豐收水庫除險加固工程及建筑物設計分析

1、5 工程布置及主要建筑物5.1 設計依據及標準5.1.1工程等別及建筑物標準根據國標防洪標準GB5020194和水利水電工程等級劃分及洪水標準SL2522000中有關水利水電樞紐工程等別和級別的規(guī)定，豐收水庫為小(2)型水庫，工程等別為V等，永久建筑物中主要建筑物如擋水大壩、溢洪道及輸水洞等級別為五級，設計防洪標準為10年一遇，校核洪水標準為2050年一遇，溢洪道下游消能防沖洪水標準為10年一遇。本次工程設計洪水標準按10年一遇，校核洪水標準按20年一遇，溢洪道消能防沖設計標準10年一遇。5.1.2設計依據豐收水庫除險加固工程依據汝南縣豐收水庫大壩安全評價報告和駐馬店市水利局對鑒定報告的成果核

2、查表，按照有關設計規(guī)范文件進行設計，主要依據的規(guī)范、規(guī)程有：1.水利水電工程初步設計報告編制規(guī)程DL502193；2.水利水電工程設計洪水計算規(guī)范SL442006；3.水利工程水利計算規(guī)范SL10495；4.水利水電工程等級劃分及洪水標準SL2522000；5.防洪標準GB5020194；6.溢洪道設計規(guī)范SL2532000；7.河南省中小流域設計暴雨圖集省院1984年編??；8.河南省暴雨參數圖集(2005年版)；9.水力學計算手冊水利出版社，1980年出版；10.水利建設項目經濟評價規(guī)范SL7294；11.堤防工程設計規(guī)范GB5028698；12.碾壓式土石壩設計規(guī)范SL2742001；13

3、.水利水電工程高壓噴射灌漿技術規(guī)范（DL/T52002004）；14.水庫工程管理設計規(guī)范SL10696；15. 水文自動測報系統(tǒng)規(guī)范SL6194；16. 土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)范SL6094；17. 水閘設計規(guī)范SL2652001; 18. 公路橋涵設計通用規(guī)范JTG D60-2004；19. 中小型水庫設計（遼寧省水利勘測設計院編）；20. 小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則（SL18996）.5.1.3設計基本資料豐收水庫位于駐馬店市汝南縣金鋪鎮(zhèn)姚寨村委，在淮河流域、小洪河水系、南馬腸河支流廖溝河上游，原設計控制流域面積6.59km2，總庫容12.8萬m3。是一座以防洪為主，結合灌溉、養(yǎng)

4、殖等綜合利用的小(2)型水庫。水庫于1958年冬動工興建，1959年3月竣工投入使用。大壩壩頂高程為52.6153.13m，壩頂寬5.5m，壩長30m，最大壩高5.3m，溢流堰堰頂高程51.07m，寬3m，輸水洞進口底板高程49.4m。水庫經多年運用，在工程質量、大壩結構、滲流等方面都不同程度地存在安全隱患，經駐馬店市水利局組織專家評審，核查為三類壩，屬病險水庫，盡早進行除險加固十分必要。豐收水庫大壩安全鑒定報告鑒定結論為：1、豐收水庫位于南馬腸河支流之上，是一座以防洪、灌溉為主，結合養(yǎng)殖等綜合利用的小(2)型水庫。保護下游人口1850余人、耕地1820畝，位置重要。2、經復核，水庫防洪能力不

5、滿足防洪標準（GB5020194）的要求，綜合評定防洪安全為C級。3、大壩斷面基本規(guī)整，壩體填筑質量差，上、下游砌石護坡坍塌損壞，下部無反濾層；溢洪道消力池底板水毀，岸坡干砌石護坡?lián)p壞，出口連接段無護砌；輸水洞進口閘門、啟閉機損壞。綜合評定工程質量為不合格。4、經復核，大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全滿足規(guī)范要求；溢洪道消力池底板水毀，岸坡干砌石護坡?lián)p壞，出口連接段無護砌；輸水洞進口控制設施損壞。綜合評定結構安全為B級。5、壩基局部滲漏；輸水洞洞身漏水。綜合評定滲流安全為C級。6、輸水洞進口閘門及啟閉機損壞，不能正?？刂七\用。綜合評定金屬結構安全為C級。7、根據中國地震動參數區(qū)劃圖（GB183062001

6、），水庫所在區(qū)域地震動峰值加速度為0.05g，相當于地震烈度6度，不需要進行抗震安全復核。8、水庫無專職管理機構與管理人員，無安全監(jiān)測及管理設施，綜合評定運行管理為差。綜上所述，根據水利部頒布的水庫大壩安全鑒定辦法、水庫大壩安全評價導則（SL2582000），鑒定豐收水庫大壩為三類壩。5.2 工程總體布置本次豐收水庫設計為除險加固工程，工程總體布置基本維持原設計，主要包括大壩、溢洪道、輸水洞等。1、大壩大壩段全長30m，高程為53.10m。局部達不到設計高程的，加高培厚；整修壩坡，下游壩坡按1：2邊坡放緩。（1）大壩上游大壩較短，且連接岸邊坡與進溢洪道入口，故上游采用重力式擋土墻。（2）壩頂路

