水利工程规划土石坝设计报告三稿.docx
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水利工程规划土石坝设计报告三稿
编号:
中国农业大学现代远程教育
毕业论文(设计)
漾濞县小春菁旧水库除险加固工程
规划设计
学生丁思源
指导教师郑捷
专业水利水电工程
层次专升本
批次082
学号W150101082020
学习中心包头轻工职业技术学院
工作单位华能大理风力发电有限公司
二0一一年八月
【摘要】
总结目前小型土石坝病险水库除险加固采用的主要技术,结合云南大理地区的南水库、玉华、海西等水库安全鉴定、除险加固设计情况,阐述大理地区小型土石坝病险水库的主要特点和采取的主要加固措施,为漾濞县小春菁旧水库除险加固工作和病险水库加固后运行提供技术支持。
【关键词】
病险水库除险加固土石坝
1综合说明
1.1序言
1.1.1工程概况
小春菁旧水库位于漾濞县中和营镇响水村委会小春菁旧上寨,坝址地理坐标为东经103°36′33″,北纬23°48′51″。
水库所在河流为中和营河左岸支流,为珠江流域南盘江水系的次级小支流,水库距中和营镇政府约9km,距漾濞县区约65km,有简易公路直达坝顶。
小春菁旧水库于1956年动工兴建,1959年竣工,完成水库现状的主体工程建设,最大坝高15.8m,坝顶长度77.5m,坝顶高程1466.80~1467.00。
目前,小春菁旧水库枢纽区主要建筑物有大坝、输水涵管、溢洪道等。
库区海拔高程为1640~1478m,坝址以上主河长2.4km,平均坡降12.7‰,多年平均降雨量1153mm。
坝址以上控制径流面积2.16km2,水库总库容21.52万m3,兴利库容10.08万m3,调洪库容8.57万m3,小春菁旧水库设计灌溉面积7000亩,主要受益区为响水村委会及小春菁旧中寨,水库为下游村民增收增产、脱贫致富,改善生活条件等提供了有利条件,水库的安全运行将有利的促进社会的发展和进步。
另外水库担负着小春菁旧中寨500人、8000亩耕地等的防洪安全任务。
1.1.2大坝现状
小春菁旧水库拦河坝经过近50年的运行,主要存在以下病险问题:
(1)、工程质量不合格。
(2)、运行管理为差。
(3)、大坝现状防洪能为不能满足不能满足二百年一遇(P=0.5%)的校核洪水、二十年一遇(P=5%)的设计洪水洪水要求,仅能满足二年一遇的洪水要求。
水库防洪标准为C级。
(4)、大坝存在坝体渗漏、坝基渗漏、绕坝渗漏及结合部渗漏问题,在正常蓄水位条件下,下游坝坡出逸点实际水力坡降为0.57,均大于坝土的允许水力坡降【0.5】;坝基出逸点实际水力坡降为0.53,均大于坝基冲积层的允许水力坡降【0.498】,坝土及坝基均产生流土形式的渗透变形现象,渗流性态不安全。
大坝渗流安全等级为C级。
(5)、坝体压实度差碾压不密实,结构松散。
大坝上、下游坝坡均存在抗滑稳定安全系数小于现行规范值的工况,有滑动失稳的可能性。
水库大坝安全结构等级为C级。
(6)、大坝坝基表部的冲积物及下伏全~强风化岩体不属液化地层,输水涵管及溢洪道地基均不属液化地层。
在7度地震条件下,大坝上游坝坡的最小抗震稳定安全系数为1.225,大于现行规范值(1.10),下游坝坡最小抗震稳定安全系数为1.093小于现行规范值(1.10)。
水库大坝下游坝坡在7度地震条件下,下游坝坡存在滑动失稳的可能性。
水库抗震稳定性较差,安全等级评定为C级。
(7)、输水涵管属坝下涵管,出口设置DN150凡尔闸,无事故检修闸,闸阀漏水较为严重,可明显听到漏水响声,采用手动启闭,无启闭房,启闭设施呈暴露状态,锈蚀深度3-6mm,无法正常启闭。
