水库枢纽除险加固工程学位论文.docx
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水库枢纽除险加固工程学位论文
阆中市万家沟水库枢纽除险加固工程设计
摘要:
万家沟水库是一座以灌溉为主,兼有场镇供水、防洪等综合利用的小
(一)型水利工程。
枢纽在运行过程中存在较严重的安全隐患问题,主要表现为大坝存在坝坡安全系数不满足规范要求、大坝渗漏,溢洪道排洪渠未衬砌,涵卧管衬砌条石断裂漏水等主要病害。
而病险水库的存在会危害到人民的生命和财产安全,因此,为了保证水库的安全和正常运行,万家沟病险水库的加固工作是十分必要的。
万家沟水库枢纽除险加固工程主要包括水文计算、工程任务,枢纽工程整治设计
关键词:
防洪、大坝、溢洪道、放水设施
ReinforcementDesignforLangzhongWanJiaReservoirDam
FanLingXiaAgriculturalWaterconservancyproject,Grade2009
DirectedbyZengYun(lecturer)
Abstract:
inWanjiagoureservoirisamainlyinirrigation,watersupply,comprehensiveutilizationofboththetownfloodlittle(a)waterconservancyengineering.Hubhiddensafetyproblemsisaseriousproblemintheprocessofoperation,mainlyforthedamsafetyfactorofthedamdoesnotmeetthespecificationrequirements,thespillwaydamseepage,drainagenotlining,liningstonefracturewaterleakageandothermajordiseasesofhorizontaltube.Anddangerousreservoirsexistcanbeharmfultopeople'slifeandpropertysafety,therefore,inordertoensurethesafetyandthenormaloperationofthereservoir,reinforcementofdangerousreservoirsinWanjiagouisverynecessary.Wanjiagoureservoirhubreinforcementprojectmainlyincludescalculationofhydrology,engineeringtask,projectdesignandrenovation..
Keywords:
floodcontrol,dam,spillway,drainage
1引言
据调查资料显示,截止2003年年底,全国病险水库共计30413座,水库设计、施工、运行管理中存在的问题,我国的水库工程存在很多险情,部分水库达不到国家规定的防洪标准,,水库在长期的使用下,年久失修,造成水库的防洪性能降低,使得防洪标准偏低,病险水库的存在会危害到人民的生命和财产安全。
国家对于水库的病险问题高度重视,并进行了一系列的决策和部署,截至到2010年底,国家用于水利除病加固的专项规划资金投入达700多亿元,如期完成了7000多座大中型水库的除险加固任务。
虽然水库的除险加固任务取得了一定的成果,但后期任务仍然十分严峻。
今后国家还将加大对水库除险加固工程投入,这就意味着,现在和今后的一段时间里,水库的除险加固工程建设仍然是一项非常重要的任务。
有关部门应该认真总结近年来水库除险加固的做法和经验,加强领导、落实责任、完善机制,强化管理和监督,以保证水库除险加固工程的质量和进度。
因此,病险水库的加固工作是十分必要的。
我国为防洪修建了许多水库,水利工程自开展以来,就存在着病险的危机,对于这种危机意识,我国的相关部门是必须要重视的,随着工程的增加,病险水库的数量也在逐渐增多,这也给除险加固工作带来了一定的困难。
为保证工程的正常运行,就要了解水库险情存在的根源,从根源入手,做好除险加固工作。
在我国,目前大型水利工程管理主要集中在城市,在农村还是中小型水利工程管理与水利建设。