7、面壩頂路面設計在壩基上鋪設20cm厚的泥結碎石路面，路面傾向下游側設2的緩坡，壩頂總寬4.5m，路面寬4.1m，總長15m。路面上、下游側設路緣石，路緣石采用厚20cm、高50 cm、長80cm的預制C20砼塊。2、溢流壩段（1）、溢流壩段布置豐收水庫溢流壩段工程位于水庫大壩0+06.50+022，全長15.5m，凈孔15.m。由進口段、溢流壩段、陡坡段及消能段組成。溢流堰頂高程51.0m。（2）、溢流壩段結構設計進口段：長8 m，底板采用30c m厚M7.5漿砌石和C20砼護砌，邊坡為14c m砼護坡，大壩上游護坡連接。溢流段：堰形采用實用堰形式，上游面為1：2坡面，堰頂及下游面為WES剖面

8、。溢流壩段壩體內部為原老壩體。外部采用混凝土護砌。上游坡采用20c m厚C20鋼筋混凝土護砌。堰頂及下游坡采用30c m厚C20鋼筋混凝土護砌。邊墻采用M7.5重力式漿砌石擋土墻。陡坡段：直線段坡度為0.7，采用30cm厚C20鋼筋混凝土護砌，邊墻采用M7.5重力式漿砌石擋土墻。消能段：消力池采用底流式消能，池長10m，深0.5m。底寬15.5m。底板采用50cm厚C20鋼筋混凝土護砌，邊墻采用M7.5重力式漿砌石擋土墻。（3）交通橋設計溢流壩上設交通橋，兩跨，每孔凈長7.5m，橋板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結構，板厚38cm，橋墩為漿砌石重力墩。3、輸水洞工程本次設計拆除重建輸水洞，輸水洞進口位于

9、大壩左岸，出口位于消力池左岸邊墻處，進口為C20鋼筋砼排架式結構，3t啟閉機及0.5×0.5m鑄鐵閘門控制，洞身為DN32焊接鋼管外包C20砼，出口與消力池連接。5.3 大壩加固工程5.3.1大壩工程現(xiàn)狀及存在問題5.3.1.1工程現(xiàn)狀目前豐收水庫水庫壩長30m，為均質土壩，大壩壩頂高程為52.6153.13 m，壩頂寬5.5m，最大壩高5.3m，大壩上下游壩坡比1：2。5.3.1.2大壩質量評價本次對大壩筑土質量檢查，采取取土、標貫、靜探相結合的手段，通過對現(xiàn)場勘探資料及室內土工試驗成果綜合分析可知：壩體成分及壓實度勘察期間在壩址區(qū)附近土料區(qū)散狀樣進行土料擊實、重塑土試驗，試驗最大

10、干密度1.70g/cm3，壩體填筑質量按壓實度96%（相應于干密度1.61g/cm3）的標準進行判別。據勘察試驗成果：天然干密度范圍值1.571.66g/cm3，平均1.61g/cm3，其壓實度合格率為33%；壓縮系數范圍值0.1760.368MPa-1，平均值0.259MPa-1。表明大壩填筑土結構較疏松，碾壓不均，壓實度偏低，質量較差。5.3.1.3工程存在問題1、防洪能力不滿足防洪標準（GB5020194）的要求。2、大壩斷面基本規(guī)整；壩基處理不徹底，、壩基局部存在滲漏；上、下游砌石護坡坍塌損壞，下部無反濾層。3、溢洪道消力池底板水毀，岸坡干砌石護坡坍塌損壞，出口連接段無護砌。4、輸水洞

11、閘門、啟閉機損壞，輸水洞洞身漏水。5、水庫無安全監(jiān)測及管理設施。5.3.2大壩結構穩(wěn)定計算及滲流穩(wěn)定分析5.3.2.1大壩結構穩(wěn)定分析筑壩材料物理特性指標本次壩坡穩(wěn)定復核采用的參數2011年6月河南省水利勘測有限公司編制的駐馬店市汝南縣豐收水庫除險加固工程初步設計工程地質勘察報告。筑壩材料各種物理特性指標見表3235。大壩穩(wěn)定分析采用河槽段最大壩高0+10處斷面作為標準計算斷面，大壩主河槽段0+10上游坡坡率為1:2；下游坡坡率1:2。計算工況計算工況分為正常運用和非常運用兩種情況。根據碾壓式土石壩設計規(guī)范（SL2742001）的要求，并結合本工程具體運行情況，確定壩坡穩(wěn)定計算工況如下：根據規(guī)

