5工程布置及主要建筑物.doc

5工程布置及主要建筑物5.1设计依据及标准5.1.1工程等别及建筑物标准根据国标防洪标准GB5020194和水利水电工程等级划分及洪水标准（SL2522000）中有关水利水电枢纽工程等别和级别的规定，曹桥水库为小(2)型水库，工程等别为V等，永久建筑物中主要建筑物如挡水大坝、溢洪道及泄洪洞等级别为五级，设计防洪标准为10年一遇，校核洪水标准为2050年一遇，溢洪道下游消能防冲洪水标准为10年一遇。本次工程设计洪水标准按10年一遇，校核洪水标准按20年一遇，溢洪道消能防冲设计标准10年一遇。5.1.2设计依据曹桥水库除险加固工程依据汝南县曹桥水库大坝安全评价报告和驻马店市水利局对鉴定报告的成果核查表，按照有关规范文件进行设计，主要依据的规范、规程有：1.水利水电工程初步设计报告编制规程DL502193；2.水利水电工程设计洪水计算规范SL442006；3.水利工程水利计算规范SL10495；4.水利水电工程等级划分及洪水标准SL2522000；5.防洪标准GB5020194；6.溢洪道设计规范SL2532000；7.河南省中小流域设计暴雨图集省院1984年编印；8.河南省暴雨参数图集(2005年版)；9.水力学计算手册水利出版社，1980年出版；10.水利建设项目经济评价规范SL7294；11.堤防工程设计规范GB5028698；12.碾压式土石坝设计规范SL2742001；13. 水库工程管理设计规范SL10696；14. 水文自动测报系统规范SL6194；15. 土石坝安全监测技术规范SL6094；16. 水闸设计规范SL2652001;17. 公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004；18. 中小型水库设计（辽宁省水利勘测设计院编）；19. 小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则（SL18996）等。5.1.3设计基本资料曹桥水库位于驻马店市汝南县和孝镇曹桥村委，淮河流域汝河水系臻头河支流吕岗河陈屯沟，设计控制流域面积3.03km2，总库容11.90万m3。是一座以防洪为主，结合灌溉、养殖等综合利用的小(2)型水库。水库于1965年竣工投入使用。大坝坝顶高程为66.62m，坝顶宽4m，坝长205m，最大坝高4.2m，溢流堰堰顶高程64.5m，净宽8m。水库经多年运用，在工程质量、大坝结构、渗流等方面都不同程度地存在安全隐患，经驻马店市水利局组织专家评审，核查为三类坝，属病险水库，尽早进行除险加固十分必要。曹桥水库大坝安全鉴定报告鉴定结论为：1、曹桥水库位于臻头河支流吕岗河上游陈屯沟，是一座以防洪、灌溉为主，结合养殖等综合利用的小(2)型水库。保护下游人口1900余人、耕地2000亩，位置重要。2、经复核，水库防洪能力不满足防洪标准（GB5020194）的要求，综合评定防洪安全为C级。3、坝体局部存在渗漏；上、下游坝坡无护砌，坝脚淘刷严重，局部滑坡变形，危及坝体安全；下游无排水设施。溢洪道水毁报废，不能安全泄洪。综合评定工程质量为不合格。4、经复核，大坝上游坝坡抗滑稳定安全局部不满足规范要求；上、下游坝坡冲刷严重，局部滑坡变形；溢洪道水毁报废，岸坡冲刷严重，不能安全泄洪。综合评定结构安全为C级。5、坝体局部存在渗漏，危及大坝安全；下游无排水设施。综合评定渗流安全为C级。6、根据中国地震动参数区划图（GB183062001），水库所在区域地震动峰值加速度为0.05g，相当于地震烈度6度，不需要进行抗震安全复核。7、水库无专职管理机构与管理人员，无安全监测及管理设施，综合评定运行管理为差。综上所述，根据水利部颁布的水库大坝安全鉴定办法、水库大坝安全评价导则（SL2582000），鉴定曹桥水库大坝为三类坝。5.2工程总体布置本次曹桥水库设计为除险加固工程，工程总体布置基本维持原设计，主要包括大坝、溢洪道等。