根据《堤防工程设计规范》，该城市为中等城市，防洪标准为2级，重现期为50~100年。
（2）气象：
多年平均风速1.7m/s，多年平均年最大风速14.0m/s。
（3）洪水：
洪水频率为2%时，长江坎上房子段上游起点流量为57800m3/s，水位为267.72m；下游起点流量为57800m3/s，水位为267.13m。
水流的局部冲刷流速取2.5m/s；水流平均流速取3.5m/s。
4.1.2技术规范及文件
《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）
《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）
《防洪标准》（GB50201-94）
4.2防洪标准及堤防等级
4.2.1洪水标准及工程级别
根据已有资料，工程所在地宜宾市南溪区幅员面积704km2，人口42万，是“万里长江第一县”。
查阅《防洪标准》可得，城市人口为20～50万的城市属于中等城市，故其防护区即南溪区的等别为Ⅲ等，防洪标准为100～50年的重现期。
考虑到另一岸均为农田，防护区仅为长江左岸，故这里取下限50年。
根据《堤防工程设计规范》，相应的堤防工程的级别为2级。
4.2.2抗震设防标准
查阅资料可知：
该地区地震大多数为6至7级，但地震对提防的影响不大，不考虑地震对提防安全影响。
4.2.3设计安全标准
根据《堤防工程设计规范》，对于2级堤防工程，不允许越浪的堤防工程安全加高值为0.8m，允许越浪的堤防工程安全加高值为0.4m。
土堤抗滑安全系数正常运用条件为1.25，非正常运用条件为1.15。
防洪墙抗滑稳定安全系数，土基上正常和非正常运用条件分别为1.30和1.15。
4.3堤线布置
4.3.1堤线布置原则
根据《堤防工程设计规范》GB50286—2013的规定，结合本工程河段的实际状况，本工程的堤线布置遵循了如下原则：
①堤线布置应能满足防洪要求，能满足对保护的城市形成封闭的防洪体系的要求；
②按天然河道随地就势，堤线布置力求平顺，并与河道流向相适应；
③对不稳定河岸进行整治，确保河岸安全；
④考虑到施工方便，坡脚高程尽可能不低于枯水期水位，尽可能减少施工围堰和水下抛投工程量；
⑤在满足行洪和河岸稳定的前提下，不占或少占河道行洪面积；
⑥堤线布置尽可能利用有利地形，留有适当宽度的河滩地；
⑦堤线布置与城市建设、交通、港口、取排水、城镇景观绿化等设施平顺结合，增强工程实施的可行性和经济性。
4.3.2堤线确定及堤线方案比选
4.3.2.1堤线拟定
本次设计拟定了两条堤线（见附图堤身平面布置图）。
分别记作A和B。
堤线A的堤脚线高程为256.52m，记为方案A；堤线B的堤脚线高程为252.80m，
记为方案B。
以下将对两条堤线进行设计、计算、比较，最终选取较优方案。
见下图：
图1堤线布置比选平面图
4.3.3.2堤线方案比选
①地形地质条件方面比较：
地形上看，方案A与方案B均基本位于地形陡缓交界处。
地质上看，两方案的堤脚线基本均位于粉土层，但地基应该埋入相对稳定的基岩中。
不同的是，方案B的堤脚线位于黏土层与卵石层交界处，开挖量较小；而方案A的堤脚线位于粉土层中部，开挖量较大。
②布置方案布置：
根据堤线布置原则，堤线应顺应自然河势布置。
两种堤线基本都顺岸线，与大洪水的主流线大致平行。
各堤线间平缓连接，无折线与急弯段。
不同的是，堤线B更加靠近河槽，保护范围更大，但泄洪断面小；相对而言堤线A的泄洪断面更大，留有更多的滩地，但是占用的农田土地较多。
③河道行洪分析：
方案B的面积缩窄率为5.50%，方案A的面积缩窄率为5.47%较大。
两方案的面积缩窄率相近，均在5%左右。
方案B行洪断面宽度较小，同流量下，设计洪水水面线较高，相应的堤高也较高；方案A行洪断面宽度较大，同流量下，设计洪水水面线较低，相应的堤高也较低。
④投资比较：
由以上分析可知，方案B开挖量小，占用农田面积小，堤后大片土地可开发利用，发展经济，但堤高可能较高；方案A开挖量大，占用农田面积大，但堤高可能较低。
综合分析，方案B工程投资较低。
⑤河流景观分析：
