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水库
加固
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藕塘水库除险加固工程设计,水库,加固,工程设计
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藕塘水库除险加固工程设计学 生：陈明慧指导老师：裴 毅（湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128） 摘 要：藕塘水库位于湖南省长沙县金井镇王梓元村，是一座以灌溉为主，结合防洪、养殖等综合利用的小（二）型水库。本设计主要对水库的大坝、溢洪道、输水隧洞进行除险加固以及增加设立安全监制设施和其他设备设施。对大坝坝身、坝基、坝肩及接触面进行防渗处理；对溢洪道进行加固处理；封堵输水涵洞并新开输水涵洞；设立大坝工程安全监测设施及水位雨量观测设施；改造防汛公路和管理所危房。 关键词：除险加固；水文；地质；帷幕灌浆Design of Danger Control and Reinforcement Project onthe Outang ReservoirStudent: Chen Minghui Tutor: Pei Yi(Oriental Science & Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128) Abstract: Ou tang Reservoir is a small(2) Reservoir in Changsha county of Hunan province and Is a mainly in irrigation, combined with the comprehensive utilization of flood control, breeding and so on.The design focused on the danger control and reinforcement of the dam,the spillway,the reinforcement of each sections were following.First,used curtain grouting to the foundation and the shoulder of the dam.Then,strengthened the spillway ,Third,blocked up the tunnels and established the new ones.Fourth,added facilities of safety management and observation of water level and rainfall.Last,reformed the road and ill houses . Key words: Danger control and reinforcement ;hydrology;geology; curtain grouting 1 前言 2011年中央一号文件明确提出加快中小河流治理和小型水库除险加固，中小河流治理要优先安排洪涝旱灾易发、保护区人口密集、保护对象重要的河流河段。加固堤岸、清淤疏浚，使治理河段基本达到国家的防洪标准。巩固大中型病险水库除险加固成果，加快小型病险水库除险加固步伐，尽快消除水库安全隐患，恢复防洪库容，增强水资源调控能力。山洪地质灾害防治要坚持工程措施和非工程措施相结合，抓紧完善专群结合的监测预警体系，加快实施防灾避让和发挥其应有的社会效益和经济效益，保证了水库下游广大人民群众的生命财产安全，对于发展现代化水利具有重要意义。据统计，目前全国有给类病病险水库约3.7万座。要将数目庞大的病险水库摘换掉“病险”的帽子，必须做到科学除险。具体来说，就是必须因地制宜，针对实际情况，采取不同措施 。 我国现有水库多数是在“大跃进”和十年动乱期间兴建的，由于缺乏经验，在“边勘测、边设计、边施工”中进行的，有许多工程防洪标准低，施工质量差，再加上管理工作跟不上，这是导致垮坝的主要原因。我国病险水库存在主要有以下问题：（1）防洪标准偏低（2）大坝渗漏严重（3）工程质量较差（4）金属结构和机电设备老化、泄水建筑物老化，此外还有部分水库淤积问题。 藕塘水库枢纽工程自投入运行以来，工程严重老化，长期处于带病运行的状态，出现过不少险情，管理部门陆续进行了局部的除险加固处理但由于资金短缺，工程隐患未能彻底根除，存在的主要工程隐患归纳起来，主要有以下几个问题：（1）大坝基础渗漏和左右坝肩绕坝渗漏。（2）坝体渗漏严重（3）坝体渗漏严重（4）溢洪道基础未进行防渗处理，基础存在渗漏（5）输水涵洞底板和侧墙多处出现渗漏水严重(6)工程观测设备缺乏、防汛公路、坝上无照明线路及器材。 自水库运行以来，出现多次险情隐患，给工程管理带来较大的困难，水库管理部门对水库大坝进行过局部加固处理，但隐患没有彻底根除。为了保证下游人民的生命财产安全，必须尽快对枢纽的主要建筑物进行除险加固处理。2 综合说明2.1 工程概况2.1.1 水库工程位置藕塘水库位于长沙县金井镇王梓元村，水库位于湘江二级支流金井河流域，地理坐标东经 1132425.4，北纬283444.7，坝趾距金井镇政府约12km，距县城约62km，有土质公路通向坝顶，交通条件一般。