学士学位论文顺昌县下湖垅水库除险加固工程初步设计报告.docx

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学士学位论文顺昌县下湖垅水库除险加固工程初步设计报告

下湖垅水库工程特性表

序号及名称

单位

原设计

本次加固设计

备注

一、水文

1．集雨面积

km2

0.72

0.72

2．多年平均年降雨量

mm

1756

1756

3．设计洪水标准

%

5

5

4．校核洪水标准

%

0.5

0.5

5．设计洪水流量（P＝5.0%）

m3/s

/

11.86

6．校核洪水流量（P＝0.5%）

m3/s

/

15.98

二、水库

校核洪水位

m

/

161.645

设计洪水位

m

/

161.39

正常蓄水位

m

160.31

160.31

死水位

m

154.30

154.30

总库容（校核洪水位以下库容）

万m3

11.00

11.46

调洪库容

万m3

/

4.23

兴利库容

万m3

/

6.53

死库容（死水位以下）

万m3

/

0.7

设计灌溉面积

亩

/

/

三、工程效益

供水人口

万人

/

3.8

灌溉面积

亩

/

/

四、主要建筑物及设备

1．大坝

坝型

均质土坝

均质土坝

坝顶高程

m

162.0

162.5

最大坝高

m

15.5

16

坝顶长度

m

55.0

55.0

坝顶宽度

m

4.0

4.0

2．溢洪道

型式

宽顶堰

宽顶堰

堰顶高程

m

160.31

160.31

设计泄洪流量

m3/s

/

7.66

校核泄洪流量

m3/s

/

11.4

闸门型式

无

无

3．输水涵管

设计流量

m3/s

0.75

0.75

进口底高程

m

154.3

154.3

断面尺寸

mm

Φ200

Φ600

1综合说明

1.1工程概况

下湖垅水库位于福建省顺昌县洋口镇解建村上游,所在河流为富屯溪流域的一条小支流洋口溪上。

下湖垅水库坝址以上的集雨面积为0.72km2，属小流域，主河道长0.42km，河道平均坡降为102%。

水库总库容11.46万m3（其中兴利库容6.53万m3，死库容0.7万m3），是一座以供水为主的小

（2）型水库。

下湖垅水库工程属五等工程，大坝等主要永久性建筑物级别为5级。

水库枢纽工程主要包括大坝、溢洪道、输水涵管等建筑物。

大坝为均质土坝，坝顶高程162.5m，最大坝高16.0m，坝顶长55m，坝顶宽度4.0m。

大坝迎水坡为土坡，坡比为1：

2.15；背水坡为土坡，坡比为1：

2.15，在高程152.2m处设1.0m宽的马道。

溢洪道在大坝的右岸，为无闸控制的宽顶堰，边墙及底坡均为土坡，堰顶高程为160.31m，堰顶净宽1.0m，最大泄量为6.64m3/s。

平坡段长80.4m，后接陡坡段。

输水涵管为Φ200混凝土管，进口底高程154.3m，设计最大输水量为0.75m3/s。

放水设备原先是斜拉闸门，由于山体滑坡，斜拉闸门损坏，现已废弃。

水库下游涉及保护村庄，为当地农业生产和保证人民饮水安全发挥了重要的作用。

因此，水库大坝的安全运行至关重要。

1.2水文

1.2.1水文气象

顺昌属于中亚热带海洋性季风气候，同时又受大陆性气候的一定影响。

气候温和，雨量充沛。

年平均气温18.5摄氏度，无霜期305天，雨日164天，雨量1756mm，日照1740.7小时，冬多西北风，夏多东南风。

四季明显，冬短夏长，春早秋晚；夏无酷暑，冬无严寒，秋多“小阳春”，春常“倒春寒”；雨季干季分明，雨季多洪涝，干季常干旱；少霜雪，罕冰雹，湿润多云日照少，露雾常有静风多。

境内受季风性环流影响明显，随冬夏环流转换和太阳照射的变化，带来四季不同的气候特征。

冬季（12～2月）：

气温低，蒙古冷高压势力强盛，县境处在冷高压的东南部，盛行西北风，天气寒冷干燥，雨水少，一年中的霜雪集中在此季出现。

1.2.2洪水复核标准

本次复核依据《防洪标准》（GB50201-2014）和《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）的规定对水库的工程等级进行判别，下湖垅水库大坝为均质土坝，水库总库容11.46万m3，最大坝高16.0m，水库工程等级为Ⅴ等，工程规模为小

