长沙县干杉乡王家冲水库除险加固工程设计

长沙县干杉乡王家冲水库除险加固工程设计摘 要：干杉乡王家冲水库运行多年，工程存在老化、自然侵蚀等问题。为了保障王家冲水库的正常蓄水与安全运行，其除险加固工程势在必行。通过充分了解干杉现状，本次除险加固设计结合王家冲水库的实际情况展开，设计的主要对象为大坝、溢洪道与输水建筑物。王家冲水库在除险加固后，不仅会缓解干杉水资源短缺问题，还可通过从多渠道中发展多种经营，为当地的发展带来显著的经济效益与社会效益。关键词：干杉乡；王家冲；水库；除险加固The Design of Danger Removal and Consolidation of Sick and Dangerous Reservoir of Gansha Village in Changsha CountyAuthor: Chen GangTutor: Huang Lijun(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract: Wangjiachong reservoir in Gansha village has always been used for many years,so the engineering exists many problems ,such as aging and natural erosion and so on. The danger removal and consolidation of sick and dangerous reservoir is a necessary security for normal water storage and safe operation of Wangjiachong reservoir. With understanding the actual situation of Gansha village,this design accords with engineering actual situation of Wangjiachong reservoir and the objects of this design are dam、spillway and water conveyance structure. After removing sick and reinforcing, Wangjiachong reservoir will play a important role in remitting water crisis and improving local benefits of economy and society obviously by various running in many ways.Key words: Gansha village; Wangjiachong; reservoir; danger removal and consolidation of sick.1 前言2011年1月29日，中共中央国务院关于水利改革发展的决定正式公布，这是新世纪以来中央第八个一号文件，也是新中国成立62年以来中共中央首次系统部署水利改革发展全面工作的决定。在国家政策的强势影响下，农村水利建设迎来了春天。就我国农田水利建设整体现状来看，水库的除险加固无疑是比较具有现实意义且急需解决的重要课题，因为我国农村的大部分水库都是上世纪七八十年代修整的，水库由于长期的运行，其工程都不同程度地出现了老化、人为破坏、自然侵蚀等现象。不仅如此，部分水库的防洪标准偏低，达不到现行有关规范、规定的要求，有的水库则是其本身工程质量差；大量的病险不仅造成水库不能正常运行，发挥不出其效益，而且还严重威胁到当地居民的生命财产安全。2 概述2.1 工程概况王家冲水库位于长沙县干杉乡新建村，地理坐标为东经1131035.9，北纬28723.0，坝趾距干杉乡政府约4km，距星沙区约15km，有土质公路通向坝顶，交通较便利。水库位于榨山港流域，集雨面积约0.23km，总库容15万m，是一座以灌溉为主，结合防洪、养殖等综合利用的水库。根据防洪标准GB50201-94及水利水电工程等级划分及洪水标准SL252-2000的相关规定，王家冲水库总库容为15.0万m3，为小型水库，工程等别为等，主要建筑物为5级，次要建筑物为5级。枢纽工程由大坝、溢洪道、输水涵洞等建筑物组成。大坝为心墙土坝，坝顶高程58.0m。最大坝高11.93m，坝轴长125m，坝顶宽4m。大坝上游坝坡分为两段，上段坡比:1：2.3，下段至坝底，坡比为1:3.5。高程55.5m以下采用现浇砼护坡，高程55.5m至坝顶长满杂草。