中国知网查重 高校在线论文查重入口

立即检测
  • 58 元/篇
    系统说明: 知网职称论文检测AMLC/SMLC是杂志社专用系统,针对投稿论文、评审论文、学校、单位职称论文的学术不端重复率检测系统。
  • 328 元/篇
    系统说明: 知网本科论文检测PMLC是最权威的大学生毕业论文检测系统,含“大学生论文联合对比库”,国内95%以上高校使用。检测结果和学校一致!
  • 498 元/篇
    系统说明: 此系统不支持验证!可用作研究生初稿检测,相比知网VIP5.3缺少“学术论文联合对比库”,检测结果有5%左右的误差!(论文中若参考往届研究生论文,重复率误差会较大)
  • 128 元/篇
    系统说明: 大分解论文检测系统,对于想检测学术不端文献检测系统,而又价格便宜的同学可以选择,限每篇2.9万字符,结果与大学生PMLC、硕博VIP定稿系统有出入!
  • 68 元/篇
    系统说明: 知网论文小分解检测系统,适合中国知网初稿查重,数据库和定稿查重不同。结果与本科PMLC,研究生VIP5.3有出入,限每篇1.4万字符!
  • 3 元/千字
    系统说明: 学术家论文重复率检测系统,支持学位论文、毕业论文、投稿论文、职称评审论文,提供全文对照,word标红报告,性价比超高!
论文知识案例-南召县东王沟水库除险加固工程设计
时间:2021-03-29 16:08:52

  东王沟水库坐落于南召县南河店镇白河支流渭林河,属长江流域白河水系。水库流域面积1.41km2,主河道长度1.63km,河道平均比降0.03538。该水库始建于上世纪50年代,建设期从1955年10月至1956年9月。是侧重防洪效益,同时兼顾灌溉、水产养殖的小(2)型水库,主要建筑物有大坝、输水洞、溢洪道等。水库大坝为粘土心墙砂壳坝,现状坝顶长92m,现状坝顶高程223.59~224.95m,粘土心墙顶高程为222.69~223.15m。坝顶宽1.6m,最大坝高17.3m。东王沟水库现校核水位223.90m(黄海高程,下同),总库容50万m3;设计洪水位222.50m,相应库容35.8万m3;兴利水位221.80m,兴利库容28.4万m3;死水位212.20m,死库容1万m3。30年一遇(P=3.33%)设计、300年一遇(P=0.33%)校核为这次除险加固设计的防洪标准。

  该水库年久失修,大坝各部分存在多处问题,安全隐患增多,水库效益减少。本次除险加固设计的目标是消除水库险情,加固堤坝,使水库能发挥在防洪、灌溉、养殖方面的作用。

  本次毕业设计主要技术路线或方法包括:1.水文计算复核:洪峰流量计算,对大坝最不利断面坝体及坝基的渗流稳定分析,选取兴利水位、设计洪水位(30年一遇)以及校核洪水位(300年一遇)。2.大坝渗流稳定计算:计算渗流量和下游坝坡的逸出坡降等。3.安全评价:主要包括防洪标准、渗流安全评价、结构安全评价及金属结构安全。

  渭林河是白河的一条支流,属于长江流域的一部分,南召县东王沟水库就坐落于此。库区面积1.41km2的东王沟水库,有长1.63km的主渠,0.03538的平均坡度。水库建设于上个世纪五十年代,建造期从1955年10月开始至次年9月结束,建成了大坝、输水洞、溢洪道等主要建筑物。本水库是小(2)型水库,它侧重防洪,但同时涉猎灌溉、水产养殖等多个方面。20年一遇(P=5%)洪水设计,300年一遇(P=0.33%)洪水校核是水库原设计标准。东王沟水库原校核水位223.90m(黄海高程,下同),对应的总库容是50万m3;设计洪水位222.50m,相应库容35.8万m3;兴利水位221.80m,兴利库容28.12万m3;死水位212.20m,死库容1万m3。

  通过研究《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000和《防洪标准》(GB50201-94),可得出结论:该水库属于重要建筑物为5级,工程等级为Ⅴ等的小(2)型水库。这类水库需要按30年设计洪水和300年校核洪水的标准进行设计。经过除险加固后的水库,300年一遇(P=0.33%)校核洪水位224.09m(1956黄海高程,下同),总库容53.84万m3,最大流量32.5m3/s;30年一遇(P=3.3%)设计洪水位223.59m,相应库容46.19万m3,最大流量23.6m3/s;兴利水位221.80m,兴利库容28.12万m3;死水位213.20m,死库容1.47万m3。坝顶高程224.80m。

  1.1.2水库现况

  该坝的种类属于粘土心墙砂壳坝,目前的坝顶长度是92m,目前坝顶高度在223.59-224.95m,其中粘土心墙顶高程为222.69~223.15m。坝顶宽1.6m,最大坝高17.3m,无防浪墙。大坝上游坡率为1:2.4,下游坡率为1:2.4。上游坝坡零星乱石护坡,下游为荒草护坡。大坝现状存在的问题有:大坝迎水坡有零星乱石护坡,大面积无护坡,坝脚淘刷严重;背水坡局部滑塌。坝顶上存在1.8~2.0m厚风化砂,存在渗漏问题;桩号0+025~0+035段高程217.00m及0+040~0+060段高程213.5m以下坝体存在渗漏问题。无纵横排水沟,无排水体。

  位于大坝左侧的溢洪道是开敞式沟槽,底宽5~10m。进口底部高程221.72m。岸坡和底板岩性为强风化花岗岩,岩石裂隙发育,导致抗冲刷能力较差,同时底板冲刷拉切严重,在出口处形成冲坑。

  输水洞位于大坝右岸(桩号0+029),为无压箱涵结构,断面0.3×0.3m(高×宽),进口底高程212.10m,洞身长79m。进口为平斜管形式,无闸门。

  输水隧洞目前存在的安全隐患是:原本在隧洞体内和爬管表面的砂浆因为碳化而掉落下来、输水洞最下面悬空、位于出口处的侧墙因年久失修而倒塌,导致不断有水流对坝脚进行冲刷。

  水库存在诸多隐患,水库一直伴随病害使用,导致水库安全被确定为三类坝、病险水库。主要意见如下:

  ⑴东王沟水库下游有程口湾村等四个拥有人口0.35万,耕地面积2000亩的行政村,并有多条重要公路等设施。

  ⑵经过重新核检,水库防洪需要有达到《防洪标准》GB50201—94要求的能力。

  ⑶坝体填筑存在缺陷,上游边坡坑槽不平整,冲刷严重,回水边坡为大面积洼地,上坝台阶和边坡排水系统缺失。

  ⑷大坝上游坡面垫层缺失。背坡护坡缺失,斜坡排水系统不存在。溢洪道多处无防护、冲刷削坡严重、边坡塌方。水洞洞身裂缝,严重漏水。入口斜卧管存在裂纹导致渗漏。坝顶宽度太窄,不符合规范。

  ⑸坝基位于弱透水、强风化花岗岩上。地基清理不干净,下游形成小水池因为渗漏现象严重。

  ⑹没有必要进行地震安全评估。由《中国地震动参数区划图》查出,0.05g是地震动峰值加速度,与之对应的基本震度为Ⅵ。

  1.2工程水文

  1.2.1水文气象

  受北亚热带季风气候影响的东王沟水库流域,14.3℃的年平均气温,≥10℃的为4800℃、连续时间为218-236天年活跃积温,这些都体现了该地区四季鲜明,气候条件舒适的特点。东北风,西南风是主要风向,最大风速是21.0m/s。

  本地区年降雨量分布差异很大,虽然本区域内年平均降雨量为842毫米,但是6-9月的洪水季节的降雨量在全年降雨量的占比最大,达到68%。

  1.2.2水文资料

  东王沟水库没有实测水文资料,依据河南省水利厅关于试行《河南省暴雨参数图集》(2005年版)的通知(豫水办(2007)7号文),本次设计依据《河南省暴雨参数图集》(以下简称05图集)计算暴雨参数以此推求洪水。