本次设计高程为66.62m，坝长205 m，为均质土坝，上游为厚0.30m干砌石护坡，坡比为1：2。下游为厚0.30 m干砌石护坡，坡比为1：2.5，坝坡设横向排水沟。溢洪道工程位于水库大坝右坝肩，正交于坝轴线，采用开敞式宽顶堰形式，由进口段、控制段及交通桥、陡坡段、消能段、出口连接段组成。进口段长5.88m，进口宽12.6 m，高程63.53 m；进口段底板采用0.35m厚M7.5浆砌石护砌，两侧墙采用M7.5浆砌石重力式斜降式挡土墙。控制段为宽顶堰，净宽8 m，长5.6m，堰顶高程64.5 m。底板采用0.30 m厚C20钢筋混凝土护砌，边墙采用M7.5浆砌石重力式挡土墙。上部设2跨钢筋砼板式交通桥1座；交通桥长9.3 m，宽4 m，桥面板为0.30m厚C30混凝土。中墩为M10浆砌石重力墩，墩厚0. 6 m，边墩为M7.5浆砌石重力墩。陡坡段水平长4.5 m，净宽8.6 m。进口高程64.5 m，出口高程63.0 m。底板采用0.30 m厚C20钢筋混凝土护砌，边墙采用M7.5浆砌石重力式挡土墙。消力池长6 m，深0.5 m，净宽8.6 m。底板采用0.50m厚C20钢筋混凝土护砌，边墙采用M7.5浆砌石重力式挡土墙，消力池底板设反滤层及排水孔。5.3大坝加固工程5.3.1大坝工程现状及存在问题5.3.1.1工程现状大坝全长205m，坝顶高程65.3466.11m，坝顶宽5.9716.77m，最大坝高4.2m；大坝上游坝坡比1：1.4712.4，上游坝坡不稳定；下游坡比1：2.513.26，均为土质边坡，无护砌，坡脚淘刷严重，坡面凸凹不平，遍布雨淋沟，杂草丛生，大坝下游未设排水设施。5.3.1.2大坝质量评价本次对大坝筑土质量检查，采取取土、标贯、静探相结合的手段，通过对现场勘探资料及室内土工试验成果综合分析可知：坝体成分及压实度勘察期间在坝址区附近土料区散状样进行土料击实、重塑土试验，试验最大干密度1.71g/cm3，坝体填筑质量按压实度96%（相应于干密度1.64g/cm3）的标准进行判别。据勘察试验成果：天然干密度范围值1.561.71g/cm3，平均1.67g/cm3，其压实度合格率为75%；压缩系数0. 1750.358MPa-1，平均值0.244MPa-1。表明大坝填筑土总体结构较密实，压实度较高，质量较好。 渗透性据钻孔注水试验和室内试验得知：坝体及坝体与坝基接触带渗透系数为1.110-4cm/s，属中等透水性，坝体渗透系数为2.610-52.410-4cm/s，属弱中等透水性，坝体部分存在渗漏问题，需进行相应的防渗处理。5.3.1.3工程存在问题1、防洪能力不满足防洪标准（GB5020194）的要求。2、大坝断面不规整；坝体局部存在渗漏；上游坝坡无护砌，局部滑坡变形；下游坝坡受外河来水冲刷，坝脚淘刷严重，危及坝体安全。3、溢洪道水毁报废，不能安全泄洪。4、水库无安全监测及管理设施。5.3.2大坝结构稳定计算及渗流稳定分析5.3.2.1大坝结构稳定分析（1）安全评价报告中坝坡稳定复核在曹桥水库大坝安全评价报告中，大坝稳定分析采用大坝桩号0+055处断面作为标准计算断面，上游坡坡率为1:1.47；下游坡坡率1:2.34，见图5-1。（2）筑坝材料物理特性指标安全鉴定阶段使用的参数均取自2011年6月河南省水利勘测有限公司编制的驻马店市汝南县曹桥水库除险加固工程初步设计工程地质勘察报告。根据规定，对4级建筑物，采用简化毕肖普法分析时，正常运用条件下，坝坡抗滑稳定安全系数应不小于1.15；非常运用条件下，坝坡抗滑稳定安全系数应不小于1.05。对上游坡水位降落情况，当同时采用总应力法与有效应力法进行分析时，应以其中较小的安全系数作为依据。稳定分析计算结果见表5-1。