土石坝出险加固毕业设计计算说明书

1、第一章坝体稳定复核根据碾压式土石坝设计规范(SDJ274-2001)规定，计算方法 采用摩根斯顿-普赖斯法。计算断面选取大坝桩号0+313断面进行计算。水位：正常高水位357.91m,坝后按无水考虑。计算工况利民山水库库区地震基本烈度为W度，根据规范规定，坝体不需进行抗震计算，则计算工况如下：正常运用情况： 水位在最不利水位(1/3坝高)时，上游坝坡稳定情况； 在正常蓄水位下稳定渗流期，下游坝坡稳定情况；非常运用情况I : 库水位发生骤降时，上游坝坡稳定情况；大坝结构稳定分析的有关地质参数见表 5-1。土坝稳定分析岩土特征值设计参数表表5-1土层名称3丫 (t/m )3丫 sat (t/m )

2、02C(t/m )坝壳风化料1.882.0830, 280坝体粘性土1.951.98141.5淤泥质壤土1.741.80141.3坝基砂砾石2.092.1930, 280稳定分析成果大坝稳定分析计算中采用北京理正软件设计研究所2001年3月编写的“边坡稳定设计软件3.0版”进行电算，计算成果见表表5-2大坝坝坡抗滑稳定分析计算成果表表5-2计算条件序号工况断面KK允正常运用 情况11/3坝高水位、上游坡0+3131.4321.252正常蓄水、下游坡1.2591.25非常运用 情况I3正常蓄水骤降、上游坡1.3561.15结论经对典型断面进行坝坡稳定分析，各工况下坝坡抗滑稳定安全系 数均满足规范

3、要求，坝坡为稳定状态。桩号0+313最不利水位迎水坡稳定分析简图桩号0+313正常水位稳定渗流期背水坡稳定分析简图桩号0+313水位骤降期迎水坡稳定分析简图选取大坝桩号0+313m断面进行渗漏量计算各土层渗透系数坝壳风化料K=0.864 m/d坝体粘性土K=0.00864 m/d坝基砂砾石K=26.78 m/d计算结果本次采用北京理正软件设计研究所 2001年4月编写的“渗流分 析软件1.1版”进行计算。经计算，土坝单宽渗漏量q=3.8m3/d，土坝有效渗漏长度取490m,故土坝坝体及坝基年渗漏量 3Q=3.8X 365X 496=.96 万 m。该水库兴利库容295万用，年渗漏量占水库兴利库

4、容的23%渗 漏量偏大，严重影响了水库的灌溉效益，应进行防渗处理。计算过程 如下：桩号0+313断面渗透流网图坝肩渗漏量计算据地质勘察，左坝肩下部花岗岩表层为砂砾状全风化，其下岩体为强风化次块状结构，结构面较发育，主要为陡立张裂隙。钻孔注水 试验，岩体透水率较大 q=30-400Lu，属强透水带。因而左坝肩存在绕坝渗漏问题公式：2 2H； H；q2 L1L2L3K1K2K3式中：q 单宽渗漏量；H i上游水深；H 2上游水深；L 1、K上游坡积层厚及渗透系数；L 2、K2上游坡积层厚及渗透系数；L 3、K?上游坡积层厚及渗透系数；经计算，坝肩平均单宽渗漏量q = 1.5m/d m，坝肩渗漏范围

5、按95m 考虑，则左坝肩年渗漏量q=5.2万m,渗漏量较大，建议对坝肩进行灌浆处理，处理范围按1.5倍水头考虑至坝轴线桩号0-020处渗流稳定分析坝体渗流稳定分析公式：J =Hi H2L式中：H 上游水位（m）, H=357.91m;H2下游水位（m）, H=348.50m;L渗径长度（m） , L=67m经计算，J=0.14 v J 允=0.15。通过计算可知坝体实际渗透比降小于允许渗透比降, 在渗透破坏问题。坝基渗流稳定分析故坝体不存公式:J出逸=式中：h、h坝上、下游水位（m ；Ti、T2上、下土层厚度（m , Ti = 1.5m, T2=2mK 1、K2上、下土层渗透系数，K=0.05

