【《黄钱塘坝坝体的维修工程设计》9800字】

黄钱塘坝坝体的维修工程设计摘要黄钱塘坝建成到现在已经很多年了，由于修建时技术水平较低和年久失修，现在塘坝坝体出现了渗漏现象，经过大坝安全检测，溢洪道宽度不能满足泄洪要求，黄钱塘坝难以满足防洪灌溉使用要求，甚至威胁人民的生命和财产安全，对坝体维修刻不容缓。塘坝作为农村基层最常见的水利设施，对当地农业、经济及周边水环境起着十分重要的作用。本文介绍了黄钱塘坝工程概况，根据坝体出现的问题及带来的影响，说明了坝体维修加固的必要性。制定了对坝体的维修工程设计，进行了坝顶高程复核和稳定性分析计算，进行溢流堰设计。维修后坝体稳定性符合相关规范要求，保证塘坝能够稳定安全运行，更加高效的实现防洪、灌溉和改善生态作用，更好地发挥塘坝的经济效益和社会功能。关键词：黄钱塘坝；坝体渗漏；维修设计目录TOC\o"1-2"\u摘要 V等。工程规模为小（2）型，建筑物级别为5级。依据《防洪标准》（GB50201-2014）以及《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）确定黄钱塘坝设计洪水标准为10年一遇，校核洪水标准为20年一遇。依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）规定，溢洪道消能防冲设计标准为10年一遇第2节水文气象黄钱塘坝区域四季分明，春季干旱多风；夏季炎热多雨；秋季温度雨量适中；晚秋干旱；冬季寒冷少雨雪。多年平均气温14.3℃，变化范围为12.8～14.3℃，极端高温42.5℃，极端低温-22.5℃，无霜期平均215天，变化范围为195～248天。降雨量年平均681mm，最大降水量1114mm（2004年），最小降水量321mm，降水量年内分配不均，年降雨主要集中在7、8月份，汛期（6～9月）占全年降水量的80%，雨量集中，洪涝灾害威胁严重，年际间变化较大，丰枯年相差悬殊，最大值为最小值的3.56倍。第3节环境水质根据水质分析成果，场区地下水类型为SO4-HCO3-Ca型，矿化度450.1~484.8mg/L，为淡水，全硬度332.3~357.1mg/L，PH值7.13~7.65，为中性、弱碱性硬水，侵蚀性CO21.1~5.3mg/L，据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录L判定，地下水对混凝土无腐蚀性，对钢筋混凝土中的钢筋无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。第5节设计内容本次工程设计内容主要包括：坝体上游侧增设50cm厚M15浆砌块石面层和40cm厚C30砼防渗心墙，向两端各延伸1.0m至基岩，向下伸入不透水层0.5m；坝顶设交通桥，桥上铺装，桥面两侧设警示柱，桥下溢流；左岸设挡土墙，墙后新硬化防汛路30米，原泵房周围设1.0m高防浪墙；库区清淤。第4节设计依据1.《砌石坝设计规范》（SL25-2006）2.《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）3.《防洪标准》（GB50201-2014）4.《水工混凝土结构设计规范》（SL/T191-2008）5.《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015）6.《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44-2006）7.《小型水库洪水核算办法》8.国家现行有关标准。第6节维修必要性1、加固黄钱塘坝工程是现代农业发展的需要通过塘坝工程建设更好地拦蓄地表径流，不仅可以解决区域水源短缺问题，而且可以扩大灌溉面积，改善塘坝周边农作物及经济作物灌溉条件，同时，又可以通过种植产业调整来实现该区域农业种植的增产增收。2、加固黄钱塘坝工程可以更好地缓解下游河道的防洪压力随着经济社会的发展，无论是人民群众的生命财产安全，还是基础设施安全都至关重要，所以提高水利基础设施的防洪抗灾标准和能力也日渐紧迫和重要。