水工课设倪玉芳

武汉大学水利水电学院水工建筑物课程设计指导老师 冯晓波 李典庆姓名：倪玉芳班级：2011级港航二班目 录1.工程概况11.1地理位置11.2兴建缘由11.3水文气象情况11.4工程地质22.工程布置及主要建筑物42.1设计依据42.2工程等级和标准42.3工程总布置4堤线布置4堤型选择5设计计算5方案比选163.附图161.工程概况1.1地理位置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704 km2，总人口42万。1.2兴建缘由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。19502005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。城区河段右岸为陡岸，岸顶地面高程均在290m 以上，无历史洪涝灾害。故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，均布置在左岸，共同形成完整的南溪城区防洪体系。1.3水文气象情况据南溪县气象站19812005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。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1.3-1。表1.3-1 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57800267.7251000266.2245600265.07上游起点57800267.1351000265.6845600264.57下游起点水流的局部冲刷流速取2.5m/s；水流平均流速取3.5 m/s。1.4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0.505.00m。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(液化)，局部地段为粉土或粉质粘土、淤泥质粘土，一般厚3.05.0m，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（挺好）分布，一般厚1015m，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1.04.0m，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1.51.9m，中风化厚度较大，本次揭露最大为15.6m。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18.521.0kN/m3，饱和重度为19.521.5kN/m3，天然C=0、=2833，饱和C=0kPa、=2530，压缩模量8.59MPa，渗透系数为13.5410-4 cm/s，地基容许承载力300450kPa（地下水位以上），基底摩擦系数取0.40.45。（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19.23 MPa；抗剪强度C=4.0MPa、=42。（7）临时边坡坡率取值为：土层1:11:1.50、强风化基岩1:0.51:0.75、中风化基岩1：0.21：0.3；永久边坡坡率取值为：土层1:1.251:1.5、强风化基岩1:0.751:1、中风化基岩1:0.31:0.5。不考虑地震。2.工程布置及主要建筑物2.1设计依据本次设计参考的规范有：防洪标准（GB50201-94）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（GB 50286-2013）碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）水工混凝土结构设计规范（SL191-2008）水工挡土墙设计规范（SL379-2007）；2.2工程等级和标准根据已有资料，工程所在地宜宾市南溪区人口42万，是“万里长江第一县”。查阅防洪标准可得，城市人口为2050万的城市属于中等城市，故其防护区即南溪区的等别为等，防洪标准为10050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。2.3工程总布置2.3.1堤线布置笔者选定了两条堤线（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256.20m，记为方案A；堤线B的堤脚线高程为258.30m，记为方案B。总体而言，两条基本都顺岸线，较为平滑。堤线A更加靠近河槽；相对而言堤线B的泄洪断面更大，但是占用的农田土地较多。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。以下将对两条堤线取同一典型断面（见附图典型堤身横断面图）进行设计、计算、比较，最终选取较优方案。2.3.2堤型选择堤型可以采用三种型式：斜坡护岸、挡土墙+斜坡护岸、挡土墙。斜坡护岸堤身段断面大、且占地面积大；挡土墙尽管美观实用、断面及占地面积小，但是造价昂贵；而在在相同的堤脚线的情况下，挡土墙+斜坡护岸的堤型相对而言占地面积小、需要进行的拆迁移民工作少，而且样式美观、整个堤岸显得整齐划一，成本适中，故采用挡土墙结合斜坡护岸的方式。