2.1.2 工程任务藕塘水库是一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合利用的小（2）型水库3。水库控制流域面积0.33km2，坝址以上干流长度1.57km，干流平均坡降32，总库容11.5万m3，兴利库容为9.6万m3，调洪库容1.9万m3，为年调节水库。水库灌溉面积为0.05万亩，防洪保护耕地面积为0.05万亩，下游保护人口0.05万人。2.1.3 枢纽主要建筑物及特性参数水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水涵洞等永久建筑物组成。（1）工程等级与洪水标准 根据防洪标准GB5020194及水利水电工程等级划分及洪水标准SL252-2000的相关规定，藕塘水库总库容为11.5万m3，为小（2）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，藕塘水库大坝为山区、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。（2）水库水位与相应库容水库正常蓄水位97.42m（黄海高程，以下均同），相应正常库容9.6万m3；水库设计洪水位98.02m（P=5%），相应库容11.06万m3；校核洪水位98.20m（P=0.5%），相应库容11.5万m3；加固后死水位为89.50m，相应库容0.1万m3。（3）大坝大坝为粘土心墙坝，坝顶高程98.2m。最大坝高12.2m，坝轴长50m，坝顶宽4.8m。大坝上游坝坡分为两级，大坝顶部到一级平台的坡比为1:2.2，一级平台的高程为96.05宽度为0.5m的平台，一级平台到坡底的坡比为1:1.2，二级平台的高程为93.4m，平台宽度为0.5m，高程97.8m以下采用现浇砼护坡，高程97.8m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。下游坝坡为一级，从坝顶至坝脚坡比为：1:1.9边坡，接1.2m的平台（平台高程为88.8m）。下游坝坡杂草及灌木丛生。下游坝趾有堆石棱体，块石风化严重，导滤作用明显降低。（4）溢洪道溢洪道位于大坝右侧，为正槽开敞式溢洪道，堰顶高程为97.42m，堰顶宽2.5m。溢洪道控制段靠坝体侧现浇砼衬砌，靠山体侧未衬砌，长满杂草；泄槽段未进行任何衬砌，杂草丛生，冲刷损毁严重；下游段无消能防冲设施。无泄洪渠。（5）输水设施输水涵位于大坝左端，为0.3m*0.3m浆砌石箱涵，进口高程为89.5m，出口高程为88.94m，为斜拉闸门形式放水，有启闭机房。输水涵运行多年，现漏水严重。2.1.4 目前水库存在的主要问题经本次实地调查及现场勘察，该水库存在的主要问题是：（1）坝体渗漏以及坝基渗漏、坝体与坝基坝肩接触带渗漏；（2）上游坝坡一级平台以下坝坡较陡；（3）排水棱体块石风化严重，导滤作用降低；（4）溢洪道未衬砌，结构破损严重，下游无消能防冲设施，无泄洪渠；（5）输水涵与坝体接合处存在冲刷问题，造成涵洞侧壁渗漏严重；（6）防汛公路路况较差；（7）无防汛值班室，无防汛沙石池；（8）无大坝观测设施。2.1.5 安全认定结论针对上述问题，对照湖南省小（二）型水库安全认定办法（试行），确认该水库大坝符合以下几项情形：1、大坝存在严重渗漏，外坡有大面积散浸，已发生渗透变形；2、溢洪道结构布置存在缺陷，泄洪设施不能宣泄标准洪水；3、坝内涵管与坝体接合处存在接触冲刷问题，造成涵洞侧壁渗漏严重。故最终认定藕塘水库为三类坝，即病险水库。2.1.6 除险加固的必要性藕塘水库位于湘江二级支流金井河流域，控制流域面积约0.33km，是一座以灌溉为主，结合防洪、养殖等综合利用的小二型水库。水库设计灌溉农田面积0.05万亩，防洪保护耕地面积为0.05万亩，保护人口0.05万人。2.2 水文概况长沙县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。藕塘水库所在的湘江二级支流金井河支流上没有水文站，建库以后也没有开展水文、气象观测，水库无实测暴雨资料，洪水复核的洪水要素只能依照湖南省暴雨洪水查算手册（以下简称查算手册）进行计算。调洪演算成果见表1。表1 藕塘水库调洪成果汇总表Tab 1 Flood regulation Achievements summary of ou tang reservoir PQmax（m/s）H（m）Z（m）qm（m/s）V（万m）5%2.90.698.021.8411.060.5%4.310.7898.202.7311.5藕塘水库堰顶水位（起调水位97.42m），相应库容为9.7万m3，则调洪复核结果为：20年一遇的设计洪水位为98.02m，最大下泄流量为1.84 m3/s，相应库容为11.06万m3；200年一遇校核洪水位为98.20m，最大下泄流量为2.73m3/s，相应库容11.5万m3。2.3 工程地质概况库区地形属低山丘陵地貌单元，山体呈南北向分布，坝址位于山溪冲沟交汇处，山坡较平缓，基岩多裸露，两岸山坡坡角3545，相对切割深20m40m。坝顶高程98.2m，最大坝高12.2m，坝顶宽4.8m。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）。勘测期间水位92.00m。工程区出露地层为第四系人工堆积层，震旦系冷家溪组粉砂质板岩（Ptln），区域厚度不大，现将各岩土层特征自上而下分别描述如下： 2.3.1 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、风化板岩碎块和少量砾石，碎块含量约25%，呈棱角状，粒径一般240mm，采取率94%。