表5-1 大坝稳定计算成果表 计算部位计算工况工 作 条 件抗滑稳定安全系数瑞典圆弧法计算安全系数毕肖普法计算安全系数规范规定最小安全系数上游坝坡正常库水位为最不利水位63.85m（坝底以上1/3处）1.0561.0671.150正常蓄水位64.50m稳定渗流期1.0901.1051.150下游坝坡正常兴利（正常）水位64.50m稳定渗流期2.5012.6201.150稳定计算结果表明，大坝上游坝坡抗滑稳定安全系数小于规范要求的最小安全系数，说明上游坝坡不稳定，存在一定的安全隐患。（3）本次除险加固工程坝坡稳定复核1）筑坝材料物理特性指标本次坝坡稳定复核采用的参数2011年6月河南省水利勘测有限公司编制的驻马店市汝南县曹桥水库除险加固工程初步设计工程地质勘察报告。筑坝材料各种物理特性指标见表3235。大坝稳定分析采用桩号0+055处断面作为标准计算断面，初步拟定该坝段上游坡坡率为1:2；下游坡坡率1:2.5。2）计算工况计算工况分为正常运用和非常运用两种情况。根据碾压式土石坝设计规范（SL2742001）的要求，并结合本工程具体运行情况，确定坝坡稳定计算工况如下：根据规范要求，结合曹桥水库具体运用情况，分析稳定渗流期的上、下游坝坡，库水位降落期的上游坝坡的抗滑稳定安全。上游坡正常情况，正常蓄水位64.50m稳定渗流期；库水位为最不利水位63.85m（坝底以上1/3处），设计洪水位65.51m稳定渗流期。非常情况，校核洪水位65.61m可能形成稳定渗流期；库水位自校核洪水位65.61m非常降落至死水位64.50m。下游坡：正常情况，设计洪水位65.51m稳定渗流期；兴利（正常）水位64.5m稳定渗流期。非常情况，校核洪水位65.61m稳定渗流期。可能滑动面上的孔隙水压力，在稳定渗流期根据流网确定，在库水位快速降落期上游坝坡内的空隙水压力根据规范采用近似公式计算。3）分析方法坝坡稳定分析采用瑞典圆弧条分简化有效应力法进行计算：瑞典圆弧法：式中：W：土条重量；Q、V：分别为水平和垂直地震惯性力，本次不予考虑；：作用力土条底面的孔隙压力；：条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b：土条宽度；C、：土条底面的有效应力抗剪强度指标；Mc：水平地震惯性力对圆心的力矩为0；R：圆弧半径。计算稳定渗流时，孔隙压力应用rwz代替，为稳定渗流期的孔隙压力，rw为水的容重，Z为条块底部中点至坡外水位的距离，条块重WW1+W2，W1为外水位以上条块实重，浸润线以上为湿重，浸润线和外水位之间为饱和重，W2为外水位以上条块浮重。计算库水位降落时，应按降落后的水位计算。分析成果曹桥水库大坝稳定核算，按5级建筑物，根据碾压式土石坝设计规范（SL2742001），V级建筑物的安全系数为：正常情况为1.15，非常情况为1.05，计算结果见表5-2。表52 大坝稳定计算成果表 计算部位计算工况工 作 条 件抗滑稳定安全系数瑞典圆弧法计算安全系数毕肖普法计算安全系数规范规定最小安全系数上游坝坡正常库水位为最不利水位63.85m（坝底以上1/3处）2.2512.3691.150正常蓄水位64.50m稳定渗流期2.4362.4521.150设计洪水位65.51m稳定渗流期2.3902.4011.150非常校核洪水位65.61m可能形成稳定渗流期2.3002.3761.058库水位自校核洪水位65.61m非常降落至死水位64.50m2.4172.4531.058下游坝坡正常设计洪水位65.51m稳定渗流期2.7562.6311.150兴利（正常）水位64.50m稳定渗流期2.6332.6671.150非常校核洪水位65.61m稳定渗流期2.5762.6301.058通过大坝稳定计算得出的数据来看，该断面坝体正常水位上游、下游坝坡均满足规范规定的安全系数。大坝抗滑稳定满足规范要求。大坝变形稳定分析曹桥水库自建成后从未设置沉陷、位移观测点，沉陷变形只能通过现场观测。根据实地观测，发现大坝坝顶路面出现部分破碎沉陷现象，表明坝体有不均匀沉降，大坝坝顶有开垦种植现象，容易产生水土流失，破坏坝体。