6、6m/d , K?=43.2m/d2b坝基宽度，2b=67mo经计算，J出逸=1.8 > J允=0.8，故坝基存在渗透破坏问题。第三章工程总体布置及建筑物3.1工程等别和标准利民山水库工程等别为W等，主要建筑物为4级，次要建筑物为 5级。大坝设计防洪标准为30年一遇，校核洪水标准为300年一遇, 坝址区地震基本烈度为W度。3.2设计依据a、水利水电工程等级划分及洪水标准(SL252-2000);b、碾压式土石坝设计规范(SL274-2001);c、水工设计手册；d、利民山水库大坝安全鉴定综合评价报告；e、水利水电工程施工组织设计规范(SL303-2004)。3.3主体工程布置该水库枢纽工

7、程由土坝、泄洪灌溉洞组成。大坝为粘土均质坝坝长570m最大坝高12.63m,顶宽4m,坝顶 高程360.83m,坝前坡1: 3,坝后坡马道以上采用原坝坡，马道以下 采用1: 2.5，马道高程为356.00。坝前坡设块石护坡，坝后设草皮 护坡和排水设施。新建泄洪灌溉洞位于桩号 0+449.4m处，钢筋砼方涵结构。与坝 轴线成正交。由进口段、洞身、竖井、出口消力池段组成。洞身为2孔2.0 x 20m的泄洪洞。洞身全长为63.24m,出口消力 池池长为16.0m,池深为1.6m,池底高程为344.78m。海漫段长为30m 接整治尾水渠160m排入天然河道。灌溉洞布置在泄洪洞两侧，与泄洪洞平行， 2孔

8、。右侧灌溉洞项目单价方案一方案二方案三备注孔，孔口尺寸为1.0 x 10m左侧灌溉洞一孔，孔口尺寸为1.0 x 1.0m。 灌溉洞进口底高程为351.39m。本次除险加固设计，对主体工程进行以下三个方案的比较：方案一：泄洪洞拆除重建，尺寸由原来的两孔 2.0 >2.0m,扩建 为两孔2.5 >2.5m，坝顶高程为360.83m,保持现有坝顶高程不变。坝 剖面图见图6-1 ;方案二：泄洪洞拆除重建，保持原来的尺寸两孔2.0 >2.0m,坝顶高程为361.69m。整个坝体进行加高培厚处理。坝剖面图见图6-2 ;方案三：泄洪洞拆除重建，保持原来的尺寸两孔2.0 >2.0m,设

9、计坝顶高程为361.69m。对现有防浪墙进行维修加固，防浪墙顶高程 362.23m,保持现有坝顶高程360.83m不变。坝剖面图见图6-3 ;方案比较详见下表6-1 :表6-1方案比较表工程量总价工程量总价工程量总价土方开挖11.511333115.341015611.6910808.512.44土方回填20.04810816.25730014.639102.318.24泄洪洞砼359.34105537.9184430.3384430.33坝体填筑料24.89583814.532407659.93766219.07砼防渗墙140.91145.67120.0坝上游护砌154.44345153.3

10、0389260.10345153.30坝下游护砌96.57298628.83328431.71298628.83防浪墙维修加82.081.13闸门6扇20.66扇18.26扇18.2启闭机6台5.46台4.56台4.5合计元333.07376.76306.04方案一：该方案投资较大，坝体在原有基础上只进行护坡处理， 保证坝体的稳定性；但泄洪灌溉洞尺寸加大，工程量增加，泄流时震 动较大。方案二：泄洪灌溉洞尺寸保持不变，但该方案投资较大，整个坝 体进行加高培厚处理后，与原坝体接触处不易处理，易发生坝破脱落 现象，且施工困难。方案三：泄洪灌溉洞尺寸保持不变，利用现有防浪墙，保持现有 坝顶高程不变，泄