该层主要分布在大坝坝体。厚度：2.3013.80m，平均层厚9.62m；层底标高：84.4092.78m，平均87.38m；层底埋深：2.3013.80m。 2.3.2 冷家溪组（Ptln）强风化粉砂质板岩黄色、褐红色，变余砂质结构，板状构造，含泥质成分，节理裂隙发育，节理面多附有褐色铁锰质氧化物膜，岩石为极软岩，岩体极破碎，岩体基本质量等级为级，岩芯破碎呈碎块状、块状，少量短柱状，岩块用手可折断，RQD为20，采取率58%。厚度：6.2010.30m，平均层厚8.84m；层底标高：74.5086.58m，平均78.54m；层底埋深：8.523.70m, 平均18.46m。 2.3.3 冷家溪组（Ptln）中风化粉砂质板岩 灰绿色、灰色，变余砂质结构，板状构造，节理裂隙较发育，节理面偶见有褐色铁锰质氧化物膜，岩石为软岩，岩体较完整，岩体基本质量等级为级，岩芯呈柱状、短柱状，少量呈碎块状、块状，RQD为70，采取率86%，系场地基岩，本次勘察揭露最大厚度为9.20m。2.4 除险加固设计2.4.1 除险加固工程项目（1）大坝除险加固：大坝冲抓套井回填；大坝基础及两坝肩帷幕灌浆；对上游坝坡培厚放缓，下游坝坡整修，并采用草皮护坡；重建排水棱体；（2）溢洪建筑物整治：改建溢洪道，新建消力池，新建泄洪渠；（3）输水涵洞改造：对大坝原有输水涵洞进行挖除重建；（4）新建防汛值班室，防汛沙石池；（5）增设大坝水位观测设施；（6）硬化防汛公路500m；（7）增设工程标识牌。3 工程水文及调洪演算3.1 基本情况藕塘水库位于长沙县金井镇王梓元村，坝趾距金井镇约12km，距县城约62km，有土质公路通向坝顶，交通条件一般。水库位于湘江二级支流金井河流域，控制流域面积约0.33km，坝址以上干流长度1.57Km,干流平均坡降32，总库容11.5万m，水库兴利库容为9.6万m3，调洪库容1.9万m3，为年调节水库。水库灌溉面积为500亩，下游保护人口500人。3.2 气象情况长沙县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。3.3 设计暴雨3.3.1 水文基本资料藕塘水库所在的湘江二级支流金井河支流上没有水文站，建库以后也没有开展水文、气象观测，水库无实测暴雨资料，洪水复核的洪水要素只能依照湖南省暴雨洪水查算手册（以下简称查算手册）进行计算。3.3.2 工程等级及洪水标准复核根据防洪标准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，藕塘水库总库容为11.5万m3，为小（2）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，藕塘水库大坝为山区、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。3.3.3 设计暴雨根据藕塘水库的地理位置（属湖南省暴雨一致区第1区，产流分区第1区）和集雨面积为0.33km2，查查算手册图3-1得库区多年平均最大24小时点暴雨H24点110mm，查算手册图3-2得最大24小时点雨量变差系数Cv为0.48 ，Cs为3.5Cv，由于藕塘水库集雨面积较小，可视为设计点雨量已笼罩水库集雨面积，不必进行点、面雨量的转换，点面关系系数取1。藕塘水库设计暴雨采用值和参数见表2。3.3.4 设计净雨过程的计算(1)查查算手册图10知该流域属产流分区第1区，得Im120mm IoIm-Pa (1)设 式中：Io初损Im流域最大初损Pa设采用（经统计我省较大实测洪水的Pa，80%的频次Pa），因此各产流分区的Io为常数。得IoIm-Pa=30.0mm（2）扣除初损Io30.0mm，得下表2中净雨深，即径流深R总。（3）求时段地表径流深R上，R上R总（值查查算手册表3，得0.75）为所计算的设计净雨过程R上t，见下表2。 表2 水库设计暴雨参数及成果表Tab 2 Parameters and Results of Design StormP（%）0.5510备注Kp2.941.951.64F=0.33km2L1.57kmJ=32H24点均110mmCv=0.48Cs=3.5CvIo=30mm a=1H24点（mm）323.4214.5180.4H24面（mm）323.4214.5180.4n20.5480.6020.622n30.7820.7990.792H1（mm）106.3679.5668.69H3（mm）174.75123.20104.04续表1P（%）0.5510 备注H6（mm）239.05162.34135.21F=0.33km2 L1.57kmJ=32 H24点均110mmCv=0.48 Cs=3.5CvIo=30mm a=1H12（mm）278.05186.60156.18R总（mm）293.40184.50150.410.750.750.75R上（mm）220.05138.38112.813.4 设计洪水3.4.1 用推理公式求设计洪水、校核洪水（1）求洪峰流量Qm及汇流时间 根据流域地理参数查查算手册图11或用图中公式计算m0.145。得m0.36 列表计算Rt/t分别根据设计净雨过程R上tt，自最大时段净雨开始，向前后相邻时段连续累加，并除以相应的历时，计算Rt/t值。 