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长沙县 干杉乡王家冲 水库 加固 工程设计

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湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计 长沙县干杉乡王家冲水库除险加固工程设计THE DESIGN OF DANGER REMOVAL AND CONSOLIDATION OF SICK AND DANGEROUS RESERVOIR OF GAN SHA VILLAGE IN CHANG SHA COUNTY学生姓名： 陈 钢学 号： 200841927117年级专业及班级： 2008级水利水电工程(1)班指导老师及职称： 黄理军 副教授学 部： 理工学部湖南长沙提交日期：2012 年 5月湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本设计不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本设计的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 陈 钢 2012 年 5 月 20 日目 录摘要1 关键词1 1 前 言22 概述22.1 工程概况22.2 存在的主要问题32.3 除险加固的必要性33 水文33.1 气象情况33.2 设计暴雨43.3 设计洪水53.3.1 洪峰流量及洪水过程线推求53.3.2 入库洪水总量63.4 调洪演算83.4.1 调洪演算的基本原则83.4.2 调洪演算的基本方程83.4.3 调洪演算的基本资料93.4.4 调洪演算的方法及结果113.5 水库抗洪能力复核113.5.1 水库大坝顶部复核123.5.2 溢洪道控制段导墙顶部高程复核134 工程地质134.1 概述134.2 库区工程地质条件144.2.1 地形地貌144.2.2 地层岩性144.2.3 水文地质条件154.3 结论155 除险加固设计165.1 主要加固项目165.1.1 安全鉴定结论165.1.2 加固工程的主要项目及内容165.2 设计依据165.2.1 工程等级与建筑物级别165.2.2 设计基本资料165.3 大坝除险加固设计185.3.1 除险加固前存在的问题185.3.2 大坝加固前渗流计算185.3.3 大坝加固前稳定计算215.3.4 防渗加固方案比较225.3.5 坝体冲抓回填设计235.3.6 大坝坝体与坝基坝肩接触面、坝基帷幕灌浆设计235.3.7 上游坝坡护坡设计255.3.8 下游坝坡设计265.3.9 大坝加固后渗流计算265.3.10 大坝加固后稳定计算285.3.11 重建排水棱体设计305.4 溢洪道建筑物整治305.4.1 基本情况305.4.2 溢洪道除险加固设计方案305.4.3 溢洪道水力计算315.4.4 溢洪道除险设计345.5 输水建筑物的设计366 结论38参考文献38致谢39附录39长沙县干杉乡王家冲水库除险加固工程设计学 生：陈 钢指导老师：黄理军（湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128）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+Qo0.4510.45711.214.514.552.02952.03558241.08842.530.120.54120.547233.60.060.27060.27630.13530.141344.8000.006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+Qo0.50.650.10.3220.32811.313.223.2261.51.950.451.4491.4557280.77820.38640.392433.90.060.19320.19923.54.550.030.09660.102645.2000.006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+Qo0.2690.27511.412.692.6951.21051.21654560.6520.32280.328834.20.060.16140.16730.08070.086745.6000.006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7自由出流87自由出流97自由出流1057.51.03.87自由出流17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030.557.98非常运用010.357.813.5.2 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；水库水位降落期的上游坝坡稳定情况。