土石坝初步设计任务书.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
前言
目录
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•ψ•F
q——雨强度;
ψ——径流系数;
F——汇水面积(m2)
表1径流系数
区域情况
径流系数ψ
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ψ=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14.4℃,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,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40m~50m、长50m~60m冲沟内。
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
γd
(kN/m3)
比重
Gs
孔隙
比
e
液性
指数
IL
塑性
指数
Ip
压缩
系数
(MPa-1)
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、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
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)型。
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9000m3。
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•ψ•F(m3/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ψ=0.45;汇水面积为330亩,即F=330×667=220110m2。
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。
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。
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》(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236.9m,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
6×10-4
0.5184
2
坝基
5×10-5
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)
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。
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=0.000(m)
不透水地基
[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]
下游出逸点高度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)
11.8794.649
13.4794.417
15.0784.173
16.6783.913
18.2773.634
19.8773.333
21.4763.001
23.0762.627
24.6752.191
26.2751.643
比降计算结果:
下游出溢点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
坝基透水,沿渗出坡面的渗流比降公式:
,其中m2为边坡,h0是水头,计算所得的最大坡降J=0.060 b)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] 下游出逸点高度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: 下游出溢点A的比降: 0.447 下游坡脚B的比降: 0.500 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 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=(82.1%+17.9%)*100=100> =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 =0.757 (5.2-6) (2)南京水利科学研究所公式 =0.886 (5.2-7) 式中 —土粒容重(当不能直接测定时,一般可采用 =2.65g/cm3); —水容重,取 =1.0g/cm3; n—土体孔隙率,以小数计。 运用公式()经计算,坝体填土n=e/(1+e)=0.85/(1+0.85)=0.459;临界坡降Jc=0.46。 计算所得的最大坡降J=0.069 上述计算结果表明,大坝渗流稳定满足要求。 5.2.1.5土坝边坡稳定分析 (1)依据资料 a)坝体土的物理、力学指标 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做出评价见表5.2-4。
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