  1.2.3设计洪水推算结果

  经计算,30年一遇洪水洪峰流量为47m3/s,24小时洪量为37万m3,相应下泄流量23.6m3/s;300年一遇设计洪水洪峰流量为70m3/s,24小时洪量为69万m3,相应下泄流量32.5m3/s。

  1.2.4施工期洪水

  由于没有实地测量径流数据被本次设计利用,可通过对照口子河水文站附近的实际测量施工期洪水来推出施工期洪水。从口子河水文站1957年到1984年的资料,得到12月至次年2月平均径流总量470.99万m3,Cv=0.50,Cs/Cv=2.04,查皮尔逊Ⅲ(P—Ⅲ)型曲线模比系数值,P=20%,径流总量648.82万m3;洪峰流量2.35m3/s,Cv=0.90,Cs/Cv=4.83,P=20%,洪峰流量2.72m3/s。该站控制421km2的区域,径流量比拟指数取1.0,洪峰流量比拟指数取0.5,通过计算得到2.17万m3的施工期入库径流总量,0.17m3/s的洪峰流量。

  1.3工程地质

  1.3.1地质概况

  该区由古生代地层组成,在元古代至中生代的纪期间上升,经历了风化剥蚀作用而没有接受任何沉积。在中生代末期,燕山运动向该地区扩展,形成了大量岩浆沿断裂构造侵入。

  由于地层简单,华力西期花岗岩及第四系松散堆积层是本区的主要地层。

  1.3.2大坝地质条件

  左、右坝肩及河槽段组成了大坝坝基。

  1.左坝肩(0+000~0+035)

  左坝肩座于风化强烈、最大揭露厚度为5.0m的花岗岩上;岩石水渗透率较弱,透水率3.53~4.53Lu。

  2.右坝肩(0+070~0+091.7)

  右坝肩座于风化强烈、最大揭露厚度为5.3m的花岗岩上;岩石水渗透率较弱,透水率4.09Lu。

  3.河槽段(0+035~0+070)

  河槽段坝座于风化强烈、最大揭露厚度为5.2m的花岗岩上;岩石水渗透率较弱,透水率3.97Lu。

  1.3.3溢洪道地质条件

  位于大坝左边的溢洪道是一条沟槽,它是开敞型的,底部宽度为5-10米。进口底部高度221.72m,左岸坡度70-80。,坡高3.0-7.0m,右岸坡度40-60。,坡高1.5-4.0m,岸坡岩性为强风化花岗岩。

  1.3.4输水洞地质条件

  输水洞顶部坝体粘土心墙干密度算术平均值ρd=1.604g/cm3,干密度合格率为42.9%;土体属于中等压缩性,压缩系数αV1-2=0.25MPa-1。输水洞洞周坝体土注水是中等透水性,试验渗透系数K=3.54×10-4cm/s;输水洞座于风化强度大、透水性弱,但性能稳定的花岗岩上。

  1.4工程任务和规模

  1.4.1综合利用

  水库是侧重防洪,但也涉及灌溉、水产养殖等的小(2)型水库。

  1.4.2除险加固后规模

  经除险加固后,水库300年一遇(P=0.33%)校核洪水位达到224.09m,总库容53.48万m3,最大流量32.5m3/s;30年一遇(P=3.3%)设计洪水位223.59m,相应库容46.19万m3,最大流量23.6m3/s;兴利水位221.80m,兴利库容28.12万m3;死水位213.20m,死库容1.47万m3。坝顶高程224.80m。

  1.4.3除险加固工程主要设计内容

  (1)坝修新建防浪潮涌上的高墙,铺设路沿石,路面用砼路面。对坝坡进行修理,迎水坡新做有砼护坡的粘土斜墙,要修建坡面排水系统,建立上坝台阶和用以排水的物体,草皮也要被种植。

  (2)加固溢洪道:包括宽顶堰控制段的修建、入口段保护砌体、泄槽段保护砌体;

  (3)拆除重建输水洞进口,新建塔式进水口(包含启闭塔、闸室、工作桥)等,出口新建洞身12m和2m*2m稳水池及渠道维修加固等。

  (4)新建管理房40m2,整修防汛道路0.5km,配备妥当水位观测设备。

  1.5工程主要建筑物布置

  1.5.1大坝工程

  1.大坝工程现状存在的问题

  水库大坝是粘土心墙砂壳坝,现状坝顶长92m,现状坝顶高程223.59~224.95m,坝顶宽1.6m,无防浪墙,大坝上游坡率为1:2.4,下游坡率为1:2.4。上游坝坡零星乱石护坡,下游为荒草护坡。大坝现状存在的问题有:大坝迎水坡有零星乱石护坡,大面积无护坡,坝脚淘刷严重;背水坡部分滑塌。坝顶有1.8~2.0m厚风化砂,存在渗漏问题;桩号0+025~0+035段高程217.00m及0+040~0+060段高程213.5m以下坝体存在渗漏问题。无纵横排水沟,无排水体。

  2.大坝除险加固工程措施

  (1)坝顶工程:确定坝顶宽度为3.5m,新建C20砼防浪墙、路沿石,铺筑C20砼路面。

  (2)迎水坝0+000~0+092段采用新建粘土斜墙的防渗加固处理方案。

  (3)迎水坡坝坡高程213.90m以上为坡比1:2.4的现成浇筑后的混凝土护坡。

  (4)在依照1:2.4进行整修的用草皮护坡背水坡坝的坡面上新建了一条排水沟。在坝基0+023~0+0+67段背水坡高度213.40m以下进行排水,并在背水坡上建立台阶。

  1.5.2溢洪道工程除险加固设计

  1.溢洪道工程现状及存在的问题

  (1)位于大坝左边的开敞式沟槽溢洪道,底部宽5~10m。进口底部高程221.72m。

  (2)左岸边坡较右岸更陡峭更高,岸坡岩性为强风化花岗岩,岩石裂隙发育,抗冲刷能力较差;建议做削坡护砌处理,施工边坡采用1∶0.75。

  (3)底板座于有裂横的强风化花岗岩上,它经受水流冲刷的能力较差,底板冲刷拉切严重,在出口处形成冲坑,建议对底板做护砌处理。

  2.溢洪道除险加固措施

  进水段、控制段、泄槽段等是溢洪道的主要组成部分。(0+000~0+032.3)两岸新建C20护坡,进水段(0+015~0+020)底部C20砼护砌;控制段(0+020~0+025)采用C25钢筋砼宽顶堰;泄槽段(0+025~0+032.3)底部C25钢筋砼衬砌,底坡1:4。

  1.5.3输水建筑物除险加固设计

  1.输水洞工程现状及存在的问题

  坐落于于大坝右岸的输水洞(桩号0+029),为无压箱涵结构,断面0.3×0.3m(高×宽),进口底高程212.10m,洞身长79m。进口为平斜管形式,无闸门。

  同时目前存在的洞身底部开裂碳化,爬坡管底部开裂碳化等状况,是输水洞的重大隐患,而且底部基础部分悬空;出口两侧边墙倒塌,灌溉水流冲刷坝脚。

  2.输水洞除险加固工程措施

  输水洞进口需要新建,新建塔式进水口(包含启闭塔、闸室、工作桥)等,出口新建洞身12m和2m*2m稳水池及渠道维修加固等。

  1.6工程特性

  工程特性比较表

  表1.6-1

  除险加固工程特性表

  表1.6-2

  第2章水文

  2.1流域概况

  渭林河是白河的一条支流,是南召县东王沟水库所在的白河长江流域的一部分。水库库区面积1.41km2的东王沟水库,有长1.63km的主渠,0.03538的平均坡度。4个行政村,3500人口,2000亩耕地受水库影响。