本次稳定计算采用瑞典圆弧法计算：稳定渗流期下游坝坡稳定采用瑞典圆弧法的有效应力法计算，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；水库水位下降时期的上游坝坡稳定采用瑞典圆弧法的简化法计算，凝聚力C、内摩擦角值均采用固结快剪指标。（3）坝坡抗滑稳定计算稳定渗流期的三种控制水位情况为：设计洪水位（57.18m）时，下游相应水位46.06m；校核洪水位（57.3m）时，下游相应水位46.06m。按以上工况采用北京理正边坡稳定分析程序进行计算。图7 水库加固前稳定渗流设计洪水位下游坝坡稳定计算成果图Fig 7 Stability calculation result map on the design flood level about the steady seepage of downstream dam slope before reservoir reinforcement图8 水库加固前稳定渗流校核洪水位下游坝坡稳定计算成果图Fig 8 Stability calculation result map on the flood level checked about the steady seepage of downstream dam slope before reservoir reinforcement、非稳定渗流期上游坝坡稳定计算考虑时段无降雨，按涵管下泄流量计算库水位从正常蓄水位快速降落到死水位，同时下游无水时的工况。图9 水库加固前非稳定渗流上游坝坡稳定计算成果图Fig 9 Stability calculation result map on unsteady seepage of upstream dam slope before reservoir reinforcement表16 王家冲水库大坝计算断面抗滑稳定计算成果Tab16 Stability calculation result on the stability against smooth of dam section calculated from wang jiachong reservoir 安全系数允许安全系数设计洪水位稳定渗流1.391.15校核洪水位稳定渗流1.361.15非稳定渗流5.591.06（4）稳定分析结论根据坝体抗滑稳定计算结果，大坝上、下游边坡在稳定渗流均大于抗滑稳定安全系数规范允许值，故满足规范要求。5.3.4 防渗加固方案比较（1）大坝坝体防渗加固方案比较本次勘探对坝体进行钻孔检查，发现坝体填筑土料质量差，施工夯压不密实、碾压后土体渗透系数达不到土坝要求的防渗标准。根据野外钻孔现场试验，原心墙土体失效。根据碾压土石坝设计规范和湖南省小型水库除险加固工程设计报告编制导则以及结合当地筑坝材料和施工经验，土石坝坝体防渗处理通常有以下两种方法：冲抓套井回填、高压旋喷灌浆等。因水库的坝体填筑质量较差，坝体料为含粘土的碎块石，采用的措施为冲抓回填套井及帷幕灌浆。（2）坝基及坝体与坝肩接触面的防渗加固方案比较根据经验，处理坝基及坝体与坝肩接触面渗漏的主要方法有：截水墙、粘土防渗铺盖，帷幕灌浆。鉴于水平铺盖防渗存在较大难度，而且防渗效果不明显。截水墙施工难度较大，且造价高。另外坝基及坝体与坝基、坝肩接触面渗漏主要来自于坝基强风化岩体的节理裂隙中，根据湖南省小型水库除险加固工程设计报告书编制导则对坝基存在严重渗漏，影响大坝安全的可采用帷幕灌浆处理，对于有裂隙、破碎的岩层，采用帷幕灌浆效果最好。所以此次大坝坝体与坝肩接触面及坝基浅部渗漏的防渗加固采用帷幕灌浆处理。5.3.5 坝体冲抓回填设计（1）冲抓回填设计：冲抓回填孔自坝顶，柱径为1.1m，孔距为0.78m，单排布孔，分两序施工，灌浆宜全孔自下而上灌注。具体设计见设计图。（2）土料：回填土料的粘粒含量一般控制在（35-40）%，小粒径石子含量不超过10%；土壤天然含水量22%左右，若天然含水量超过25%时，必须进行翻晒，而小于19%时应洒水，以达到设计值；土壤压实度应达到0.96；土料渗透系数小于110-6cm/s。（3）钻孔：钻孔伸入基岩1m，钻孔的有效深度应超过设计深度0.3m；钻孔孔位与设计孔位偏差不大于50mm；钻杆和粗径钻具的垂直偏差不应超过5；孔深小于30m时，钻孔偏斜率不应超过1%；工程质量检查采用开挖取芯及钻孔（压水、注水）检查方法。5.3.6 大坝坝体与坝基坝肩接触面、坝基帷幕灌浆设计（1）帷幕设计：根据碾压式土石坝设计规范SL274-2001,帷幕灌浆采用单排灌浆孔，孔距2.0m，防渗标准根据地勘成果及规范要求，取q10Lu，灌浆孔伸入相对不透水层（q10Lu）以下1m，最终孔深应由现场先导孔压水试验确定。（2）灌浆孔布置：大坝坝基及坝体与坝肩接触面存在渗漏，设计采用帷幕灌浆作防渗加固处理。