大坝上游砼护坡局部破损，伸缩缝内生长杂草。下游坝坡坡比为：1:2.1，下游坝坡杂草及灌木丛生，局部有渗漏。下游坝趾有堆石棱体，块石风化严重，导滤作用明显降低。溢洪道位于大坝右侧山体内，为正槽开敞式溢洪道，堰顶高程为56.49m，堰顶宽0.5m，溢洪道冲刷损毁严重，两侧杂草丛生；下游段无消能防冲设施；泄洪渠尺寸偏小且破损严重。输水涵洞位于大坝左侧，为0.2m*0.2m浆砌石箱涵，进口高程为46.65m，出口高程为44.22m，为斜拉闸门形式放水，启闭设备已坏，无法正常使用。输水涵洞出口直接与灌溉渠道相接，现灌溉渠道淤塞严重。输水涵洞现漏水严重。王家冲水库于1958年建成，现水库保护下游人口500人，灌溉耕地面积约1000亩。由于当时施工质量难于控制，工程质量达不到设计要求，多年来险情不断。水库带病运行，严重削弱水库灌溉能力，水库运营五十多年，存在安全隐患，需进行除险加固。2.2 存在的主要问题、大坝坝体渗漏严重，大坝外坡50m高程位置有散浸；坝上游坡为混凝土护坡，情况良好，下游坝坡不平整，杂草丛生，下游坝坡二种工况安全系数均小于规范要求的安全系数，表明下游坝坡不稳定；下游坝坡排水棱体风化破损,完全失去作用。、输水涵输水涵洞为箱涵，尺寸为0.2*0.2m，涵洞进口端淤积严重，涵洞渗水严重，启闭设备老化，锈蚀严重，不能正常工作。、溢洪道溢洪道过流断面不足，不满足泄洪要求，溢洪道冲刷损毁严重，两侧杂草丛生；下游无消能防冲设施；泄洪渠尺寸偏小且破损严重。、其它大坝防汛通讯、交通管理设施落后；大坝无安全监测设施。2.3除险加固的必要性安全评价报告中：根据水库大坝安全评价导则（SL258-2000）规定的大坝安全分类具体标准，对王家冲水库大坝等工程的安全进行了全面的分析及论证，论证结论王家冲水库大坝为三类坝。由安全评价报告可知：根据水库大坝安全评价导则（SL258-2000）规定，王家冲水库大坝工程质量综合评价为不合格。水库工程险情较严重，存在的问题较多，为使工程能正常运行，充分发挥其经济和社会效益，确保当地人民生命财产安全，水库除险加固工程的建设已是一项十分必要和紧迫的任务。因此，急需对王家冲水库大坝工程进行除险加固。3 水文3.1 气象情况王家冲水库属亚热带季风气候地区，四季分明，具有明显的低温多雨，温差较大，降雨集中的特点。根据长沙水文站的实测资料分析，多年平均气温16.9C，月平均最高气温25.2C(7月份)，多年平均降雨量1380mm。全年降水主要集中春、夏两季（38月），占年雨量71%，46月更集中，占年雨量的45%。据长沙市水利志历年最大一日降水量为224.3mm(1969年8月10日)，三天连续降雨337.1mm(1969年8月10日至12日)。根据长沙市气象局1959至1982年资料，长沙市汛期多年平均最大风速为15m/s，每年平均出现风速大于或等于17m/s的大风9次，风向北向，最多年份19次（1972年，最大风速28m/s）。3.2 设计暴雨根据水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）的有关规定，王家冲水库工程规模为小型水库，属等工程，其主要建筑物为5级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级；以此依据防洪标准GB50201-94规定，确定本次计算的洪水标准为：大坝按20年一遇设计，200年一遇校核，消能防冲建筑物按10年一遇。由于水库所在河流无水文测站，无实测水文资料，建库后水库管理所也没有开展入库流量观测，为无资料区。故不能直接采用雨量资料统计推求其设计洪水。本次利用水库所在位置的地理坐标，按无资料地区洪水计算方法，采用我省暴雨洪水查算手册（1984年版）设计暴雨的时程分配和净雨过程。以下按暴雨洪水查算手册有关图表查算过程：、根据王家冲水库所在地理位置查图三、图四得流域中心点暴雨量H24点及变差系数Cv，根据设计频率P和偏态系数Cs=3.5Cv，按皮尔逊型曲线查得模比系数Kp，则设计频率下点雨量：H24点=H24点Kp。、查图一知水库所在的暴雨一致区号为第七区，根据集雨面积F，查图22，得雨量折算系数，则设计频率下24小时面暴雨量：H24面=H24点。、求设计暴雨24 小时降雨时程分配： 按以下公式： 16 小时用： H1=H24面24n3-16n2-n3 （1） H3=H24面24n3-16n2-n331-n2 624小时用： H6=H24面24n3-161-n3 （2） H12=H24面24n3-1121-n3 H24=H24面 按表（9）概化雨型时程分配表的百分数，即可计算出二十四小时暴雨的时程分配。