而我国的水利基础设施薄弱、水资源调配能力和供水保障水平低、水资源供需矛盾尖锐,农田水利建设滞后,有些水库建设年代久远,工程老化,以及当时的技术水平有限,目前存在一些安全隐患,许多水库不能满足现代要求。
因此,进一步做好中小型水利工程管理工作十分重要,水利在建设新农村工程中大有用武之地,同时也是新农村建设的基础与先导。
建设新农村,水利要先行。
2综合说明
阆中市万家沟水库位于嘉陵江水系史家河支流上,是一座以灌溉为主,兼有防洪、水产养殖等综合利用的小
(一)型水利工程。
集雨面积1.38平方公里,总库容136.7万方,控灌石龙镇7个村的4860亩农田。
大坝座落在阆中市石龙镇万家沟村,距阆中城区38公里、距石龙镇5公里。
大坝为均质土坝,最大坝高23.3米。
水库于1958年9月动工修建,至1963年坝高13.6米,达到小
(二)型水库规模;1976年扩建,于1978年元月竣工达到现小
(一)型水库规模。
枢纽工程属四等工程,主要建筑物为4级,由大坝、溢洪道和放水设施三大部分组成。
枢纽在运行过程中,大坝存在坝坡安全系数不满足规范要求、大坝渗漏,溢洪道排洪渠未衬砌,涵卧管衬砌条石断裂漏水等主要病害。
2009年6月,经阆中市大坝安全鉴定小组专家鉴定为三类坝。
2.1枢纽工程概况
万家沟水库是一座以灌溉为主,兼有场镇供水、防洪等综合利用的小
(一)型水利工程。
该库位于阆中市石龙镇万家沟村6社,距阆中城区38公里,属嘉陵江水系史家河支流。
水库有集雨面积1.38平方公里,总库容136.7万立方米,其中有效库容102.5万立方米。
现有主渠长度4.3km,控灌石龙镇7个村的灌面4860亩农田。
万家沟水库枢纽工程由大坝,左放水涵洞、右岸库内取水隧洞及溢洪道组成。
2.1.1大坝
万家沟水库大坝于1958年动工,1978年建成。
大坝为粘土均质坝,最大坝高23.3米,坝顶高程424.50米,坝顶宽度为3.0米,坝顶长度182.5米,上游边坡坡度从上至下分别为1:
2.0,1:
2.4,1:
2.8,下游边坡坡度从上至下分别为1:
2.0,1:
2.3。
大坝有排水棱体,顶宽2.0米,底宽10.18米,内坡坡度为1:
1.0,外坡1:
1.0。
2.1.2溢洪道现状
溢洪道布置在大坝右端紧靠山体为河岸开敞式正堰布置,设计下泄流量为15.7m3/s,校核下泄流量为27.7m3/s,宽顶堰溢流,堰顶高程为443.545m,溢流堰进口段净宽4.5m,宽顶堰后接渐变段陡槽宽为4m,实测平均比降为i=0.0596.已建溢洪道0+000-0+138部分左侧为浆砌条石砌体,右侧为自然山岩未衬砌,溢洪道无消力池。
2.1.3放水设施现状
放水设施:
右放水设施采用丝杆式闸阀涵管取水,取水高程427.743m,竖井圆筒为条石砌体,内径为2.5m,外径为3.5m,竖井后接卧管顺坝与基岩交界处穿出坝外与灌溉明渠相接,采用条石砌体,整个涵洞长为86.0m,呈矩形断面,净空断面为60*90cm2,放水流量为0.74m3/s,比降为i=1:
100,涵管出口消力池采用挖深式,浆砌条石砌筑,消力池长为10m,宽1m,深2.1m。
2.2工程存在的主要问题
2.2.1大坝
⑴大坝坝顶高程不够,外坡沉陷变形大,实测坝顶高程为424.5米,经30年一遇设计和300年一遇校核洪水复核,坝顶应加高0.45米,加高后坝顶高程应达到424.950米。
坝顶宽度仅3.0m,不满足规范要求。
⑵大坝为均质土坝,上游边坡坡度从上至下分别为1:
2.0,1:
2.4,1:
2.8,下游边坡坡度从上至下分别为1:
2.0,1:
2.3,经稳定计算上游坝坡不满足抗滑稳定安全要求,需放缓上游坝坡处理。
⑶大坝坝身坝基、坝肩渗漏严重。
⑷大坝左端卧管与涵管交接处条石断裂,涵洞内有部分条石变形开裂,左坝端渗漏水常沿裂缝进入放水涵洞内,经观测,上游水位在415米高程时,涵洞口漏水可达1.15L/s,同时涵洞放水时,库水沿涵洞裂缝渗入坝体,可能对大坝形成冲刷,对大坝安全不利。
⑸大坝外坡未作护砌。
坝坡成型较差,零乱不勘杂草丛生,影响大坝美观。
大坝存在坝坡水土流失,使坝体逐年减小,从而威胁大坝安全。
⑹白蚂蚁危害严重。
2.2.2溢洪道存在的主要问题
溢洪道全长80m,已衬砌长度45m,边墙为浆砌条石衬砌,底板为砼,经复核,溢洪道现状边墙高度不够,其泄洪能力不足,遇见较大洪水时经常溢出边墙,威胁附近的农田;从现场来看,溢洪道未衬砌完善,溢洪道0+050~0+061为陡坡段,下有交叉工程放水渠道通过,未进行整治,也未设置消力池,下段泄水渠冲刷严重;溢洪道上有进库村道交通要求,未设置通行桥,汛期时无法通行。