灌浆范围见大坝帷幕灌浆平面布置图，孔距2.0m。（3）钻孔及简易压水试验帷幕灌浆钻孔：坝身采用冲击干钻、套管护壁，基岩采用回转式钻机钻进，用金刚石钻头或硬质合金钻头钻进，终孔孔径为75mm。钻机安装必须水平、稳固，开孔位置偏差应控制在10cm之内，孔斜率控制在1%以内，钻孔深入相对不透水层内1m左右。钻孔冲洗及简易压水试验：钻孔达到设计深度后，应采用清水冲洗钻孔，直至回水澄清无砂和岩粉为止，残留岩芯不应超过0.2m。帷幕灌浆孔在灌浆前，对先导灌浆孔均应进行简易压水试验，所得透水率q值来确定开灌水灰比及了解岩层的透水程度。（4）灌浆参数的选取、灌浆段长度灌浆段的长度是根据岩石的裂隙发育程度、破碎情况、渗透性以及设备条件决定的。参照省内外帷幕灌浆取得的成功经验，并根据工程的具体情况，为确保工程质量，减少绕坝渗流，降低两岸孔隙水压力，以保证岸边坝块的稳定，灌浆帷幕需要沿坝轴线向两岸延伸一段长度，其延伸长度应依照地质条件确定，灌浆总长度48m。设计要求灌浆段一般长5m，基岩条件较好的灌浆段取大值，裂隙发育，岩石破碎段取小值。接触面单独做一段，灌段长1.52.0m。具体范围及位置见大坝帷幕灌浆平面布置图。、灌浆压力及浆液变换灌浆压力是影响灌浆质量的重要因素，本次灌浆压力一般要求现场通过灌浆试验确定。浆液稠度根据基岩透水率不同而改变，起始水灰比采用5:1；以后采用3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.6:1、0.5:1。接触面灌浆压力要求以不使坝体底部劈开或上抬为原则，根据有关规范，接触面灌浆压力应控制在0.05MPa以内。浆液稠度的变换原则是：当某一比级浆液的灌入量已达300L以上或灌注时间已达30min，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，应改浓一级。或注入率大于30L/min时，可根据具体情况越级变浓。、结束灌浆标准符合下列条件之一者，即可结束灌浆：在设计规定的灌浆压力下，灌浆段已停止吸浆或吸浆量小于1.0L/min，并持续60min以上时；在规定的压力下，吸浆量徘徊在1.0L/min的时间达1h以上。（5）灌浆材料及灌浆工艺、灌浆材料必须是新鲜合格的普通硅酸盐水泥，强度等级不低于32.5，对水泥的供给采取边用边进的原则，以保障水泥不过长时间在工地积放。、灌浆施工次序灌浆应遵循分序加密的原则。帷幕孔分三序次施灌，一序孔孔距8m，二序孔孔距8m,三序孔孔距4m，终孔孔距2m。（6）灌浆方法：当岩段小于6m时，采用全孔一次灌浆法；大于6m或在漏水严重地段应采取自上而下的方法灌浆，以提高灌浆质量。（7）灌浆结束和封孔：在灌浆过程中，对于每一个灌浆孔都应严格按照规程，规范的要求结束灌浆，以确保工程质量。对较深的帷幕灌浆孔，在最后一段灌浆结束后即采用浓浆封孔。封孔分段长1520m，封孔压力与灌浆压力相同，当注入率不大于1L/min，继续灌注30min后，在孔口处继续灌注60min，灌注结束后闭浆24h。（8）工程质量检查检查孔数为灌浆总孔数的10，布置在断层、岩体破碎带等地质条件复杂的部位、末序孔注浆量大的孔段附近、孔偏斜过大处、灌浆过程不正常的部位。检查孔应采取岩芯，绘制钻孔柱状图。检查孔压水试验在该部位灌浆结束后14d后进行，自上而下分段卡塞进行压水试验，采用单点法或五点法。检查孔压水实验结束后，按技术要求进行灌浆和封孔。5.3.7 上游坝坡护坡设计水库大坝上游坡采用C20预制砼护坡。考虑到原输水涵管封堵会将上游坝坡现有砼护坡挖掉一部分，且现有护坡已破损，本次设计决定对原砼护坡拆除，培厚上游坝坡，填筑前必须对坝坡上的杂草和树根以及腐植土进行彻底清除，开挖成阶梯状后回填土，然后采用预制砼六角块护坡。（14）根据规范SL274-2001，计算砼块护坡厚度公式：式中：系数，取1.1；c板的密度，为2.4t/m3； hp累积频率为1%的波高； b沿坝坡方向砼块边长。经计算，综合考虑取预制混凝土块厚0.1m。大坝上游预制六角砼块护坡范围从高程55.50m高程为57.30，六角砼块沙砾石垫层为10cm，具体见设计图。5.3.8 下游坝坡设计王家冲水库大坝坝顶不平整，平整坝顶高程为58.00m，坝顶采用混凝土路面。水库建成后下游坝坡未进行护坡处理，背水坡部分杂草丛生。本次设计拟对下游坝坡进行草皮护坡处理，新增下坝踏步及坝肩排水沟。高程55.00m设置1.5m宽马道，马道内侧设置尺寸为300*300的C20砼排水沟。坝脚原排水棱体失去作用，新建排水棱体高度为3m。具体设计见工程除险加固平面布置图。5.3.9 大坝加固后渗流计算（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，按照现场所取原状样的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57.30m。水库除险加固后按心墙坝透水地基计算。