11、洪洞、灌溉洞并行分建，减少闸门开启时对坝体的 震动，且该方案投资较小。经以上经济、技术及运行管理和合理性比较， 选择 方案三 为设计推荐方案rifc t I. J本次除险加固设计，土坝位置不变，坝顶宽度由3.0m加宽至4.0m,坝轴线保持不变。加固后的大坝坝长570m坝顶高程360.83m, 最大坝高12.63m,坝前坡坡度1:3，干砌块石护砌，后坡在高程356.0 处设马道，马道宽1.5m，马道以上坝坡采用原坡度，马道一下采用 1:2.5。碎石护坡。坝后坡在桩好 0+436.8和0+245设浆砌条石梯道 两处，梯道宽2.0米。坝后设一道纵向排水沟和一道中央排水沟。中 央排水沟位于大坝轴线桩号

12、 0+213.6m处，坝后积水由中央排水沟排 入下游河道。泄洪（输水）洞依据安全鉴定，泄洪洞重建，洞径仍为2孔2.0 x 20m洞身全长为63.24m,出口消力池长为16.0m,池深为1.6m, 池底高程为344.78m。海漫段长为30m,接整治尾水渠160m排入天然 河道。灌溉洞平行布置在泄洪洞的两侧，2孔。右侧灌溉洞一孔，孔口 尺寸为1.0 x 10m左侧灌溉洞一孔，孔口尺寸为 1.0 X1.0m。灌溉洞 进口底高程为351.39m。第四章土坝本次土坝除险加固措施有：坝顶砼路面，坝肩设路肩石，坝顶宽 由3m加宽到4m,前坝坡干砌块石重新砌筑，后坝坡碎石护坡，坝基 进行砼垂直防渗墙处理，左坝

13、肩进行帷幕灌浆处理，坝顶防浪墙的维 修加固。4.1坝顶高程的确定基本资料水库正常水位 357.91m，设计洪水位 357.66m。校核洪水位 360.65m。安全加高值正常水位及设计水位均为0.5m。校核水位为0.3m，非汛期多年平均最大风速15m/s，汛期多年平均最大风速14m/s。计算风速 正常水位时，采用非汛期多年平均最大风速，为15m/s，主风向为SSW吹程D=0.92km设计洪水位时，采用汛期多年平均最大 风速14m/s，主风向为SSW/吹程D=0.77km校核洪水位时，采用汛 期多年平均最大风速为14m/s，主风向为SSVy吹程D=1.5km气象 站隐蔽系数k1=1.4，气象站所在

14、地形高低系数k2=1.0。根据气象站隐蔽系数k1与气象站所在地形高低系数k2之乘 积和气象站实测风速值查水工设计手册图 17-4-2得库面风速， 再由库面风速确定水库的设计风速，即在正常水位和设计洪水位时采 用相应时期吹向大坝的多年平均最大风速1.5倍；在校核洪水位时，采用相应时期吹向大坝的多年平均最大风速值。各种情况下计算风速见下表。计算风速统计表计算情况实测风速(m/s)库面风速(m/s)计算风速(m/s)吹程(km)正常咼水位时1517.7326.600.92设计洪水位时1416.5224.780.77校核洪水位时1416.5216.521.5坝顶咼程计算坝顶超高计算依据碾压式土石坝设计

15、规范d=R p+e+a式中：d坝顶超高，以m计；民一波浪沿坝坡爬高，以 m计；a坝顶安全加高，以m计，设计情况a=0.5，R米用莆田试验站公式计算a、平均波咼hmSL274-2001校核情况a=0.3ghm2"0.13th 0.7gH m0.7th0.0018gD0.70.13th 0.7g H m2W2T m = 4.4380.5hm0.45式中：hm平均波高，mTm平均波周期，s；W计算风速，m/s;d风区长度，mHm水域平均水深，m2g重力加速度，取9.81m/sb、平均波长Lm公式：Lm皿th注2Lm式中：Lm平均波长，m;h坝坡迎水面前水深，mc、平均波浪爬咼R mK K

16、厶式： Rm 2 . h m Lm、1 m式中：Rm 平均波浪爬高m单坡的坡度系数；K斜坡的糙率渗透系数，根据护面类型，由表A. 1.12-1 查得 K=0.75Kw 经验系数，由表 查得由于该工程等级为4级坝，故采用累积频率为5%勺爬高 值R%由表查得爬高与平均爬高比值 R/Rm=1.84e为风壅水面高度kw2d公式： ecos2gHm式中：e 计算点处的风壅水面高度，md风区长度，mW库面风速（m/s）K 综合摩阻系数，取3.6 X 10;B计算风向与坝轴线法线的夹角，汛期为30°,非汛期为30°经过试算，三种情况下的R、e值、a值及坝顶高程计算见表6-3。H水域平均水