黄钱塘坝工程建设完成后，可在一定程度上更好地缓解塘坝下游河道的防洪压力。3、加固黄钱塘坝工程可以改善当地区域生态环境济南市多年来高度重视生态环境建设，尊重生态经济发展规律，形成了全方位，多样性的生态示范区建设格局，大力实施生态示范区建设工程，对提高城市品位和知名度、加快经济发展、不断提高和丰富人民群众的物质文化生化等起到良好的推动作用。塘坝工程实施后，可为农村的发展提供新的水源，对周边环境改善和生态文明建设具有积极作用，同时兼有水环境改善等社会功能。塘坝是农村重要水源工程之一，在农业灌溉、防洪减灾等方面发挥着积极作用，为推进水生态文明建设，保障防洪安全和充分利用水资源，保障周边农田灌溉及景观需求，现状坝体渗漏，溢洪道宽度不能满足泄洪要求，坝顶两侧无防护设施，存在安全隐患，上游泵房高程较低。第3章工程设计第1节设计洪水分析计算1.1洪水标准洪水计算采用《山东省水利厅文件》（鲁水管字【2008】2号）附件《山东省小型水库洪水核算办法》(试行)推求设计洪水。根据流域的坡度，土壤地质植被等情况，黄钱塘坝工程项目区流域属于山区，根据该办法，当山区、丘陵区的小型塘坝坝高低于15m，上下游最大水头差小于10m时，且失事后对下游防洪影响不大，其洪水标准宜按平原、滨海区标准确定，则该塘坝的设计洪水标准为10年一遇，校核洪水标准为20年一遇。1.2最大入库洪峰流量Qm的查算流域内无实测洪水资料和暴雨资料，本次设计洪水采用《山东省小型水库洪水核算办法》（试行）中提供的方法进行计算。1、流域特征参数计算应用地区万分之一地形图，量得流域工程地点以上流域面积F为1.908km2，自工程地点沿主河道量至分水岭得主河道长度L为1.75km，相应于该河道的平均比降J为0.001m/m。从附助图表查得F2/5=1.295，J1/3=0.1流域特征综合参数：K=L/(J1/3×F2/5)＝1.75/(0.1×1.295)=13.522、设计暴雨量的计算根据工程所在地区，查辅助计算图得，项目区多年平均最大24小时降雨量为95mm。多年平均最大24小时降雨量变差系数Cv为0.59。采用Cs=3.5Cv=2.065，应用皮尔逊Ⅲ型频率曲线KP值表查得10年一遇KP值为1.76，20年一遇KP值为2.18，则10年一遇最大24小时降雨量：H24=KP·=1.76×95=167.2mm20年一遇最大24小时降雨量：H24=KP·=2.18×95=207.1mm3、单位面积最大洪峰流量的计算根据已算的相应频率暴雨及流域综合特征参数K=13.52，10年一遇最大24小时降雨量H24=167.2mm，20年一遇最大24小时降雨量H24=207.1mm，查附泰沂山北区qm～H24～K关系曲线得10年一遇qm=8.05s·m3/km2，20年一遇qm=10.05s·m3/km2。4、最大洪峰流量的计算10年一遇的最大洪峰流量：Qm=F×qm=1.908×8.05=15.36m³/s20年一遇的最大洪峰流量：Qm=F×qm=1.908×10.05=19.18m³/s1.3洪水总量和洪水过程线的计算1、洪水总量的计算根据山东省大暴雨资料分析，最大24小时出现两次雨峰较多，主峰雨量约占24小时雨量的75%左右，一般历时在6小时左右。故在洪水总量的计算中，以不同设计标准的最大24小时暴雨H24P%的75%，加上前期影响雨量Pa，查P+Pa~hR降雨径流关系6号线求出净雨hR，以净雨hR乘上流域面积F即得到洪水总量W：W=0.1hR*F（万m3）前期影响雨量Pa取40mm。10年一遇洪水总量计算：10年一遇最大24小时设计暴雨量为167.2mm,75%为167.2×75%=125.4mm,pa取40mm，p+pa=125.4+40=165.4mm，查p+pa～hR曲线得hR=90.5mm；洪水总量为：W=0.1hR×F=0.1×90.5×1.908=17.27万m³。20年一遇洪水总量计算：20年一遇最大24小时设计暴雨量为207.1mm，75%为207.1×75%=155.325mm，pa取40mm，p+pa=155.325+40=195.325mm，查p+pa～hR曲线得hR=119.3mm；洪水总量为：W=0.1hR×F=0.1×119.3×1.908=22.76万m³2、洪水过程的计算：洪水过程按三角形计算，洪水历时T（即三角形过程的底宽）按下式计算：T=W/(0.18Qm)式中：T——洪水历时（h）;W——洪水总量（万m³）;Qm——最大洪峰流量（m³/s）;涨洪历时为三分之一洪水历时，即最大洪峰出现在T/3时。