相较方案A，方案B的堤线更靠近岸线，堤后土地可修建河流景观工程，增加城市美观度，也可修建亲水平台等供市民亲水休闲。
综上所述，本次设计采用方案A。
堤脚线高程256.52m。
4.4堤型拟定
堤型可以采用三种型式：
全斜坡式、直斜复合式、直墙式。
全斜坡堤身段断面大、且占地面积大；直墙式尽管美观实用、断面及占地面积小，但是造价昂贵。
按照因地制宜，就地取材的原则，根据堤段所在的地理位置、重要程度、堤址地质、筑堤材料、水流及风浪特性、施工条件、运用和管理要求、环境景观和工程造价等因素，经过综合比较，直斜复合式最为合适，因为在提防的一侧有一个陡坡，如果下端为直墙，其稳定性较难满足，所以，此堤段选择直斜复合式堤型。
为了减少占地，节约石材，护坡填土采用挖方后得到的卵石砾石和石渣组成的混合料。
根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013），土堤堤坡需满足施工、管理和稳定的要求。
迎水坡坡面采用干砌石护坡，坡比定为1:
2.5，厚度见后面计算；背水坡坡比1:
2.5。
4.5工程总体布置
工程总体布置包括工程起点、终点，走势、总长度。
工程起点已建有提防，终点为较顺直的河段。
工程段河流总体走势顺直，堤身型式为直斜复合式，脚槽用块石砌筑。
最大堤高为13.11m；
堤顶高程269.63m，堤脚线高程256.52m；
堤身型式为直斜复合式；
护坡采用生态护坡+工程护坡，详见附图（典型堤身横断面图）；
堤顶和堤脚处设有栏杆，下部采用C20砼基座；
4.6防洪治理工程建筑物设计
4.6.1堤顶高程
堤顶高程=设计洪水位+堤顶超高
堤顶超高=设计波浪爬高+设计风壅增水高度+安全加高
防洪堤堤顶高程（方案A、B相同）按下式计算：
Z=Y+h（6-1）
式中：
Y——堤顶超高（m）；
h——设计洪水位（m）。
（1）设计洪水位
根据设计洪水水位表（表2.2-1），为安全起见，本次设计所选取的断面的设计洪水位为上游起点2%洪水频率的水位，即h=267.72m，设计流量取57800m3/s。
（2）坝顶超高计算
根据规范，堤顶超高应按下式计算：
Y=R+e+A（6-2）
式中：
Y——堤顶超高（m）；
R——设计波浪爬高（m），按规范附录C计算确定；
e——设计风壅水面高度（m），按规范附录C计算确定；
A——安全加高值（m），查表确定，本次设计堤防工程级别为2级，且不允许越浪，故取0.8m。
i.波浪要素计算，查阅规范可知计算公式如下：
（6-3）
（6-4）
（6-5）
式中：
H——平均波高（m）；
T——平均波周期（s）；
V——计算风速（m/s），取多年平均最大风速14m/s的1.5倍，即21m/s；
F——风区长度（m），因为资料中缺少主风向条件，故直接取两岸的距离，利用CAD可在平面图中量得约为720.00m；
d——水域的平均水深（m），此处取设计洪水位与河槽底部平均水深的2/3倍：
（267.72-247.00）×2/3=13.81m。
g——重力加速度（取9.81m/s2）；
L——波长（m）。
代入已知数据到式（6-3）和（6-4）计算可得：
H=0.280m，T=2.35s；试算后求得波长L=8.598m。
见下表2。
表2设计波长试算表
波长L（m）
f（L）（m）
L-f（L）（m）
波长L（m）
f（L）（m）
L-f（L）（m）
1
8.59797
-7.597969554
8.5
8.5979695
-0.0979695
2
8.59797
-6.597969554
8.51
8.5979695
-0.0879695
3
8.59797
-5.597969554
8.52
8.5979695
-0.0779695
4
8.59797
-4.597969554
8.53
8.5979695
-0.0679695
5
8.59797
-3.597969554
8.54
8.5979695
-0.0579695
6
8.59797
-2.597969554
8.55
8.5979695
-0.0479695
7
8.59797
-1.597969554