根据挡土墙设计规范，在中等坚实地基上，挡土高度在6m以上的采用扶壁式，故本设计中采用扶壁式挡土墙。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。迎水坡坡面采用干砌石护坡，坡比定为1:2.0，厚度见后面计算；背水坡坡比1:2。2.3.3设计计算2.3.3.1堤顶高程的确定防洪堤堤顶高程（方案A、B相同）按下式计算：（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1.3-1），本次设计所选取的断面的设计洪水位取比下游起点2%洪水频率的水位较大的值（安全预留），即267.15m，流量仍取57800m3/s。（2）坝顶超高计算根据规范，堤顶超高应按下式计算：（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，且允许越浪，故取0.4m。波浪要素计算，查阅规范可知计算公式如下：（3）（4） （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773 m； 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：（）2/3=13.43 m。 g重力加速度（取9.81m/s2）； L波长（m）。代入已知数据到式（1）和（2）计算可得：H=0.288m，T=2.383 s；试算后求得波长L=8.864m。设计波浪爬高R根据规范使用莆田公式计算，且m =2.0在1.5与5.0之间，为单一斜坡，则波浪爬高为：(6)式中：坡度系数，此处为2.0；累积频率为P的波浪爬高(m)； 为斜坡的糙率及渗透性系数，根据护坡类型确定为0.75； 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1.83，查表插值后取1.06； 爬高累积频率换算系数，堤防允许越浪，爬高累积频率宜取13%，查表后取值1.54； 堤前波浪的平均波高（m）；计算后得设计风壅水面高度e计算公式为：（7）式中：e计算点的风壅水面高度(m)； K综合摩阻系数，取K=3.610-6； 风向没有给出，故取0。计算得，。堤顶超高（3）坝顶高程2.3.3.2堤顶宽度确定根据堤防工程设计规范（GB50286-98），2级堤防的堤顶宽度不应小于6m，在不考虑修建堤上公路和公园的前提下，暂取6m（方案A、B相同）。2.3.3.3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(GB50286-98)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：（8）式中：hB从水面算起的局部冲深(m)； hp冲刷处的水深(m)，用设计洪水位与墙脚的差值约为13m； Vcp平均流速（m/s），3.5m/s； V允河床上允许不冲流速，取不冲流速为1.0 m/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：（2）水流斜冲防护岸坡产生的冲刷按下式计算：（9）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8；m防护建筑物迎水面边坡系数，即2.0；g重力加速度，取9.81m/s2；d坡脚处土壤计算粒径（cm）（由于资料缺乏，借鉴其它堤防设计计算，取0.1cm）；水流的局部冲刷流速，取2.5 m/s。计算得：（3）结论：水流平行于岸坡的冲刷深度从水面计为13.368m，从河底计为0.368m；斜冲的冲刷深度为负值，说明几乎不会被冲刷。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0.8m。2.3.3.4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）：（10）式中：系数，本次设计中给定的为条、块、片石料，故取0.255；块石的重度，由地质资料取24.5kN/m3；r水的重度取10kN/m3；H计算波高（m），由于d/L0.125，故取H4%，计算得0.576m。计算得: 为了施工方便，取0.2m。2.3.3.5沉降计算计算说明：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。故在计算时，不考虑地基中粉质粘土层、粉土层、卵石层及基岩因自身重力的沉降，认为它们固结早已完成，仅考虑在填土的附加应力下，填土自身和地基的沉降，并且将粉质粘土层按照非粘性土计算。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。由于土层不平整，而过外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。因为两种方案的断面稍有不同，故以下将分为两部分说明。根据经验和已知地质资料，土体部分物理力学性质见表2.3-1下：表2.3-1 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）7158.5920020天然重度（kN/m3）18.518.021.025.020.5(1) 方案A计算深度按照计算点处附加应力小于自重应力的0.2倍确定为堤顶下39.0m。