郑州市新殡仪馆人工湖拦水坝初设报告

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1、郑州市殡仪馆人工湖工程初步设计报告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、

2、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640m

3、m，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GB 50318-2000，雨水量应按下式计算确定：Q=qF q雨强度；径流系数；F汇水面积（m2）

4、表2.2-1 径 流 系 数区 域 情 况径流系数备注建筑稠密的中心区0.600.85建筑稀疏的居住区0.450.60建筑较稀疏的居住区0.200.452.2.2参数选取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=0.45。2.2.2.2汇水面积330亩，F=330667=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)CvCsKp设计雨量(mm)1小时450.523.5CvK10%=1.6876K5%=2.0391K2%=2.481126小时700.553.5CvK10%=1.721213.5CvK5%=2.09514

5、73.5CvK2%=2.58518124小时1000.533.5CvK10%=1.70170K5%=2.05205K2%=2.5152522.2.2.4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=0.0760.45220110/3600=2.09m3/s；20年一遇，Q=0.0910.45220110/3600=2.50m3/s；50年一遇，Q=0.1120.45220110/3600=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

6、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40m50m、长50m60m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

7、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。杂填土（）：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：0.501.40m，平均0.79m；层底标高：231.76234.56m，平均232.69m；层底埋深：0.501.40m，平均0.79m。素填土（）：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：1.609.40m，平均6.57m；层底标高：222.36230.84m，平均225.61m；层底埋深：3.0010.40m，平均7.50m

8、。低液限黏土（+）：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225mm。场区普遍分布，厚度：2.3012.90m，平均7.44m；层底标高：219.91221.66m，平均220.88m；层底埋深：11.7013.40m，平均12.64m。低液限粉土（+）：黄褐色，稍湿，密实，可见锈斑，含少量钙质结核，粒径530mm。场区普遍分布，厚度：2.603.90m，平均3.17m；层底标高：217.16218.36m，平均217.70m；层底埋深：15.6016.70m，平均15.81m。低液限黏土（+）：褐红色，坚硬硬可塑，可见黑斑，含少量钙质结核，粒径335mm。该层未穿透，最大揭

9、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

10、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nminmaxN m采用值经杆长修正73.713.47.43.70.514.7未经杆长修正74.016.08.04.50.664.8经杆长修正1810.424.417.64.70.2615.7未经杆长修正1813.029.020.26.10.3017.7经杆长修正614.219.816.82.50.1514.3未经杆长修正618.026.021.83.40.1819.9经杆长修正1015.620.617.34.10.2315.0未经杆长修正

11、1021.029.023.85.70.2420.63.2.7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低液限黏土及第层低液限粉土进行了室内渗透性试验18组。根据试

12、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510-5cm/s；低液限粉土为610-4cm/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100200KPa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fak(KPa)110220230250压缩模量Es(Mpa)6.18.716.010.2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

13、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）基底土层为第低液限黏土层，坝基中部人工素填土需挖除换填

14、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qsia（kPa）15423540qPa（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、值建议值表 层号快剪C（kPa）15201522()22182416饱和固结快剪C（kPa）11151216()17818103.5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710m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

15、，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

16、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

17、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dm(g/cm3)压实后的渗透系数(垂直)KV（cm/s）R1低液限粉土13.917.89.0E-06R2低液限粉土1

18、3.717.31.1E-05R3低液限粉土13.517.49.6E-06平均值13.717.59.87E-06R4低液限黏土15.218.28.7E-07R5低液限黏土15.717.91.3E-06R6低液限黏土15.018.19.4E-07平均值15.318.11.04E-063.7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40m50m、长50m60m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

19、统地层，经综合评价，第层为低压缩性，其余均为中压缩性土。（3）工程场地土类型为中硬场地土，建筑场地类别为类，工程场地抗震设防烈度为度，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。564 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

20、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

21、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：

22、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

23、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40m50m、长50m60m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。工程等级为级，主要建筑物等级为，次要建筑物级别为级。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

24、非常运行条件的坝顶超高,针对该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5.21。图5.2-1

25、渗流计算断面根据碾压式土石坝设计规范（SL2742001）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610-4cm/s2坝基510-5 （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

26、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5.22。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

27、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

28、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0.069b）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0.0750.005(mm)粘粒小于0.005(mm)孔隙比e空隙率n82.1%17.9%0.850.459因为Pc为土的细粒颗粒含量，即Pc=85 =46.