、设计净雨过程计算： 查图四十，知水库所在河流属于产流分区一区，得初损雨量I0=30mm，扣除初损，得时段地表径流深： R上=R总径流系数 （R总：总径流） （3） 利用我省“暴雨洪水查算手册”推求24小时设计暴雨，成果见表1。表1 水库设计暴雨成果表Tab 1 Results of design storm on reservoir in tableP(%）项目0.55.010.0备 注Kp2.791.881.601.统计参数H24点=105mmCv=0.45Cs=3.5Cv H24点(mm)292.95197.4168H24面(mm)292.89197.36167.9N20.5800.6260.644N30.7830.7920.7952.点面关系数=0.99983.初损I0=30mmH1(mm)101.0575.9466.35H3-H1(mm)59.6138.7431.85H6-H3(mm)56.0834.1327.45H12-H6(mm)33.6823.619.28R总(mm)262.89167.36137.90.750.750.75R上(mm)197.03125.5103.43.3 设计洪水3.3.1 洪峰流量及洪水过程线推求求洪峰流量Qm及汇流时间根据流域地理参数，用公式计算 m0.145，得m0.28参照暴雨洪水查算手册，采用全面汇流公式：（4）试算得： Q0.5%=4.51m3/s 0.5%=1.2小时Q5%=3.22 m3/s 5%=1.3小时Q10%=2.69m3/s 10%=1.4小时3.3.2 入库洪水总量公式：Wmp=R总PF1000 （5）P=0.5% Wmp=262.890.231000=6.05万m3P=5% Wmp=167.360.231000=3.85万m3P=10% Wmp=137.90.231000=3.17万m3式中：Wmp为入库洪水总量，F为水库控制流域面积 R总p为当P=0.5%或P=5%或P=10%时，入库洪水的总径流深，单位为mm。综上所述，当洪水为10年一遇设计时，入库洪水为3.17万m3；当洪水为20年一遇设计时，入库洪水为3.85万m3；当洪水为200年一遇校核时，入库洪水为6.05万m3。表2 王家冲水库二百年一遇校核洪水过程线计算表Tab 2 Calculation table on the flood process line checked two hundred years once of wang jiachong reservoirti/tiQi/QmQiQi+Qo0.50.60.10.4510.45711.214.514.5161.51.80.452.02952.035522.40.241.08241.08842.530.120.54120.547233.60.060.27060.27663.54.20.030.13530.141344.8000.006说明：（1）Qo= 0.026F为全省洪水基流回加经验公式，Qo=0.026*0.23= 0.006（2）表中ti各栏，以=1.2乘ti/各栏求得 （3）表中Qi各栏，以Qm=4.51乘Qi/Qm各栏求得 (4）Qi+Qo为设计洪水过程以Qi加基流Qo求得表3 王家冲水库二十年一遇校核洪水过程线计算表Tab 3 Calculation table on the flood process line checked twenty years once of wang jiachong reservoirti/tiQi/QmQiQi+Qo0.50.650.10.3220.32811.313.223.2261.51.950.451.4491.45522.60.240.77280.77882.53.250.120.38640.392433.90.060.19320.19923.54.550.030.09660.102645.2000.006说明：（1）Qo= 0.026F为全省洪水基流回加经验公式，Qo=0.026*0.23= 0.006（2）表中ti各栏，以=1.3乘ti/各栏求得 （3）表中Qi各栏，以Qm=3.22乘Qi/Qm各栏求得 (4）Qi+Qo为设计洪水过程以Qi加基流Qo求得表4王家冲水库十年一遇校核洪水过程线计算表Tab 4 Calculation table on the flood process line checked ten years once of wang jiachong reservoirti/tiQi/QmQiQi+Qo0.50.70.10.2690.27511.412.692.6961.52.10.451.21051.216522.80.240.64560.65162.53.50.120.32280.328834.20.060.16140.16743.54.90.030.08070.086745.6000.006说明：（1）Qo= 0.026F为全省洪水基流回加经验公式，Qo=0.026*0.23= 0.006；（2）表中ti各栏，以=1.4乘ti/各栏求得；（3）表中Qi各栏，以Qm=2.69乘Qi/Qm各栏求得；（4）Qi+Qo为设计洪水过程以Qi加基流Qo求得。