  2.2气象

  受北亚热带季风气候影响的东王沟水库流域,14.3℃的年平均气温,≥10℃的为4800℃、连续时间为218-236天年活跃积温,这些都体现了该地区四季鲜明,气候条件舒适的特点。东北风,西南风是主要风向,最大风速是21.0m/s。

  本地区年降雨量分布差异很大,虽然本区域内年平均降雨量为842毫米,但是6-9月的洪水季节的降雨量在全年降雨量的占比最大,达到68%。

  2.3水文基本资料

  东王沟水库没有实测水文资料,因此本次设计将依据《河南省暴雨参数图集》(以下简称05图集)、《河南省水资源》(2007年)、《河南省地表水资源附图》(2007年)等计算暴雨参数、洪水和径流。

  2.4径流

  由于缺少水库的实际测量径流数据,从《河南省水资源》(2007年)附图中看出,本区多年平均径流深度为250mm,Cv即径流变差系数为0.25,且Cs/Cv=2.0,多年平均径流量35.25万m3可由此得出,查P-Ⅲ型曲线Kp值表求得,p=75%,Kp值为0.82,计算得出75%年份径流量为28.905万m3。

  2.5设计洪水

  2.5.1设计洪水标准

  东王沟水库总库容为53.48万m3,最大坝高17.3m,依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000和《防洪标准》(GB50201-94),该水库属于工程等级为Ⅴ等的小(2)型水库,它的主要建筑物级别为5级,需要按30年设计洪水和300年校核洪水的标准进行设计。

  2.5.2设计暴雨

  分别计算10min、1h、6h、24h这4种历时的设计暴雨(包括设计时段点雨量、面雨量和暴雨递减指数),需要利用05图集提供的10min、1h、6h、24h四种历时的暴雨参数。

  1.设计点雨量

  设计点雨量计算公式:Htp=t·Kp(mm)

  通过雨量变差系数CV可从P-Ⅲ型曲线Kp值表求得频率P的模比系数Kp,结合偏态系数CS=3.5CV,可分别读取t和CV在对应历时等值线图上的流域重心处。

  2.设计面雨量

  短历时暴雨时面深(t~F~α)关系图和水库的水文分区相关,设计面雨量=同历时暴雨的点面折减系数α值×设计点雨量。本次设计中点雨量=面雨量,因为水库控制流域面积小于50km2,仅1.41km2,相应的α=1。

  3.设计暴雨递减指数n

  按照暴雨历时关系,n分为三段:1h以下为n1,1~6h为n2、6~24h为n3。本流域设计暴雨递减指数采用下式计算:

  因本设计为30年一遇设计洪水,p为3.3%,300年一遇校核洪水,p为0.33%。

  各种频率的设计点雨量、面雨量及暴雨递减指数见表2.5-1。

  表2.5-1东王沟水库设计暴雨及暴雨递减指数成果表

  2.5.3产流计算

  依据24h降雨量,通过对次降雨径流关系P+Pa~R曲线的研究,(其中P为24h设计面雨量,Pa为设计初期影响雨量)得到了该地区24h的净雨量。Pa=Imax是50年一遇(P=2%)以上的稀遇频率,Pa=2/3Imax是10-30年一遇频率(P=3.33%-10%)。本水库所处分区是河南省的第Ⅳ水文分区,所以Imax=50mm。

  24h设计净雨量见表2.5-2。

  东王沟水库设计净雨计算成果表

  表2.5-2单位:mm

  2.5.4汇流计算

  1.洪峰流量计算

  依据《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》中的规定,使用推理公式法计算小面积流域的洪峰流量。采用公式如下:

  2.24小时洪量计

  表2.5.3东王沟水库设计洪峰洪量计算成果

  3.采用概化等腰三角形方法计算设计洪水过程线。

  (1)研究降雨径流关系,可以通过得到24小时设计净雨量R24,来计算24小时设计洪量W24。

  (2)以设计暴雨递减指数n2,n3为参数查《05图集》表(3)24小时净雨概化时程分配表,计算逐时净雨,计算结果见表2.5-4。

  (3)将设计洪峰Qm和τ,与τ时段的最大平均净雨强度相对应,可以绘制出顶高为Qm,底宽为2τ概化等腰三角形。

  (4)列表计算出主峰Qm前后各个τ时段的净雨量Rτ,τ按小时平均分配取值,因为其不是完整的时间段。其他次峰的洪峰流量Qi=0.278(Rτ/τ)F(m3/s)可以用各个时段的平均净雨强度计算得出,将等腰三角形与净雨过程相对应,并绘在图上,叠加绘出24小时洪水过程线。过程线量算的洪量应与净雨计算的W24相等。

  2.5-424小时净雨概化分配表(mm)

  三角形概化过程推求的设计洪水过程线见表2.5-5及图2.5-1

  东王沟水库入库洪水过程线表

  表2.5-5单位:m3/s

  图2.5-1东王沟水库入库洪水过程线图

  2.6施工期洪水

  由于没有实地测量径流数据被本次设计利用,可通过对照口子河水文站附近的实际测量施工期洪水来推演施工期洪水。从口子河水文站1957年到1984年的资料,得到12月至次年2月平均径流总量470.99万m3,Cv=0.50,Cs/Cv=2.04,查皮尔逊Ⅲ(P—Ⅲ)型曲线模比系数值,P=20%,径流总量648.82万m3;洪峰流量2.35m3/s,Cv=0.90,Cs/Cv=4.83,P=20%,洪峰流量2.72m3/s。该站控制421km2的区域,径流量比拟指数取1.0,洪峰流量比拟指数取0.5,通过计算得到2.17万m3的施工期入库径流总量,0.17m3/s的洪峰流量。

  2.7泥沙

  没有实际测量泥沙数据被水库设计利用,根据实测大坝地形图查得淤积高程为213.20m,则入库淤积量是1.47万m3。水库自1956年运作以来,淤积量为0.023万m3/每年。

  根据计算式wh=βw(t)求年均推移质输沙量,由于本区处在丘陵地区,则β取0.1,经过计算,得到0.002万m3为年均推移质淤积量,与年均淤积量相加可得总年均悬移质淤积量,0.025万m3。悬移质年均输沙量可由0.85的泥沙沉积率求得,是0.029万m3,悬移质年均输沙量=0.029×1.2t/m3(泥沙容重)=35t,将该数除以水库流域面积1.41km2,得到25t/(km2·a)(即水库流域输沙模数)。将算得的输沙模数与《河南省水资源》(2007年)中的相关数据对照,能够看出水库实际淤积量小于图表值,所以采用实测数据更为保险。

  第3章工程地质

  3.1概述

  水库处在低山区,该区由古生代地层组成,从元古代至中生代期间上升,经历了风化剥蚀作用而没有接受任何沉积。发生显著的断裂构造,沿断裂伴随有大量的岩浆侵入是由于中生代末期燕山运动涉及本区。

  3.2水库区工程地质条件

  1.地质概况

  东王沟水库坐落在向北流的渭林河上,处于山体一般东西走向的低山丘陵区,华力西期花岗岩及第四系松散堆积层是库区的主要地层。

  2.库区渗漏

  由于水库所处地层原因,本区域没有大块断裂和破碎带,所以无需考虑库区渗漏。

  3.库岸稳定

  库区目前处于稳定状态,其天然边坡不陡峭,崩塌滑坡等问题也没有出现过。

  3.3枢纽区工程地质条件

  3.3.1地质概况

  水库地层简单,主要由华力西期花岗岩及第四系松散堆积层组成。

  1.华力西期花岗岩

  整个坝区充满这类构造为块状,结构属于中细粒的岩石,主要由石英、云母、正、斜长石及其它附属矿物组成,灰黄部分受到风化作用,未风化部分呈现肉红色或灰褐色。

  2.第四系全新统冲洪积粉质粘土(Q4al+pl)