5.3.2.2大坝渗透计算渗流分析的目的是复核原设计施工的渗流控制措施和当前的实际渗流状态是否能保证大坝按设计条件安全运行。曹桥水库无原始设计资料，并没有设置渗流观测设施，无实际观测数据，因此无法进行核验。其渗流安全措施和实际渗流状态，只能根据勘察资料，重新复核坝体的渗流量。计算工况：正常蓄水位：64.50m；10年一遇设计洪水位：65.51m；20年一遇校核洪水位：65.61m，在上述工况下每部位下游均无水，下游无排水设施。计算公式：根据水流连续条件qq=q可由以上两式用试算法求解。下游部分坝体中的浸润线位置由下式算出：上述公式中各符号含义见下图5-3。以上0+055断面在三种工况下，通过试算法计算得到每昼夜每延米渗流量见下表5-3。曹桥水库大坝渗流量成果表表5-3 单位：m3/dm桩号计算水位（m）坝坡出逸高度（m）坝体溢出点渗透坡降允许渗透比降值J允许渗流量（m3/d.m）0+055正常蓄水位64.50m0.1360.3710.520.009设计洪水位65.51m0.5490.3710.520.038校核洪水位65.61m0.6420.3710.520.044表5-4 各种工况下浸润线坐标值计算成果表正常蓄水位X(m)4.1105.7407.3709.00010.630 12.26113.89115.52117.15118.781Y(m)1.1601.0941.0250.950 0.8690.7800.6790.5600.4070.136设计水位X(m)5.9697.278 8.5879.89511.20412.51313.82215.13116.44017.749 Y(m)2.1472.0321.9111.7811.6411.4891.3181.1220.8830.549校核水位X(m)6.2347.487 8.7419.994 11.24812.50213.755 15.00916.262 17.516 Y(m)2.2892.1682.0411.9051.7591.5991.4211.2180.9740.642由以上计算结果可知，大坝0+055断面的渗流量数值较小，对水库的正常蓄水不会造成影响。经过计算，大坝在各水位时的出逸渗透比降均小于坝体的允许水力渗透比降0.52。曹桥水库大坝渗透比降理论计算均在规范允许范围内，渗流性态基本稳定。坝体与坝基、坝体渗透系数大于规范规定的数值，需进行相应的防渗处理。5.3.3大坝工程设计根据驻马店市水利勘测设计研究院2011年8月编制的驻马店市汝南县曹桥水库大坝工程安全评价报告及驻马店市水利局驻马店市汝南县曹桥水库大坝安全鉴定报告书，本次除险加固工程任务：新筑0+000-0+031坝段、大坝上游坝坡按1：2.0、下游坝坡按1：2.5放缓，坝顶宽4.0m；上游干砌石护坡、坝顶泥结碎石路面、下游坝坡贴坡排水等。5.3.3.1大坝加固工程本次设计坝顶宽4.0m，上游坝坡按1：2.0、下游坝坡按1：2.5放缓，上、下游均为干砌石护坡，护坡厚0.30m。5.3.3.2工程设计（1）上游护坡依据碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）要求，护坡顶部高程66.62m，底部高程63.0m，考虑到已接近上游坝脚高程，故上游护坡下部护至坝脚处。设计护砌材料由内至外依次为15cm厚碎石反滤料，面层为30cm厚干砌石护坡。护坡坡脚设M7.5浆砌石基础，高1.5m，底宽1.10m。砌石护坡厚度确定：；当时，；当时，式中 D石块的换算球形直径，m； Q石块的质量，t； D 50石块的平均粒径，m; Q50石块的平均质量，t; t护坡厚度，m; Kt 随坡率变化的系数; ，块石和密度，t/m3; 水的密度，t/m3;hp累积频率为5%的波高， m.经计算得出t=0.22m，取护坡厚度30cm。