图1 设计洪水过程线示意图Fig 1 Schematic picture of design flood hydrograph3.4 调洪演算溢洪道位于主坝右岸山垭口，堰型宽顶堰，原设计为无闸控制的开敞式宽顶堰，堰顶高程56.5m，堰顶宽2.5m。设计保持堰顶高程，宽度扩宽，控制段为宽顶堰，长度为5m。按以下调洪原则进行调洪演算：以56.5m为起调水位，自由下泄洪水，其它输水设施不参与泄洪。3.4.1 调洪演算的基本原则根据王家冲水库的具体情况，调洪演算遵循以下两条原则：第一，除溢洪道以外，其它输水设施（如灌溉涵）均不参与泄洪；第二，起调水位（正常蓄水位）56.5m以上来多少洪水泄多少洪水。采用水量平衡方程，求得不同设计入库洪水过程的最高库水位以及相应的库容和下泄流量。第三、外引水不入库。水位高程系为黄海系统。3.4.2 调洪演算的基本方程水库库容与入库流量以及出库流量之间相互联系，相互影响，它们之间的关系可以用水量平衡方程来表示。若用Qi和Qi+1表示i时段和i+1时段的入库流量，用qi和qi+1表示i时段和i+1时段的出库流量，用V表示i时段和i+1时段的库容增量（即V=Vi+1 -Vi），用t表示时段长度，则水量平衡方程为： （6）式中：Q入库流量（m3/s）； q出库流量（m3/s）； t时段长；V库容增量（万m3）；V水库库容（万m3）； i时段编号。3.4.3 调洪演算的基本资料（1）设计入库流量过程线王家冲水库没有进行实测入库流量资料，入库流量过程线是根据湖南省暴雨洪水查算手册查算的，详见表2、表3、表4和图1。（2）水库水位-库容曲线实查水库地形图（1：1000）得水库库内水位库容关系，详见表5，水位库容关系曲线见图2。（3）泄流曲线王家冲水库溢洪道为堰流，泄流量根据宽顶堰的流量公式计算，公式如下：Q=mBH03/2 （7）式中：Q流量（m3/s）； 侧收缩系数；取=1.0 m流量系数；取m=0.35 B堰顶宽度（m）；取B=2.5经计算，结果如表6和图3。表5 王家冲水库水位-库容关系表Tab5 Water level of wang jiachong reservoir - volume table水位(m)库容(万m3)水位(m)库容(万m3)水位(m)库容(万m3)46.560.250.564.154.5610.047.560.951.565.655.5611.648.561.752.567.056.513.249.562.853.568.557.315.0图2 王家冲水库水库水位库容曲线图Fig 2 Curve graph on the water level and volume of wang jiachong reservoir表6 王家冲水库水位-泄流流量关系表Tab 6 Water level of wang jiachong reservoir - relation table of discharge flow 编 号上游水位 (m)堰上水头 (m)泄洪流量 (m3/s)下游出流条件156.500自由出流257.560.10.12自由出流358.560.20.35自由出流459.560.30.64自由出流560.560.40.98自由出流6570.51.37自由出流757.10.61.8自由出流857.20.72.27自由出流957.30.82.67自由出流1057.51.03.87自由出流1157.61.14.47自由出流图3 王家冲水库水位-下泄流量关系曲线图Fig 3 Discharge curve on water level of wang jiachong reservoir3.4.4调洪演算的方法及结果根据调洪演算的基本原则和王家冲水库库容曲线、泄流曲线以及入库流量过程线，利用调洪演算的基本方程，求得王家冲水库200年一遇、20年一遇、10年一遇调洪演算结果，见表7。表7 调洪演算结果Tab7 The results of flood regulating calculation频率(%)起调水位(m)最高水位(m)相应库容(万m3)相应下泄流量 (m3/s)0.556.557.3152.67556.557.1813.782.171056.557.0813.01.71水库水位特征值如下：水库正常蓄水位：56.5m水库设计洪水位(P=5%）：57.18m水库校核洪水位(P=0.5%）：57.3m本次调洪演算成果与以往成果及水库所在区域的其他水库资料比较，是较为合理的，推荐采用本次复核成果。