（2）型。

大坝等主要永久性建筑物级别为5级建筑物。

防洪标准为30～20年一遇设计，300－200年一遇校核。

水库原设计标准为20年一遇设计，200年一遇校核，满足规范要求。

本次洪水复核的设计标准仍采用20年一遇设计，200年一遇校核。

1.2.3设计洪水复核

本流域内无水文测站，且没有历史洪水调查资料，仅能由暴雨资料推求设计洪水。

由于项目区流域面积较小，且无实测流量资料，故本次设计洪水复核计算采用暴雨资料推求洪水的推理公式法和华东地区特小流域法，并对两种计算方法的结果进行分析比较。

表1-1设计洪峰流量成果表　　　　　　　　m3/s

设计频率

0.50%

5%

10%

推理公式法

10.7

8.4

7.62

华东地区特小流域法

15.98

11.86

10.51

用以上两种方法计算，华东特小流域法适用于F＜30km2，尤其是适用于F＜10km2的流域，本流域面积仅0.72km2，且从偏安全的角度考虑，因此采用华东特小流域法较为合理。

故本次洪水复核成果采用华东特小流域法计算的成果：

200年一遇校核洪峰流量15.98m3/s，20年一遇设计洪峰流量为11.86m3/s，10年一遇洪峰流量为10.51m3/s。

1.2.4调洪演算

本次调洪计算根据大垅水库入库设计频率洪水过程线、水位－库容关系曲线、水位－泄量关系曲线，采用《调洪演算双辅助线法程序》进行调洪演算，过程由电算进行。

调洪结果见表1-2。

表1-2各种频率情况下的调洪成果

项目

P=0.5％

p=5%

p=10%

防洪水位（m）

161.645

161.390

161.307

最大下泄流量（m3/s）

11.4

7.66

6.64

从上表中可知，当水库起调水位为160.31m时：

水库200年一遇的校核洪水位为161.645m，最大下泄流量11.4m3/s；20年的一遇的设计水位为161.390m，最大下泄流量7.66m3/s。

水库10年一遇洪水位为161.307m，最大下泄流量为6.64m3/s。

1.3地质

1.3.1库区地质概况

勘察场地内地层简单，主要由第四系地层及中新元古代片岩组成，第四系地层不整合覆盖于片岩上。

第四系地层主要为填土层及片岩残坡积层，局部道路开挖强风化岩直接出露，基岩主要为各种不同风化程度的片岩。

区内未发现有明显的新构造运动的迹象，历史上无大的地震活动的记录，区域构造相对稳定。

根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）福建省区划图及行标《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97），本区内抗震设防烈度为小于6度，设计基本地震加速度值等小于于0.05g，设计地震分组为第一组，特征周期为小于0.35s。

近坝无活动断层，但场地为水库大坝属于抗震不利地段。

1.3.2地形地貌

下湖垅水库位于顺昌县洋口镇解建村，坝址在闽江流域洋口镇洋口溪上游，是一座以灌溉、供水为主的小

（2）型水库。

场地属中低山地貌，库周山势雄厚，植被茂密，表层为残坡积粘性土覆盖，水库库区及其周边大部分库岸山坡较平缓，标高为140-165m，相对高差约25m，库岸坡局部岩石裸露。

场地属低丘地貌单元。

1.3.3坝体及坝基地层岩性

根据野外钻探取芯肉眼鉴别，结合现场原位测试和室内土工试验成果综合分析，坝体、坝基的岩土层具体特征描述如下：

坝体：

①素填土（Q4ml）：

红褐色、黄褐色、浅灰色，稍湿-湿，稍密-中密，局部达到密实状态，以可塑-硬塑状态的粘性土及砂砾石为主，粉粘粒含量为40.72-49.55%，砂含量为32.32-38.99%，砾石含量为11.47-25.98%，建坝堆填时经人工压实，堆填时间约30年。