29、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 （5.2-6）（2）南京水利科学研究所公式 （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)=0.459/(1+0.0.459)=0.315，临界坡降Jc=0.46。2 渗流分析a）设计水位设计水位工况下，理正软件得出的浸润线见下图。图5.2-3 设计水位浸润线坝基透水，沿渗出坡面

30、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=0.060Jc, 下游边坡不会出现渗透破坏。b）校核水位校核水位工况下，理正软件得出的浸润线见下图。图5.2-3 校核水位浸润线计算所得的最大坡降J=0.069Jc,土体稳定。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100200KPa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。表5.2-4 各层土承力特征值及压缩性评价表层号fak(K

31、Pa)110220230250压缩模量Es(Mpa)6.18.716.010.2压缩性评价中中低中根据经验提供场地土的压实性有关指标如下见表5.2-5表5.2-5各土层压实性指标建议值表 物理指标层号最优含水量Wopt(%)最大干重度dmax(g/cm3)压实后的渗透系数垂直KV（cm/s）16.51.74110-517.01.80110-616.51.75110-5说明：其中层为素填土（），层为低液限黏土（+），层为低液限粉土（+），冲沟两侧陡坎上部黄褐色低液限粉土有关指标参照第、低液限粉土有关指标选用。土的压实指标仅为经验数值，实际回填土的有关指标需有试验确定并参照执行。b）坝体断面资料对

32、水库大坝进行稳定安全分析，应选择稳定状态最不利的典型断面进行分析，大坝中部即天然冲沟出口处，冲刷严重又沉降最大，因此选取该处最高断面进行稳定分析。大坝上游边坡为1：2.0，下游边坡为1：2.0，坝顶宽3.0m，最大坝高6.54m。计算选取断面见图5.2-4，大坝结构计算断面图。5.2-4大坝结构计算断面图（2）计算参数选取由地质勘探及土工实验,得出各种材料的力学指标采用情况见下表。表5.2-6材料的力学指标C、值部位非饱和固结快剪饱和固结快剪C(Kpa)(度)C(Kpa)(度)坝体15221117坝基2216.3218坝体各种材料的重度见下表表5.2-7坝体土料的重度部 位重度（g/cm3）饱

33、和重度（g/cm3）坝体16.3718.81坝基18.819.01（3）坝坡稳定分析a）计算原理及依据根据碾压式土石坝设计规范（SL2742001），对大坝采用瑞典圆弧法和Bishop法进行抗滑稳定计算。计算方法：采用北京理正软件设计研究院编制的理正岩土系列软件边坡稳定分析程序。按有效应力圆弧滑裂面法计算大坝边坡稳定，浸润线数据采用大坝渗流稳定分析计算结果，土料强度浸润线以下采用饱和固结快剪平均值，浸润线以上采用原状土不饱和快剪平均值。有效应力圆弧滑裂面法是把空隙压力作为滑裂面上的作用力，以计算坝坡的稳定。其公式为： （5.2-8）式中：K安全系数；渗透压力或空隙压力；库水位及下游水位以下坝体

34、为浮容重，水位降落的浸润线至上游上游水位间的坝体为饱和容重，稳定渗流浸润线至下游水位间坝体为饱和容重；土条底部中点在坝坡外水位以下的深度；水的容重；土条宽度；土条的高度；土条底滑弧长度；土条底部中点至圆心的连线与竖直线的夹角；、有效应力抗剪强度指标，参考水工设计手册可采用固结不排水强度指标。b）孔隙水压力的确定稳定渗流期坝体内的渗流压力分布根据渗流分析计算确定，坝体内某点的孔隙水压力按下式计算： =rwh （5.2-9）式中：rw水容重；h坝体内该点的渗透压力水头。压缩性较大的填土发生水位降落时，将产生附加孔隙压力，计算按设计规范采用了近似的方法确定，即不考虑降落时孔隙压力的消散，对孔隙水压力