3.5 水库抗洪能力复核根据有关规定，抗洪能力复核主要是对水库大坝坝顶高程和溢洪道控制段顶部高程等挡水建筑物进行复核。3.5.1 水库大坝顶部高程复核根据碾压式土石坝设计规范SL274-2001的规定，水库大坝的顶部高程等于水库不同运用情况下的静水位与相应的超高之和，具体计算式如下：Z=Z0+y y=Rp+e+A （8）式中：Z：水库大坝顶部高程(m）Z0：水库静水位(m）y：坝顶超高(m）Rp：设计波浪爬高(m）e：风壅水面高度(m）A：安全超高(m）（1）设计波浪爬高Rp正向来波在带有马道的复坡上的平均波浪爬高按下列规定计算：马道上、下坡度不一致，且位于静水位上、下0.5h1%范围内时，可先按下式确定该坝坡的折算单坡坡度系数，再根据本规范按单坡计算。 （9）式中：me折算单坡坡度系数；m上马道以上坡度系数，m上1.5；m下马道以下坡度系数，m下1.5；单坡断面波浪爬高公式:Rm=KKw(hmLm）1/2/(1+m2）1/2 （10）式中：K爬坡的糙率渗透系数；Kw经验系数。由风速W、坡前水域平均水深Hm、重力加速度g所组成的无值量W/(gHm）0.5查表确定。m坝坡坡度系数；hm平均波高，可按公式求解: （11）式中：W计算风速；取多年平均最大风速的11.5倍；D风区长度；从地形图上直接量得。Lm平均波长，因H0.5 Lm,故采用深水波公式:Lm=gTm2/(2） （12）式中：Tm平均波周期:Tm=4.438hm0.5 Rp=KpRmKp由平均波高hm与坝迎水面前水深H的比值和相应的设计累计频率P(%）按规范规定的系数表中查取。 经上述公式计算结果见表8。（2）风壅水面高度e风沿水面吹过所形成的水面壅高:e=kW2Dcos/(2gHm） （13）式中：k综合摩阻系数，取k=3.610-6计算风向与坝轴线法线的夹角计算成果见表8。（3）安全加高A根据水利水电工程等级划分及洪水标准(SL252-2000），5级建筑物的安全超高，按表4.0.1确定，正常运用条件下：安全加高hc=0.5m，非常运用条件下：hc=0.3m。（4）水库大坝顶部所需最低高程的计算：经计算，王家冲水库大坝坝顶的最低高程不得低于57.98m，详见表8。王家冲水库大坝现有高程为58m,因此，王家冲水库大坝的坝顶高程满足规范要求。表8 王家冲水库大坝坝顶的计算最低高程（m）Tab 8 The minimum height after calculation of the dam of wang jiachong reservoir ( m )项 目运用情况ZoRpeAZ大 坝正常运用57.180.30.0030.557.98非常运用57.30.210.0010.357.813.5.2 溢洪道控制段导墙顶部高程复核王家冲水库溢洪道无闸门控制，根据溢洪道设计规范（SL253-2000）第2.3.7条规定，控制段的顶部高程不得低于校核洪水位加安全超高(王家冲水库溢洪道为5级建筑物，根据规范要求取0.3m)。因此，王家冲水库溢洪道控制段的顶部高程不得低于57.3(57+0.3)m。王家冲水库溢洪道控制段顶部现有高程为56.5m，满足规范要求。4 工程地质4.1 概述、地质构造根据区域地质构造资料，场地在区域上位于永安地洼一相对稳定的断块内，在不断的拱断作用下，由地洼沉积层组成褶皱平缓的红色盆地，地层产状平缓。坝址区构造主要发育有节理裂隙，未见区域大断层通过，区域稳定性较好，属相对稳定地块。本次勘察在钻孔控制范围及深度内，未发现断裂构造及新构造运动迹象。、地震根据中国地震动参数区划图（GB18306-2001）和建筑抗震设计规范（GB500112010），建筑场地地震基本烈度为度，地震动峰值加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，地震动反应谱特征周期为0.35s4.2 库区工程地质条件4.2.1 地形地貌库区地形属丘陵地貌单元，山体呈南东向分布，坝址位于山溪冲沟交汇处，山坡较平缓，两岸山坡坡角2540，相对切割深10m30m。坝顶高程58.0m，最大坝高11.94m，坝轴长125m，坝顶宽3.8m。水库库区植被较发育，分布于山坡和坝后的耕土约0.51.0m（坝基部位已清除），分布于山坡第四系残积土层稍厚，约2.05.0m。勘测期间水位50.25m。4.2.2 地层岩性工程区出露地层为第四系人工堆积层、第四系残坡积土层、白垩系神皇山组泥质粉砂岩（K1S），区域厚度不大，现将各岩土层特征自上而下分别描述如下： 、第四系（Qml）人工堆积层人工堆积层（填筑土）为素填土，黄褐色、灰褐色，可塑硬塑状态，稍密状态，主要成分为黏性土、风化泥质粉砂岩夹砂砾岩碎块和和少量砾石，碎块含量约20%，采取率94%。