本层分布于整个坝体，钻孔揭露厚度11.40-16.10m。

标准贯入试验实测击数为2.0-5.0击，经杆长修正后击数为1.60-4.20击。

坝基：

②1砂土状强风化片岩（pt2-3xsch）：

黄褐色、灰褐色，片理结构，散体状构造，主要矿物成份以石英、长石为主，原岩矿物大部分风化，岩芯呈砂土状，遇水易散。

属软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

本层仅在ZK1钻孔揭露，揭露厚度为3.00m。

标准贯入试验实测击数为51.00击，经杆长修正后击数为39.70击。

②2碎块状强风化片岩（pt2-3xsch）：

黄褐色、灰褐色，片理结构，碎裂状构造，主要矿物成份以石英、长石为主，原岩矿物大部分风化，岩芯以碎块状为主，少量呈短柱状，节理、风化裂隙很发育，锤击声哑，无回弹，有凹痕，易击碎。

岩石点荷载强度指数IS（50）为0.203-0.278，相应的单轴抗压强度为6.89-8.73MPa，属软岩，岩体的完整程度为破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

本层分布于整个场地，揭露厚度为2.60-7.90m。

③中风化片岩（pt2-3xsch）：

青灰色，片理结构，薄层状构造，主要矿物成份以石英、长石为主，局部少量石英岩脉伴生，岩芯呈碎块状、柱状,RQD为25-43。

岩石的饱和单轴抗压强度值为45.15-57.06MPa，岩石属硬质岩，岩体的完整程度为较破碎-较完整，岩体基本质量等级为Ⅳ级。

本层分布于整个场地，未揭穿，揭露厚度为5.10-5.20m。

1.3.4工程地质条件评价

（1）坝体质量评价

坝体填土主要由片岩坡残积粉质黏土和少量防渗性能较差的碎砾石组成，土质尚均匀，多呈可塑-硬塑，根据室内土工试验：

粉粘粒含量为40.72-49.55%，砂含量为32.32-38.99%，砾石含量为11.47-25.98%，压缩系数为0.27-0.48（1/MPa），属于中等压缩性土，根据室内击实试验成果填土的最大干容重平均值为1.70g/cm3，小于规范要求。

（2）坝体渗透稳定分析

坝体①素填土：

Pc=45.0%≥35%，经判别为流土型渗透变形。

临界水力比降Jcr=（Gs-1）×（1-n）=（2.71-1）（1-0.439）=0.788

综合考虑工程条件与地质条件，安全系数采用2.0，故容许水力比降J允许=Jcr/2.0=0.394

（3）坝基岩体评价

建坝时，大坝的建基面选择是碎块状强风化片岩岩体，清除了表层的残坡积土；根据钻孔资料，现大坝坝基岩体为碎块状强风化片岩，厚度为2.60-7.90m，岩体破碎，呈碎裂结构，结构面很发育，且多张开，夹有泥质碎屑，岩块间嵌合力弱，岩体工程地质分类为BⅣ2；坝基承载力满足要求。

1.4工程任务和规模

下湖垅水库本次除险加固设计任务是针对下湖垅水库存在的诸多问题和隐患，提出可行的加固改造工程措施，消除隐患，使水库工程，安全运行，充分发挥水库的各项效益。

根据水库存在的问题，本次除险加固的主要任务如下：

（1）大坝防渗加固；采用死水位以下高压旋喷灌浆形成防渗墙防渗，死水位以上采用复合土工膜防渗。

（2）对大坝上下游坡面进行修整，铲除杂草和小灌木，并对平整后的上下游坡面进行砼预制块护砌美化。

并在下游坝体与山体交接处设排水沟；

（3）坝顶平整回填到设计高程，并在上游面设C20钢筋砼防浪墙，对坝顶进行砼路面硬化；

（4）改造进水口和进水口闸门，重新布设输水管道，更换输水管道启闭设备，重建启闭房；

（5）配套建设大坝安全监测相关的变形、渗流、渗漏量观测设施，新建管理房；

（6）放水后对水库进行清淤处理。

1.5工程总布置及主要建筑物

由于此次除险加固工程主要是对原有设施进行加固或翻新，不涉及对整体工程结构进行重大调整，因而水库工程等级仍为V等工程，大坝等主要永久性建筑物级别为5级。

1.5.1大坝加固

1.5.1.1大坝防渗加固

本次高喷防渗墙设计为死水位以下坝体断面灌浆，采用单管高压旋喷套接构筑垂直防渗墙。

本方案考虑在上游坝坡高程154.3m处布设一排单管高压旋喷桩，旋喷桩径为0.6m，桩距为0.5m,孔斜率≤0.5%，旋喷桩之间的搭接≥0.1m，钻孔深入建基面以下1.0m，单管高喷灌浆总进尺1180m。