35、系数可取近似值，并对土单元总应力的变化根据土条重量变化予以简化处理，得出近似公式： （5.2-10）式中： h1土条底面中点以上填土高度；h稳定渗流期库水流达土条底面中点时的水头损失值，由稳定渗流期的流网确定。c）坝坡稳定分析计算工况根据碾压式土石坝设计规范（SL2742001）的要求，并结合水库的运用情况，稳定分析计算工况为：1、设计工况：设计洪水位236.8m，水深5.04m，下游无水时形成稳定渗流期上、下游坝坡稳定；2、非常工况：库水位校核洪水位237.37m，水深5.61m，下游无水时，形成稳定渗流期上、下游坝坡稳定。d ）坝坡稳定分析成果殡仪馆水库大坝稳定性按级建筑物标准进行核算，根

36、据碾压式土石坝设计规范（SL2742001），采用Bishop法计算时，安全系数应满足：正常情况不小于1.25；非常情况为不小于1.15。瑞典圆弧法计算时，安全系数应满足：正常情况不小于1.15；非常情况为不小于1.06。坝坡稳定最小安全系数见表2-2。经计算，大坝抗滑稳定安全系数见表5.2-8。表5.2-8 坝坡抗滑稳定最小安全系数运用条件工程等级（5级）Bishop法瑞典圆弧法正常运用条件1.251.15非常运用条件1.151.06 稳定计算采用分析采用北京里正软件进行分析，输入大坝断面、各土层的物理力学指标、上下游水位及对应坝体浸润线，假定圆弧滑动的进、出口范围，搜索最危险滑面,计算结果

37、如下表5.2-9 大坝稳定分析结果表计算工况Bishop法计算值规范值基本组合设计水位上游坡2.1841.25下游坡1.3191.25非常组合校核水位上游坡2.3061.15下游坡1.1621.15（4）坝坡稳定分析结论参考水利水电工程等级划分及洪水标准（SL2522000），碾压式土石坝设计规范（SL2742001），采用Bishop法计算坝坡稳定时，级建筑物的容许安全系数为：正常情况1.25，非常情况1.15。坝坡稳定核算结果显示，采用Bishop法计算时，该水库大坝上、下游坝坡，在正常情况下安全系数均大于1.25，在非常情况下安全系数大于1.15。故在规范允许安全系数范围内上游坝坡整体上

38、是稳定的，下游坝坡也是稳定的。5.2.1.6细部结构设计(1) 坝顶构造根据当地材料情况以及考虑到大坝建成后的交通问题，坝顶材料用混凝土铺设路面，厚度大约为0.3m左右，坝顶向上下游的混凝土边侧设预制侧石，可用于作为坝顶混凝土浇筑侧模板，溢流坝段之上由于人行交通需要，布置人行桥，人行桥上有护栏。(2) 护坡上游护坡一般为砌式或堆石，能抵御风浪淘刷，护坡下面应设置碎石或砾石垫层。由国内一些土石坝统一设计，上游护坡厚度为0.3m,下面设厚度为0.15m的砂砾石垫层。下游护坡坡面考虑到建成后对环境的美化，而且要遭受雨水的冲刷、防止坝体的的水土流失以及冻扬、冻胀干裂等因素的破坏作用加之下游坝壳为粘性土

39、，所以下游护坡采用草皮护坡，草皮加其下的腐殖质总厚度约0.3m。 (3) 坝体、面排水和反滤反滤层一般由13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

40、，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。5.2.2溢洪道设计 为宣泄超过水库调蓄能力的洪水或降低库水位，保证工程安全而溢洪道。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。5.2.2.1溢洪道工程布置为使得溢洪道进出水流顺畅，考虑景观需要，溢洪道布置在土坝中间部位，进口

41、为喇叭口，库水经由溢洪道下泄到坝轴线下游的另一冲沟内，溢洪道轴线为直线。溢洪道由进口段（7.83m）、控制段（9m）、泄槽段（70.2m）、消力池（5m）组成。（1）进口段进口段长7.83m，底部采用0.4m 厚混凝土衬砌，衬砌下设置0.1m厚砂砾石垫层。边墙采用混凝土重力式挡土墙，和溢洪道底部衬砌同时浇筑，边墙厚度约0.5m。（2）控制段控制段长9m，为宽顶堰，堰顶高程236.8 m。上部为交通桥钢筋砼结构，桥长6m。桥下部，边墙为重力式混凝土结构，过水净宽5 m。（3）泄槽段泄槽段长70.2m。由于特殊的地形，泄槽段分三段，第一段为倾斜段，为矩形断面，泄槽底采用0.4m厚混凝土及0.1m砂