  土呈褐黄色,土质松散,河槽部分所见较多,其中粒径小于10mm,大于5mm的砾石占5%左右。该层在建坝时坝轴线处已清除。

  3.坝体填土(rQ)

  呈灰黄色的由泥质砂砾构成的风化砂是风化代料的填筑材料,它的级配很差,结构不是很紧密。褐黄色,有可塑性的砾粉质黏土是大坝黏土心墙的主要填筑材料。

  3.3.2坝体工程地质条件及评价

  1.填筑质量

  粘土心墙:从实验结果可以看出,粉质粘土是其主要成分,但也包含少量含砾重粉质壤土。粘土心墙的ρd在1.521-1.773g/cm3这个范围内,其中大于1.643g/cm3的占比较多,占总数的46.7%,小于1.600g/cm3的占总数的36.6%,处在两者中间的则占到16.7%,平均数是1.633g/cm3。

  砂壳:砂壳的ρd平均值1.687g/cm3,总的范围是1.636-1.733g/cm3;相对密度平均数是0.673,它的范围在0.559-0.772之内,其中该值大于0.7的占比四成。

  由于施工条件和技术有限,坝体压实存在缺陷,结合现行规范,粘土心墙干密度合格率占比56.7﹪,砂壳相对密度合格率占比四成。

  2.土压缩性

  粘土心墙:由试验成果得出,大坝的坝体是中等压缩性,它的土压缩系数的平均数值是0.25MPa-1,总体范围在0.13-0.39MPa-1之间;压缩模量的平均数值是7.05MPa,总体范围5.66~12.26MPa之间。

  砂壳:通过结果我们可以得知,砂壳属于中等压缩性,压缩系数平均值是0.16MPa-1,总体范围在0.14-0.18MPa-1之间;压缩模量的平均数值是9.81MPa,总体范围在8.59-11.53MPa之间。

  3.坝体土渗透性评价

  粘土心墙:属于弱透水性,其成分中砾石含量占比最少,仅有1.5%,粉粒含量占比最多,达到48.6%,其余成分为砂粒和粘粒;渗透系数算术平均值1.19×10-5cm/s,大值平均值2.18×10-5cm/s;通过钻孔注水试验,得到渗透系数的平均值6.97×10-5cm/s,大值平均值7.67×10-5cm/s。

  砂壳:碎石含量占比最少,仅6.0%,砂粒占比最高,含量为45.7%,其余为粉粘粒和砾石。通过注水试验,得到渗透系数为4.40×10-4cm/s。

  3.3.3坝基地质条件

  左、右坝肩及河槽段组成大坝坝基。

  1.左坝肩(0+000~0+035)

  左坝肩座于风化强烈、最大揭露厚度为5.0m的花岗岩上;岩石水渗透率较弱,透水率3.53~4.53Lu。

  2.右坝肩(0+070~0+091.7)

  右坝肩座于风化强烈、最大揭露厚度为5.3m的花岗岩上;岩石水渗透率较弱,透水率4.09Lu。

  3.河槽段(0+035~0+070)

  河槽段坝座于风化强烈、最大揭露厚度为5.2m的花岗岩上;岩石水渗透率较弱,透水率3.97Lu。

  3.3.4输水洞地质条件

  输水洞输水洞座于强风化、弱透水,安全稳定的花岗岩上。它的顶部坝体是粘土心墙,它的干密度算术平均值是ρd=1.604g/cm3,干密度合格率为42.9%;土体的压缩性中等,αV1-2=0.25MPa-1是其压缩系数。输水洞周围坝体属于中等透水,因此出现了部分渗漏情况,土注水试验得到其渗透系数是K=3.54×10-4cm/s。建议设计部门根据渗流安全分析,采取必要的工程处理措施。

  3.3.5溢洪道地质条件

  1.溢洪道底板

  底板座于有裂横的强风化花岗岩上,它经受水流冲刷的能力较差,底板冲刷拉切严重,在出口处形成冲坑,建议对底板做护砌处理。

  2.两岸边坡

  左岸边坡较右岸更陡峭更高,但两边岸坡岩性都为强风化花岗岩,岩石裂隙发育,抗冲刷能力较差;建议采用1∶0.75的施工边坡做削坡护砌处理。

  3.4天然建筑材料

  距离水库下游不到两公里的程口湾村有天然的土料厂,其有用土层储量丰富,运距仅有两三公里,方便开采,机械或人工都可。

  土料是呈褐黄色的粉质粘土,粉粒是该土的主要成分,占比达到五成,为50.3%,其次是粘粒,占比四成,41.9%,最少的成分是占比不足一成的砂粒。该土料有微透水性,渗透系数K=6.86×10-6cm/s,压缩性能中等,压缩系数αv1-2=0.18MPa-1。

  可以外出购买砂料与石料,砂料可以到南河店镇排路河砂料场购买,石料可以在白土岗镇小北庄南山获取,水库周围交通便利,这两处运距也不足20公里。

  第4章工程任务与规模

  4.1地区社会经济状况

  4.1.1社会经济概况

  水库所处的南召县处在南阳市最北边,拥有得天独厚的地理位置,与洛阳市、平顶山市相邻。由于地处山区,群峦叠嶂,平原稀少,但也因此拥有了丰富的矿产资源和水利资源。南召县周边交通发达,众多公路、铁路等基础交通设施便利。在县政府的号召和带领下,南召人民也走出了属于自己的致富之路,奠定了可持续发展的基础。

  主要由大坝、溢洪道、输水洞等建筑物组成的南召县东王沟水库自完工以来,已安全运行64年,发挥了一定的防洪效益,现状出现很多问题,例如:大坝坝顶土路面,无路沿石,无防浪墙,坑凹不平,杂草丛生;上游坡度较陡,大面积无护坡,凹凸不平,有很大的冲刷问题;下游坝坡没有护坡,上坝没有台阶,没有排水沟,杂草遍地,坑凹不平,大面积凹陷。有散浸,坝基渗水严重,形成水坑;左坝肩接触渗漏。溢洪道为人工开挖开敞式沟槽,无护砌,两岸边坡无护砌、坍塌严重,冲刷拉切严重。输水洞浆砌石洞身有裂缝,漏水,出口砂浆碳化、松动、脱落、无消力池,无节制闸。浆砌石梯级斜卧管,砂浆碳化、裂缝,漏水。无防汛道路,无管理房,无观测设施。危及下游四个行政村、交通、通讯设施和人民群众的生命财产安全。

  4.1.2综合利用情况

  洪水防护、灌溉和人畜饮水是水库最注重的部分,但也涉及水产养殖,是能够发挥综合效益的小(2)型水库。水库经过本次除险加固设计后,应该能够充分发挥在各方面的作用,产生多种实际效益。

  首先本设计要在满足最基本的防洪要求上,再考虑其他效益。由《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000查得,水库按其规模取30年一遇设计洪水、300年一遇校核洪水的标准计算。溢洪道消能防冲建筑物的设计洪水标准通过《溢洪道设计规范》SL253-2000查证,应按30年一遇洪水设计。

  灌溉需求:灌溉是水库区人民最基本的生活需求之一,所以要尽可能给人民满足这部分的要求,要提高灌溉效率,朝400亩的基本灌溉面积接近。

  养殖需求:养殖是库区人民的部分经济来源,因此必须要做到统筹兼顾,在注重效益的同时,也要注意避免带来负面影响。

  4.2水利计算

  4.2.1水位~库容曲线

  水库自运行以来,持续不间断蓄水,很难有实测资料,故水库的库容曲线仍选择利用最初设计时的水位-库容曲线。见表4.2-1,图4.2-1。

  东王沟水库水位-库容曲线表

  表4.2-1

  水位(m) 库容(万m3)