8.56
8.5979695
-0.0379695
8
8.59797
-0.597969548
8.57
8.5979695
-0.0279695
9
8.597969
0.402030519
8.58
8.5979695
-0.0179695
10
8.597969
1.402030945
8.59
8.5979695
-0.0079695
11
8.597967
2.402032866
8.6
8.5979695
0.00203048
12
8.597961
3.402039456
8.61
8.5979695
0.01203048
8.591
8.59797
-0.006969525
8.62
8.5979695
0.02203048
8.592
8.59797
-0.005969525
8.63
8.5979695
0.03203048
8.593
8.59797
-0.004969525
8.64
8.5979695
0.04203048
8.594
8.59797
-0.003969525
8.65
8.5979695
0.05203048
8.595
8.59797
-0.002969525
8.66
8.5979695
0.06203048
8.596
8.59797
-0.001969525
8.67
8.5979695
0.07203048
8.597
8.59797
-0.000969525
8.68
8.5979695
0.08203048
8.598
8.59797
3.04754E-05
8.69
8.5979695
0.09203048
8.599
8.59797
0.001030475
8.7
8.5979695
0.10203048
8.6
8.59797
0.002030476
8.7
8.5979695
0.10203048
ii.设计波浪爬高R
根据规范使用莆田公式计算，且m=2.5在1.5与5.0之间，为单一斜坡，则波浪爬高为：
（6-6）
式中：
m——坡度系数，此处为2.5；
——累积频率为P的波浪爬高（m）；
——为斜坡的糙率及渗透性系数，根据护面类型确定为0.8；
——经验系数，可根据风速V、堤前水深d、重力加速度g组成的无维量
确定，计算得1.85，查表插值后取1.06；
——爬高累积频率换算系数，堤防不允许越浪，爬高累积频率宜取2%，查表后取值2.07；
H——堤前波浪的平均波高（m）；
计算后得
=1.012m
iii.设计风壅水面高度e
计算公式为：
（6-7）
式中：
e——计算点的风壅水面高度（m）；
K——综合摩阻系数，取K=3.6×10-6；
β——风向没有给出，故取0°。
计算得，e=4.22*10-3m≈0.004m。
iv.堤顶超高
Y=R+e+A=1.102+0.004+0.8=1.906m
坝顶高程为
Z=Y+h=1.906+267.72=269.63m
4.6.2堤顶宽度的确定
根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013），2级堤防的堤顶宽度不应小于6m，暂取6m（方案A、B相同）。
4.6.3护坡
本次设计护坡型式为生态护坡+工程护坡。
生态护坡自坝顶（269.63m）向下至分界处（262.87m），上部采用植物草皮，下部采用厚0.15m的碎石垫层。
工程护坡自分界处（262.87m）至堤脚（256.52m），上部采用C20砼+浆砌
块石，下部采用厚0.15m的碎石垫层。
4.6.4堤身填筑
筑堤材料有砂卵石、石渣和土石混合料等，本堤身采用土石混合料，要求耐风化、水稳定性好，且含泥量小于5%。
4.6.5护脚
堤脚处，脚槽底部高程为河槽向下开挖1.86m，脚槽上布置C20碾压砼镇脚和大块石压脚，可就地取材，利用开挖土石料。
详见附图（典型堤身横断面图中脚槽大样图）。
4.7设计计算
4.7.1防冲计算
堤基冲刷深度计算主要包括水流平行于岸坡产生的纵向冲刷和水流斜冲防护岸坡产生的斜向冲刷两种情况，根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）附录D，冲刷深度分别按平顺护岸平行冲刷、斜向冲刷两种情况计算（方案A、B相同）。