17、深a风向与坝轴线法线夹角A、正常水位：H=7.39m h m=0.256m T n=2.2456s L m=7.8769me=0.007 R m=0.4i8m R 5%=0.707mB、 设计水位：H=7.2m h m=0.2194m T m=2.0789s L m=6.7511m e=0.004 R m=0.307m R 5%=0.52mC、 校核水位：H=10.15m h m=0.2954m T m=2.4120sLm=9.0882m e=0.006 R m=0.399m R 5%来波波向线与坝轴线的法线成30°夹角时，波浪爬高等于按正向来波计算爬高值乘以折减系数K 0.92坝顶

18、高程计算分项 水位"H(m)波浪爬高Rd=5%(m)风壅咼e(m)安全加高(m)坝顶咼程(m正常水位357.910.7070.0070.5359.12设计水位357.660.5200.0040.5358.68校核水位360.650.6750.0060.3361.63选定坝顶高程为360.83m。维修加固防浪墙4.2 土坝设计坝顶加固后坝顶高程360.83m,坝顶宽4.0m,上游边坡1:3，下游边 坡1:2.5马道高程356.00m,马道宽2.5m，土坝在下游侧加宽，填筑 风化料，要求碾压后干容重>1.55，坝顶下游侧设砼路肩石，断面为 60>20cm砼标号为C5,抗冻标号

19、为F200。下游侧路肩石每隔10m设 © 80塑料排水管。坝顶设砼路面厚 20cm下设5cm砂浆垫层及30cm 砂卵石垫层。坝顶详细尺寸见下图。422坝顶防浪墙经坝顶高程复核，现有防浪墙顶高程满足要求，因此本次设计对 现有防浪墙进行维修加固处理。处理方法为：现有防浪墙为浆砌石结 构，对防浪墙进行现打锚筋，挂©8200勺钢筋网，再进行砂浆摸面处理。防浪墙断裂处先将原结构凿去一部分，灌入素砼填实后在进行 以上程序的处理。维修加固处理范围为桩号0+0000+384.4和0+484.40+570,桩号0+384.40+484.4段防浪墙因原泄洪灌溉洞 拆除和新建泄洪灌溉洞需拆除重建

20、， 重建防浪墙仍为浆砌石结构，断 面型式与现有防浪墙型式相同。坝顶防渗处理现坝顶有一层风化料褐黄色，主要为花岗岩风化砂，以砂粒状为 主，含少量碎石、块石及粘性土，稍湿，稍中密，结构混杂，分布 于坝体表层及护坡碎块石下部，厚度不一，在 0.32.4m以上。渗透 系数1.00 xi0cm/s，属中透水层，不能作为挡水坝体的一部分。故 正常挡水高程为360.38358.28m,比校核洪水位360.65m( P=0.33% 低0.272.37m。因此需对该透水层进行防渗处理。处理方法为：将 防浪墙两侧同时开挖，挂钢丝网、砂浆摸面后在迎水面粘防渗膜，将 防渗膜沿着防浪墙表面铺设至砼帽，再回填开挖料至坝顶

21、并夯实。ION424上、下游坝坡除险加固后土坝上游坡为1:3，下游边坡马道以上125，马道 高程356.00m,宽度2.5m,马道以下1:2.5。迎水坡采用块石护砌， 护砌厚度25cm下设20cm卵石垫层，其下设一层无纺布，在高程 353.17m处抛石，抛石宽度2m背水坡采用草皮护坡。护坡块石粒径的选择采用土坝设计手册中公式：a. 块石计算直径公式:D_ Apnaxm(m 2)式中：D -块石计算直径;kPmax最大波压力，Pmax 1.59 K(2h)；k随坡率变化的系数，k=1.4 ；Y k块石容重，丫 k=2.6t/m ;丫 3 水的容重，丫=1.0t/mA系数，干砌石护坡 A=0.64