  211.30 0.50

  212.30 1.10

  213.30 1.40

  214.30 1.80

  215.30 2.80

  216.30 4.20

  217.30 6.20

  218.30 9.40

  219.30 13.80

  220.30 19.00

  221.30 25.20

  222.30 33.00

  图4.2-1东王沟水库水位~库容曲线图

  4.2.2死库容

  V死=0.023×64=1.47(万m3)

  Z死=1.47÷1.41+212.2=213.2(m)

  水库的死库容最开始仅1万m3,经过1956年到如今2020年这64年的悬移质输送淤积,已经改变。由2.7节的计算结果,知道悬移质多年平均输沙量是0.023万m3,将其乘以运行年数,得到总入库淤积量1.47万m3,可以看到这个数据早已超过最开始设计的死库容的承载量,因此需要重新设计规划,新的死库容便是1.47万m3,同时水库流域面积为1.41km2,通过计算得到相应的死水位,213.20m。

  4.2.3兴利调节计算

  经复核计算,水库正常水位满足基本要求,没有必要改变现有的基础规模,正常蓄水位还是最初设计的值,221.80m,相应水库库容28.12万m3。兴利水位221.80m是这次除险加固设计用来进行调洪演算的起调水位,设计后的水库防洪能力必须满足《防洪标准》GB50201-94规定的要求。

  4.2.4洪水调节和防洪特征水位的选择

  1.设计洪水计算

  设计洪水计算结果见表2.5-3

  2.水库出流计算

  溢洪道和输水洞是水库目前仅有的泄洪措施,输水洞不参与本次调洪计算,因为它的设计最大下泄流量太小,仅有0.1m3/s。水库溢洪道属于宽顶堰,宽度是6.0m,顶部高度是221.80m,。计算溢洪道的泄流公式采用宽顶堰公式,其式为:

  结果见表4.2-2,图4.2-2

  东王沟水库溢洪道泄流曲线

  表4.2-2

  水位(m) 泄流量(m3/s)

  221.80 0.00

  222.00 0.87

  222.20 2.47

  222.40 4.54

  222.60 7.00

  222.80 9.78

  223.00 12.85

  223.20 16.20

  223.40 19.79

  东王沟水库水位~泄流量关系曲线图

  图4.2-2

  由水库的Z-V和Z-q转化得Z-q-V关系曲线,见表4.2-3,图4.2-3。

  表4.2.3水库水位库容泄量表

  水位(m) 泄流量(m3/s) 库容(万m3)

  221.80 0 28.12

  221.90 0.3 29.59

  222.00 0.9 30.64

  222.15 2.0 31.74

  222.30 3.4 32.92

  222.45 5.9 34.66

  222.77 9.4 36.77

  223.13 15.0 39.59

  223.78 27.2 48.92

  224.09 32.5 53.48

  图4.2-3东王沟水库水位库容泄流关系曲线

  3.调洪计算原理

  当水库设计频率的暴雨洪水来临时,坝下游经过水库调蓄会发生对应的泄洪过程,可以通过调洪演算确定该过程,调洪演算可以通过水量平衡原理来计算,其公式如下:

  式中:

  Δt——计算时段,Δt=2h=7200s。

  4.调洪演算方法

  兴利水位是调洪演算的起调水位,因此溢洪道开始在水库水位达到221.80m时进行泄洪。调洪演算结果由胡正凯水库调洪演算软件求得,除了起调水位221.80m之外,不同频率设计的入库洪水过程线,水位-库容,水位-泄流曲线,都需要进行调洪演算,洪水的下泄流量由此确定。

  5.调洪演算结果

  经过调洪演算,频率不同的洪水调洪演算成果见表4.2-4。

  东王沟水库调洪演算成果表

  表4.2-4

  4.2.5坝顶高程

  东王沟水库静水位以上的土石坝坝顶超高的计算公式通过《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》SL189-96确定,公式如下所示:

  Y=R+A

  式中:

  通过《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001可知,根据规范中表A.1.13规定的系数、平均波高比上坝迎水面前水深得到的值、相应的累积频率P,这些数据由计算可得到不同累积频率下的波浪爬高R。

  本库区处在丘陵山区,而且W<26.5m/s、D<7500m,此时波浪的波高和平均波长可通过鹤地水库公式进行计算:

  式中:

  D——风区长度,m;

  平均波浪爬高按下式计算(m=1.5~5.0):

  式中:

  计算得出不同频率下的波浪爬高和坝顶安全超高,结果见表4.2-5。

  东王沟水库坝顶超高计算成果表

  表4.2-5

  频率P 波浪爬高(m) 安全加高

  (m) 坝顶超高

  (m) 洪水位

  (m) 理论坝顶高程

  (m)

  P=3.33% 0.80 0.50 1.37 223.59 224.89

  P=0.33% 0.51 0.30 0.81 224.09 224.90

  依据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》SL189-96的规定,坝顶高程应分别按以下情况进行计算,取其最大值:

  正常蓄水位/设计洪水位+正常情况的坝顶超高=理论坝高;

  校核洪水位+非常情况的坝顶超高=理论坝高;

  正常蓄水位+非常情况的坝顶超高+地震涌浪高=理论坝高。

  结合上述情况,理论坝顶高程被确定为224.90m。但是由于目前水库坝高在224.66~225.72m之间,除险加固设计的坝高应该与之接近,所以确定为224.80m,坝顶比校核洪水位(224.09m)高0.71m,防浪墙顶高程225.50m。

  通过上述分析,本次除险加固的各项水库特征水位值确定如下表4.2-6。

  东王沟水库特征高程表

  表4.2-7

  死水位(m) 兴利水位(m) 设计水位(m) 校核洪水位(m) 坝顶高程(m)

  213.20 221.80 223.59 224.09 224.80

  4.3水库除险加固后规划指标规模

  4.3.1水库现状及存在问题

  1.大坝:大坝迎水坡无垫层,松动、脱落严重,坑凹不平,坝脚淘刷。背水坡无护坡,无坡面排水系统。大坝坝基岩性为弱透水的强风化花岗岩,大坝清基不彻底,未开挖截水槽,坝体直接座于强风化花岗层上。坝基施工时采用人工排水,回填土基本采用水中作业,造成坝基存在严重的渗漏隐患。水库建成后,大坝下游渗水严重,坝后形成水坑,坝基存在渗漏问题。两坝肩岩性为强风化花岗岩,坝肩施工时清基处理差,建基面未开挖结合槽,导致左坝肩出现明显渗水,这说明坝肩有接触渗漏。

  2.溢洪道:大坝溢洪道是一条明渠,宽5-10m,底部高度221.72m,最大下泄流量是20.59m3/s。溢洪道目前存在许多问题:由于进口部位缺少衬砌保护,导致严重的冲刷;其他部位浆砌石衬砌,现砂浆碳化、剥蚀,渠底多处淘空、塌陷,无边墙。

  3.输水洞:输水洞位于大坝桩号0+029处,为浆砌石箱涵结构,断面0.3*0.3m(高×宽),进口底高程212.10m,洞身长79m,最大泄量0.1m3/s。无工作闸门,依靠爬坡漏石塞放水。输水洞目前存在的问题是:爬坡管抹面上的砂浆因为碳化,掉落下来,产生了裂缝导致了漏水;很多地方已经出现塌方,进口已经被淤积,无闸门及启闭设施。

  4.水库管理存在以下问题:无大坝观测系统,无水位观测设施,防汛道路坡陡路窄、通行困难等。

  自出现上述险情以来,水库没能得到良好的修护,库容利用率低下,资源开发率低下,同时也不能满足最基本的农业用水需求,整体一直处于带病运行、低水位运行的状态。结合河南省水利厅的核查意见,水库大坝被评为三类坝,病险水库。在这种紧急情况下,为了将来不出现大的安全隐患,水库必须马上进行除险加固。

  4.3.2除险加固规划设计

  1.除险加固工程任务和规模

  对于水库存在的各类问题,结合上述分析,可以确定本次水库除险加固工程的主要任务如下:

  (1)坝修新建防止浪潮涌上的高墙,铺设路沿石,路面用砼路面。对坝坡进行修理,迎水坡新做有砼护坡的粘土斜墙,要修建坡面排水系统,建立上坝台阶和用以排水的物体,草皮也要被种植。

  (2)溢洪道进行加固:包含宽顶堰控制段的修建、入口段保护砌体、泄槽段保护砌体;

  (3)拆除重建输水洞进口,新建塔式进水口(包含启闭塔、闸室、工作桥)等,出口新建洞身12m和2m*2m稳水池及渠道维修加固等。

  (4)新建管理房40m2,整修防汛道路0.5km,配备完善的水位观测设备。

  2.除险加固后的指标规模

  经过除险加固后,水库应该达到以下标准:坝顶高程224.80m。300年一遇校核洪水位224.09m,总库容53.48万m3,最大下泄流量32.5m3/s;30年一遇设计洪水位223.59m,相应库容46.19万m3,最大下泄流量23.6m3/s;兴利水位221.80m,相应库容28.12万m3;死水位213.20m,相应库容1.47万m3。

  第5章工程布置及建筑物

  5.1设计依据及标准

  5.1.1设计标准

  据相关规定,东王沟水库属工程等别为Ⅴ等,主要建筑物级别为5级的小(2)型水库。它的防洪标准按30年一遇设计、300年一遇校核。考虑施工期的组织设计,导流期防洪标准采用非汛期洪水P=20%(5年一遇);消能防冲的防洪标准采用P=3.33%(30年一遇)洪水。

  5.1.2设计依据

  依据水库工程目前存在的各项状况,考虑大坝工程的安全评定、鉴定结论,结合各种意见,本次水库的除险加固工程应该严格按照以下设计规范,规程进行初步设计:

  5.2大坝维修加固工程

  5.2.1大坝工程概况

  水库大坝的种类是粘土心墙砂壳坝,目前坝顶长度是92m,目前坝顶高度是223.59~224.95m,坝顶宽1.6m,无防浪墙,大坝上游坡率为1:2.4,下游坡率1:2.4。上游坝坡零星乱石护坡,下游荒草遍地。

  5.2.2大坝存在问题

  水库存在各种隐患问题,自其开始发挥效益以来。经过认真的检查,确认主要问题如下:

  大坝现状存在的问题有:大坝迎水坡有零星乱石护坡,大面积无护坡,坝脚淘刷严重;背水坡局部滑塌。坝顶有1.8~2.0m厚风化砂,存在渗漏问题;桩号0+025~0+035段高程217.00m及0+040~0+060段高程213.5m以下坝体存在渗漏问题。无纵横排水沟,无排水体。无水平位移、沉陷等观测设施。

  5.2.3大坝现状渗流分析

  1.安全评价阶段的渗流安全分析

  (1)坝体渗流分析

  水库大坝是粘土心墙砂壳坝。最初建造时,由于技术落后,采用人工填筑。坝体回填时每层填土0.3米,控制不严格。填土采用人工石片夯夯实,质量用钢筋打眼灌水检查。施工工艺简单,填筑质量较差。大坝建成后,库水位高时,坝坡出现渗水明流:大坝背水坡桩号0+030处、高程217.2m以下有4平方米渗水成明流。

  下游坡脚设有棱柱排水体,但高度不足,淤塞倒塌,已经基本失去效用。

  (2)坝基渗透稳定分析

  东王沟水库大坝坝基岩性为弱透水的强风化花岗岩,大坝清基不彻底,未开挖截水槽,坝体直接座于强风化花岗层上。坝基施工时采用人工排水,回填土基本采用水中作业,造成坝基存在严重的渗漏隐患。水库建成后,大坝下游渗水严重,坝后形成水坑。因此,坝基存在渗漏问题。

  (3)两坝肩绕渗分析

  两坝肩岩性为强风化花岗岩,坝肩施工时清基处理差,建基面未开挖结合槽,导致左坝肩出现渗水明流。因此,左坝肩存在接触渗漏。

  (4)渗流分析结论

  综上所述,东王沟水库大坝座于弱透水的强风化花岗岩上,下游存在水坑,这是因为大坝基坑没有清理干净,导致严重漏水造成的;位于坝脚的排水体不够高,坝坡渗漏而下的水甚至形成一道道明流;左坝肩有渗漏问题。经综合评价,东王沟水库大坝的渗流存在安全问题,渗流安全性较差,为C级。

  2.在设计工况下对大坝目前断面进行渗流安全复核

  根据《防洪标准》采用的30年一遇设计、300年一遇校核的防洪标准进行调洪演算,加之本次设计对大坝进行了进一步的地质勘察和对溢洪道进行了进一步的复核,所以水库的设计、校核水位由此改变,进而大坝的渗流安全需要重新核查。需要对坝体0+060断面进行相关渗流计算。

  (1)计算条件

  因为缺少水库浸润线的实际数据,故采用《河南省南召县东王沟水库工程地质勘察报告》中提供的地质参数,通过北京理正渗流稳定计算软件来计算坝体理论浸润线和渗流量。通过野外注水试验,渗透系数取的大值平均值为K=7.67×10-5cm/s。

  (2)计算工况

  计算前提,所有工况下游都没有水

  a.库水位为正常蓄水位221.80m;

  b.库水位为设计洪水位223.59m。

  (3)计算参数

  坝体各区和坝基岩层渗透系数采用如下数值计算:

  (4)计算公式

  采用分段法利用北京理正渗流稳定计算软件计算坝体浸润线及渗漏量。

  单宽渗流量:

  下游逸出点高度计算采用下式计算:

  式中:

  a.正常水位:

  流网图:正常水位下下游最大坡降:

  b.校核水位:

  流网图:

  设计水位下坡降图:

  经计算正常水位下游最大渗透比降值0.59,设计水位下坝出逸点的坡降0.59,下游出逸点不满足渗流出逸比降值0.3。可以看出下游坝坡及坝基的出逸坡比降均大于规范的允许值,需进行防渗处理。

  3.大坝现状断面的渗流计算结果分析

  (1)坝体渗流分析:下游坝坡及坝基的出逸坡降均大于规范的允许值,坝体渗流不安全。

  (2)两坝肩绕渗分析

  由于缺乏两坝肩的渗流观测资料,仅能根据地质情况及施工情况对两岸坝肩进行渗流安全评价。左坝肩岩性为页岩,中等透水。大坝施工时清基处理不好。库水位较高时,左坝肩出现接触渗漏。本次针对接触渗漏问题,采取上游坡新作粘土斜墙的方法进行处理。

  (4)结论

  通过渗流计算,设计后大坝坝体的渗流稳定不满足规定要求。需通过防渗处理及新建大坝背水坡贴坡排水体来保证大坝的渗流安全。

  5.2.3大坝目前结构稳定分析

  1.对大坝目前断面的设计工况进行稳定复核

  根据《防洪标准》采用的30年一遇设计、300年一遇校核的防洪标准进行调洪演算,加之本次设计对大坝进行了进一步的地质勘察和对溢洪道进行了进一步的复核,所以水库的设计、校核水位由此改变,进而大坝的渗流安全需要重新核查。需要对坝体断面进行相关稳定计算。

  (1)复核工况

  a.上游坝坡

  正常运用条件:

  ①水库水位处在1/3坝高时;

  ②水库水位从兴利水位221.80m瞬降至死水位213.20m时;

  ③水库水位从设计水位223.59m瞬降至兴利水位221.80m时;

  非正常运用条件:

  ④水库水位从校核水位224.09m瞬降至兴利水位221.80m时;

  ⑤施工期库水位处于死水位213.20m时;

  b.下游坝坡

  正常运用条件,且①②处在大坝渗流稳定状态下:

  ①水库水位处于设计水位223.59m时;

  ②水库水位处于兴利水位221.80m时;