用试算法求Qm和参照查算手册，采用全面汇流公式：(2) 试算得：Q0.5%=4.31m3/s 0.5%=2.63小时Q5%=2.90m3/s 5%=2.9小时Q10%=2.35m3/s 10%=3.1小时（2） 洪水过程线的推求 （3） 表3 藕塘水库二百年一遇校核洪水过程线计算表Tab 3 Reservoir two hundred years check flood hydrograph calculation table of Ou tangti/00.511.522.533.54备注ti01.322.633.945.266.587.899.210.52Qo0.026F 为全省洪水基流回加经验公式.藕塘Qo0.026*0.330.01Qi/Qm00.110.450.240.120.060.030Qi00.434.311.941.030.520.260.130续表1ti/00.511.522.533.54备注Qi+Q00.010.444.321.951.040.530.270.140.01说明：（1）表中ti各栏，以2.63乘ti/各栏求得 （2）表中Qi各栏，以Qm4.31乘Qi/Qm各栏求得 （3）Qi+Qo为设计洪水过程以Qi基流Qo求得表4 藕塘水库二十年一遇设计洪水过程线计算表Tab 4 Reservoir twenty years design flood hydrograph calculation table of Ou tangti/00.511.522.533.54备注ti01.452.94.355.87.258.710.1511.6Qo0.026F为全省洪水基流回加经验公式。藕塘Qo0.026*0.330.01Qi/Qm00.110.450.240.120.060.030Qi00.32.9 1.310.70.350.2 0.1 0Qi+Q00.01 0.312.9 11.32 0.710.36 0.210.110.01 说明：（1）表中ti各栏，以2.9乘ti/各栏求得 （2）表中Qi各栏，以Qm2.9乘Qi/Qm各栏求得 （3）Qi+Qo为设计洪水过程以Qi基流Qo求得表5 藕塘水库十年一遇设计洪水过程线计算表Tab 5 Reservoir ten years design flood hydrograph calculation table of Ou tang ti/00.511.522.533.54备注ti01.553.14.656.27.759.310.8512.4Qo0.026F为全省洪水基流回加经验公式。藕塘Qo0.026*0.330.01Qi/Qm00.110.450.240.120.060.030Qi00.242.351.060.560.280.140.070Qi+Q00.010.252.361.070.570.290.150.080.01说明：（1）表中ti各栏，以3.1乘ti/各栏求得 （2）表中Qi各栏，以Qm2.35乘Qi/Qm各栏求得 （3）Qi+Qo为设计洪水过程以Qi基流Qo求得 图1 设计洪水过程线示意图Fig 1 The design flood process line diagram3.4.2 入库洪水总量 公式：Wmp=R总PF1000 （3） P=0.5% Wm=293.40.331000=9.68万m3P=5% Wm=184.50.331000=6.09万m3式中：Wmp：为入库洪水总量。 R总p：为当P=0.5%或P=5%时，入库洪水的总径流深，单位为mm。 详见洪水复核表a、表b。 F：为水库控制流域面积。综上所述，当洪水为20年一遇设计时，入库洪水为6.09万m3；当洪水为200年一遇校核时，入库洪水为9.68万m3。3.4.3 施工分期洪水水库施工枯水期根据历年降雨量的统计资料，按第一年9月至次年3月，第一年11月至次年2月，第一年12月至次年1月，计算施工洪水标准下的设计日降雨推算其产水量和相应水位，计算结果如表6。表6 施工分期洪水估算结果表Tab 6 Construction stage flood estimation results table分期9月至次年3月11月至次年2月12月至次年1月统计参数H24均(mm)55.837.222.8CV0.510.470.43CS/CV3.533一日雨量（mm)10年一遇94.360.635.8续表1分期9月至次年3月11月至次年2月12月至次年1月5年一遇73.749.829.63年一遇48.033.120.3一日洪量（104m3)10年一遇4.53.93.15年一遇3.93.42.73年一遇3.42.91.9库水位（m)10年一遇92.8292.8992.915年一遇92.6192.5692.573年一遇92.5592.4992.52说明1、起调水位为死水位89.5m，相应库容0.1万m32、径流系数采用0.5233、为安全起见，水位按洪水全部留在水库内考虑。3.5 调洪演算复核3.5.1 调洪复核原则调洪演算原则为：(1)水库起调水位为溢洪道堰顶高程97.42m（即正常蓄水位），相应库容为9.6万m3。(2)溢洪道无闸门控制，当水位超过溢洪道堰顶时，来水自动溢泄，水库水位随入库流量增大而上涨，直到设计和校核洪水位，其下泄流量也相应达到设计和校核流量。(3)调洪过程：t0时刻洪水开始进入水库时，起调水位等于堰顶高程97.42 m，此时溢洪道的泄流量q=0，随后，入流量Q渐增，库水位随之增高，堰顶水头增大，泄流量q随之增大，t1为入库洪峰的出现时刻，此后的入流量减小，但仍有qQ，洪水不断滞蓄在库内，库水位不断升高，直至t2时刻Q q，库水位达到最高值Zm，滞洪量达到最大值V，下泄量也达到最大值qm。