溢洪道无闸门、启闭房及启闭设施。
金属结构安全等级为C级。
(8)、溢洪道现状最大下泄流量(5.53m3/s)小于水库所需的最大下泄流量(16.18m3/s),不能满足泄流要求。
小春菁旧水库大坝工程质量不合格,运行管理差,防洪安全等级,渗流安全等级、结构安全等级、抗震安全等级及金属结构安全等级均为C级,达不到现行规范要求,水库大坝不能正常运行,急需除险加固处理。
评定小春菁旧水库大坝安全类别为三类坝。
针对小春菁旧水库大坝存在的主要病险问题和大坝安全鉴定结论,提出以下加固意见和建议:
(1)对大坝坝体、坝基及坝肩进行整体防渗处理;
(2)对大坝上下游坝坡进行加高、培厚,增设上游护坡设施,翻修下游排水体;
(3)对输水涵管出口启闭设施进行改建;
(4)对溢洪道进行改建;
(5)新建管理所用房,完善交通、通讯等设施。
(6)增设水平位移、沉陷位移及渗漏量、渗漏压力、测压管等观测设施,建立水情测报系统。
本次防洪标准复核起调水位确定为溢洪道底板高程1465.06m(正常蓄水位),相应库容18.07m3,采用列表试算法进行调洪演算,结果见下表:
1.2目前地质状况
1.2.1坝址区
(1)坝体土
坝体结构松散,填筑压实度差,碾压不密实,透水性强,坝后贴坡排水体高度1.0m,而且砌筑时未按规范要求设置相应的反滤层,排水效果差,坝体浸润线位置较高,渗透水流直接在坝坡出逸(在现状库水位1464.80m时,下游坝坡出逸高程为1461.35m,高于排水体顶4.05m)。
坝土料质量相对较差,抗渗透稳定性较差,使得坝坡的整体稳定性及局部稳定性均较差。
(2)坝基
坝址区所在河谷呈SN走向,河谷横断面为“U”型谷,左岸地形自然坡度为10º左右,右岸地形自然坡度为11°左右,坝顶处河谷宽80m,河床较为平缓。
坝址区各种物理地质现象不发育,主要表现为风化。
坝址区岩石风化深度随地形变化,山坡地带强风化深度7~16m,河床部分强风化深5~16m。
大坝坝基岩体中无断层构造线通过,虽节理裂隙发育,但岩层连续性好,未形成连续的软弱带和切割面,大坝下游无切割深槽等临空面存在,坝基岩(土)体深层抗滑稳定性好。
但河床坝基表部覆盖的冲积物承载力较低,对坝坡的稳定性影响较大。
同时坝基表部覆盖的河床冲洪积层由于渗透系数较大,加之现状坝基底部无防渗心墙及截水槽等防渗设施,存在坝基渗漏问题。
1.2.2溢洪道
溢洪道全部座落于三叠系中统法郎组薄-中厚层状粉砂岩、粉砂质页岩层上,且岩层呈强风化状态,由于强风化层承载力均能满足溢洪道及泄水时的压力要求,溢洪道沿线不存在差异沉降变形,地基稳定性好。
但地基沿线岩体透水率较大,属中等透水层,易沿溢洪道基础底部产生接触渗漏。
1.3工程任务和作用
本次除险加固的主要任务是:
坝体加固培厚、增设防浪墙、坝体、坝基、坝肩防渗处理,扩建溢洪道。
1.4除险加固主要建筑物工程布置
(一)拦河坝
小春菁旧水库拦河坝为粘土均质坝,坝轴线与老坝轴线一致,坝轴线布置成“L”型,根据调洪演算结果,坝顶高程为1469.23m,比原坝高2.23m,坝顶宽4m,最大坝高为18.03m。
由于坝顶加高,上下游坝坡也作相应的的调整,上游坝坡维持现有坡比不变,为1:
2.5,采用干砌毛条石护坡,厚0.30m,护坡底线高程为1457.00m,干砌毛条石护坡下设碎石垫层和砂垫层,厚度均为0.20m。
坝顶为泥结石路面,下设0.25m厚的丙种石垫层。
考虑防洪安全要求,设置高为0.60m,宽为0.40m的防浪墙。
