丰收水库除险加固工程及建筑物设计

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，丰收水库为小(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、溢洪道及输水洞等级别为五级，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设计依据丰收水库除险加固工程依据汝南县丰收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，按照有关设计规范文件进行设计，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.水利水电工程高压喷射灌浆技术规范（DL/T52002004）；14.水库工程管理设计规范SL10696；15. 水文自动测报系统规范SL6194；16. 土石坝安全监测技术规范SL6094；17. 水闸设计规范SL2652001; 18. 公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004；19. 中小型水库设计（辽宁省水利勘测设计院编）；20. 小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则（SL18996）.5.1.3设计基本资料丰收水库位于驻马店市汝南县金铺镇姚寨村委，在淮河流域、小洪河水系、南马肠河支流廖沟河上游，原设计控制流域面积6.59km2，总库容12.8万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1958年冬动工兴建，1959年3月竣工投入使用。大坝坝顶高程为52.6153.13m，坝顶宽5.5m，坝长30m，最大坝高5.3m，溢流堰堰顶高程51.07m，宽3m，输水洞进口底板高程49.4m。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。丰收水库大坝安全鉴定报告鉴定结论为：1、丰收水库位于南马肠河支流之上，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1850余人、耕地1820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、大坝断面基本规整，坝体填筑质量差，上、下游砌石护坡坍塌损坏，下部无反滤层；溢洪道消力池底板水毁，岸坡干砌石护坡损坏，出口连接段无护砌；输水洞进口闸门、启闭机损坏。综合评定工程质量为不合格。4、经复核，大坝坝坡抗滑稳定安全满足规范要求；溢洪道消力池底板水毁，岸坡干砌石护坡损坏，出口连接段无护砌；输水洞进口控制设施损坏。综合评定结构安全为B级。5、坝基局部渗漏；输水洞洞身漏水。综合评定渗流安全为C级。6、输水洞进口闸门及启闭机损坏，不能正常控制运用。综合评定金属结构安全为C级。7、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。8、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），鉴定丰收水库大坝为三类坝。5.2 工程总体布置本次丰收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、输水洞等。1、大坝大坝段全长30m，高程为53.10m。局部达不到设计高程的，加高培厚；整修坝坡，下游坝坡按1：2边坡放缓。（1）大坝上游大坝较短，且连接岸边坡与进溢洪道入口，故上游采用重力式挡土墙。（2）坝顶路面坝顶路面设计在坝基上铺设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4.5m，路面宽4.1m，总长15m。路面上、下游侧设路缘石，路缘石采用厚20cm、高50 cm、长80cm的预制C20砼块。2、溢流坝段（1）、溢流坝段布置丰收水库溢流坝段工程位于水库大坝0+06.50+022，全长15.5m，净孔15.m。由进口段、溢流坝段、陡坡段及消能段组成。溢流堰顶高程51.0m。（2）、溢流坝段结构设计进口段：长8 m，底板采用30c m厚M7.5浆砌石和C20砼护砌，边坡为14c m砼护坡，大坝上游护坡连接。溢流段：堰形采用实用堰形式，上游面为1：2坡面，堰顶及下游面为WES剖面。溢流坝段坝体内部为原老坝体。外部采用混凝土护砌。上游坡采用20c m厚C20钢筋混凝土护砌。堰顶及下游坡采用30c m厚C20钢筋混凝土护砌。边墙采用M7.5重力式浆砌石挡土墙。陡坡段：直线段坡度为0.7，采用30cm厚C20钢筋混凝土护砌，边墙采用M7.5重力式浆砌石挡土墙。消能段：消力池采用底流式消能，池长10m，深0.5m。底宽15.5m。底板采用50cm厚C20钢筋混凝土护砌，边墙采用M7.5重力式浆砌石挡土墙。（3）交通桥设计溢流坝上设交通桥，两跨，每孔净长7.5m，桥板为现浇钢筋混凝土梁板结构，板厚38cm，桥墩为浆砌石重力墩。3、输水洞工程本次设计拆除重建输水洞，输水洞进口位于大坝左岸，出口位于消力池左岸边墙处，进口为C20钢筋砼排架式结构，3t启闭机及0.50.5m铸铁闸门控制，洞身为DN32焊接钢管外包C20砼，出口与消力池连接。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工程现状目前丰收水库水库坝长30m，为均质土坝，大坝坝顶高程为52.6153.13 m，坝顶宽5.5m，最大坝高5.3m，大坝上下游坝坡比1：2。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1.70g/cm3，坝体填筑质量按压实度96%（相应于干密度1.61g/cm3）的标准进行判别。据勘察试验成果：天然干密度范围值1.571.66g/cm3，平均1.61g/cm3，其压实度合格率为33%；压缩系数范围值0.1760.368MPa-1，平均值0.259MPa-1。表明大坝填筑土结构较疏松，碾压不均，压实度偏低，质量较差。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、大坝断面基本规整；坝基处理不彻底，、坝基局部存在渗漏；上、下游砌石护坡坍塌损坏，下部无反滤层。3、溢洪道消力池底板水毁，岸坡干砌石护坡坍塌损坏，出口连接段无护砌。4、输水洞闸门、启闭机损坏，输水洞洞身漏水。5、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丰收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。大坝稳定分析采用河槽段最大坝高0+10处断面作为标准计算断面，大坝主河槽段0+10上游坡坡率为1:2；下游坡坡率1:2。