高程154.3m以上铺设复合土工膜进行防渗，规格为两布一膜300g/0.5mm/300g。

根据《福建省小型水库除险加固工程初步设计报告编制导则》要求，坝基允许渗漏，但不允许破坏性渗漏，基础为强风化片与岩，且在坝底，渗径长达73m，不会造成破坏性渗漏，因此，不处理基础渗漏问题。

1.5.1.2迎水坡护坡设计

迎水坡进行除草平整夯实，修坡至坡比为1:

2.15；高程154.3m以上铺设复合土工膜进行防渗，规格为两布一膜300g/0.5mm/300g;迎水坡从下至上分别铺设20cm厚砂砾石垫层和边长为25cm厚12cm的六边形C15混凝土预制块。

另外，在高程154.3m及坝脚处增设横向防滑槽，并沿上游坝坡增设两道纵向防滑槽，防滑槽采用C20砼浇筑，宽0.3m，高0.3m。

1.5.1.2背水坡护坡设计

背水坡进行清除杂草和平整夯实，修整夯实边坡，在高程152.2m马道以上按处理后从下至上分别铺设20cm厚砂砾石层和边长为25cm厚12cm的六边形C15混凝土预制块，并对混凝土预制块采用M10砂浆勾缝,预制块预设排水孔。

在高程152.2m马道以下设置排水反滤层，底层布设反滤土工布，土工布上层铺设30cm后砂砾石层排水盲道，再在砂砾石层上铺设C15混凝土预制块。

在坝后背水坡增设0.3宽、0.3m高的C15混凝土坝边排水沟。

增设坝后1.0m宽下坝台阶，采用C20砼硬化处理，下设15cm厚砂砾石垫层。

1.5.1.3坝顶结构

对被挖除的坝坡采用粘土回填修复，迎水坡侧新建C20埋石砼L型防浪墙，墙顶高程为163.0m，顶宽0.3m，底宽1.3m，高1.0m，其中基础埋深0.5m。

平整加高坝顶至高程162.15m，顶宽4.0m，坝顶采用厚20cm的C25混凝土硬化处理，下设15cm厚5%水泥稳定层，硬化后坝顶高程为162.5m。

1.5.2溢洪道加固

本次加固对溢洪道清除杂草、清淤，底板及边墙采用0.15m厚C20砼支护，下设0.15m砂砾石垫层。

1.5.3放水涵管加固

开挖坝体到死水位高程，重新铺设钢管。

放空水库的，使库水位下降至死水位，然后自坝顶开挖，采取自上而下的开挖方式对坝体进行开挖，按1：

0.5的开挖边坡进行开挖，在158.25m高程设一宽度为2.0m的开挖马道，开挖好的断面，底高程为154.0，底宽为1.8m。

在开挖好的断面内布设Φ600mm的钢管，并对钢管进行C20砼进行外包，外包砼断面为1.2×1.2m，管道铺设后对坝体进行分层回填夯实。

重建进水口，在进水口新建一进水箱，同时更换启闭机、斜拉闸门、拉杆、通气管等启闭设备；新建C20砼拉杆支墩，C15砼踏步;将现有启闭机更换为1台5t手电两用螺杆启闭机，并配置13.5m长的Ф50拉杆；增设放水涵管通气孔，采用DN150镀锌钢管（壁厚δ=5.50mm）。