经计算：10年一遇：T=6.25h，洪峰流量为15.36m3/s;20年一遇：T=6.59h，洪峰流量为19.18m3/s;第2节死库容的确定黄钱塘坝死库容的确定主要考虑泥沙淤积，由于黄钱塘坝所在河流域无水文测站，亦无实测泥沙资料。根据“山东省多年平均年侵蚀模数分区图（悬移质泥沙）”，塘坝流域属于图中的6区，悬移质侵蚀模数为50～150t/km2。考虑黄钱塘坝流域特性，本次悬移质侵蚀模数采用50t/km2，推移质按悬移质的15%计算。砂的容重取1.3t/m3。由万分之一地形图量得，工程流域面积为1.908km2，按水库运行期10年计算。多年平均悬移质年输砂量：1.908km2×50t/km2=95.4t多年平均推移质年输砂量：95.4×15%=14.31t多年平均总输沙量：（95.4+14.31）×10/1.3/10000=0.08（万m3）根据以上泥沙淤积分析计算成果，并考虑塘坝水质要求，确定塘坝死库容为0.08万m3，相应死水位为282.30m。第3节兴利调节计算3.1径流量计算因本流域无实测水文站，故本次径流计算采用《济南市水资源综合规划》中径流深等值线图计算，并采用典型站月分配得到不同频率设计年月径流。根据《济南市水资源综合规划》中多年平均年径流深等值线图，塘坝所在流域处于100mm～150mm径流深等值线之间，接近120mm，考虑本流域特性，本次计算采用平均年径流深120mm；变差系数Cv值为0.62，取偏态系数Cs＝2.0Cv适线，计算得出塘坝不同频率设计年径流量。采用卧虎山水库水文站典型年月分配按同倍比放大，得到不同频率下的径流年内分配。计算成果见表3-1。表3-1塘坝不同频率径流量计算成果表单位：万m³分类年份123456789101112全年多年平均0.440.400.420.500.671.457.866.102.841.060.720.5322.9950%20000.640.460.360.160.594.885.053.502.470.910.291.0220.3475%19860.970.600.190.060.050.101.385.800.920.900.900.5312.3995%19920.260.080.310.010.230.010.831.190.740.530.320.204.733.2兴利调算1.兴利调算方法（1）计算方法根据黄钱塘坝现状来水情况、供水情况采用长系列变动用水时历法进行调节计算。长系列变动用水时历法基本计算公式为：Vi+1=Vi+W来-W用-W损-W弃Vi、Vi+1——分别为水库底i时段初及时段末的蓄水量；W来——第i时段的来水量；W用——第i时段综合利用各部门用水量之和；W损——第i时段水库蒸发、渗漏等损失量之和；W弃——第i时段水库弃水量。水量单位为万m³。（2）蒸发渗漏损失1）蒸发损失计算塘坝无实测水面蒸发资料，根据“山东省多年平均陆上水面蒸发量等值线图”查得：该工程所处的多年平均陆上水面蒸发深为1200mm，工程水面与陆上水面蒸发深换算系数为0.936，则多年平均陆上水面蒸发深为0.936×1200=1123.2mm。将多年平均蒸发深按水面蒸发的月份分配比例分配到个月即得塘坝月蒸发深。计算结果见表3-2。表3-2多年平均水面蒸发深月分配表月份123456分配0.0300.0370.0670.0720.1100.133mm33.7041.5675.2580.87123.55149.39月份789101112全年分配0.1130.1090.0990.0840.0500.0320.936mm126.92122.43111.2094.3556.1635.94塘坝蒸发损失水量=水库月蒸发深×F，（F为库水面面积，由水位~库容~面积曲线求得）。根据库区地质情况及工程防渗措施，此次调算采用月均库容的4%计算塘坝渗漏损失。2.