重力坝毕业设计doc版.docx
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毕业设计
目录
摘要 1
英文摘要 2
第1章设计依据 5
1.1工程等级及建筑物级别 5
1.2设计基本资料 6
1.2.1工程概况 6
1.2.2气象 6
1.2.3水文 7
1.2.4工程地质 8
1.2.5土层承载力特征值 9
1.3工程概况 12
第2章坝型、坝轴线选择及工程总体布置 13
2.1坝型、坝轴线选择 13
2.1.1坝型的选择 13
2.1.2坝轴线的选择 13
2.2工程总体布置 13
第3章坝工设计 15
3.1挡水坝段断面设计 15
3.1.1坝顶高程 15
3.1.2坝顶宽度 16
3.1.3坝坡选择 16
3.1.4坝基渗流及稳定分析 17
3.1.5坝体稳定和应力计算 24
3.1.6基础及边坡处理 33
3.1.7细部结构设计 34
3.1.8重力坝的分缝与止水 37
3.2溢洪道设计 38
3.2.1溢洪道工程布置 39
3.2.2溢洪道水力计算与校核 40
3.2.3溢洪道稳定应力分析计算 42
3.2.4溢洪道交通桥设计 45
3.3坝体下游冲沟护坡设计 45
3.3.1下游冲沟设计 45
3.3.2下游冲沟防护稳定计算 46
3.4人工湖防护边坡设计 48
3.4.1护岸设计 48
3.4.2护岸边坡稳定分析 48
参考资料 55
结语 56
致谢 57
英文文献 59
坝的安全与地震 63
附录 67
摘要
该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）有关规定，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。
本设计的水利水电工程等级为小
（2）型，主要建筑物的级别为五级。
为与同一工程资料的土石坝方案进行方案对比，本设计选用重力坝，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231.8m，最大坝高5.5m；左岸挡水坝坝基最低开挖高程231.8m，挡水坝段上游坝坡1:
0.2，下游坝坡1∶0.7。
该工程人工湖的流量为2.05m3/s,并且重力坝坝高为5.5m，则只需要修建宽顶堰式溢洪道即可宣泄该流量。
为宣泄超过水库调蓄能力的洪水或降低库水位，保证工程安全而修建溢洪道,该小型重力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。
设计中需考虑土质边坡在受到外界环境因素的影响下,极易造成滑塌,特别是库区内边坡，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。
本设计进行了坝址、坝轴线、坝型的选择以及枢纽布置、坝体剖面拟定、稳定计算及应力分析、细部结构设计、地基处理设计、坝体下游冲沟护坡设计以及人工湖防护边坡设计，并最后绘制出设计图纸。
关键词：
溢洪道；土质边坡；稳定计算及应力分析；坝体下游冲沟护坡设计；人工湖防护边坡设计；
1
英文摘要
Abstract
Theprojectislocatedinthe6kmsouthwestofZhengzhouCity,ThreeLicun,theplanningareais330mu.Accordingtothenationalstandard"GB50201-94"floodcontrol,floodcontrolstandardisinaccordancewiththeprovisionsofBinhaiplainregionfor10yearsanddesign,20yearsandcheck.Preliminaryestimates,thelakeareaofabout4mu,about20000m3capacity.Waterconservancyandhydropowerengineeringlevelofthisdesignissmall
（2）,themainbuildingisatlevelfive.
Forcomparisonprogram,thisdesignisgravitydam.Thedesignofgravityretainingdamcrestelevation238.3m,thecrestwidthis3m.Therightbankofdamfoundationexcavationofthelowestelevationis231.8m,Thehighestheightofdamis5.5m,theleftbankofdamfoundationexcavationofthelowestelevationis231.8m,retainingdamupstreamslopeofdamis1:
0.2,thedownstreamdamslopeis1:
0.7.
Theengineeringdataofartificiallakeflowrateis2.05m3/s,andthedamheightis5.5m,weonlyneedtobuildthespillwaytodischarge.Asthestoragecapacityofthereservoirfloodventoverorloweringthewaterlevel,toensurethesafetyoftheprojectandtheconstructionofspillway,thefavorableterrainthesmalldamabutmentandthedamheadhubbyconstructionofspillway,whichcansavetheamountofwork,anditisgenerallymorecommonarrangement.
Inthedesignweneedtoconsiderthesoilslopeareinfluencedbytheexternalenvironmentalfactorsofdesign,extremelyeasytocausethecollapse,especiallyinthereservoirareaslope,reservoirconstructionoroperationperiod,undertheactionofinternalandexternalwaterpressure,andwaterimmersion,soilshearstrengthdecreases,wecanneedforthereservoirslopewithmanagementtoensurethestabilityofsoilslopeandtheengineeringsafety.
Thisdesignwascarriedoutthesiteofthedam,thedamaxis,theselectionofdamtypeandlayout,sectionprofiledevelopment,stablestresscheck,sectionoptimization,detaildesignofstructure,foundationtreatmentdesign,downstreamofthedambodygullyslopeprotectiondesignandman-madeslopeprotectiondesign,anddrawouttherelevantdesignchartatlast.