下游坝坡坡比为1:
2.30,整个坝坡采用草皮护坡,考虑整体景观的布置要求,采用C15砼预制块划分为5.0m×8.0m的网格,在网格内植草护坡。
排水体为棱体排水,对已失效的棱体进行拆除,新建排水棱体,排水棱体顶部高程为1457.00m,顶宽1.0m,靠近坝坡侧设置坝坡排水沟一条,棱体外坡比1:
1.0,设置碎石垫层和砂垫层。
上、下游坝坡均在里程0+050m处设置踏步一道,宽度为1.5m,采用M7.5浆砌粗料石支砌。
上游坝坡设M7.5浆砌石护岸挡墙,下游设置M7.5浆砌石护岸挡墙及岸坡排水沟,并在坝脚处设三角量水堰一座,以利坝体渗流观测。
拦河坝坝体、坝基及坝肩均采用帷幕灌浆防渗,灌浆顶界高程为1468.00m,比设计洪水位1467.64m高0.36m。
左、右岸帷幕灌浆延伸至正常蓄水位与相对不透水层在两岸的交点附近,防渗帷幕线全长127.26m,帷幕灌浆上排孔布置于坝轴线上,下排孔布置在坝轴线下游1.5m处,其中坝体部分为双排孔布置,孔距2.0m,两坝肩单排孔布置,孔距1.5m。
灌浆段总长度2058.53m。
灌浆材料:
基岩采用纯水泥浆灌注,覆盖层及坝体土采用水泥粘土浆灌注,防渗设计标准≤5Lu。
(二)溢洪道
溢洪道位于大坝左坝肩,为开敞式,由进口段、控制段、消力池段组成,平面呈弯曲状,进口底板高程1465.06m,现状型式为矩形断面,尺寸为1.4m(高)×1.6m(宽),底板及边墙均为浆砌块石砌筑,底板冲刷、边墙倒塌现象较为严重,出口消力池段采用跌坎消能,坎高10~30cm。
扩建溢洪道长为59.00m,扩建后的溢洪道与坝轴线交角86°28′18″,设计洪水位时下泄流量为9.98m3/s,校核洪水位时下泄流量为16.18m3/s,溢洪道由进水渠段、控制段、泄槽段、出口段组成。
另在溢洪道出口处新建引洪沟长150m。
2水文
2.1流域概况
2.1.1地理位置
小春菁旧水库位于漾濞县中和营镇响水村委会小春菁旧上寨,坝址地理坐标为东经103°37′,北纬23°49′。
水库所在河流为中和营河左岸支流,为珠江流域南盘江水系的次级小支流,大坝距中和营镇政府约9km,距漾濞县区约65km,有简易公路直达坝顶。
2.1.2流域特征
小春菁旧水库位于南盘江上游,水库控制径流面积2.16km²,主河长2.4Km,平均坡降12.7‰。
2.1.3气象
流域地处南盘江上游,属滇东高原,地形起伏不大,气候属于北温带,具有夏秋多雨温暖,冬春少雨干旱的特点,多年平均降水量1153mm,汛期降水占全年降水的85.8%,枯季降水仅占全年降水的14.2%,一般雨季开始于5月中旬,结束于10月中旬,形成干湿、暖冷分明的气候特点。
2.1.4基本资料
小春菁旧水库无实测水位流量资料,附近的流域也没有水文站,因此本次设计采用暴雨洪水途径推求设计洪水。
开远气象站离小春菁旧水库20km处,具有1954-2007年共53年的短历时暴雨资料,设计选用雨量站及资料情况见表2-1。
表2-1水库基本资料一览表
站名
站别
资料年限
资料类别
年雨量
最大一日
短历时暴雨
开远
气象站
1957—2007
√
√
√
该气象站的资料经过整编、审查和刊印,精度可靠,能满足本次水库大坝防洪标准复核的要求。
2.1.5基本资料综合评价
1、可靠性分析
从可靠性来看:
该站为国家基本气象站点,降雨资料均由有关专业人员观测,观测场地固定、四周开阔,仪器设备性能良好,降雨过程观测控制完整,每年的气象观测资料均通过漾濞县气象局及云南省气象局的整编、校核、审查、刊印,是合理可靠的,因此,降雨资料(含暴雨资料)可靠。