（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以下工况进行：上游设计洪水位与下游相应的最低水位；上游校核洪水位与下游相应的最低水位；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，以上游坝脚为计算原点。上游正常蓄水位56.50m，下游无水工况下，坝体浸润线计算见表17及图10。表17 水库大坝计算断面设计洪水位浸润线计算表Tab 17 Saturation line calculation table on the design flood level of reservoir dam section calculated X(m)64.86962.52960.62958.85155.09247.143.6Y(m)0.1080.7931.3181.7422.5073.6463.826图10 水库大坝计算断面设计洪水位浸润线图Fig 10 Infiltration line chart on the design flood level of reservoir dam section calculated 上游校核洪水位57.3m，下游无水工况下，坝体浸润线计算见表18及图11。表18 水库大坝计算断面校核洪水位浸润线计算表Tab 18 Infiltration line calculation table on the flood level cheaked of reservoir dam section calculatedX(m)56.1154.36952.79351.09649.76545.84943.6Y(m)2.4282.7573.0383.3143.5053.9194.015(以上游坝脚为计算原点)图11 水库大坝计算断面校核洪水位浸润线图Fig 11 Infiltration line chart on the flood level cheaked of reservoir dam section calculated （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（见图12）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19及图12。表19 水库大坝计算断面非稳定渗流期浸润线Tab 19 Saturation line of reservoir dam section calculated when unsteady seepage X(m)33.7144.8085.3496.45710.19438.07910.836Y(m)9.431.1751.1811.1891.29810.8362.3(以上游坝脚为计算原点)图12 水库大坝计算断面非稳定渗流期浸润线图Fig 12 Infiltration line chart of reservoir dam section calculated when unsteady seepage （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20。表20 水库大坝计算断面最大渗透坡降值Tab 20 The maximum seepage gradient value of reservoir 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57.346.060.2857.1846.060.27非稳定渗流56.546.5646.060.3由表可见，大坝坝体逸流面最大渗透坡降为0.3，小于坝体允许渗透坡降0.35，大坝坝体发生局部渗透破坏的可能性不大，因此，大坝渗流性态为安全。5.3.10大坝加固后稳定计算（1）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，稳定计算考虑以下工况：、稳定渗流期的下游坝坡稳定情况；、水库水位降落期的上游坝坡稳定情况。本次稳定计算采用瑞典圆弧法计算：稳定渗流期下游坝坡稳定采用瑞典圆弧法的有效应力法计算，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；水库水位下降时期的上游坝坡稳定采用瑞典圆弧法的简化法计算，凝聚力C、内摩擦角值均采用固结快剪指标。（2）坝坡抗滑稳定计算稳定渗流期的控制水位情况为：、设计洪水位（57.18m）时，下游相应水位46.06m；、校核洪水位（57.3m）时，下游相应水位46.06m。按以上三种工况采用北京理正边坡稳定分析程序进行计算，得下游坝坡的抗滑稳定最小安全系数。