t2以后，Qq，库水位逐渐下降，泄流量随之减少，直至库水位回落至堰顶高程。3.5.2 调洪演算的基本方程根据水量平衡原理，调洪演算的基本方程为： q=f（Q、V、q） (4) 式中：Q时段始末入库流量（m/s）; q时段始末出库流量（m/s）； V时段始末水库蓄水量（m）； 计算时段长（s），取值的大小视水库流量的变幅而定。陡涨陡落的小河，取值可小些；流量变化平缓的大河，取值可长些。 i 时段编号。根据起始条件，逐时段连续求解水量平衡方程和水库的蓄泄方程，从而求得水库出流过程。3.5.3 调洪演算的基本资料及来源（1）入库流量过程线藕塘水库没有进行入库流量观测，故入库流量过程线只能根据湖南省暴雨查算手册采用推理公式和径流分配系数法推算，见表7及图2所示。（2）库容曲线库容曲线计算的基本方程： (5) 式中 V部分库容，m(或万m)； A1、A2分别为相邻两等高线各自包围的水面面积m(或万m)； Z相邻两等高线(水位)间的水位差m。此次调洪演算的库容曲线是实测水库地形图求得。起调水位以上水位库容关系见表7及图2。表7 藕塘水库库容曲线表Table 7 Ou tang reservoir capacity curve table水位(m)89.590.591.592.593.5库容(万m3)0.10.71.42.53.6水位(m)94.595.596.597.4298.2库容(万m3)56.48.19.611.5图2 水库库容曲线图Fig2 The capacity of the reservoirs curve（3）泄流曲线此次调洪演算的库容曲线是实测水库地形图求得的，泄流曲线是根据藕塘水库溢洪道泄流曲线绘制。溢洪道控制段长度10m，宽度2.5m，按宽顶堰公式估算： (6) 式中：Q-泄洪流量Qm0.5%=2.73m3/s-侧收缩系数 =0.96m-流量系数，取m=0.373Qm0.5%=2.73m3/s时，Ho=1.2m控制段相对长度L/H=10/1.2=8.310 由上面计算可知，溢洪道控制段为溢流堰，堰顶高程97.42m，堰宽2.5m。按照溢洪道设计规范（SL253-2000）宽顶堰堰型的计算方法计算水位与溢洪道下泄流的关系如表8。 (7)式中：m查表附录A.2.3-1得m=0.358；收缩系数，取0.96。 表8 水库泄流曲线表Tab8 Reservoir discharge curve table水位（m）97.4297.5297.6297.7297.8297.9298.0298.1298.2泄流q(m3/s)00.130.350.651.01.41.842.322.73图3 水库泄流曲线图Fig 3 Reservoir discharge curve（4）起调水位水库起调水位为溢洪道堰顶高程97.42m（即正常蓄水位）。3.5.4 调洪复核结果根据调洪演算的基本原则和基本资料，利用调洪演算的基本方程，采用试算法求得设计及校核洪水位及最大下泄流量，详见表9。表9 藕塘水库调洪演算结果Tab 9 Ou tang reservoir flood regulating calculation resultsPQmax(m3/s)H(m)Z(m)溢洪道下泄流量qm(m3/s)V(万m3)5%2.90.698.021.8411.060.5%4.310.7898.22.7311.5藕塘水库堰顶水位（起调水位97.42m），相应库容为9.7万m3，则调洪复核结果为：20年一遇的设计洪水位为98.02m，最大下泄流量为1.95 m3/s，相应库容为11.06万m3；200年一遇校核洪水位为98.2m，最大下泄流量为2.73 m3/s，相应库容11.5万m3。3.6 抗洪能力复核根据水库大坝安全评价导则（SL258-2000）的有关规定，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。3.6.1 水库大坝坝顶高程复核根据碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）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。具体计算公式如下： 坝顶高程Z坝设=Z设+H (8) H=R+e+A (9)R最大波浪在坝顶上的爬高（m）；e波浪壅高（m）；A安全加高，设计取0.5(m)，校核取0.3(m)； (10) K斜坡糙率渗透系数，取0.9；KW经验系数1.01；m坡度系数，取2；hm平均波高（m）Lm平均波长（m） (11) 按鹤地水库公式：g hm /W2=0.00625W1/6(gD/W2)1/3gLm/W2=0.0386 (gD/W2)1/2式中：Hm平均水深（m），H设=10.52m，H校=10.7m；W：风速（m/s），设计洪水W=1.5Wf，校核洪水W=Wf，Wf=14m/s；D吹程（km），设计洪水时D=0.11km，校核洪水时D=0.12km；计算风向与坝轴线的夹角。取49；K综合摩阻系数，取3.610-6；计算成果如表10表10 藕塘水库大坝坝顶高程复核成果表Tab 10 Ou tang dam crest elevation check result table 工 况项 目正常情况设计洪水情况（P=5%）校核洪水情况（P=0.5%）起调水位（m）97.4297.42最高水位（m）97.4298.0298.2波浪爬高（m）0.50.50.31风浪壅高（m）0.00040.00040.0002安全超高（m）0.500.500.30坝顶高程（m）应达98.4299.0298.52现有98.298.298.2富余-0.4-0.82-0.32经上述复核，根据防洪标准（GB50201-94）规定，藕塘水库大坝现有坝顶高程为98.2m，低于洪水复核结果表明的大坝最小高程99.02m。