22、;上游坝坡坡率，m=32h设计波浪高;代入上式：D=0.17mb. 采用不规则块石平均块径为rDecDm0.2m0.85块石粒径取25cm。c. 干砌石的平均重量QQ 0.525 kD3=0.0059td. 干砌石护坡厚度tt 1.363, 一 =0.19干砌石护坡厚度取25cm梯道在桩号0+436.8和0+245处设梯道，梯道为条石结构。梯道条石为500mm400mrh150mm下设100mm的水泥砂浆。边墙条石为600mm >500mm250mm坡脚设浆砌石镇脚。4.3排水沟设计为保证坝后排水通畅，桩号0+0930+375结合实际地形在下游 坝脚设一条282m长的排水沟及一条30.5

23、m长的中央排水沟，排水沟 总长312.5m。其中排水管桩号0+0930+213.6段底坡为1/520，底 高程由348.88降至348.65 ;桩号0+3750+213.6段底坡为1/1600 , 底高程由348.75降至348.65 ;中央排水沟底坡为1/500 ,底高程由 348.65降至348.59。在土坝桩号0+216.3m处设中央排水沟，送入坝后灌溉渠道。排水沟底宽im深im边坡1： 1.5，排水沟采用干砌石护坡，下设20cm卵石垫层及一层无纺布。4.4防渗设计根据渗流分析，坝基必须进行防渗处理，处理范围为0+0450+375,本次设计拟定如下处理方案：砼垂直防渗墙方案防渗墙厚度的确

24、定该工程最大水头H=iim砼抗渗标号选s,其最大水力梯度 Jmau133,考虑安全系数，设计采用允许水力梯度J允=33,则墙厚度D>11/33=0.33m,根据国内已建成工程的经验及施工机械设备等技术 要求，确定防渗墙厚度0.3m。总体布置砼垂直防渗墙范围为桩号0+045- 0+375m厚度0.3m,墙底深入 全风化岩1.0m,防渗墙顶与抛石平台奇平，高程 353.17m。防渗墙中 心线呈直线布置。防渗墙施工平台宽8.0m，由风化料和抛石填筑而成。采用两钻一抓法。槽板墙每段长6.6m，先隔段浇筑一期墙，再在两段之间浇筑二期墙，墙体材料米用C5水下砼，可塑粘土泥浆固壁。 断面型式见下图。4

25、42坝后压渗方案坝后压渗工程，它并不能完全截断水流，但可以增加渗透途径，或减小坝基渗流的水力坡降和渗流量至允许的安全值范围以内。具体压渗范围为桩号0+0450+375之间。压渗长度及厚度经计算为L=63.65m,取压渗长度为64m计算厚度为1.67m,取1.7m。采用风化料进行压渗。断面型式见下图。工程方案比较方案比较表工程方案总投资（万元）方案优缺点方案（一）砼垂直防渗墙方案120.01. 既解决渗漏问题，又解决渗稳问题。2. 确保水库正常灌溉，经防渗处理后（其防渗效果按80%考虑）。可节省渗漏损失 36万3m。3. 一次性投资大。方案（二）坝后压渗方案89.351. 只解决渗稳问题，但不能

26、解决渗漏问 题。2. 每年少灌60公顷水田，年损失效益： 净收入30万元，产值60万元。3.该方案既不经济又不彻底 。根据上述方案比较结果，方案（一）砼垂直防渗墙方案为经济可 行的方案，故作为推荐方案。左坝肩采取帷幕灌浆处理，灌浆范围为桩号 0-0200+075m灌 浆孔为一排，孔距1.5m,总灌浆深度780m帷幕灌浆在高程359.00 一下采用旋喷形成盖板，359.00以上采用砼盖板。4.5加固后大坝稳定分析坝坡稳定分析由加固前大坝稳定分析可知，大坝上、下游坡均处于稳定状态， 大坝加固后，坝顶高程基本维持原坝顶高程，大坝上、下游坡比与原 设计相同，故坝坡仍稳定，不再进行计算。渗流分析大坝除险