（2）下游贴坡排水由于下游坝坡紧邻外河，为防止水流冲刷坝体、坝脚；本次设计结合坝体排水在下游坡新建干砌石贴坡排水，贴坡排水采用厚30cm干砌石结构，坡面与下游坝坡坡面一致，下设二层反滤，分别为15cm厚碎石、15cm厚粗砂；护砌高程从坝脚至64.0m，范围为全坝段。（3）坝顶路面坝顶路面设计在路基上铺设20cm厚的泥结碎石路面，路面倾向下游侧设2的缓坡，坝顶总宽4m，路面宽3.6m。总长205m。路面上、下游侧设路缘石，采用厚20cm、高50 cm、宽80cm的预制C20混凝土块，每50m设25cm宽缺口以利坝顶排水。（4）下游踏步大坝现无上坝台阶，本次在桩号0+155处上游新建踏步一道，采用C20砼结构，总宽1.4m，净宽1.0m。5.4 溢洪道工程设计5.4.1溢洪道工程设计溢洪道工程位于水库大坝右坝肩，正交于坝轴线，采用开敞式宽顶堰形式，全长25m，由进口段、控制段及交通桥、陡坡段、消能段、出口连接段组成。（1）进口段长5.88m，进口宽12.6 m，高程63.53 m；进口段底板采用0.35m厚M7.5浆砌石护砌，两侧墙采用M7.5浆砌石重力式斜降式挡土墙。（2）控制段为宽顶堰，净宽8 m，长5.6m，堰顶高程64.5 m。底板采用0.30 m厚C20混凝土护砌，边墙采用M7.5浆砌石重力式挡土墙。上部设2跨钢筋砼板式交通桥1座；交通桥长9.3 m，宽4 m，桥面板为0.30m厚C30钢筋混凝土。中墩为M10浆砌石重力墩，墩厚0. 6 m，边墩为M7.5浆砌石重力墩。（3）陡坡段水平长4.5 m，净宽8.6 m。进口高程64.5 m，出口高程63.0 m。底板采用0.30 m厚C20钢筋混凝土护砌，边墙采用M7.5浆砌石重力式挡土墙。（4）消力池长6 m，深0.5 m，净宽8.6 m。底板采用0.50m厚C20钢筋混凝土护砌，边墙采用M7.5浆砌石重力式挡土墙，消力池底板设反滤层及排水孔。（5）出口段：位于桩号0+021.980+024.98，长3m，进口底宽8.6m，出口底宽12.6 m，均为M7.5浆砌石结构，厚0.35m；两岸为M7.5浆砌石导水墙。（6）交通桥：桥长9.3 m，宽4 m；桥面板为0.3m厚C30钢筋混凝土。中墩为M10浆砌石重力墩，墩厚0. 6 m，边墩为M7.5浆砌石重力墩。5.4.2溢洪道水力计算（1）泄流能力复核溢洪道控制段采用宽顶堰，底宽按8m计算，泄流计算公式：QmH03/2式中：Q溢洪道泄量 m3/s;H0堰上水头m；B堰的溢流宽度，B8m；g重力加速度，g=9.81m/s；侧收缩系数； m流量系数。与相对上游堰高Pl/H及堰头形式有关，由溢洪道设计规范A.2.3.1查得。m=0.320.34。计算结果如下表。表5-4 频率P=10%溢洪道计算成果表 频率P（）库水位（m）溢洪道泄流量（m3/s）P=10%65.5112.00（2）溢洪道内水面线推求根据公式：式中： Q：溢洪道流量（m3/s）；Ak：临界水深时的过流面积； Bk：水面宽。经试算求出hk；根据式中：Ck：谢才系数；Rk：水力半径（m）；根据溢洪道形式断面，其水面线类型为b型曲线，分界处水深为hk水面线推求从陡坡顶部开始，分别由缓坡与陡坡向上游和下游推求。陡坡段水流湍急，应计算掺气高度。根据公式：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，m3/s；过水断面面积；1、2流速分布不均匀系数，取1.05；i泄槽底坡；纵坡与水平面的夹角；分段内平均摩阻坡降 ；n泄槽糙率系数；分段内平均流速，m/s；分段内平均水力半径，（R1+R2）/2，m陡坡段掺气水深按下式计算：式中：h、hb泄槽计算断面的水深及掺气后的水深；v不掺气情况下泄槽计算断面的流速m/s；修正系数 (1.01.4s/m)，本泄槽流速较大，取1.0溢洪道水面线计算成果见下表5-5：表5-5 溢洪道水面线计算成果表桩号