Keywords:
thespillwaydischarge；thesoilslope;thedownstreamofthedambodygullyslopeprotectiondesign；man-madeslopeprotectiondesign；
第1章设计依据
1.1工程等级及建筑物级别
本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）有关规定，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。
表1-1水利水电工程分等指标
工程等别
工
程
规
模
水库总库容
（亿m3）
防洪
治涝
灌溉
供水
发电
保护城镇及工矿企业重要性
保护
农田
（万亩）
治涝
面积
（万亩）
灌溉
面积（万亩）
供水对象重要性
装机容量（万Kw）
Ⅰ
大
（1）型
≥10
特别
重要
≥500
≥200
≥150
特别
重要
≥120
Ⅱ
大
（2）型
10～1.0
重要
500～100
200～60
150～50
重要
120～30
Ⅲ
中型
1.0～0.1
中等
100～30
60～15
50～5
中等
30～5
Ⅳ
小
（1）型
0.1～0.01
一般
30～5
15～3
5～0.5
一般
5～1
Ⅴ
小
（2）型
0.01～0.001
＜5
＜3
＜0.5
＜1
注：
1.水库总库容指水库最高以下的静库容。
2.治涝面积和灌溉面积均指设计面积。
根据其所属工程等别及其在工程中的作用和重要性分为五级，见表1-2：
表1-2永久性建筑物的级别
工程等别
永久性建筑物的级别
主要建筑物
次要建筑物
Ⅰ
1
1
Ⅱ
2
2
Ⅲ
3
3
Ⅳ
4
4
Ⅴ
5
5
初步估算，湖面面积约4亩，库容约2万m3。
本设计的水利水电工程等级为小
（2）型，主要建筑物的级别为五级。
1.2设计基本资料
1.2.1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）。
1.2.2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，瞬时最大风速达到了26米／秒，风力为10级。
1.2.3水文
1.2.3.1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
式中：
q——雨强度；
ψ——径流系数；
F——汇水面积（m2）
表1-3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
1.2.3.2参数选取
取径流系数ψ=0.45，汇水面积330亩，F=330×667=220110m2。
1.2.3.3设计雨强
表1-4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
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
1.2.3.4设计洪峰流量计算
为安全计算，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。
1.2.4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。
1.2.4.1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。
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。
1.2.4.2地层渗透性
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。
1.2.5土层承载力特征值
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1-5。
表1-5各层土承力特征值及压缩性指标表
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
1.2.5.1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，详见表1-6。
表1-6各土层物理性质指标
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。
1.2.5.2土物理力学指标
表1-7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
表1-8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
1.3工程概况
本工程主要包括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5.5m，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2万m3。
根据国家《防洪标准》（GB50201-94）有关规定，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。
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）有关规定，水利水电工程分等指标及主要建筑物级别，根据本工程水库总库容为2万m3和坝高为5.5m，本工程规模为小
（2）型，主要建筑物级别为5级。
第2章坝型、坝轴线选择及工程总体布置
2.1坝型、坝轴线选择
2.1.1坝型的选择
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，可以选择土石坝方案：
（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，运距较近；但土石坝防洪能力差，两坝肩开挖量大，土方填方量较大，并且土坝上游伸入湖内，所占库容较大，土坝下游坡脚临近深沟，易造成下游边坡不稳。
同时也可以选择混凝土重力坝方案，因为该方案坝轴线较短，两坝肩开挖量小，土方填方量较小；坝前不占库容；防洪超泄能力强，除了溢流坝泄流外，特大洪水时，挡水坝段也可以过水；设计简单，不需要设置涵管；坝体方量小；但所需的水泥、砂、石料需要外购，运距远，需要人工施工，机械化程度低。
本设计为某人工湖挡水坝段设计，其设计方案为混凝土重力坝方案，以便于与同一基本资料设计的土石坝设计方案进行方案比较，从中选择最优方案，此设计是为进行方案优化而选取的。
2.1.2坝轴线的选择
本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。
2.2工程总体布置
本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5.5m，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2万m3。
工程的总体布置方案框架为：
1.重力坝平面布置
本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，坝轴线位置为冲沟出口处。
根据重力坝的剖面尺寸来确定坝顶宽度、坝顶高程、上下游坝坡坡比以及开挖线的布置。
2.溢洪道平面布置
根据本工程建设勘探点平面位置布置图中的等高线、坝区附近的高程以及地形状况来确定溢洪道的位置。
方案1：
将溢洪道布置于重力坝中部，进口为矩形，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，控制端为无坎宽顶堰，堰顶高程236.8m，建基面231.8m。
溢洪道由进口段（6.0m）、控制段（4.5m）、泄槽段（20m）、消力池（5m）组成。
方案2：
将溢洪道布置于重力坝右岸坡上，进口为八字翼墙形，库水经由溢洪道下泄到坝轴线下游的另一冲沟内，溢洪道为正槽式溢洪道，控制端为无坎宽顶堰，堰顶高程236.8m，建基面231.8m。
溢洪道由进口段（6.0m）、控制段（4.5m）、泄槽段（17.7m）、消力池（5m）组成。
方案1、2进行对比，最终选择溢洪道的布置方
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