  ③施工期库水位处于死水位213.20m时;

  (2)计算参数

  本次大坝进行稳定复核,所采用的各种土料的物理力学性计算参数的数值如下表5.2-1。

  本次大坝稳定计算参数表

  表5.2-1

  注:力学指标采用饱和固结快剪指标

  按照《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》SL189-96的要求,为5级建筑物的水库黏土心墙大坝,其坝坡抗滑稳定计算分析需要采用瑞典圆弧条分法,这个要通过北京理正设计研究院编制《岩土工程边坡稳定分析系统》软件进行计算。

  ①瑞典圆弧条分法

  本方法是近似计算坝体稳定渗流期和上游水位降落时的渗透压力。首先明确浸润线以上土体,不论计算滑动力矩及抗滑力矩,均采用湿容重;计算抗滑力矩时,浸润线以下静水位以上的土体采用浮容重,计算滑动力矩时,浸润线以下静水位以上的土体采用饱和容重;因为没有考虑水位降落时的附加孔隙压力,所以才进行简化计算。同时计算上游水位降落时的坝坡稳定时,采用饱和固结快剪指标。

  式中:

  c'、φ'——土条底面的有效应力抗剪强度指标;采用饱和固结快剪试验中的小值平均值。

  ②坝坡稳定分析结果

  根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》SL189-96,采用坝坡瑞典圆弧法对5级建筑物进行计算时,正常情况下不小于1.15,非常情况下不小于1.05,这是它的抗滑稳定安全系数。计算结果见表5.2-2。

  大坝0+060断面稳定计算成果表

  表5.2-2

  2.大坝现状断面的稳定计算结果分析

  本次计算结果和安全评价阶段的计算成果不一致,复核结果显示结构安全。分析主要原因,可能是采用标准不同(特征水位不同)、依据的地质资料不同、计算的边界条件如水位变化等。

  由计算结果可以看出,设计后的大坝迎水坡和背水坡的坝坡抗滑稳定均满足规范要求,但是鉴于现状大坝存在上游坝坡杂草、灌木丛生,坝面不平整;下游坝坡为自然草皮护坡,坡面不平整,局部滑塌等原因,大坝上下游还是需要一定的整修加固措施。

  5.2.4大坝主体工程加固

  大坝主体除险加固的重要内容如下:

  (1)坝顶工程:铺设路沿石、新建C20砼防浪墙和C20砼路面。

  (2)迎水坝0+000~0+092段采用新建粘土斜墙的防渗加固处理方案。

  (3)迎水坡坝坡高程213.90m以上为现浇的坡比为1:2.4混凝土护坡。

  (4)背水坡坝坡进行整修,按照1:2.4,种植草皮防护坝坡,新建坡面排水沟,大坝桩号0+023~0+0+67段背水坡高程213.40m以下做贴坡排水,新建背水坡上坝踏步。

  1.坝体及坝基防渗加固工程

  将大坝原有护坡和垫层全部拆除,将大坝迎水坡现有斜墙的外表面整修,清理厚度不低于0.3m~0.5m,坝面清理干净,然后填筑粘土斜墙,断面自上而下逐渐加厚。顶部宽度1.8m,内边坡1:2,外边坡1:2.4,底部厚度不小于水头的1/5。

  斜墙底部截渗槽渗径按下式计算:

  B=FH/J

  式中:

  经计算,底面宽度5.6m,顶面宽度为8.6m。斜墙的顶部高程应高于校核水位0.5m,本工程中斜墙顶结合心墙顶延伸至坝顶路面下。在回填时要严格注意并把控铺筑土层厚度和含水率,确保回填粘性土的压实度不小于0.96,以此来保证填筑质量。

  大坝迎水坡斜墙填筑后及时进行表面防护。本工程采用现浇砼护坡的方式进行防护。

  2.坝顶设计

  经过本次除险加固设计,大坝坝顶高程224.80m,全长92m,宽度是3.5m。在路面靠近下游侧设铺设厚18cmC20砼路面的3%缓坡。沿坝顶上游侧新建埋深60cm,宽30cm、高130cm的现浇C20砼防浪墙,下游侧新建埋深40cm,宽20cm、高60cm的现浇C20砼路沿石。为了迅速排水,可以在坝顶设集中加盖栅条,并与坝坡横向排水沟对应的泄水窨井。

  3.上游护坡工程

  本工程采用坝顶与坝坡平整相结合的方法,将坝体上游坡面修复至设计断面。坝坡标高213.90m的上面是现浇护坡比为1:2.4的C20混凝土护坡。

  (1)计算大坝迎水坡混凝土护坡厚度:

  波浪的平均波高和平均波周期采用莆田试验站公式计算

  式中:

  平均波长Lm计算公式:

  混凝土护面板计算厚度公式为:

  式中:

  计算得到t=0.09m,考虑各方面因素,如施工、安全等因素,与大坝护坡设计经验相结合,混凝土护坡厚度可以采用12cm。

  (2)现浇混凝土护坡样式

  现浇混凝土的设计尺寸为1.9×1.9m,厚12cm,要用10cm宽的无砂砼填补缝隙。在护坡坡脚处设的齿墙,是用宽0.4m,高0.8m的浆砌石制成的。在连接两岸的护坡上,设2条长31m的断面同背水坡岸坡排水的岸坡排水沟。

  4.整修背水坡

  (1)整修下游坝坡

  对下游坝坡进行整修,就要设立一个1.4m宽的平台在高度213.40m处。

  在修复坝坡时,应首先清除坝体表面的石渣、块石、草皮等。坝面清除时,厚度不得小于0.35米,旧土和新土要混合起来夯实第一层。根据边坡回填设计,与坝顶一样,要控制回填的含水率和土层厚度,粘性土的压实度不小于0.96,无粘性土的相对密度不小于0.72。

  (2)设计贴坡排水体

  由大坝浸润线计算结果得出,贴坡式排水体位于大坝桩号0+023~0+067段、坡比为1:2.4背水坡高程213.40m以下,下设含直径为0.5~4cm碎石、厚20cm的粗砂垫层,上设厚30cm干砌块石。

  (3)设计坝坡排水沟

  这项加固工程共建造了9条339米长的新排水沟。其中有两条长60米的横向排水沟、两条长112米的纵向排水沟、两条长131米的岸坡排水沟和一条长36米的坝脚排水沟。

  排水沟表面采用Mu60M7.5石料和M10砂浆覆盖。垂直排水沟和水平排水沟的宽度和深度为30×30cm,岸坡排水沟底宽度和深度都是40cm,坡脚排水沟底宽度和深度分别为40cm和50cm,两种排水沟的坡比都是1:0.3。

  (4)上坝踏步

  在背水坡桩号0+035处新建2m总宽、1.5m净宽、0.12m厚的C20砼结构上坝踏步使工程管理起来更便捷。

  5.3溢洪道重建工程

  5.3.1溢洪道工程目前状况和存在的问题

  溢洪道目前状况和存在的问题:

  位于大坝左侧的溢洪道是一条明渠,它的宽为5-10m,底部高度是221.72m。岸坡岩性为强风化花岗岩,岩石裂隙发育,抗冲刷能力较差。底板岩性为强风化花岗岩,岩石裂隙发育,抗冲刷能力较差,底板冲刷拉切严重,在出口处形成冲坑。

  结合多方面评估意见与水库安全鉴定,本次溢洪道工程的结构安全性为C级,为了使溢洪道能够安全使用,顺利泄洪,需要对溢洪道进行设计并维修。

  5.3.2设计溢洪道工程

  东王沟水库溢洪道全长32.3m,底宽6m,溢洪道分为进水段、控制段、泄槽段等。(0+000~0+032.3)两岸新建C20护坡,进水段(0+015~0+020)底部C20砼护砌;控制段(0+020~0+025)采用C25钢筋砼宽顶堰;泄槽段(0+025~0+032.3)底部C25钢筋砼衬砌,底坡1:4。

  5.3.3溢洪道工程布置

  溢洪道全长32.3m,底宽6m,分为进水段、控制段、泄槽段等。具体布置如下:

  1.进口段(0+000~0+0020):底部高程221.6m,进口段采用20cm厚C20砼进行两岸护坡,在(0+015~0+020)段底部浇筑20cm厚C20硂底板,底板以下的沟槽用C10硂进行回填;在(0+000~0+015)只进行两岸护坡,底部高程不到221.6cm的进行C10硂进行回填;

  2.控制段(0+020~0+025):采用底坎带圆角的C25钢筋砼宽顶堰,圆角半径为20cm,堰厚40cm,堰顶高程221.80m;

  3.泄槽段(0+025~0+032.3):底部采用30cm厚钢筋砼衬砌,底坡1:4,两岸新建C20护坡,护坡高2m,坡比1:1.