该层主要分布在大坝坝体。厚度：厚度：2.509.90m，平均层厚7.25m；层底标高：46.0051.30m，平均48.40m；层底埋深：2.509.90m，平均层厚7.25m。 、神皇山组（K1S）全风化泥质粉砂岩夹砂砾岩黄褐色、褐红色，岩石结构已破坏，仅保留原岩外观，岩芯呈土状，用手易捏碎，局部夹未完全风化的岩块，遇水易软化崩解，采取率为85%。厚度：2.306.90m，平均层厚4.78m；层底标高：41.3847.60m，平均43.62m；层底埋深：4.8016.70m，平均层厚12.03m。、神皇山组（K1S）强风化泥质粉砂岩夹砂砾岩紫红色、褐红色夹灰白色，中厚层状，粉砂质结构，块状构造，节理裂隙发育，节理面多附有褐色铁锰质氧化物膜，岩体破碎，岩石为极软岩，岩体基本质量等级为级，其中砂砾岩为砾质结构，块状构造，砾石粒径220mm，大者3040mm，成分主要为板岩、石英岩和砂岩，泥质胶结，岩芯多呈块状、碎块状，少量短柱状，岩块用手易折断，遇水易软化崩解，RQD为2026，采取率5565%。厚度：3.308.20m，平均层厚5.80m；层底标高：33.6244.30m，平均37.83m；层底埋深：9.524.30m，平均层厚17.83m。 、神皇山组（K1S）中风化泥质粉砂岩夹砂砾岩紫红色、青灰色、灰绿色、灰白色，中厚层状，粉砂质结构，块状构造，节理裂隙较发育，岩体较破碎，岩石为软岩，岩体基本质量等级为级，其中砂砾岩为砾质结构，块状构造，砾石粒径220mm，大者3040mm，成分主要为板岩、石英岩和砂岩，泥质胶结，岩芯多呈短柱状、柱状，少量碎块状、块状，岩块遇水易软化崩解，RQD为7078，采取率为8086%，系场地基岩，本次勘察揭露最大厚度为9.80m。4.2.3 水文地质条件坝址区水文地质条件比较简单，根据含水层埋藏条件和含水层的性质，地下水的类型可分为孔隙潜水和基岩裂隙水。二者均以大气降水为补给源，库坝区在坝周的地下水则接受库水的补给。以孔隙和裂隙为径流通道，向河床、库内和溪谷排泄，动态变化大。据区域水文地质资料和水库取水试样进行的水质分析结果表明，地表水和地下水对混凝土均具微腐蚀性。4.3结论地质评价结论如下：、未见区域大断层通过，区域稳定性较好，属相对稳定地块。根据中国地震动参数区划图（GB18306-2001）和建筑抗震设计规范（GB500112010），建筑场地地震基本烈度为度，地震动峰值加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，地震动反应谱特征周期为0.35s。、库区四周地形封闭，山体雄厚，大坝坝基持力层为全（强）风化泥质粉砂岩夹砂砾岩夹砂砾岩，岩体相对隔水，两岸无低于设计蓄水垭口和邻谷，山坡植被良好，库岸无深厚覆盖层和不稳岩体。两岸无低于设计蓄水垭口和邻谷，山坡植被良好，工程地质性质较好，绕坝渗漏可能性较小。边坡稳定，坝肩稳定性较好，强度能满足要求。、坝体土属于中等透水性，坝体外坡渗漏以及坝基渗漏、坝体与坝基坝肩接触带渗漏，不能满足规范要求，也是危及大坝安全的隐患。5 除险加固设计5.1 主要加固项目5.1.1 安全鉴定结论根据水库大坝安全评价导则（SL258-2000）规定的大坝安全分类具体标准，对王家冲水库枢纽工程的安全进行了全面的分析及论证，依据导则关于大坝安全分类标准，王家冲水库大坝综合评定为三类坝。安全评价结论：工程质量评价为C级，大坝运行管理评价为C级，防洪标准复核水库抗洪能力评价结果为C级，渗流安全评价为C级，结构安全评价结果为C级（1）大坝：坝体、坝基渗漏，大坝外坡排水棱体以上渗漏严重；坝上游坡为混凝土护坡，下游坝坡排水棱体部分风化破损。经计算下游坝坡二种工况安全系数均小于规范要求的安全系数，表明下游坝坡不稳定；（2）输水涵：原输水涵洞为尺寸0.2*0.2m的箱涵，漏水严重，启闭设备老化，锈蚀严重。（3）溢洪道：目前溢洪道泄洪能力不足，泄槽段杂草多；泄洪渠淤塞、崩塌多处。5.1.2 加固工程的主要项目及内容本次除险加固设计的项目是：在坝顶对坝体进行冲抓回填，对坝基及两岸坝肩帷幕灌浆防渗处理，冲抓回填孔与帷幕灌浆孔布置在同一轴线上；下游坡整修并草皮护坡，并重做排水棱体，高度为3m；放水涵改造为为直径为800mm。溢洪道泄洪不满足要求，加宽尺寸为2.5m；修溢洪道面桥。5.2 设计依据5.2.1 工程等级与建筑物级别根据防洪标准GB50201-94及水利水电工程等级划分及洪水标准SL252-2000的相关规定，王家冲水库总库容为15万m3，为小型水库，工程等别为等，主要建筑物为5级，次要建筑物为5级。