水位~库容~面积关系黄钱塘坝水位~库容~面积关系根据测绘的1:1000库区地形图量算而得。相邻高程间的部分容积按以下公式计算：△V=△H式中：△V——相邻高程间的容积，万m³；F1F2——相邻上下水位相应的水库面积，万m³；△H——高程差，m。黄钱塘坝水位~库容~面积关系见表3-3，水位~库容曲线见图3-1，水位~面积曲线见图3-2。表3-3水位~库容~面积关系表水位(m)相应水面面积(m2)库容(万m3)280.0014.280.00280.5046.040.00281.00209.980.01281.50582.530.03282.00778.450.06282.50892.050.10283.00952.300.15283.501002.880.20284.001060.890.25284.501105.350.30285.001165.860.36285.501215.830.42286.001278.840.48286.501384.930.55图3-1水位-库容关系曲线图3-2水位-面积关系曲线3.兴利调算原则黄钱塘坝兴利调算初始起调水位为死水位282.30m。调算用最后一年的年末库容作为起调库容再进行调算，直至起调库容与最后一年的年末库容一致。上限水位采用兴利水位控制，超过该水位则为弃水。兴利库容的确定黄钱塘坝建成后，首先要满足下游河道内生态用水要求，并为项目区65亩农田提供灌溉水源。为合理确定塘坝兴利库容，本次通过试算，以最终调算出的可供水量能满足以上用水要求为原则。经试算，确定黄钱塘坝兴利库容为0.34万m³，相应兴利水位为285.50m。塘坝兴利调算成果见表3-4表3-4塘坝兴利调算成果表天数月份来水量(万m3)灌溉供水量(万m3)下游生态补水(万m3)总需水量(万m3)损失水量(万m3)月末库容

(万m3)弃水(万m3)渗漏损失蒸发量小计0.083175.050.230.060.290.010.010.020.424.413183.500.320.060.380.010.010.020.423.113092.470.230.060.290.010.010.020.422.1731100.910.380.060.440.010.010.020.420.4530110.290.380.060.440.010.010.010.260.0031121.020.000.060.060.010.010.010.420.783110.640.000.060.060.010.010.020.420.572820.460.000.060.060.010.010.020.420.383130.360.350.060.410.010.010.020.360.003040.160.350.060.410.010.000.010.090.003150.590.350.060.410.010.000.010.260.003064.880.350.060.410.010.010.010.424.30365合计20.342.930.723.650.110.10.24.316.17第4节洪水调节计算4.1计算原理调洪验算的基本原理是水量平衡，即塘坝的入库流量过程线与经过塘坝调蓄后的出库流量过程线之间的关系，可用水量平衡方程式来表示，即：式中：Q1、Q2——时段初、时段末的入库流量，m3/s;q1、q2——时段初、时段末的出库流量，m3/s;V1、V2——时段初、时段末的塘坝蓄水量，万m3;△t——计算时段，单位：h(本次调算中取△t=1h)水量平衡方程式中q2与V2是未知数，还是必须建立塘坝下泄流量与库容的关系，即：4.2塘坝水位-库容-泄量关系塘坝水位-库容-泄量关系见表3-5表3-5塘坝水位-库容-泄量关系表水位（m）库容（万m3）q泄285.500.420.00286.000.4810.61286.500.5530.00287.000.5055.11287.500.5584.85288.000.61118.594.3调洪演算根据山东省水利厅下发的洪水核算办法，对于无闸控制的溢流堰，下泄流量计算公式如下：q=1.5Bh3/2式中：B——溢洪道宽度（m），取20m;h——溢洪道底部以上水深（m）。