大坝坝高不能满足洪水标准要求。3.6.2 大坝防渗心墙顶部高程复核按照碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）第5.5.3条的规定，防渗心墙顶部高程在正常运用时，不得低于水库静水位加安全超高（0.60.3m）；在非常运用时，不得低于水库静水位。因此藕塘水库大坝防渗心墙顶部高程不得低于98.2m。现藕塘水库大坝防渗心墙顶部高程为98.0m，故心墙顶部高程不能满足碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）要求。3.6.3 溢洪道控制段顶部高程复核根据溢洪道设计规范（SL253-2000）第2.3.7条规定，控制段的岸墙的顶部高程，在宣泄校核洪水时不应低于校核洪水位加安全超高值；挡水时应不低于设计洪水位或正常蓄水位加波浪的计算高度和安全超高值。安全超高值挡水时取0.4m，泄水时取0.3m。藕塘水库溢洪道控制段侧墙顶部高程取挡水和泄水时最大值，因此，藕塘水库溢洪道控制段的顶部高程不得低于98.5m，而现有溢洪道侧墙顶部控制高程为99.12m，故满足防洪要求。3.6.4 泄洪安全分析根据水库大坝安全评价导则（SL258-2000）的有关规定，泄洪安全分析包括复核在设计和校核洪水时，泄洪建筑物能否安全下泄最大流量以及泄洪建筑物本身和水库大坝的安全性；评估宣泄设计和校核洪水时，下游人民生命财产和社会经济损失；评估垮坝可能造成人民生命财产和社会经济损失等等。（1）大坝坝顶高程复核经计算，藕塘水库大坝现有坝顶高程为98.2m，低于洪水复核结果表明的大坝最小高程99.02m。大坝坝高不能满足洪水标准要求。（2）泄洪建筑物本身的安全复核经计算，藕塘水库溢洪道能够宣泄校核洪水位时的下泄流量2.73m3/s，控制段顶部高程满足高度要求，但控制段侧墙仅衬砌靠坝体侧，靠山体侧未衬砌，且泄水陡坡段无衬砌，冲刷严重，下游无消力池，不能满足消能要求。因此，溢洪道是不安全的。（3）洪水风险分析藕塘水库下游为山区出口，大坝下游为大遍农田房屋，一旦溃坝，水量将一泻而下，将淹没耕地500多亩，受灾人口达到500人。3.7 防洪标准复核结果3.7.1 防洪标准藕塘水库位于丘陵区，大坝为心墙土石坝，通过此次洪水复核后，总库容为11.5万m3，采用20年一遇的设计洪水、200年一遇的校核洪水的防洪标准，符合国家有关规范的要求。3.7.2 水库大坝的实际防洪能力藕塘水库大坝现有坝顶高程为98.2m，低于洪水复核结果表明的大坝最小高程99.02m。大坝坝高不能满足洪水标准要求。3.7.3 泄洪能力溢洪道控制段侧墙顶部现有高程为99.12m，较规范要求的最小高程98.5m还高0.62m；溢洪道侧墙高度能满足现行规范要求，但控制段仅衬砌一侧，泄水陡坡段无衬砌，无消力池，不能满足消能要求。因此，溢洪道本身是不安全的。4 加固设计4.1 挡水建筑物加固设计根据小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则（SL189-96）和碾压式土石坝设计规范（SDL218-84）中相关规定：渗流计算依照设计导则中的公式计算；在进行渗流计算时，对某些较复杂的实际条件可作适当简化。如： （1）对渗透系数比较接近（如相差35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。（2）单层结构地基，下卧土层不厚，且其渗透系数比上覆土层的渗透系数小100倍，可将下卧土层视为不透水层。计算完所求浸润线后，再根据大坝多年运行观测的实际情况进行修正。（3）渗流计算工况的确定根据碾压土石坝设计规范（SDJ21884）第7.1.2条的规定：稳定渗流计算应考虑水库运行中出现的各种不利条件6。本次渗流计算分析按以下工况进行：上游设计洪水位与下游相应水位；上游校核洪水位与下游相应水位；库水位从正常蓄水位骤降到死水位，同时下游相应最低水位时，上游坝坡非稳定渗流最不利的工况。 (4）渗流计算参数的确定根据土力学（武汉水力电力学院 冯国栋主编），粘性土的主要破坏形式为流土，流土破坏的临界渗透坡降（）除以较大的安全系数K（22.5），方可作为允许渗透坡降 J 值。即： (12) 式中：土的临界渗透坡降；G 土粒比重，取2.4；e 土的孔隙比，取0.808；K 系数，取K=2.0。经计算得，J=0.45。水库的特征水位采用洪水复核的成果：正常蓄水位为97.42m，设计洪水位为98.02m，校核洪水位为98.2m。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，因原有粘土心墙已失效，故在渗流计算时按均质坝透水基础进行计算。各种不同工况下，水库大坝渗流曲线图4 设计洪水位大坝稳定渗流成果图Fig 4 Of design flood dam seepage stability results figure 图5 校核洪水位大坝稳定渗流成果图 Fig 5 Check flood dam seepage stability results figure 图6 正常洪水位大坝非稳定渗流成果图 Fig 6 Normal flood dam seepage results the unstable figure(5）局部渗透分析各种计算工况的稳定与非稳定渗流中，局部渗流的最大渗透坡降值与地质资料提供的允许渗透坡降值见表，坝体的最大渗透坡降值在各种计算工况中，最大值为0.76(计算值)，大于J，故在坝体可能发生了局部渗透破坏。