根据水利水电工程等级划分及洪水标准的3.2.1条的规定，王家冲水库大坝为山区、丘陵区永久性水工建筑物，确定其设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为200年一遇。溢洪道消能防冲标准为10年一遇。5.2.2 设计基本资料（1）水文气象资料王家冲水库属亚热带湿润气候区，雨量充沛，日照充足，四季分明。长沙县境内无气象站，采用长沙市马坡岭气象站19512008年统计资料，多年平均气温17.3，极端最高气温41.1（2003年8月2日），极端最低气温-11.3（1972年2日9日）。多年平均风速2.4m/s，主导风为西北风，汛期最大风速多年平均值为14.0m/s，实测最大风速20.7m/s（1980年4月13日，风向NNW），多年平均日照时数1585h，多年平均降水量1380mm，多年平均蒸发量1315.6mm。与设计有关的主要水文气象参数见表9。表9 主要水文气象资料表Tab 9 The main hydrological and meteorological data sheet项 目单位数量备 注水库控制流域面积 km20.23坝址以上干流长度km0.35干流平均坡降%2.23设计洪峰流量（P=10%）m3/s2.6924小时洪量3.17万m3设计洪峰流量（P=5%）m3/s3.8524小时洪量3.87万m3校核洪峰流量（P=0.5%）m3/s4.5124小时洪量6.05万m3（2）主要建筑物特征水位及流量水库枢纽主要建筑物有大坝、溢洪道，各建筑物特征水位及流量见表10。表10 建筑物特征水位及流量表Tab 10 The characteristic water level on building and flow meter项 目水位（m）流量 (m3/s)备 注水库正常水位56.5水库设计洪水位及洪峰流量57.183.22P=5.0%水库校核洪水位及洪峰流量57.34.51P=0.5%水库死水位46.65溢洪道设计下泄流量（P=10%）1.71起调水位56.5m溢洪道设计下泄流量（P=5%）2.17溢洪道校核下泄流量（P=0.5%）2.67（3）设计控制标准坝坡稳定最小安全系数控制标准：根据碾压土石坝设计规范第8.3.10条的规定，采用瑞典圆弧法计算坝坡抗滑稳定安全系数最小值如表11所示。表11 坝坡抗滑稳定安全系数表Tab 11 The coefficient table on stability safety of dam slope运行条件工程等级级计及条块间作用力不计及条块间作用力正常运行条件1.251.15非常运行条件11.151.06非常运行条件21.101.015.3 大坝除险加固设计5.3.1 除险加固前存在的问题大坝填筑土为素填土，主要成分为黏性土、风化板岩碎块和少量砾石，碎块含量约25%。大坝上游坝坡坝顶到坝脚为现浇砼护坡，大坝上游砼护坡局部破损，伸缩缝内有杂草。下游坝坡分为三级，下游坝坡杂草及灌木丛生。坝基土体有渗水现象。坝脚近区、坝端岸坡则正常。填筑料不均一，空隙大，施工质量差，夯压不密实，碾压后土的渗透系数经室内试验成果、注水试验测定，现场注水试验表明坝基土（全风化泥质粉砂岩夹砂砾岩）渗透系数的平均值Kcp4.5710-4cm/s，为中等透水带，建议坝基土（全风化泥质粉砂岩夹砂砾岩）采用渗透系数K5.4810-4cm/s，作为坝基渗流稳定计算的依据。5.3.2 大坝加固前渗流计算（1）计算程序说明根据 碾压式土石坝设计规范（SDL274-2001）第8.1.7条规定：采用公式进行渗流计算时对比较复杂的实际条件可作如下简化：、渗透系数相差5倍以内的相邻薄土层可视为一层，采用加权平均渗透系数作为计算依据；、双层结构坝基，如下卧土层较厚，且其渗透系数小于上覆土层渗透系数的1/100时，可将下卧土层视为相对不透水层；、当透水坝基深度大于建筑物不透水底部长度的1.5倍以上时，可按无限深透水坝基情况估算。本次计算软件采用北京理正渗流分析程序，计算方法为渗流问题公式法进行分析计算，再根据大坝多年运行观测的实际情况修正所求浸润线。（2）渗透指标本次计算断面的渗透分区主要根据地质勘探中的成果，室内试验渗透系数的平均值为3.7510-4cm/s，现场注水试验渗透系数的平均值Kcp6.9610-4cm/s，建议采用渗透系数K8.3510-4cm/s，作为坝体渗流稳定计算的依据。水库的特征水位采用洪水复核的成果：正常蓄水位为56.50m，设计洪水位为57.18m，校核洪水位为57.3m。本次计算断面的渗透计算主要根据地质勘探的资料和现场所取原状土样的室内土工试验及现场注水试验成果，按心墙坝透水基础进行计算。