2.2.3放水设施存在的主要问题
目前卧管大部分砂浆脱落严重,局部存在开裂渗水现象,且卧管表面为斜面,操作不便,存在安全隐患。
根据现场察看,卧管中下部长期渗漏,下部坝体土局部沉陷坍塌,原施工质量较差,部分条石不符合规格,浆砌时接缝未处理好。
2.2.4基础设施
万家沟水库大坝观测设施和防洪通讯等设施不齐,致使工程观测和防洪工程不能正常开展,目前水库无水位观测项目,无变形观测仪器,无雨量观测设施,无渗漏观测设备,无水面安全监测船只,无防汛抢险车辆,无通讯设备;车辆无法进入大坝及溢洪道防洪抢险,建库时修建的几间土木结构简易管理房,现木质腐朽,经有关部门鉴定为危房;管理人员长期从水库里挑水饮用,生活艰辛。
由于这些基础设施存在的问题,严重影响了水库防洪及管理工作的正常开展。
2.3枢纽工程整治的必要性
(1)万家沟水库大坝于1958年动工,1978年建成,已运行31年,病害较多,尤其大坝病害严重,经坝体渗流及稳定分析,部分工况稳定安全系数小于规范要求。
经专家安全鉴定,大坝为三类坝,必须尽快进行全面整治,以确保大坝安全。
在未整治之前,严格按限蓄水位控制运行。
(2)水库下游地势平坦、开阔,场镇、人口、耕地等集中,大坝一旦发生溃坝,将对下游造成严重危害和重大损失。
综上所述,万家沟水库运行年久,病害较多,大坝一旦溃堤将对下游造成严重的危害及重大经济损失,必须尽快进行全面整治。
3水文
3.1流域概况
3.1.1自然地理概况
万家沟水库位于阆中市东南部,嘉陵江左岸支流史家河的上游。
地处石龙镇万家沟村六社。
水库枢纽控制集水面积1.38km2,主河道长1.152km,主河道平均比降为28.9‰。
阆中市水系及中小型水库分布示
万家沟水库处浅丘地带,地层岩性主要为砂岩与砂质粘土岩互层(砂岩为主)。
一般砂岩形成陡岩,粘土岩形成缓坡。
河谷呈“U”形谷,山顶常呈馒头山。
该区地貌单元属构造剥蚀堆积、侵蚀堆积两种类型。
3.1.2气象特征
本区属亚热带气候,温暖潮湿,气象特征为“冬春干,夏伏旱,秋多雨”。
多年平均气温17.1℃,干旱指数为0.84,最高气温39℃,最低气温4.1℃。
据邻近的阆中市气象站统计,阆中多年平均降雨量996.5mm,降雨年际变差系数界于0.2~0.25,据水文资料记载,最大年降水量为1420.7mm,年降水量最小的为622.2mm,降雨年内分配不均,总特点是:
春旱少雨,占年降水量22.2%;夏热多雨旱涝交递,降水占年的42.2%;秋短天凉降温迅速,常有秋淋发生,降水占年的32%;冬暖干燥,降水占年的3.6%。
降雨时空分布差异较大,市境东北部低山区多年平均降水量1180mm,南部丘陵区多年平均降雨量1000mm,阆中多年平均水面蒸发量为859mm,多年平均陆面蒸发量为670mm,多年平均相对湿度75%,绝对湿度为15.9毫巴,其中以九月湿度最大,降水194.3mm,大于水面蒸发117.1mm,3月份降水量低,由于气温开始回升,蒸发量增大,超出降水一倍以上,相对湿度69%,为全年最低时段。
阆中市平均日照数1413.4小时,无霜期291~274天,平均风速1.16m/s,最大风速15m/s,流域径流主要由降雨形成,属贫水区地带,其年径流和年降雨量的时空分布基本相应,由于受降雨时空分布规律的影响,其径流的年内分配很不均匀,5~9月的径流占全年的80%左右,多年平均年径流深300mm。
3.2基本资料的收集和复核
本次收集到的基本资料包括水库“三查三定”资料、库区万分之一航测图及水库工程特性资料等。
(1)万家沟水库流域特征值复核
万家沟水库流域特征值“三查三定”值与本次采用万分之一航测图复核成果见表3.1。
表3.1万家沟水库流域特征值复核成果表
集水面积(km2)
河长(km)
比降(‰)
备注
1.38
1.152
28.9
“三查三定”成果
1.38
1.16
28.7
本次复核
从上表可以看处,两次复核成果基本相同,考虑的资料的一致性,本次采用“三查三定”成果,即万家沟水库集水面积1.152km2,河长1.152km,比降28.9‰。
(2)水库水位~库容曲线
水位~库容曲线采用“三查三定”实测库容曲线,见表3.2
表3.2万家沟水库水位~库容曲线表
水位(m)
406.3
407.3
408.3
409.3
410.3
411.3
412.3
413.3
414.3
415.3
409.3
库容(万m3/s)
0.3
1.0
2.1