图13 大坝稳定渗流设计洪水位下游坝坡稳定计算图Fig 13 Stability seepage calculation chart on the design flood level of downstream dam slope 图14 大坝稳定渗流校核洪水位下游坝坡稳定计算图Fig 14 Stability seepage calculation chart on the flood level checked of downstream dam slope非稳定渗流期上游坝坡稳定计算考虑时段无降雨，按涵管下泄流量计算库水位从正常蓄水位快速降落到死水位，同时按下游无水时的工况，计算出成果图。图15 大坝非稳定渗流时上游坝坡稳定计算图Fig 15 Stability calculation chart on upstream dam slope when upstability seepage表21 加固后大坝稳定计算成果表Tab 21 Stability calculation results table on the dam after reinforcement 最小安全系数允许最小安全系数正常运用条件2.061.15非正常运用条件5.661.06（3）稳定分析结论根据坝体抗滑稳定计算结果，大坝上、下游边坡在稳定和非稳定渗流期时抗滑稳定安全系数均大于规范允许值，故均满足规范要求。5.3.11 重建排水棱体设计原坝体的排水棱体由片石堆积而成，形状不规则，运行时间长，运行工况较差，部分有塌陷、破损，不利于大坝的安全运行，本次设计拟定重建排水设施，采用贴坡排水方案。根据碾压式土石坝设计规范（SL274-2001），贴坡排水顶部高程应高于坝体浸润线逸出点，高度大于冻结深度，根据王家冲水库的实际情况及加固后稳定渗流计算结果，取排水棱体高度为3m，即排水棱体顶部高程为49m。5.4 溢洪道建筑物整治5.4.1 基本情况溢洪道位于大坝右岸垭口，为正槽开敞式溢洪道，堰顶高程为56.5m。该水库溢洪道，不能满足泄流要求，扩宽为2.5m。溢洪道结构不成型，运行能力差，泄槽段底板侧墙均未进行任何防护措施，长满杂草，影响水库的过流能力，下游消力池不能满足消能要求，影响大坝的安全运行。5.4.2 溢洪道除险加固设计方案经对溢洪道进行现场检查、计算分析，现有溢洪道结构不成型，溢洪道的一侧为由片石堆积而成的挡墙，另一侧无衬砌，运行能力差，泄槽段未进行衬砌，杂草丛生，经计算溢洪道不满足泄流要求，应加宽为3m。根据碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）要求及大坝安全，决定对溢洪道进行加固改造。5.4.3 溢洪道水力计算（1）过流能力复核王家冲水库设计阶段的溢洪道最大下泄流量的复核实际上为挡水建筑物的过流能力复核。此次调洪演算的库容曲线是实测水库地形图求得的，泄流曲线是根据王家冲水库溢洪道泄流曲线绘制。溢洪道控制段为宽顶堰，堰顶高程95m，设计控制段长度7.0m，宽度2.5m。按宽顶堰公式估算：(15)5）式中：Q-泄洪流量，洪峰流量Qm0.5%=4.51m3/s-侧收缩系数 =1 m-流量系数，取m=0.35下泄流量Qm0.5%=4.51m3/s时，Ho=1.1m控制段相对长度L/H=7/1.5=4.6710 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6及下图3。计算公式： （16）式中：m查表附录A.2.3-1得m=0.35；收缩系数， =1由水库泄流曲线图可知：qm55=3.22m3/s时，H3.5%=0.88mqm0.5%=4.47m3/s时，H0.5%=1.1m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0.3m。王家冲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，王家冲水库溢洪道控制段的顶部高程不得低于57.9m，溢洪道控制段设计侧墙顶部控制高程为58m，能满足防洪要求。（2）溢洪道泄槽水面线的推求、泄槽水流流态的确定以泄槽进口断面为控制断面，底坡i=0.3，糙率0.017，底宽b=2.5m。qm10%=2.69m3/s；qm5%=3.22m3/s； qm0.5%=4.51m3/s控制断面临界水深 （17）临界底坡 （18）式中：xk，Bk相应于临界水深的湿周和水面宽度；动能修正系数；Ck谢才系数。计算得：P=10%， hk=0.425m，ik=0.001528P=5.0%，hk=0.486m，ik=0.001533P=0.50%，hk=0.603m，ik=0.001526按上式求得设计洪水位与校核洪水位下临界底坡均小于0.15，属于陡坡。得水面线属b2降水曲线，随着水深的下降，水面线以正常水深时的水深为极限。、水面线的推求泄槽水面线应根据能量方程，用分段求和法计算。计算公式如下： （19） （20）式中：l1-2分段长度，m；h1，h2分段始、末断面水深，m；v1，v2分段始、末断面平均流速，m2/s；1，2流速分布平均匀系数，取1.05；泄槽底坡角度；i泄槽底坡，i=tg；分段内平均摩阻坡降；n泄槽槽身糙率系数；分段平均流速，=（V1+V2）/2，m3/s；分段平均水力半径，=（R1+R2）/2，m。