根据山东省水利厅下发的洪水核算办法，经坝前库容消减后，坝前10年一遇的最大洪峰流量折算为15.29m³/s。坝前20年一遇的最大洪峰流量折算为19.10m³/s。调洪过程见图3-3、3-4。图3-310年一遇调洪演算·图3-420年一遇调洪演算设计洪水位时：设计洪水时堰上达到的最高水头为0.62m，即设计洪水位为286.12m校核洪水位时：校核洪水时堰上达到的最高水头为0.72m，即校核洪水位为286.22m。本次塘坝调洪成果见表3-6：表3-6调洪成果表水位（m）库容（万m³）调洪库容（万m³）下泄流（m³/s）兴利水位285.500.4200设计洪水位286.120.500.0815.29校核洪水位206.590.510.0919.10通过塘坝调节计算和调洪验算，黄钱塘坝的指标为：死库容0.08万m3，相应死水位282.30m；兴利库容0.34万m3，相应兴利水位285.50m；设计洪水位286.12m；校核洪水位286.22m，总库容0.51万m3。依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017），确定本设计工程规模为小（2）型塘坝。第5节坝顶高程复核5.1调洪演算根据调洪分析计算，成果如下：坝底高程：280.00m；兴利水位：285.50m；设计洪水位：286.12m；校核洪水位：286.22m。5.2波浪爬高的计算根据《砌石坝设计规范》中的公式：当m≤1.25时Rm=K△KwR0hm式中：Rm——平均波浪爬高（m）；K△——斜坡的糙率渗透系数，查表得砌石为0.78；Kw——经验系数，查表得P=5%、10％时，Kw分别为1.06和1.18；m——斜坡的坡度系数，m=0.1hm——平均波高，采用莆田试验站公式计算；5.3平均波高计算式中：W——计算风速，m/s；D——风区长度，m；Hm——水域平均水深，m；取2/3倍的坝前迎水面水深H。g——重力加速度，取9.81m/s2；根据南山区风速统计数值，平均最大风速为14.0m/s。根据《砌石坝设计规范》规定，正常运用情况（P=10%）取平均最大风速的1.5倍，即21.0m/s，非常运用情况（P=5％）取平均最大风速14m/s。黄钱塘坝不同设计工况风区长度、水域平均水深见表3-7。表3-7水库不同设计工况风区长度、水域平均水深表工况正常蓄水位设计水位校核水位水位（m）285.50286.12286.22风区长度（m）454950水域平均水深（m）3.674.084.155.4平均波长计算Lm——平均波长，采用下式：式中字母含义与上述相同。按规范要求，设计爬高值按工程等级确定，对4、5级大坝取累积概率P=5%的爬高值R5%。根据查表得：P=5%的Rp/Rm值为1.84。根据Rm及表Rp/Rm计算各种设计频率最大波浪爬高。经计算，黄钱塘坝不同工况设计波浪爬高计算结果见表3-8表3-8库区不同设计工况波浪爬高计算成果表工况正常蓄水位设计水位校核水位水位（m）285.50286.12286.22平均波高hm（m）0.0810.0840.054平均波长Lm（m）2.4795.5761.666平均波浪爬高Rm（m）0.0970.0990.057设计波浪爬高Rp（m）0.1780.1820.1065.5坝顶超高计算坝顶超高计算公式：Y=R+A+e式中：Y——坝顶超高（m）；R——最大波浪爬高（m）；A——安全加高（m）；e——风壅水面高度（m）。根据规范A.1.10条，风壅水面的高度计算公式如下：式中：K—综合摩阻系数，取值0.0000036；D—风区长度，设计和校核情况分别取49m、50m；β—计算风向与坝轴线法线的夹角，取值0°；W—计算风速，设计情况取值21.0m/s，校核情况取值14.0m/s；Hm—风区内水域平均水深，设计情况时取值4.08m，校核情况时取值4.15m。风壅水面高度计算成果见表3-9。