12、范要求，結合豐收水庫具體運用情況，分析穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡，庫水位降落期的上游壩坡的抗滑穩(wěn)定安全?？赡芑瑒用嫔系目紫端畨毫?，在穩(wěn)定滲流期根據流網確定，在庫水位快速降落期上游壩坡內的空隙水壓力根據規(guī)范采用近似公式計算。分析方法壩坡穩(wěn)定分析采用瑞典圓弧條分簡化有效應力法進行計算：瑞典圓弧法：式中：W：土條重量；Q、V：分別為水平和垂直地震慣性力，本次不予考慮；：作用力土條底面的孔隙壓力；：條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；b：土條寬度；C、：土條底面的有效應力抗剪強度指標；Mc：水平地震慣性力對圓心的力矩為0；R：圓弧半徑。計算穩(wěn)定滲流時，孔隙壓力應用rwz代替，為穩(wěn)定滲流期的孔

13、隙壓力，rw為水的容重，Z為條塊底部中點至坡外水位的距離，條塊重WW1+W2，W1為外水位以上條塊實重，浸潤線以上為濕重，浸潤線和外水位之間為飽和重，W2為外水位以上條塊浮重。計算庫水位降落時，應按降落后的水位計算。分析成果豐收水庫大壩穩(wěn)定核算，按5級建筑物，根據碾壓式土石壩設計規(guī)范（SL2742001），V級建筑物的安全系數為：正常情況為1.15，非常情況為1.05，計算結果見表5-1。表51 大壩穩(wěn)定計算成果表 部位工況豐收湖運用條件安全系數瑞典圓弧法畢肖普法河槽段上游坡正常庫水位位于最不利水位49.167m處2.1832.259正常蓄水位51.0m穩(wěn)定滲流期2.3082.413設計洪水位

14、51.86m穩(wěn)定滲流期2.4812.638非常校核洪水位52.02m可能形成穩(wěn)定滲流2.5192.685庫水位自校核水位52.02m降自死水位48.50m時的非常降落2.5302.697下游坡正常設計水位51.86m穩(wěn)定滲流期1.6401.696正常蓄水位51.0m穩(wěn)定滲流期1.8051.864非常校核洪水位55.02m可能形成穩(wěn)定滲流1.6401.696 通過大壩穩(wěn)定計算得出的數據來看，原壩體正常水位上游、下游壩坡均滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數，水位降落期上游壩坡滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數。由此，大壩抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。大壩變形穩(wěn)定分析豐收水庫自建成后從未設置沉陷、位移觀測點，沉陷變形只能通過現(xiàn)場觀

15、測。根據實地觀測，發(fā)現(xiàn)大壩壩頂路面出現(xiàn)部分破碎沉陷現(xiàn)象，表明壩體有不均勻沉降，大壩壩頂有開墾種植現(xiàn)象，容易產生水土流失，破壞壩體。5.3.2.2大壩滲透計算滲流分析的目的是復核原設計施工的滲流控制措施和當前的實際滲流狀態(tài)是否能保證大壩按設計條件安全運行。豐收水庫無原始設計資料，并沒有設置滲流觀測設施，無實際觀測數據，因此無法進行核驗。其滲流安全措施和實際滲流狀態(tài)，只能根據勘察資料，重新復核壩體的滲流量。計算工況：正常蓄水位：51.0m；10年一遇設計洪水位：51.86m；20年一遇校核洪水位：52.02m，在上述工況下每部位下游均無水，下游無排水設施。計算公式：根據水流連續(xù)條件qq=q可由以上

16、兩式用試算法求解。下游部分壩體中的浸潤線位置由下式算出：上述公式中各符號含義見下圖5-3。以上河槽段0+010在三種工況下，通過試算法計算得到每晝夜每延米滲流量見表5-2。豐收水庫大壩滲流量成果表表5-2 單位：m3/d·m樁號計算水位（m）壩坡出逸高度（m）壩體溢出點滲透坡降允許滲透比降值J允許滲流量（m3/d.m）0+010正常蓄水位0.5410.4470.480.099設計洪水位1.0570.4470.480.183校核洪水位1.1640.4470.480.201表5-3 各種工況下浸潤線坐標值計算成果表正常蓄水位X(m)7.8929.78411.67513.56715.459

17、17.35119.24321.13423.02624.918Y(m)2.7682.6162.4542.2822.0941.8891.6581.3891.0540.541設計水位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