42、砾石垫层。边墙用混凝土重力式，厚度0.5m，起始于控制端末端，止于坝址处，坡比1:2.0，长度约24.15m，；第二段为直线段，结构材料同第一段，起始于约坝址处，直到处理过的下游深沟陡坎的堆石体之上，长度5m；第三段经由堆石体沿着陡坎直到深沟底，长度42.66m，该段断面也是矩形，底板采用浆砌石衬砌，边墙则采用钢筋混凝土，厚度0.5m。（4）消力池消力池段长5m，消力池底用浆砌石衬砌，设75mm排水孔，间排距1m，梅花形布置。边墙高1.5m，采用浆砌石衬砌，浆砌石临水面用1：2水泥砂浆抹面，厚度为2cm。5.2.2.2溢洪道水力计算与校核(1) 泄流计算（1）泄流能力计算公式如下： (5.2-

43、11)式中：Q流量，m3/s；B溢流堰总净宽，5m； H0计入行近流速水头的堰上总水头，m，H0=H+2/2g；Vs 行近流速，m/s；g重力加速度，m/s2；m宽顶堰流量系数，参考重力坝设计规范选取；侧收缩系数，0.9-0.95；根据以上计算公式得泄流曲线如下表5-4-1表5.2-10 溢洪道泄流曲线计算成果表库水位（m）流量（m3/s）备注236.80开敞式236.90.2809272212370.845610384237.11.677362545237.22.644324113237.33.695555295237.44.857933594237.56.121695991（2）泄槽段掺气

44、后的水深可按下式计算： (5.2-12)式中：h、hb泄槽计算断面的水深及掺气后的水深，m； V不掺气情况下泄槽计算断面的流速，m/s； 修正系数，一般为1.0s/m-1.4s/m。表5.2-11 溢洪道水面线（校核工况，库水位237.37m，Q=2.5m3/s）B（m）h（水深m）Hb（掺气水深m）V （m/s）50.390.441.28经以上计算可知，校核流量情况下，可能的最大掺气水深为0.44m，确定控制段顶部高程为238.3m，泄槽段和进水段的边墙高度为1.5m，可以满足泄洪要求。(2) 消能设施溢洪道建筑物级别为5级，根据水利水电工程等级划分及洪水标准（SL2522000），消能设计

45、标准按20年一遇洪水设计。溢洪道泄洪流量小，采用底流水跃消能，即在泄槽末端布置消力池， 其中末端消力槛高度为0.5m。5.2.2.3溢洪道交通桥设计(1) 设计标准桥梁的主要技术标准如下：（1）坝顶交通桥面宽3.0m。 （2）设计荷载：公路级的0.8倍。(2) 设计原则桥梁设计本着经济、实用，推荐采用混凝土板桥。(3) 桥梁设计a）荷载1）恒载主要包括结构自重、土压力、扬压力等。2）活载包括人群荷载、土侧压力、水压力等。3）偶然荷载地震设防烈度为6度。b）结构布置通过计算，采用C25装配式钢筋简支板，跨度5.5m。其板厚0.250m，宽度3.0m，桥面设镀锌钢管栏杆。桥边墩（泄槽段边墙）厚0.