表11 水库大坝计算断面最大渗透坡降值Tab 11 Reservoir dam seepage slope maximum value calculation section上游水位（m）下游水位（m）最大渗透坡降J最大允许渗透坡降J设计洪水位稳定渗流98.0287.50.810.45校核洪水位稳定渗流98.287.50.920.45非稳定渗流97.4287.587.50.110.454.2 大坝除险加固前边坡稳定计算计算断面：选取勘探取样断面。参数指标：本次计算断面的物理力学指标是由现场勘探取样，根据实验资料及相似工程所采用指标来确定。计算方法：本次稳定计算采用有限元法进行计算。稳定渗流期下游坝坡稳定采用有瑞典条分法计算，利用流网等势线求出作用于滑动面上的孔隙压力和有效应力；水库水位下降的上游坝坡稳定采用有限元法简化计算法进行计算。各种工况下，大坝坝体稳定计算成果如下：图7 大坝设计洪水位稳定渗流期下游坝坡稳定计算成果图Fig 7 Of design flood dam seepage stability of dam slope stability downstream calculation results figure图8 大坝校核洪水位稳定渗流期下游坝坡稳定计算成果图Fig 8 Check dam seepage stability of the flood level downstream dam slope stability calculation results figure图9 大坝非稳定渗流期上游坝坡稳定计算成果图Fig 9 Dam seepage the stability of dam slope stability calculation result upstream figure 坝坡稳定计算是在渗流计算的基础上进行的，包括下游坝坡稳定计算和上游坝坡稳定计算两大部分。按有限元计算的坝坡抗滑稳定安全系数，大坝正常运用条件最小安全系数k1=1.141.15，非正常运行条件最小安全系数k2=1.01.06，大坝坝坡不满足规范要求，因此大坝坝坡是不稳定的，要进行整坡。4.3 大坝加固后渗流计算4.3.1 渗流计算参数的确定特征水位：水库的正常蓄水位97.42m，设计洪水位98.02m，校核洪水位98.2m土坝形式：心墙土坝。坝基形式：透水基础。渗透系数：根据土壤室内试验成果表，斜墙土料渗透系数取110-6cm/s，斜墙以外填土渗透系数取1.0210-3cm/s。计算断面采用加固后大坝典型断面。4.3.2 渗流计算根据碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）第8.1.2条规定，渗流计算要考虑水库在运行过程中出现的各种不利条件。本次渗流计算按以下工况：（1）上游设计洪水位与下游相应水位；（2）上游校核洪水位与下游相应水位；（3）库水位从正常蓄水位骤降到死水位，同时下游相应最低水位时，上游坝坡非稳定渗流最不利的工况。图10 设计洪水位大坝稳定渗流成果图Fig10 Of design flood dam seepage stability results figure图11 校核洪水位大坝稳定渗流成果图Fig11 Check flood dam seepage stability results figure图12 正常洪水位大坝非稳定渗流成果图Fig12 Normal flood dam seepage results the unstable figure表12 藕塘水库除险加固后大坝计算断面最大渗流坡降Table 12 Ou tang reservoir dam section after reinforcement problems calculated the biggest rail slope seepage上游水位（m）下游水位（m）最大渗透坡降J最大允许坡降J设计洪水位稳定渗流98.0287.50.250.45校核洪水位稳定渗流98.287.50.390.45非稳定渗流97.4287.587.50.250.454.4 溢洪道除险设计4.4.1 溢洪道进口段及控制段原溢洪道进口段及控制段靠山体侧未衬砌，靠近坝体侧虽有衬砌，但是局部破损。本次设计重建进口段及控制段，进口设八字墙，底板为C25现浇钢筋砼结构，侧墙为C25现浇砼结构。大坝帷幕灌浆穿过溢洪道控制段，具体见藕塘水库除险加固工程溢洪道布置图14。溢洪道控制段靠坝体侧现浇砼衬砌，靠山体侧未衬砌，长满杂草；泄槽段未进行任何衬砌，杂草丛生，冲刷损毁严重；下游段无消能防冲设施。4.4.2 溢洪道泄槽段 原溢洪道泄槽段未进行任何衬砌，杂草丛生，冲刷损毁严重，不能满足泄洪要求。本次设计根据水面线推求结果，对原有溢洪道泄槽段侧墙及底板进行衬砌。（1）溢洪道挡土墙稳定计算：泄槽段侧墙顶高程按水面线计算确定，采用现浇C25砼导水墙，最大墙高为1.5m，墙顶宽为0.3m，侧墙采用重力式，迎水面铅直，背水面坡比为1：0.40。抗滑稳定计算公式采用下式计算： (13)式中：Kc抗滑稳定安全系数 f地基摩擦系数；f=0.45， 抗滑力总和；滑动力总和。墙后填土为风化岩弃碴等砂壳料，湿容重rn=1.9t/m3，内摩擦角=20。