把各数据代入上式，可求得200年一遇洪水溢洪道泄槽末端水深。见下表22。表22 水面线推求计算表(P=0.5%)Tab 22 Calculation table on calculating water line ( P = 0.5% )hbAivxRCV平R平C平J平ll0.60331.810.152.434.210.4351.110.53031.590.152.774.060.3950.312.600.4150.710.010.070.070.30030.900.154.893.600.2546.693.830.3248.500.034.894.950.25030.750.155.873.500.2145.505.380.2346.100.075.7410.700.20030.600.257.333.400.1844.066.600.2044.780.137.6118.310.18130.540.258.103.360.1643.417.720.1743.730.2010.8329.14、溢洪道墙高根据溢洪道设计规范SL 253-2000.第3.4.8规定：泄槽段边墙高度,应根据计入波动及掺气后的水面线,再加上0.51.5m的超高，那么：墙高H=掺气水深hb +安全超高+弯道横向水面差 （21）泄槽段掺气水深： （22）式中：h、hb泄槽计算断面的水深及掺气后的水深，m/sv不掺气情况下泄槽计算断面的流速修正系数，可取1.0-1.4s/m,流速大者取大值经计算溢洪道泄槽最大墙高为1.5m。、消力池计算王家冲水库为小型水库，主要建筑物为5级建筑物，根据溢洪道设计规范，消能防冲建筑物的设计洪水标准按10年一遇洪峰流量进行设计，10年一遇洪峰流量为3.0m3/s，消力池为底流消能，查溢洪道设计规范(SL25S-2000)等宽矩形断面下挖式消力池池深、池长可按下列公式计算: （23） （24） （25） （26） （27） （28）式中：Fr1收缩断面弗劳德数d池深，m；水跃淹没度(取1.05)；h2池中发生临界水跃时的跃后水深，m；h1收缩断面水深，m；ht消力池出口下游水深(ht =0.75m)，m；Z消力池尾部出口水面跌落，m；Q流量；b池宽，m；消力池出口段流速系数，取0.95；L 自由水跃的长度，m；经计算，定消力池池长为7m，宽2.5m，池深2.5m。5.4.4 溢洪道除险设计（1）溢洪道进口设计进口段长2.0m，底板采用0.3m厚C25混凝土衬砌，采用反坡，其中反坡坡比为0. 02。侧墙采用C25钢筋混凝土挡墙结构，顶宽0.3m，高1.5m，导墙背面坡比为1:0.4。具体设计见设计图。（2）溢洪道控制段设计溢洪道控制段宽5.0m，长5m，底板采用0.3m厚C25钢筋砼衬砌。侧墙高1.5m、顶宽0.3m、采用300厚C25钢筋混凝土挡墙结构，具体设计见设计图。（3）陡坡段设计泄槽段侧墙采用C25钢筋混凝土挡墙，顶宽0.3m、高1.5m，底板采用0.3m厚C25钢筋砼衬砌，具体设计见设计图。（4）溢洪道侧墙稳定计算、溢洪道进口、控制段侧墙采用C25钢筋混凝土挡墙，高度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1：0.18。抗滑稳定计算公式采用下式计算： （29）式中：Kc抗滑稳定安全系数； f边墙混凝土与基岩接触面的抗剪摩擦系数；f=0.5； 作用于边墙上的全部荷载对计算滑动面的法向分量；作用于边墙上的全部荷载对计算滑动面的切向分量。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=18。抗倾稳定公式： （30）式中：K0抗倾稳定安全系数；作用于墙体的荷载对墙前趾产生的稳定力矩；作用于墙体的荷载对墙前趾产生的倾覆力矩；（31）基底应力验算： 式中：基底最小应力，B墙底宽度，偏心距。根据溢洪道设计规范，王家冲水库溢洪道挡土墙为5级建筑物，K滑允=1.05， K倾允=1.4。经计算Kc=1.21.05；K0=1.631.4，侧墙抗滑、抗倾满足要求。、溢洪道泄槽段侧墙采用C25钢筋混凝土挡墙，高度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1：0.18。抗滑稳定计算公式采用（29）式计算；抗倾稳定公式采用（30）式计算；基底应力验算采用（31）式计算。根据溢洪道设计规范，王家冲水库溢洪道挡土墙为4级建筑物，K滑允=1.05， K倾允=1.4。经计算Kc=1.231.05；K0=1.71.4，侧墙抗滑、抗倾满足要求。（5）溢洪道消力池经消能计算：消力池长8m，深2.5m。本次重建消力池拟定侧墙采用C25钢筋混凝土挡墙，顶宽0.5m，背面坡比为1:0.18。具体设计见设计图。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