1.5.5水工建筑物观测设施

由于坝脚后农田，无位置布置量水堰，故本次加固不修建量水堰。

此次除险加固拟增设水平及竖直位移观测设施。

1.5.6白蚁防治

白蚁防治项目费用按2.5万元计列。

1.6工程施工

下湖垅水库位于顺昌县洋口镇，坝址在顺昌县洋口镇解建村上游，距镇政府所在地1.3km，有乡村公路至坝下游约600m，上坝路直通坝头，但路面宽度较小，且坑坑洼洼。

供水、建材来源、数量及质量均有保证。

工程施工时成立工程指挥部，选择有资质、有经验的施工队伍进行施工。

在施工过程中工程指挥部对工程的质量、资金、进度进行全面的控制，并做好协调工作，确保工程按期保质完成。

工程施工总工期为4个月。

1.7工程概算

本工程依据福建省水利厅闽水[2011]计财98号文颁发的《福建省水利水电工程设计概（估）算编制办法》进行编制。

主要材料价格按《南平市工程造价》2015年第03月相应的材料信息价。

初步设计工程总投资为167.02万元，其中建筑工程108.51万元，金属结构设备及安装工程9.95万元，临建工程16.63万元，独立费用22.07万元，基本预备费7.86万元，水保专项费用1万元，环保专项费用1万元。

工程建设资金通过申请水库除除险加固专项资金外和业主顺昌县洋口镇地方政府自筹的方式进行筹集。

2水文

2.1流域概况

下湖垅水库位于福建省顺昌县洋口镇解建村上游,所在河流为富屯溪流域的一条小支流洋口溪上。

下湖垅水库坝址以上的集雨面积为0.72km2，属小流域，主河道长0.42km，河道平均坡降为102%。

2.2水文气象

顺昌属于中亚热带海洋性季风气候，同时又受大陆性气候的一定影响。

气候温和，雨量充沛。

年平均气温18.5摄氏度，无霜期305天，雨日164天，雨量1756mm，日照1740.7小时，冬多西北风，夏多东南风。

四季明显，冬短夏长，春早秋晚；夏无酷暑，冬无严寒，秋多“小阳春”，春常“倒春寒”；雨季干季分明，雨季多洪涝，干季常干旱；少霜雪，罕冰雹，湿润多云日照少，露雾常有静风多。

境内受季风性环流影响明显，随冬夏环流转换和太阳照射的变化，带来四季不同的气候特征。

冬季（12-2月）：

气温低，蒙古冷高压势力强盛，县境处在冷高压的东南部，盛行西北风，天气寒冷干燥，雨水少，一年中的霜雪集中在此季出现。

春季（3－5月）：

是冬季风转夏季风的转换季节，气温趋向回升。

蒙古冷高压逐渐转弱，太平洋高压逐渐增强，冷暖气流交换频繁，天气多变，冷暖无常，前春常常阴雨连绵，有时出现晚霜，后春有时暴雨成灾。

夏季（6-8月）时间长，气温高。

太平洋高压进一步北上西伸，顺昌多吹东南风。

热带低压又常北上影响，天气炎热潮湿。

初夏是雨季高峰期，常发生暴雨洪涝，夏至前后雨季结束，转为炎热少雨天气，有时午后发生阵雨、大风或雷暴。

秋季（9-11月）：

乃夏季风向冬季风转换季节，气温趋于下降。

大陆热低压和太平洋高压减弱南退，蒙古高压复又增强南侵，天气少雨凉爽。

后秋蒙古高压增强，气温显著下降，可出现初霜。

2.3工程等级与设计标准

本次复核依据《防洪标准》（GB50201-2014）和《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）的规定对水库的工程等级进行判别，下湖垅水库大坝为均质土坝，水库总库容11.46万m3，最大坝高16m，水库工程等级为V等，所以大坝等主要枢纽建筑物级别为5，次要建筑物级别为5，临时水工建筑物级别为5。