（3）计算工况根据碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）规定：稳定渗流计算应考虑水库运行中出现的各种不利条件。本次渗流计算分析按三种工况进行：上游设计洪水位与下游相应的最高水位；上游校核洪水位与下游相应的最高水位；库水位骤降时，对上游坝坡稳定最不利的情况。（4）稳定渗流计算成果本次稳定渗流计算按正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位三种控制水位进行复核、分析。上游设计洪水位57.18m，下游无水工况下，坝体浸润线计算见表12及图4。57.38图4 水库大坝计算断面设计洪水位浸润线图Fig 4 Infiltration line chart on the design flood stage of dam section calculated表12 水库大坝计算断面设计洪水位浸润线计算表Tab 12 Infiltration line calculate table on the design flood stage of dam section calculatedX(m)50.98449.69848.29447.02645.98444.57542.91941.50239.467Y(m)9.2279.4469.6659.85710.00610.20710.46110.71411.320(以上游坝脚为计算原点)上游校核洪水位96.0m，下游无水工况下，坝体浸润线计算见表13及图5。图5 水库大坝计算断面校核洪水位浸润线图Fig 5 Infiltration line chart on the flood stage checked of dam section calculated 表13 水库大坝计算断面校核洪水位浸润线计算表Tab 13 Infiltration line calculate table on the design flood stage check of dam section calculatedX(m)40.02941.56243.02544.61345.95947.31148.17749.99050.024Y(m)11.5411.02110.73710.483101.43410.0849.9479.6539.647(以上游坝脚为计算原点)（5）非稳定渗流计算成果非稳定渗流，计算考虑时段内无降雨，所有闸涵管按设计最大涵管流量运行，库水位快速降落这种工况。非稳定渗流计算考虑时段无降雨，按涵管允许最大快速下泄流量（溢流堰以上库水位按溢洪道和涵管共同泄流）计算库水位从正常蓄水位快速下降至死水位时的工况。根据水库库水位一库容曲线和涵管泄流曲线得出水库库水位快速降落曲线进行非稳定渗流计算。非稳定渗流计算结果见表14及图6。表14 水库大坝计算断面非稳定渗流期浸润线Tab 14 Saturation line of dam section calculated when unsteady seepage X(m)9.61610.33050.92946.57920.22810.09111.99415.43417.520Y(m)2.3780.320.0140.0000.0043.5075.4267.6278.942(以上游坝脚为计算原点)图6 水库大坝计算断面非稳定渗流期浸润线图Fig 6 Saturation line graph of dam section calculated when unsteady seepage period （6）局部渗透分析稳定与非稳定渗流计算的工况中，局部渗流的最大渗透坡降值见表15。表15 水库大坝计算断面最大渗透坡降值Tab15 The maximum seepage gradient value of dam section calculated 项目分类上游水位（m）下游水位（m）最大渗透坡降Jmax稳定渗流57.646.060.6957.3846.060.67非稳定渗流56.546.6546.060.43由表可见，大坝坝体逸流面最大渗透坡降为0.82，大于坝体允许渗透坡降0.35，大坝坝体可能发生局部渗透破坏，因此，大坝渗流性态为不安全。5.3.3 大坝加固前稳定计算（1）计算断面及参数指标的确定大坝坝坡抗滑稳定计算断面选取本次勘探取样的计算断面。（2）计算方法说明王家冲水库为小型水库，故本次大坝边坡稳定计算根据小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则（SL189-96）的规定进行，稳定计算考虑两种工况：稳定渗流期的下游坝坡稳定情况；水库水位