表3-9风壅水面高度e计算成果表水位（m）KD（m）β（°）W（m/s）Hm（m）e（m）正常蓄水位0.0000036450213.670.00099设计洪水位0.0000036490214.080.00097校核洪水位0.0000036500144.150.00043根据以上坝顶超高计算公式，坝顶超高计算成果如下表：库区不同设计工况坝顶超高计算结果见表3-10表3-10坝顶超高计算结果表工况正常蓄水位设计水位校核水位水位285.50286.12286.22设计波浪爬高R（m）0.180.180.11风壅水面高度e（m）0.000990.003530.00043安全加高（m）0.50.50.3坝顶超高（m）0.680.680.415.6坝顶高程确定坝顶高程计算成果见表3-11表3-11坝顶高程计算成果表项目水库静水位坝顶超高坝顶高程取值正常蓄水位285.500.68286.18286.80设计水位286.120.68286.80校核水位286.220.41286.63通过计算，坝顶高程应为286.80m，确定坝顶高程为286.80m。第6节稳定分析计算6.1基资料本由库底高程280.00m下挖1.5m至岩石层，C30混凝土基础厚1.0m，地基与基础的摩擦系数f=0.5，浆砌石容重为23KN/m3。6.2大坝抗滑稳定计算根据《砌石坝设计规范》（SL25-2006）进行抗滑稳定计算。1.断面选取：根据大坝情况，选取大坝最大坝高断面进行稳定分析计算。2.计算工况正常运行期：上游水位285.50m，下游水位285.10m；设计洪水：上游水位286.12m，下游水位平地面；校核洪水：上游水位286.22m，下游水位平地面；3.计算公式抗滑稳定计算公式如下:Kc=式中：∑V作用在基础上的全部竖向荷载；∑H作用在基础上的全部水平荷载；f建筑物基底与地基之间的摩擦系数，f=0.5；4.荷载计算当上游水位为兴利水位，荷载为基本组合时，计算过程如下：（以1m坝体为计算对象）水平方向上，静水压力P1=1/2γh2L=0.5×10000×5.5²×1=151.25KN淤沙压力P2=5.87KN浪压力P3=2.30KN竖直方向上，坝体自重：G=γV=23×31.48=957.63KN扬压力F=1/2γh×B×L=0.5×10000×5.5×6.72×1=184.80KN计算结果见表3-12表3-12兴利水位工况（基本组合）：最大坝高坝段荷载水平方向H（KN）竖直方向V（KN）坝体自重957.63静水压力151.25淤沙压力5.87浪压力2.30扬压力-184.80合计159.42772.83注：荷载水平方向向下游为正，竖直方向向下为正。单位为KN。抗滑力R=f∑V=386.41抗滑稳定安全系数K=R/∑H=2.42>1.05设计水位工况见表3-13表3-13设计水位工况（基本组合）：最大坝高坝段荷载水平方向H（KN）竖直方向V（KN）坝体自重957.63静水压力185.35淤沙压力5.87浪压力2.30扬压力-205.63合计193.52752.00注：荷载水平方向向下游为正，竖直方向向下为正。单位为KN。抗滑力R=f∑V=376.00KN抗滑稳定安全系数K=R/∑H=1.94>1.05校核水位工况见表3-14表3-14校核水位工况（特殊组合）：最大坝高坝段荷载水平方向H（KN）竖直方向V（KN）坝体自重957.63静水压力190.85淤沙压力5.87浪压力2.30扬压力-208.99合计199.02748.64注：荷载水平方向向下游为正，竖直方向向下为正。单位为KN。抗滑力R=f∑V=374.32KN抗滑稳定安全系数K=R/∑H=1.88>1.005.计算结果计算结果汇总见表3-15表3-15计算结果汇总表计算工况抗滑稳定安全系数KK允许值兴利水位2.421.05设计水位1.941.05校核水位1.881.00由此表可以看出，大坝抗滑稳定安全系数满足规范要求。第7节溢流堰设计7.1工程布置黄钱塘坝为砌石结构，坝长28m，其中溢流段长20m，非溢流段长8m，坝体上游侧增设50cm厚M15浆砌块石面层和40cm厚C30混凝土防渗心墙，向两端各延伸1.0m至基岩，向下伸入不透水层0.5m；坝顶设交通桥，桥面两侧设警示柱，桥下溢流；库区左岸设挡土墙，墙后新硬化防汛路，原泵房周围设1.0m高防浪墙；库区清淤。溢流段坝体设计图所见图3-5，坝顶设交通桥，桥下溢流，溢流段长20m，堰顶高程285.50m，坝顶宽5.4m，两侧设警示柱，在原坝体迎水面设40cm厚防渗墙，防渗墙