计算示意图见图2.3-1；计算详细过程见表2.3-2。图2.3-1 方案A沉降计算示意图表2.3-2 方案A沉降计算表(2) 方案B分层原则同方案A，其它见计算示意图2.3-2和计算表2.3-3。图2.3-2 方案B沉降计算示意图表2.3-3 方案B沉降计算表(3) 结论方案A的最终沉降量为0.343m，方案B的最终沉降量为0.249m。这与方案A比方案B的填方体积更大，高度更大的相符，故在施工时应该预留沉降。2.3.3.6渗流稳定分析计算及堤坡抗滑稳定计算为了计算简便起见，计算采用等厚土层土坡计算，将堤身内填土看为土石混合料，地基看作粉砂质泥岩。由于土石混合料大多来源于挖方的卵石层，故渗透系数取砂卵石的值；其它值均从经验资料或者互联网中取。方案A与方案B均用软件进行计算，计算结果分别见下，由于篇幅过长，部分不重要的计算结果舍去。方案A（1）渗流稳定计算-计算项目： 方案A渗流问题有限元分析-计算简图分析类型: 稳定流坡面信息 上游水位高: 10.950(m) 下游水位高: 1.000(m) 上游水位高2: -1000.000(m) 下游水位高2: -1000.000(m) 坡面线段数 3 坡面线号 水平投影(m) 竖直投影(m) 1 24.594 12.250 2 6.000 0.000 3 24.594 -12.250面边界数据 面边界数 = 3 编号1, 边界类型: 已知水头 节点号: -4 - 0 节点水头高度 10.950 - 10.950 (m) 编号2, 边界类型: 可能的浸出点 节点号: -2 - -5 编号3, 边界类型: 已知水头 节点号: -5 - -3 节点水头高度 1.000 - 1.000 (m)点边界数据 点边界数 = 3 编号1, 边界类型: 已知水头 节点编号描述: -5 节点水头高度 1.000(m) 编号2, 边界类型: 可能的浸出点 节点编号描述: -5 编号3, 边界类型: 已知水头 节点编号描述: -4 节点水头高度 10.950(m)计算参数 剖分长度 = 1.000(m) 收敛判断误差(两次计算的相对变化) = 0.100% 最大的迭代次数 = 30-计算结果:-渗流量 = -0.00000 m3/天（2）堤坡抗滑稳定计算-计算项目： 方案A等厚土层土坡稳定计算-计算简图控制参数: 采用规范:通用方法 计算目标:安全系数计算 滑裂面形状: 圆弧滑动法 不考虑地震计算条件 圆弧稳定分析方法: 瑞典条分法 土条重切向分力与滑动方向反向时: 当下滑力对待 稳定计算目标: 给定圆心、半径计算安全系数 条分法的土条宽度: 1.000(m) 圆心X坐标: 5.000(m) 圆心Y坐标: 12.000(m) 半径: 15.000(m)-计算结果:- 滑动圆心 = (5.000,12.000)(m) 滑动半径 = 15.000(m) 滑动安全系数 = 3.024方案B（1）渗流稳定计算-计算项目： 方案B渗流问题有限元分析-计算简图分析类型: 稳定流坡面信息 上游水位高: 8.850(m) 下游水位高: 1.000(m) 上游水位高2: -1000.000(m) 下游水位高2: -1000.000(m) 坡面线段数 3 坡面线号 水平投影(m) 竖直投影(m) 1 20.406 10.000 2 6.000 0.000 3 20.406 -10.000 面边界数据 面边界数 = 3 编号1, 边界类型: 已知水头 节点号: -4 - 0 节点水头高度 8.850 - 8.850 (m) 编号2, 边界类型: 可能的浸出点 节点号: -2 - -5 编号3, 边界类型: 已知水头 节点号: -5 - -3 节点水头高度 1.000 - 1.000 (m)点边界数据 点边界数 = 3 编号1, 边界类型: 已知水头 节点编号描述: -5 节点水头高度 1.000(m) 编号2, 边界类型: 可能的浸出点 节点编号描述: -5 编号3, 边界类型: 已知水头 节点编号描述: -4 节点水头高度 8.850(m)计算参数 剖分长度 = 1.000(m) 收敛判断误差(两次计算的相对变化) = 0.100% 最大的迭代次数 = 30-计算结果:-渗流量 = -0.00000 m3/天（2）堤坡抗滑稳定计算-计算项目： 方案B等厚土层土坡稳定计算-计算简图控制参数: 采用规范:通用方法 计算目标:安全系数计算 滑裂面形状: 圆弧滑动法 不考虑地震计算条件 圆弧稳定分析方法: 瑞典条分法 土条重切向分力与滑动方向反向时: 当下滑力对待 稳定计算目标: 给定圆心、半径计算安全系数 条分法的土条宽度: 1.000(m) 圆心X坐标: 5.000(m) 圆心Y坐标: 12.000(m) 半径: 15.000(m)-计算结果:- 滑动圆心 = (5.000,12.000)(m) 滑动半径 = 15.000(m) 滑动安全系数 = 3.077结论:根据堤防工程设计规范，堤防工程级别为2级的土堤抗滑稳定安全系数在正常运用条件下应不小于1.25，而两个方案计算得到的安全系数分别为3.024和3.077，均达到抗滑稳定标准。2.3.4方案比选经过计算，方案A与B均具有可行性。总前所述，笔者建议工程采用方案A。3.附图堤身平面布置图1张典型堤身横断面图2张