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，结合丰收水库具体运用情况，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。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。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。分析成果丰收水库大坝稳定核算，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5-1。表51 大坝稳定计算成果表 部位工况丰收湖运用条件安全系数瑞典圆弧法毕肖普法河槽段上游坡正常库水位位于最不利水位49.167m处2.1832.259正常蓄水位51.0m稳定渗流期2.3082.413设计洪水位51.86m稳定渗流期2.4812.638非常校核洪水位52.02m可能形成稳定渗流2.5192.685库水位自校核水位52.02m降自死水位48.50m时的非常降落2.5302.697下游坡正常设计水位51.86m稳定渗流期1.6401.696正常蓄水位51.0m稳定渗流期1.8051.864非常校核洪水位55.02m可能形成稳定渗流1.6401.696 通过大坝稳定计算得出的数据来看，原坝体正常水位上游、下游坝坡均满足规范规定的安全系数，水位降落期上游坝坡满足规范规定的安全系数。由此，大坝抗滑稳定满足规范要求。大坝变形稳定分析丰收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。丰收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：51.0m；10年一遇设计洪水位：51.86m；20年一遇校核洪水位：52.02m，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。以上河槽段0+010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表5-2。丰收水库大坝渗流量成果表表5-2 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+010正常蓄水位0.5410.4470.480.099设计洪水位1.0570.4470.480.183校核洪水位1.1640.4470.480.201表5-3 各种工况下浸润线坐标值计算成果表正常蓄水位X(m)7.8929.78411.67513.56715.45917.35119.24321.13423.02624.918Y(m)2.7682.6162.4542.2822.0941.8891.6581.3891.0540.541设计水位X(m)9.57111.16112.75214.34215.93317.52319.11420.70522.29523.886Y(m)3.6373.4473.2463.0312.8012.5492.271.9511.5691.057校核水位X(m)9.83711.37412.91114.44815.98617.52319.0620.59722.13423.671Y(m)3.7743.5793.3733.1542.9182.6622.3772.0541.671.164由以上计算结果可知，大坝代表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0.48。丰收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。但是，下游无排水设施，坝体填筑质量差，坝体填土结构疏松，碾压不均，压实度合格率33%，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月所做的驻马店市汝南县丰收水库大坝工程安全评价报告及驻马店市水利局大坝安全鉴定报告，本次除险加固工程需要做工程有：右岸大坝局部坝项高程达不到设计要求部分，进行培高加厚。本次设计右岸大坝局部坝项高程达不到设计要求部分，进行培高加厚。坝顶宽4.5m，下游坝坡按1：2放缓。大坝上游大坝较短，且连接岸边坡与进溢洪道入口，故上游采用重力式挡土墙。坝顶路面坝顶路面设计在现有路基上铺设20cm厚的泥结碎石路面，路面倾向下游侧设1.5的缓坡，坝顶总宽4.5m，总长15m。路面上下游侧设路缘石，路缘石采用厚20cm、高50 cm、长80cm的预制C20混凝土块。在与下游坡面排水沟交叉位置设25cm宽缺口与下游坡横向排水沟相连。5.4 溢洪道工程设计5.4.1溢洪道工程设计1、溢流坝段布置丰收水库溢流坝段工程位于水库大坝0+06.50+022，全长15.5 m，净孔15. 0m。由进口段、溢流坝段、陡坡段及消能段组成。溢流堰顶高程51.0m。2、溢流坝段结构设计进口段：长8 m，底板采用30c m厚M7.5浆砌石和C20砼进行护砌，边坡为14c m砼护坡，大坝上游护坡连接。溢流段：堰形采用实用堰形式，上游面为1：2坡面，堰顶及下游面为WES剖面。溢流坝段坝体内部为原老坝体。外部采用混凝土护砌。上游坡采用20c m厚C20钢筋混凝土护砌。堰顶及下游坡采用30c m厚C20钢筋混凝土护砌。边墙采用M7.5重力式浆砌石挡土墙。陡坡段：直线段坡度为0.7，采用30cm厚C20钢筋混凝土护砌，边墙采用M7.5重力式浆砌石挡土墙。消能段：消力池采用底流式消能，池长10m，深0.5m。底宽15.5m。底板采用50cm厚C20钢筋混凝土护砌，边墙采用M7.5重力式浆砌石挡土墙。（3）交通桥设计溢流坝上设交通桥，两跨，每孔净长7.5m，桥板为现浇钢筋混凝土梁板结构，板厚38cm，桥墩为浆砌石重力墩。5.4.2溢洪道水力计算泄流能力复核溢洪道控制段采用实用堰，底宽按15m计算，泄流计算公式： 式中 Q流量，m3/s； s淹没系数； n孔数，2孔； H0堰顶水头，m； m流量系数； 一个堰孔的净宽 7.5m； 1闸墩侧收缩系数。计算结果如下表。表5-4 不同频率溢洪道计算成果表 频率P（）库水位（m）溢洪道泄流量（m3/s）P=10%51.8626.1P=5%52.0233.5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：溢洪道水面线计算成果表表5-5桩号底宽(m)底坡10年一遇岸墙高（m）流速(m3/s)水深（m）0+018.23.23.995.10+02115.02.020.992.10+.02515.52.420.814.50+03115.51.611.21.5消能防冲设计1、消力池设计消能防冲设计洪水标准为10年一遇，设计泄流量Q26.10m3/s。根据溢洪道设计规范（SL2532000）底流式消能水力计算：池深：dh2-ht-Z式中：d池深m； h2跃后水深m；水跃淹没度1.05；