46、5 m，迎水面垂直，背水面也垂直。5.2.3土坝下游冲沟护坡设计5.2.3.1下游冲沟设计由于人工湖坐落在天然宽40m50m、长50m60m冲沟内，冲沟出口下游10m15m处，另有一深15m20m的深沟，需要研究下游深沟对大坝稳定造成的不利影响。为了防止下游冲沟在建坝后保持稳定，需要对其进行防护。由于下游冲沟很陡，坡比约1:0.334，在上游坝体及渗流作用下若不采取防护措施，很容易导致整体滑坡，危机大坝安全，故初步设计防护措施如下：冲沟底部清除表层的杂土树根，顺底坡先以填土夯实填筑，上面铺设砂砾石做为反滤层，再辅以堆石，堆石表面用浆砌石护面。堆石堆置使得护坡成1:1.5的坡度。5.2.3.2冲

47、沟防护稳定计算（1）分析工况设计工况：设计洪水位236.8m，水深5.04m，下游无水时形成稳定渗流期下游护坡稳定分析；非常工况：库水位校核洪水位237.37m，水深5.61m，下游无水时，形成稳定渗流期下游护坡稳定分析。（2）滑裂面形式对于整体分析研究，上下游坝坡及下游边坡均为曲线滑裂面。采用圆弧法进行稳定计算，所取分析断面为治理之后的标准断面见下图。图5.2-5 标准断面图（3）计算原理及计算参数计算原理同5.2.1.5节，采用北京理正软件设计研究院编制的理正岩土系列软件边坡稳定分析程序。按有效应力圆弧滑裂面法计算大坝边坡稳定，浸润线数据采用大坝渗流稳定分析计算结果，土料强度浸润线以下采用

48、饱和固结快剪平均值，浸润线以上采用原状土不饱和快剪平均值。土体相关计算参数见表表5.2-12 堆石相关参数重度（g/cm3）饱和重度（g/cm3）粘聚力(Kpa)内摩擦角(度)2324045（4）计算结果分析表5.2-13 整体稳定分析结果表计算工况瑞典圆弧法计算值规范值基本组合设计水位1.4331.15非常组合校核水位1.4321.06从计算结果可知，该水库大坝下游冲沟经护坡之后，在正常情况下安全系数均大于1.15，在非常情况下安全系数大于1.06。故在规范允许安全系数范围内下游冲沟边坡是稳定的，整体稳定。5.2.4人工湖防护边坡设计土质边坡在受到外界环境因素的影响下,极易造成滑坍,特别是库

49、区内边坡，水库施工或运行期，受内水和外水压力作用，加之湖水浸泡，土体抗剪强度降低，需要对库区内边坡加以治理以保证土质边坡的稳定性以及工程安全。5.2.4.1 护坡设计库区内边坡失事可能影响水库安全运行，按照水利水电工程边坡设计规范DLT5353-2006，边坡级别为级。库区内所有边坡都需要进行处理，自下而上分两级支护（防护），过渡段设置宽3m-7.51m的平台，平台高程同坝顶，为238.3m。第一级自库底采用浆砌石护坡，下设0.2m厚的砂砾石垫层，护坡底部宽度为1.78m，嵌入库底以下0.5m，内坡1.0:1.0，外坡1.0:1.2,。平台顶上也采用浆砌石防护，浆砌石厚度0.4m，其下砂砾石垫

50、层厚0.2m。第二级护坡内外坡度均为1.0:1.0，衬砌厚度0.4m，底下垫层厚0.2m。具体见设计图所示。5.2.4.2 边坡稳定分析对边坡进行贴坡护面，分级护面可以看成贴坡式挡土墙，需要对其进行抗滑稳定计算和抗倾覆稳定计算，但护面作为贴坡式挡土墙，整个墙身斜窝在土坡上，承压面积大，土压力相对小，因此可只进行抗滑稳定计算，在抗滑稳定满足要求后，可不必再验算基底压力。抗滑稳定验算按照下式进行： (5.2-13)其中f为墙底与地基之间的摩擦系数，按照水闸设计规范取为0.25，为所有垂直荷载之和，kN；为所有水平荷载之和，KN。对边坡用贴坡式挡土墙进行加固处理，该挡土墙依照水工挡土墙设计规范为5级

51、，特殊组合荷载时的抗滑稳定安全系数为1.05。施工期特殊荷载组合为自重，土压力、岸边外水压力等，在这些荷载作用下，采用熊启钧的自编小程序，对库区第一级边坡进行稳定分析，所取计算断面为开挖后的基本断面，见设计图。在特殊荷载组合情况下，其中外水荷载取库区正常水位的约1/3，计算结果见图 ：图5.2-6 边坡稳定计算结果图由结果可以看出，计算所得的抗滑稳定安全系数为1.265，大于允许安全系数1.05，该边坡设计满足规范要求。5.3混凝土坝坝工设计5.3.1挡水坝段断面设计5.3.1.1 坝顶高度 坝顶高程根据混凝土重力坝设计规范（SL319-2005）有关规定要求，坝顶应高于校核水位，坝顶上游防浪