（1）水流平行于岸坡产生的冲刷按下式计算：
（7-1）
式中：
——从水面算起的局部冲深（m）；
——冲刷处的水深（m），用设计洪水位与墙脚的差值约为12m；
——平均流速（m/s），3.5m/s；
——河床上允许不冲流速，取不冲流速为1.0m/s；
n——与防护岸坡在平面上的形状有关，一般取n=1/4。
计算得：
=12+0.368=12.368m
（2）水流斜冲防护岸坡产生的冲刷按下式计算：
（7-2）
式中：
——从河底算起的局部冲深（m）；
——水流流向与岸坡交角，由图中可得，堤岸几乎顺着水流流向，故取10°；
m——防护建筑物迎水面边坡系数，即2.5；
g——重力加速度，取9.81m/s2；
d——坡脚处土壤计算粒径（cm）（缺乏资料借鉴其他工程取0.1cm）；
——水流的局部冲刷流速，取2.5m/s。
计算得
=0.446m
（3）结论：
水流平行于岸坡的冲刷深度从水面计为12.368m，从河底计为0.368m；斜冲的冲刷深度为0.446m。
从地质剖面图中可以知道，河道大多位于抗冲性能较好的卵石层。
根据规范，两种方案的挡土墙均将墙趾深入河槽下1m。
4.7.2护坡厚度计算
根据《堤防工程设计规范》（GB50286-98）附录D，计算斜坡堤干砌块石护
坡的护面厚度的公式见下（方案A、B相同）：
（7-3）
式中：
——系数，本次设计中给定的为条、块、片石料，故取0.225；
——块石的重度，由地质资料取24.5kN/m3；
——水的重度取10kN/m3；
H——计算波高（m），由于d/L>0.125，故取
，
=
*2.02=0.566m；
计算得:
=0.138m，为了施工方便，取0.15m。
4.7.3沉降计算
4.7.3.1计算说明
1.由工程地质资料可知，堤身内仅有少量粉质粘土，其余包括填料在内均为可以快速沉降的非粘性土。
所以土层都按非粘性土计算（上层少量粉质粘土视为非粘性土）。
2.由于缺乏孔隙比资料，沉降计算偏安全地仅由自重应力计算。
3.由于
（
——压缩模量，
——变形模量），所以近似取
，是偏安全的；
4.在施工完成之后非粘性土往往可以完成固结沉降，故不考虑堤身内渗流的影响，计算时均按天然重度而非饱和重度计算。
5.由于土层不平整，而过堤顶的铅直线可以看作为剖面平均，故取此处为计算垂面，且将上层填土对下面地基的作用看作矩形荷载，尺寸见计算示意图。
根据经验和已知地质资料，土体部分物理力学性质见表3；
表3土体物理力学性质
土体种类
粉质粘土
粉土
砂卵石
泥质粉砂岩
土石混合料
变形模量（Mpa）
7
15
8.59
200
20
天然重度（KN/m3）
18.5
18.0
21.0
25.0
20.5
4.7.3.2沉降计算过程
将堤防及其下土体分三层。
总沉降量由下式计算：
（7-4）
（7-5）
式中：
——总沉降量，m；
——第n层土层厚度，m；
——第n层土平均自重应力，KPa；
——第n层土变形模量，MPa。
计算简图见附图，具体计算见表4
图2沉降计算简图
表4土体沉降计算表
土层
堤顶以下深度
（m）
土层厚度
（m）
容重
（
）
自重应力
（
）
平均自重应力
（
）
变形模量
（
）
压缩量
（m）
土石混合料
0.0
0.0
0
0
0
1.5
1.5
20.5
30.75
15.38
20.00
0.00
3.0
1.5
20.5
61.50
46.13
20.00
0.00
4.5
1.5
20.5
92.25
76.88
20.00
0.01
6.0
1.5
20.5
123.00
107.63
20.00
0.01
7.5
1.5
20.5
153.75
138.38
20.00
0.01
9.0
1.5
20.5
184.50
169.13
20.00
0.01
10.5
1.5
20.5
215.25
199.88
20.00
0.01
12.0
1.5
20.
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