抗倾稳定公式： (14)式中：K0抗倾稳定安全系数， My抗倾力矩，M0倾复力矩。基底应力验算： (15)式中：基底最小应力，B墙底宽度，偏心距。经计算Kc=1.191.05；K0=1.531.5侧墙抗滑、抗倾满足要求。（2）溢洪道泄槽底板：根据溢洪道设计规范，泄槽底板的厚度，应考虑溢洪道的规模及其与坝的相对位置，沿线的工程地质和水文地质条件，水力特性，水流中挟沙情况等因素，并根据类似工程经验进行类比确定。藕塘水库为小（2）水库，200年一遇校核下泄流量Q=2.73m3/s，溢洪道规模较小；溢洪道为正槽式，溢洪道基岩裸露，位于强风化的板岩与砂质板岩互层岩石之上，地基强度满足要求，根据溢洪道设计规范，底板衬护厚度可按构造要求确定。本工程溢洪道底板采用300mm厚C25钢筋砼衬砌，按10m设沥青砂板伸缩缝一条，缝宽2cm。具体设计见图纸。4.4.3 溢洪道消力池 藕塘水库原溢洪道无消力池，本次设计拟定新建消力池。经消能计算：消力池长7m，宽2.5m，深0.5m。消力池底板厚度及侧墙稳定计算如下：（1）消力池底板厚度计算消力池底板厚度根据抗冲和抗浮的要求，分别按以下公式进行计算，并取大值 抗冲 t=K1 (16) 抗浮： t=K2 (17)式中 t消力池底板始端厚度（m）h泄水时的上、下游水位差（m）K1消力池底板计算系数采用0.150.20K2消力池底板安全系数采用1.11.3u作用在消力池底板底面的扬压力（Kpa）;w作用在消力池底板顶高的水重（Kpa）;pm作用在消力池底板上的脉动压力。（Kpa）;rb消力池底板的饱和重度（KN/m3）;经计算： t抗冲=0.41m， t抗浮=0.23m综合考虑，取消力池底板厚度为0.3m。（2）消力池岸墙稳定复核消力池岸墙为现浇C25砼挡土墙，墙顶宽0.3m，临水面坡比1：0，背水面坡比1：0.4，挡土墙高度1.5m。挡土墙结构计算：根据库伦土压力理论：取1米宽为计算单元Pa = Pa ：主动土压力；H：为挡土墙高度；Ka：为主动土压力系数（查表求得）。根据地质资料，取基底摩擦系数为0.45，砼容重2.4 t/m3，土容重1.9 t/m3，内摩擦角20：抗滑稳定计算公式采用下式计算： (18)式中：Kc抗滑稳定安全系数； f地基摩擦系数；f=0.45； 抗滑力总和；滑动力总和。墙后填土为风化岩弃碴等砂壳料，湿容重rn=1.9t/m3，内摩擦角=20。抗倾稳定公式： (19)式中：K0抗倾稳定安全系数，My抗倾力矩，M0倾复力矩。根据溢洪道设计规范（SL253-2000），藕塘水库溢洪道挡土墙K滑允=1.05， K倾允=1.5经计算：K滑=1.271.05K倾=1.71.5故挡土墙抗滑、抗倾符合规范要求。本次重建消力池底板采用300厚的C25钢筋砼，侧墙为现浇C25砼挡土墙，顶宽0.5米，背面坡比为1:0.4，具体见设计图。4.5 输水涵洞除险加固4.5.1 输水涵洞现状基本情况输水涵洞位于大坝左侧，为0.3m*0.3m浆砌石箱涵，进口高程为89.5m，出口高程为88.94m斜拉闸门形式放水。输水涵洞出来的水直接通至灌溉渠道，由于涵管出流形成有压流，造成涵洞损毁严重。且输水涵洞运行多年，漏水严重，严重影响大坝的安全运行。4.5.2 设计方案的选定针对本水库输水涵洞实际情况，输水涵洞要向下游灌溉渠道（出口高程约88.94m）放水，为了满足灌溉要求，决定开挖重建输水涵洞。4.5.3 大坝输水涵洞重建设计输水涵管设计根据类似工程经验及实际情况，结合灌溉用水的需要，输水涵管进水口采用深水式进水，消力井消能，采用插板闸门，手动螺杆启闭，洞身采用800mm管径承插式预应力砼管，下设300mm厚C15砼垫层。进口处设三道C20砼截水墙，间距5.0m，具体布置位置见设计图纸。输水涵管进口消力井尺寸确定（1）进水口尺寸计算采用深水式进水口，设在涵洞进口前，在进水口安装斜拉闸门，尺寸为300，对应进水口下端设消力井，水流经过消力井消能后，进入预应力砼管。设计流量为0.1m/s。涵洞进口底板高程为89.5m，溢洪道底板高程为97.42m，故最大水深为7.92m，灌溉设计水深取H/3，即2.64m。采用下式： (20) (21) (22)式中：流量系数，=0.62g重力加速度，g=9.8m3/sH设设计水深，H设=2.64m进水口断面面积进水口直径：取d=0.3m，则斜拉闸门尺寸为300。（2）涵管设计涵管采用D=800mm管径的承插式砼预应力管，放水坡降i=1/100,糙率n=0.017。经过计算，在无压状况下最大过水流量Q=0.39m/s，Q大于设计灌溉流量Q设=0.1m/s，故满足要求。（3)消力井设计进水口正常水深为7.92m，进口断面面积0.071m2，故进口最大流量Q为：依此有消力井容积：消力井水深，用下式计算：式中：d进水口直径，d=0.3mHmax最大水头，Hmax=7.92mk经验系数，取k=1.25消力井深度计算： (23)式中：h0输水涵洞水深安全高度，=0.3mt0消力井水深Q=0.1m3/s，承插管管径d=0.8m，坡度i=1/100，糙率n=0.017。得涵洞水深h00.19m2.93 m取P=3.0m消力井平面尺寸：取消力井长度L=2B取B=1.5m，L=1.3B=2.0m故消力井尺寸为：P=3.0m，B=1.5m，L=V/t0*B=1.91m，取L=2.0m实际容积：V=(t0+)BL=(2.93+0.3)1.52.0=9.69m35.36m3，故满足要求。所以，输水涵闸门尺寸
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