18、.6622.3772.0541.671.164由以上計算結果可知，大壩代表斷面的滲流量數值較小，對水庫的正常蓄水不會造成影響。經過計算，大壩在各水位時的出逸滲透比降均小于壩體的允許水力滲透比降0.48。豐收水庫大壩滲透比降理論計算均在規(guī)范允許范圍內，滲流性態(tài)基本穩(wěn)定。但是，下游無排水設施，壩體填筑質量差，壩體填土結構疏松，碾壓不均，壓實度合格率33%，需進行相應的防滲處理。5.3.3大壩工程設計根據駐馬店市水利勘測設計研究院2011年8月所做的駐馬店市汝南縣豐收水庫大壩工程安全評價報告及駐馬店市水利局大壩安全鑒定報告，本次除險加固工程需要做工程有：右岸大壩局部壩項高程達不到設計要求部分，進行培

19、高加厚。本次設計右岸大壩局部壩項高程達不到設計要求部分，進行培高加厚。壩頂寬4.5m，下游壩坡按1：2放緩。大壩上游大壩較短，且連接岸邊坡與進溢洪道入口，故上游采用重力式擋土墻。壩頂路面壩頂路面設計在現(xiàn)有路基上鋪設20cm厚的泥結碎石路面，路面傾向下游側設1.5的緩坡，壩頂總寬4.5m，總長15m。路面上下游側設路緣石，路緣石采用厚20cm、高50 cm、長80cm的預制C20混凝土塊。在與下游坡面排水溝交叉位置設25cm寬缺口與下游坡橫向排水溝相連。5.4 溢洪道工程設計5.4.1溢洪道工程設計1、溢流壩段布置豐收水庫溢流壩段工程位于水庫大壩0+06.50+022，全長15.5 m，凈孔15

20、. 0m。由進口段、溢流壩段、陡坡段及消能段組成。溢流堰頂高程51.0m。2、溢流壩段結構設計進口段：長8 m，底板采用30c m厚M7.5漿砌石和C20砼進行護砌，邊坡為14c m砼護坡，大壩上游護坡連接。溢流段：堰形采用實用堰形式，上游面為1：2坡面，堰頂及下游面為WES剖面。溢流壩段壩體內部為原老壩體。外部采用混凝土護砌。上游坡采用20c m厚C20鋼筋混凝土護砌。堰頂及下游坡采用30c m厚C20鋼筋混凝土護砌。邊墻采用M7.5重力式漿砌石擋土墻。陡坡段：直線段坡度為0.7，采用30cm厚C20鋼筋混凝土護砌，邊墻采用M7.5重力式漿砌石擋土墻。消能段：消力池采用底流式消能，池長10m

21、，深0.5m。底寬15.5m。底板采用50cm厚C20鋼筋混凝土護砌，邊墻采用M7.5重力式漿砌石擋土墻。（3）交通橋設計溢流壩上設交通橋，兩跨，每孔凈長7.5m，橋板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結構，板厚38cm，橋墩為漿砌石重力墩。5.4.2溢洪道水力計算泄流能力復核溢洪道控制段采用實用堰，底寬按15m計算，泄流計算公式： 式中 Q流量，m3/s； s淹沒系數； n孔數，2孔； H0堰頂水頭，m； m流量系數； 一個堰孔的凈寬 7.5m； 1閘墩側收縮系數。計算結果如下表。表5-4 不同頻率溢洪道計算成果表 頻率P（）庫水位（m）溢洪道泄流量（m3/s）P=10%51.8626.1P=5%52.0

22、233.5水面線推求根據公式：式中： Q：溢洪道流量（m3/s）； Ak：臨界水深時的過流面積； Bk：水面寬。經試算求出hk根據式中：Ck：謝才系數； Rk：水力半徑（m）； 根據公式：式中：L1-2分段長度，m；h1、h2分段始、末斷面水深，m；v1、v2分段始、末斷面平均流速，m3/s；過水斷面面積；1、2流速分布不均勻系數，取1.05；i泄槽底坡；縱坡與水平面的夾角；分段內平均摩阻坡降；n泄槽糙率系數；分段內平均流速，m/s；分段內平均水力半徑，（R1+R2）/2，m陡坡段摻氣水深按下式計算：式中：h、hb泄槽計算斷面的水深及摻氣后的水深；v不摻氣情況下泄槽計算斷面的流速m/s；修正系數 (1.01.4s/m)，本泄槽流速較大，取1.0 溢洪道水面線計算成果見下表5-5：溢洪道水面線計算成果表表5-5樁號底寬(m)底坡10年一遇岸墻高（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消能防沖設計1、消力池設計消能防沖設計洪水標準為10年一遇，設計泄流量Q26.10m3/s。根據溢洪道設計規(guī)范（SL2532000）底流式消能水力計算：池深：dh2-ht-Z式中：d池深m； h2躍后水深m；水躍淹沒度1.05；ht消力