  5.3.4溢洪道水力计算

  1.堰型判断

  本次除险加固工程溢洪道控制段采用底坎带圆角的宽顶堰型式,圆角半径为20cm。堰顶高程221.80m,底宽6m,控制段长5m。

  控制段设计标准采用300年一遇校核,对应泄流量32.5m3/s,对应水位223.14m;30年一遇设计,对应泄流量23.6m3/s,对应水位222.66m。根据宽顶堰的堰型特征:2.5﹤δ/H﹤10,本次设计采用水平长度为5m的宽顶堰,堰高0.2m。

  为宽顶堰

  式中:

  2.泄流能力计算

  依据《溢洪道设计规范》(SL253-2000)附录A.2.3,其中,校核水位224.09m,设计水位223.59m。宽顶堰堰顶高程221.80m。宽顶堰的泄流能力计算:

  (1)流量系数的确定

  依据《溢洪道设计规范》(SL253-2000)附录A.2.3中表A.2.3-2查得本次设计宽顶堰流量系数。

  本次设计采用底坎为带圆角的宽顶堰型方案。经计算:校核工况下流量系数为0.379,设计工况下流量系数为0.372。

  (2)泄流能力的确定

  式中:ε=1,B—底宽,m,H0—计入流速水头的堰上总水头,m。

  经计算:300年一遇(P=0.33%)校核泄流量32.5m3/s,30年一遇(P=3.3%)设计泄流量23.6m3/s。由此可知溢洪道满足泄流关系。

  3.泄槽水面线计算

  溢洪道设计标准采用300年一遇校核泄流量32.5m3/s,30年一遇设计泄流量23.6m3/s。

  泄槽段桩号0+025~0+032.3水面线计算:

  (1)临界水深计算

  计算得:hk校=1.44m,hk设=1.164m。

  (2)控制断面水深

  根据《水力学》教材公式6-24计算临界底坡:

  式中:k、Rk、Ck为渠中水深为临界水深时所对应的湿周、水力半径、谢才系数。

  计算得:ik校=0.00249,ik设=0.00262。

  根据《溢洪道设计规范》(SL253-2000)附录A.3.1.1,缓坡明渠、过渡段、宽顶堰与泄槽上游相接时,泄槽首部是起始计算断面,水深h1取用泄槽首端断面临界水深hk。

  由上述分析确定进口段控制断面采用进口段与泄槽分界断面,控制水深分别为:hk校=1.44m,hk设=1.164m。

  (3)水面线计算

  泄槽水面线计算以恒定非均匀渐变流的能量方程为理论基础,基本方程为:

  ,

  式中:

  经计算末端水深:hc校=0.525m,hc设=0.374m。

  泄槽段新建挡墙综合两岸地形及以上计算结果,该段挡墙高度取2.0m

  5.4输水建筑物维修加固工程

  5.4.1目前状况和存在的主要问题

  输水洞坐落于大坝右岸(桩号0+029),为无压箱涵结构,断面0.3×0.3m(高×宽),进口底高程212.10m,洞身长79m,最大放水量0.1m3/s。进口为平斜管形式,无闸门。

  输水洞目前存在的问题是:爬坡管抹面上的砂浆因为碳化,掉落下来,产生了裂缝导致了漏水,底部基础局部悬空;出口两侧边墙倒塌,灌溉水流冲刷坝脚。

  5.4.2输水洞维修加固工程

  进、出口处理方案

  输水洞的主要设计工程任务是:拆除原爬坡管,新建塔式进水口(包括启闭塔、闸室、工作桥),洞外灌浆,出口新建消力池等。

  (1)进口段

  进口段为竖井进水口,进口底板高程212.10m,竖井顶高程213.10m,进口尺寸为0.8×0.8m(长×宽),为C25钢筋砼结构。

  (2)闸室段

  a.启闭塔

  启闭塔采用C25型钢筋混凝土结构,闸底板顶高212.10m,闸底板厚0.8m,长宽是4.3×3.4m;设检修平台在高程222.10m处;检修平台上方四个角均设C25型钢筋砼柱,断面尺寸为0.4×0.4m。

  b.工作桥

  设计一条全长24m,共3跨、桥板顶高程为224.80m的工作桥。工作桥在校核洪水位时仍能正常使用。工作桥桥台为C25砼重力式桥台,工作桥的桥板桥面板宽1.8m、厚0.30m、采用钢栏杆,结构是C25型钢筋混凝土结构。

  (3)出口段

  出口拆除,新建12m洞身与出口2m*2m稳水池。

  5.4.3输水洞过流能力计算

  输水洞按无压洞运行,下游水位不影响输水洞泄流能力。根据上述条件,输水洞的泄流能力采用闸孔自由出流公式计算。

  计算公式如下:

  式中:;

  经计算,闸孔在下不同开度下保持无压流的过流能力见下表5.4-1。

  不同闸孔开度下水闸过流能力计算表

  表5.4-1

  计算工况 闸孔开度(m) 计算水头(m) 过流能力

  (m3/s) 流量系数 备注

  正常水位 0.005 9.70 0.03 0.600 无压流

   0.01 9.70 0.07 0.600 无压流

   0.015 9.70 0.10 0.600 临界流

  因输水洞洞身保持无压出流时流量不大于0.10m3/s,因此输水洞操作时开启度应小于0.015m。

  5.4.4输水洞结构计算

  1.闸室稳定计算

  根据《水闸设计规范》SL265-2001,水闸计算情况分以下3种工况:设计水位、施工期、校核水位,其中最不利情况为校核水位下或施工期。

  抗滑稳定安全系数Kc:

  式中:

  ——作用在闸室上的全部水平向荷载,kN。

  闸基应力σ:

  式中:

  ΣG——全部垂直荷载,kN;

  经过上述计算,抗滑安全系数、地基应力不均匀系数、地基承载力在各种不同工况下均能满足要求,详见表5.4-2。

  闸室结构计算表

  表5.4-2

  2.工作桥桥台和排架稳定计算

  (1)计算参数

  按照《水工建筑物荷载设计规范》DL5077-1997,工作桥钢筋砼容重为2.5t/m3,抗剪断凝聚力为1.1MPa,抗剪断摩擦系数为1.1。工作桥钢筋砼容重为25kN/m3。工作桥人行荷载为4kN/m2,有利时自重荷载分项系数为1.05,不利时为0.95;行人荷载分项系数为1.2。

  (2)计算工况

  稳定计算采用最不利工况计算,而输水洞桥台和排架在完建期基底荷载最大时的工况是最不利工况,因此要以这个时候的工况作为计算指标,计算见表5.4-3。

  工作桥桥台和排架稳定计算结果

  表5.4-3

  3.通气孔计算

  依据闸门设计规范推荐公式直接计算通气量Qa

  (1)通气量Qa

  (2)通气孔断面面积

  通气孔断面面积

  a>Qa/[Va]

  (3)通气孔内径

   =0.15m

  因此本设计采用直径为15cm的PVC通气管。