4.0
6.6
9.8
13.8
18.5
24.0
30.2
4.0
水位(m)
416.3
417.3
418.3
419.3
420.3
421.3
422.3
423.3
424.3
425.3
419.3
库容(万m3/s)
37.4
46.0
55.9
66.9
79.5
94.1
110.6
128.8
148.9
169.2
66.9
3.3设计洪水
3.3.1工程等级及设计标准
万家沟水库总库容(复核后)136.7万m3,按照《防洪标准》(GB50201-94)及《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000),万家沟水库为小
(1)型水库,大坝为均质土坝,枢纽工程等级为Ⅳ等,主要建筑物级别为4级,次要建筑物级别为5级。
由此确定本工程防洪标准为:
设计洪水标准采用30年一遇(p=3.33﹪);校核洪水标准采用300年一遇(p=0.33﹪);消能防冲标准采用20年一遇(p=5.0﹪)。
3.3.2设计洪水推求
由于该水库邻近地区无小河水文站实测水文资料,水库为小
(1)型水库,故采用暴雨推求设计洪水,但因为水库及附近均无可用的长期暴雨观测资料,无法由实测暴暴雨推求设计洪水,故直接采用《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》(以下简称《手册》)推求设计洪水。
按《手册》“暴雨等值线图”查值,经综合分析确定暴雨统计参数如表3.3。
表3.3万家沟水库暴雨统计参数表
时段
均值
CV
CS=3.5CV
设计暴雨P(%)(mm)
0.33
3.3
5
1/6小时
16.0
0.36
1.260
39.0
29.1
27.0
1小时
40.0
0.41
1.435
108.8
78.4
72.0
6小时
85.0
0.48
1.680
265.2
182.8
165.8
24小时
115.0
0.50
1.750
373.1
250.6
228.7
3.3.3设计洪水计算
(1)设计洪峰流量
采用《手册》中推荐的推理公式Q=0.278ψ
F推求设计洪峰流量。
推理公式中有关参数确定如下。
①流域特征值参数
采用核实的集水面积F=1.38km2、流域长度L=1.152km、流域平均比降J=28.9‰。
②汇流参数m值
本流域地处盆地丘陵区,暴雨历时较短,强度集中,开垦度较大,洪峰涨落较快。
依据《手册》,流域特征系数θ=
,当θ=1~30,m=0.40θ0.204,当θ=30~300,m=0.092θ0.636。
经计算,θ=3.464,m=0.515373。
3产流参数μ值
本流域相对高差较小,地势较平缓,属于盆地丘陵区,依据《手册》:
u=4.8F-0.19,CV=0.18,Cs=3.5CV。
④暴雨参数S、n
暴雨衰减指数n分历时确定:
t=6~24h,
t=1~6h,
t=1/6~1h,
Sp=Hp24.24n-1
⑤单位汇流时间τ0
计算公式:
τ0=[0.383/(ms0.25/θ)]4/(4-n)
⑥校核m′
m′=0.278L/(τJ0.333Q0.25)
经计算m′值与原m值较为接近,说明参数取值正确,计算过程无误,成果可以采用,具体计算见表3.4。
表3.4万家沟水库各频率设计洪峰流量计算表
P(%)
H24
n
sp
τ0
μ
ψ
τ
QP
m′
0.33
373.1
0.43009
108.7
0.7752
7.2640
0.9397
0.78887
43.4
0.51537
3.33
250.6
0.44995
77.6
0.8515
6.1916
0.9250
0.87037
29.3
0.51537
5.00
228.7
0.45479
71.9
0.8698
5.9809
0.9211
0.89020
26.8
0.51537
(2)设计洪水总量及设计洪水过程线
设计洪水总量由设计暴雨按《手册》综合分区的暴雨径流关系计算。
根据本流域面积较小、洪水陡涨陡落等特点,洪水过程按单峰考虑。
洪水总量计算公式为:
式中:
—洪水总量的暴雨历时(h)(单峰洪水);
—设计洪水总量(万m3);
—历时为
的设计暴雨(mm);
—设计流域面积(km2);
—径流系数;
—径流深(mm)。
经计算,各频率设计洪水总量见表3-5。
万家沟水库坝址以上流域基流采用《手册》综合分区成果中的嘉陵江区计算公式计算,即:
Q0=0.014F0.984,经计算,Q0=0.0192m3/s。