由于湖垅水库是位于山区的均质土坝，所以防洪标准为：

设计工况30～20年一遇；校核工况300～200年一遇。

下湖垅水库原设计标准按20年一遇设计、200年一遇校核满足设计规范要求。

本次复核设计洪水标准采用20年一遇，校核洪水标准采用200年一遇。

2.4设计洪水复核

2.4.1设计暴雨

下湖垅水库的集雨面积为0.72km2，属小流域，主河道长0.42km，河道平均坡降为102%。

水库自建成蓄水运行以来，缺乏入库洪水观测资料，无法进行入库洪水还原计算，故本次防洪标准复核无法采用此途径推求设计洪水。

本流域内无水文测站，且没有历史洪水调查资料，仅能由暴雨资料推求设计洪水。

由于项目区流域面积较小，且无实测流量资料，故本次设计洪水复核计算采用暴雨资料推求洪水的推理公式法和华东地区特小流域法，并对两种计算方法的结果进行分析比较。

查算2002年的“福建省暴雨等值线图”成果，并参考邻近的雨量站的成果，确定项目区流域暴雨统计参数见下表2-1：

表2-1坝址暴雨统计参数值

时段

参数

1小时

6小时

24小时

均值H（mm）

37

66

110

CV

0.33

0.35

0.4

CS/CV

3.5

3.5

3.5

表2-2设计暴雨成果表

设计频率

设计暴雨量（mm）

1h

3h

6h

24h

P=0.5%

81.2

118

151

278

P=5%

60.1

87.1

110

195

P=10%

53.3

76.9

96.9

168

2.4.2设计洪峰流量计算

分别采用推理公式法和华东地区特小流域法推求本流域的设计洪峰流量，然后进行比较分析，选择适合本工程的参数进行防洪标准的复合。

（1）推理公式法

采用推理公式法推求设计洪峰流量，公式如下：

式中：

Qm--设计洪峰流量（m3/s）；

ht--t历时内最大降雨量（mm）；

τ--流域汇流时间，h；

m--经验性的汇流参数，m=0.044θ0.725，θ=L/（

）；

L--沿主河道从出口断面至分水岭最长距离，km；

J--沿流程L的平均比降；

F--流域面积,km2。

（2）华东地区特小流域法

采用华东地区特小流域暴雨推求设计洪水方法推求设计洪水，根据设计暴雨成果和流域特征值资料，按照蓄满产流和推理公式法推求设计洪水，汇流计算公式如下：

当tc

时，局部汇流情况下：

当tc

时，局部汇流情况下：

式中：

Qm--地表洪峰流量（m3/s）；

F--流域面积（km2）；

Fc--局部汇流面积（km2）

τ--流域汇流历时（hr）；

tc--净雨历时流历时（hr）；

hr--汇流历时内的最大地表净雨量（mm）；

hR--产流历时内的地表净雨量（mm）。

本工程坝址以上控制流域面积0.72km2，小于10km2，属特小流域。

按照华东地区特小流域设计洪水的计算方法和要求，结合流域的实际情况，洪水分区定为Ⅱ-2类区，取洪水参数m＝0.395×θ0.104。

由推理公式法及华东地区特小流域法计算不同重现期的设计洪水，计算成果详见下表2-3：

表2-3设计洪峰流量成果表单位：

m3/s

设计频率

0.50%

5%

10%

推理公式法

10.7

8.4

7.62

华东地区特小流域法

15.98

11.86

10.51

用以上两种方法计算，华东特小流域法适用于F＜30km2，尤其是适用于F＜10km2的流域，本流域面积仅0.72km2，且从偏安全的角度考虑，因此采用华东特小流域法较为合理。

故本次洪水复核成果采用华东特小流域法计算的成果：

200年一遇校核洪峰流量15.98m3/s，20年一遇设计洪峰流量为11.86m3/s，10年一遇洪峰流量为10.51m3/s。

2.4.3洪水过程线推求

（1）洪水总量计算

由于下湖垅水库缺乏历年次暴雨洪量的实测资料，本次复核依据《福建省产汇流计算方法》，以24小时设计暴雨不扣损失计算洪水总量。

计算成果见下表。

洪水总量计算公式：

式中：

W24,P--次设计24小时的洪水总量，万m3

h24,P--设计24小时雨量，mm；

μ--地区稳定下渗率，mm/h，取μ=0；

F--集雨面积，km2。

表2-4设计频率洪水总量成果表

频率

P=0.5%

P=5%

p=10%

洪水总量（万m3）

20.572

14.43

12.432

（2）设计洪水过程线推求

设计洪水过程采用概化洪水过程线，洪水过程线见下表与下图：

表2-5洪水过程线表

时段（h）

校核洪水过程线（P=0.5%）

设计洪水过程线（P=5%）

设计洪水过程线（P=10%）

0

0.00

0.00

0.00

3

0.18

0.11

0.09

6

0.46

0.28

0.25

7

0.60

0.36

0.32

8