52、墙顶的高程与正常蓄水位或校核洪水位的高差按下式确定，并选高者作为选定高程：h = h1% + hz + hc式中： h防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差（m）；h1%累计频率为1%的波高（m）；hz波浪中心线至正常或校核洪水位的高差（m）；hc安全超高，正常蓄水位工况0.4m，校核洪水位工况0.3m。 h1%和 hz按照水工建筑物荷载设计规范（DL 5077-1997）进行计算。 按照上式，坝顶高程取为238.3m。5.3.1.2 坝体布置挡水坝段坝顶高程238.3m，坝顶宽度3m。右岸挡水坝坝基最低开挖高程231.76m，最大坝高6.24m；左岸挡水坝坝基最低开挖高程231.76m，挡水

53、坝段上游坝坡1:0.2，下游坝坡10.7。5.3.1.3坝基面稳定和应力分析混凝土重力坝坝体稳定采用抗剪强度公式计算，坝基应力采用材料力学法计算，计算公式按照混凝土重力坝设计规范（SL319-2005）采用。(1)抗剪强度的计算公式 （5.3-1）式中：按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数； 作用于坝体上全部荷载对滑动平面的法向分力，kN；作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分力，kN；（2）坝基面的垂直应力的计算公式： （5.3-2）式中：坝踵、坝趾垂直应力，Mpa； 作用于1m坝长上全部荷载在坝基截面上法向力总和，kN； 作用于1m坝长上全部荷载对坝基截面

54、形心轴的力矩总和，kN.m；A1m坝长的坝基截面积，m2；x坝基截面上计算点到形心轴的距离，m；J1m坝长的坝基截面积对形心轴的惯性矩，m4。（3）计算采用指标按照开挖后坝体建于素填土之上,摩擦系数取0.25，坝基面抗剪断强度见表5.3-1。表5.3-1 各土层的c、值建议值表层号快剪C（kPa）15201522()22182416饱和固结快剪C（kPa）11151216()1781810（4）荷载组合 在设计重力坝剖面时，应按照承载能力极限状态计算荷载的基本组合和偶然组合。荷载组合有：正常蓄水位情况、设计洪水位情况、冰冻情况；偶然组合有：校核洪水情况、地震情况。设计时应对这五种情况分别进行计

55、算。由于近场区可能存在发生6级地震的背景，不考虑地震荷载，本次设计仅选取设计洪水位和校核洪水位情况进行荷载分析计算。表5.3-2 计算工况及荷载组合表荷载组合计算工况上游水位（m）下游水位（m）荷 载自重静水压力扬压力浪压力淤沙压力基本组合设计洪水位236.8无水特殊组合校核洪水位237.5无水 （5）坝体稳定及应力计算结果 挡水坝段沿坝基坝体稳定和应力计算结果见表5.3-3，均满足混凝土重力坝设计规范。表5.3-3 挡水坝段坝体稳定及应力计算结果计算工况抗滑稳定安全系数应力(Mpa)k k坝踵规范要求坝趾地基允许压应力基本组合设计洪水位1.761.050.09100.0510.110.23特

56、殊组合校核洪水位1.351.00.08500.0540.110.235.3.1.4 细部结构设计(1) 坝体混凝土材料及分区根据混凝土重力坝设计规范（SL319-2005）的要求及本工程的实际情况，按照坝体不同部位的工作条件和环境条件进行混凝土材料分区，见表5.3-4。表5.3-4 挡水坝段坝体材料分区表部 位混凝土类型指 标大坝内部常态混凝土C20W2迎水面钢筋混凝土C20 W4基础常态混凝土C20 W4垫层常态混凝土C10W4(2) 基础及边坡处理由于坝址处地震等级较低，对基础和边坡处理可适当放低。a）基础开挖根据坝高情况，按照混凝土重力坝设计规范（SL319-2005），建基面可择在弱风化上部基岩上，该坝址