设计洪水过程线采用典型洪水放大推求,其中典型洪水采用我省东部地区洪水过程线模型(3),再加上洪水基流(0.0192m3/s),设计洪水过程线见表3.6及附图3.3。
表3.5万家沟水库设计洪水成果表
项目
P=0.33%
P=3.33%
P=5.0%
设计洪峰流量(m3/s)
43.4
29.3
26.8
设计洪水总量(万m3)
39.6
25.9
23.4
表3.6万家沟水库设计洪水过程线表
p=0.33%,QP=43.4m3/s
p=3.33%,QP=29.3m3/s
p=5.0%,QP=26.8m3/s
t
Q
t
Q
t
Q
0.000
0.0192
0.000
0.0192
0.000
0.0192
0.050
2.19
0.048
1.48
0.048
1.36
0.100
4.36
0.097
2.95
0.096
2.70
0.150
8.70
0.145
5.88
0.143
5.37
0.225
17.4
0.218
11.7
0.215
10.7
0.325
26.1
0.315
17.6
0.311
16.1
0.450
34.7
0.436
23.5
0.430
21.4
0.601
41.3
0.582
27.9
0.574
25.5
0.751
43.4
0.727
29.3
0.717
26.8
1.051
41.3
1.018
27.9
1.004
25.5
1.351
34.7
1.309
23.5
1.291
21.4
1.827
26.1
1.770
17.6
1.745
16.1
2.578
17.4
2.497
11.7
2.462
10.7
3.729
8.70
3.612
5.88
3.562
5.37
5.256
4.36
5.091
2.95
5.020
2.70
6.957
2.19
6.740
1.48
6.646
1.36
11.512
0.0192
11.153
0.0192
10.997
0.0192
3.3.4设计洪水成果合理性分析
为分析本次设计洪水计算成果的合理性,将万家沟水库设计洪水计算成果同本区域其它水库设计洪水成果列表进行比较,详见表2.7。
表3.7万家沟水库设计洪水合理性分析表
水库名称
集水面积
设计洪峰流量(m3/s)
设计洪峰模数(m3/s/km2)
备注
P=0.33%
P=3.33%
P=0.33%
P=3.33%
上游水库
2.92
66.4
43.3
22.7
14.8
本次计算
洪山水库
15.1
200
123
13.2
8.1
本次计算
万家沟水库
1.38
43.4
29.3
31.4
21.2
本次计算
育皇水库
1.35
48.6
33.1
36.0
24.5
本次计算
由表2-7中所列成果可知,万家沟水库本次各频率洪峰模数同本地区其它水库设计所计算设计洪水洪峰模数比较,在本区域,各频率洪峰模数有随面积增大而减小的趋势,万家沟水库设计洪水符合这个变化规律。
所以,本次万家沟水库设计洪水成果没有明显不合理的地方。
3.3.5分期洪水
万家沟水库流域内无实测流量资料,无法直接进行分期洪水计算。
本流域洪水主要由暴雨形成,因受季风的影响,洪水具有明显的季节性变化规律,年最大暴雨一般都出现在5~10月,尤以7、8月集中,4月和11月也有较大暴雨发生,12~次年3月暴雨发生的量级很小,流量也仅有很小的起伏,属枯水期。
水库附近有水匣子水文站,根据该站历年逐月最大流量,结合水库施工要求,将主汛期5~10月划为一个分期时段,其余按月份分期。
分期洪水计算依据水匣子实测流量资料,各分期时段采用最大值独立取样法,从1958~1998年实测各月最大流量系列中,分别统计出各分期时段最大流量系列,进行频率分析计算,用数学期望公式计算系列各项的经验频率,用矩法计算统计参数的初始值,选用P-Ⅲ型理论频率曲线适线,推求各分期时段的统计参数及各频率洪峰流量。
推求水库分期洪水时,主汛期直接采用推理公式计算成果,其它分期以水匣子水文站分期洪水成果为依据,按流域面积比的n次方换算至水库。
面积比指数n值确定:
枯水期(12~次年3月)取1,过渡期(4、11月)取0.8。
计算成果见下表。
表3.8万家沟水库分期洪水成果表
时段
设计值Qp(m3/s)
p=5%
p=10%
p=20%
1月
0.01
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