27、加固设计中采取塑性砼防渗墙防渗，防渗墙底部入全风 化岩1.0m，切断了坝基砂砾石层；左坝肩采取了帷幕灌浆防渗方案。加固后主要针对大坝坝体及坝肩渗漏量、 左坝肩渗漏量和坝基渗流稳 定进行复核。选取大坝桩号0+313m断面进行渗漏量计算坝体及坝基渗漏量计算各土层渗透系数K=0.864 m/dK=0.00864 m/dK=0.0432 m/dK=26.78 m/dK=0.00086 m/d坝壳风化料 坝体粘性土 淤泥质壤土 坝基砂砾石 塑性砼防渗墙计算结果本次采用北京理正软件设计研究所 2001年4月编写的“渗流分 析软件1.1版”进行计算。经计算，土坝单宽渗漏量q=0.7m3/d，土坝有效渗漏长度

28、取490m,故土坝坝体及坝基年渗漏量 Q=0.7X 365X 490=.5万m,相对于加固前减少了近80%故防渗效果 较好。坝肩渗漏量计算除险加固设计中对左坝肩采取帷幕灌浆防渗处理，范围至0-020m。经计算，加固后左坝肩单宽渗漏量q=0.5m/d m 年渗漏量由加固前年渗漏量5.2万m降至1.7万m。坝基渗流稳定分析加固后的坝基渗流稳定分析采用有限元法，从坝后出逸点比降图可知，坝后最大渗透比降为0.28，小于坝基表层土允许渗透比降 0.8， 故不会发生渗透破坏。桩号0+313断面坝后出逸比降图4.6大坝安全监测在坝基设置渗漏量观测设施，由于土坝坝基渗漏比较严重，为了 解坝基在砼防渗墙处理后的

29、渗漏情况，在坝体沿轴线选择三个剖面 0+200 0+350和0+500进行监测，在横断面内由上游坝肩、下游马 道处及排水体前缘布置3个测压管。测压管布置坝基砂卵石层上。在库区内设置一个常规水位观测站进行水位观测，通过设置水位计对坝前水位进行观测。第五章泄洪灌溉洞设计根据地形地质条件，泄洪洞位置选择桩号 0+449.4m处。5.1泄洪灌溉洞总体布置新建泄洪灌溉洞位置由桩号 0+443.5移至0+449.4处。因原泄洪 灌溉洞基础座落在砂砾石层上，存在渗透破坏问题。若在原位置拆除 重建，则泄洪灌溉洞基础需回填粘土至设计高程处，考虑新填土有较大的沉降问题，因此将泄洪灌溉洞移至原状粉质壤土层上，即桩号

30、 0+449.4 处。泄洪灌溉洞为钢筋混凝土方涵结构，分为进口段、有压段、竖井段、无压段、出口消力池段和海漫段。进口底高程为351.50m。进口为八字墙，长7.5m;后接2孔2.0 >2.0m的有压洞，有压洞长11.3m, 中墩厚为0.8m;竖井段长7.65m,设平板铸铁闸门和检修闸门各2 孔, 采用LQ-8T启闭机，共4台。工作闸门后设© 200的通气孔。中墩厚 为0.8m。泄洪洞进泄洪洞和灌溉洞在竖井段分开，灌溉洞进口设在 竖井左右两侧边墙内，孔口尺寸为1.0 xi.0m,灌溉洞进口设1.0 X1.0m 的铸铁闸门，采用采用LQ-5T启闭机，2台。灌溉洞穿坝体与现有灌 溉渠道相接。泄洪洞和灌溉洞共用一个启闭室。泄洪洞无压段长44.29m, 2孔，尺寸为2.0 XJ.0m，洞壁厚为0.4m。底坡0.005。洞基 础为粉质壤土层。出口消力池段，泄洪洞无压洞出口与长 2.92的渥 淇段相接，渥淇段与消力池用坡度为1:2的陡坡段相接，陡坡段与渥淇段长为14.46m,消力池，池长为16m消力池深为1.6m，消力池 底板高程为344.78m,底板厚0.6m,后接30m海漫段，在海漫段末端 设1.5m深防冲槽。5.2水力计算（一）、泄洪洞出口水深确定当闸下出流呈射流状态，在洞内形成壅水曲线。洞出口水深采用 一下公式计算：中小型水库中册公式（15-10）iLoho2 1 (1