2、一致性分析
对降雨系列而言,在相对地质年代很短的时期内,影响降雨的主要因素(如气候成因、地形、地貌)不会因受人类活动的加剧明显改变,而是基本处于相对稳定状态,也即历年降雨资料(含暴雨资料)成因前后具有较高一致性,因此,在具有相同成因条件下,历年降雨样本系列前后段具有较高的一致性。
3、代表性分析
根据目前理论研究水平,当用统计推断的方法推求某一指定频率的暴雨时,为了减小计算的抽样误差,一般要求其样本系列应充分长,但从数理统计角度看,再长的实测系列也仅为总体的一个样本,鉴于此,现行《水利水电工程设计洪水计算规范》(SL44-2006)规定:
实测或插补的暴雨样本系列长度至少应在30年以上,从大理气象站实测暴雨系列情况看,实测最大一日降雨量系列连续达到53年,且在53年的时期内已随机地分布大暴雨(日降雨量≥100mm,)、暴雨(日降雨量在50~100mm之间)和一般暴雨(日降雨量<50mm,),说明该站系列中已包含有大、中、小暴雨量,系列长度满足计算要求,具有代表性。
对大理气象站的年雨量资料逆时序进行累进均值、Cv及差积曲线计算分析,从2006年到1965年均值、Cv值趋于稳定,但差积曲线正半周期明显,负半周期较弱,雨量资料具有一定的代表性。
对雨量资料进行PIII型频率曲线适线分析,统计参数见表2-2:
表2-2大理气象站短历时暴雨统计参数成果表(实测资料法)
站名
最大1小时
最大6小时
最大24小时
统计参数
均值(mm)
Cv
Cs/Cv
均值(mm)
Cv
Cs/Cv
均值(mm)
Cv
Cs/Cv
大理气象站
35.0
0.37
3.5
51.0
0.42
3.5
70
0.43
3.5
图2-1大理气象站年最大1小时降水量累进值图
图2-2大理气象站年最大6小时降水量累进值图
图2-3大理气象站年最大24小时降水量累进值图
图2-4气象站最大1、6、24小时暴雨频率综合曲线
2.2历史洪水和暴雨的调查、考证与应用
水库集水面积较小,史志中没有大洪水及受灾记录,本次复核没有调查考证的历史资料。
2.3设计暴雨推求
水库无实测短历时降水量资料,本次设计直接移用大理气象站1954~2007年短历时降水量资料推求设计暴雨,从安全角度考虑,同时利用水利部水文[2005]100号文正式批准的《云南省暴雨统计参数图集》中的暴雨参数推求设计暴雨,比较两种方法计算的设计暴雨,取最不利的情况作为本次评价的设计暴雨。
用大理气象站的1、6、24小时时段暴雨系列资料作频率计算,采用PⅢ型曲线进行适线,统计参数见表2-2、成果见表2-3
表2-3小春菁旧水库1、6、24小时设计点暴雨成果(实测资料法)单位:
mm
频率
项目
P=0.5%
P=1%
P=5%
10.0%
20.0%
H1h
83.44
76.54
59.92
52.34
44.32
H6h
134.22
121.96
92.71
79.58
65.89
H24h
187.80
170.33
128.74
110.13
90.76
从《云南省暴雨统计参数图集》中可以查到小春菁旧水库的短历时暴雨统计参数,从而计算出相应频率的设计值,见表2-4、表2-5。
表2-4小春菁旧水库暴雨统计参数表(查图法)
站名
最大1小时
最大6小时
最大24小时
统计参数
均值(mm)
Cv
Cs/Cv
均值(mm)
Cv
Cs/Cv
均值(mm)
Cv
Cs/Cv
大理气象站
36
0.3
3.5
53
0.37
3.5
73
0.41
3.5
表2-5小春菁旧水库1、6、24小时设计点暴雨成果(查图法)单位:
mm
频率项目
P=0.5%
P=1%
5.0%
10.0%
20.0%
H1h
96.59
87.60
66.21
56.64
46.68
H6h
142.20
128.97
97.47
83.38
68.72
H24h
211.13
190.12
140.48
118.52
95.93
比较实测暴雨统计参数和《云南省暴雨统计参数图集》中的参数,可以看出,使用云南统计参数图籍得出的暴雨参数要大于实测暴雨统计参数,相应的设计暴雨也大于使用实测暴雨资料计算出的设计暴雨值。
由于水库所在流域平均海拔比大理气象站海拔高出700m左右,而降雨量有随海拔升高升高的特点,使用低海拔的降雨量可能会使计算结果偏低,为安全起见,最终的设计暴雨值采用了经水利部审查批准的《云南省暴雨统计参数图集》的参数计算出来的成果。
水库流域中心位于云南省暴雨区划第11区,概化雨型及时深、面深关系按“云南省暴雨径流查算图表”中11区有关参数确定,据相关规定可求出设计面暴雨过程。
2.3.1设计洪水推求
查《云南省暴雨洪水查算图表》,流域中心位于云南省产流区划第2区,汇流区划第2区,产流参数包括前期土壤最大含水量Wm、洪水前期土壤含水量Wt、稳定下渗率fc、流域不平衡水量△R;汇流参数包括径流面积F、河道平均比降J、河长L、流域形状系数B及汇流系数Cm、Cn,详见表2-6。
根据设计面暴雨过程及产流参数按相关规定推求设计净雨过程及主净雨强度,按汇流参数及主净雨强度由经验公式转换求纳希瞬时单位线无因次参数,继而推出u(t),按流域面积再转换为时段单位线q(t),由时段净雨过程和时段单位线进行汇流计算,得到地表设计洪水过程;地下径流量按概化三角形方法计算过程,地表、地下及基流三部分之和即为所求出口断面设计洪水过程,成果见图2-5、表2-7。
表2-6流域特征及产、汇流参数表
F
L
J
B
Wm
Wt
km2
km
‰
mm
mm
2.16
2.4
21.9
0.375
100
78
Fc
△R
Cn
Cm
暴雨分区
产/汇流分区
mm
mm
2.5
10
0.80
0.40
11
2
图2-5小春菁旧水库入库设计洪水过程线
表2-7设计洪水过程线成果表
频率
时段
设计频率
P=0.5%
P=5%
P=20%
1
0.28
18.63
11.35
2
0.67
10.90
5.51
3
1.00
6.62
3.06
4
1.25
3.82
1.86
5
1.48
2.28
1.40
6
28.72
1.70
1.30
7
17.43
1.60
1.20
8
11.15
1.50
1.10
9
7.31
1.40
1.10
10
4.94
1.40
1.01
11
3.71
1.30
1.00
12
2.37
1.30
1.00
13
1.64
1.17
0.80
14
1.22
1.20
0.80
15
0.95
1.10
0.70
16
0.90
1.00
0.70
17
0.90
0.90
0.69
18
0.90
0.70
0.59
19
0.90
0.70
0.50
20
0.90
0.60
0.40
21
0.80
0.60
0.30
22
0.80
0.50
0.21
23
0.80
0.50
0.11
24
0.80
0.55
0.01
洪峰流量
28.72
18.63
11.35
一日洪量(万m³)
32.92
22.21
13.21
采用水科院的推理公式法对设计洪水进行检验,设计洪峰用下列(tc>τ)时的这组公式迭代计算:
式中:
F—径流面积(km²);L—主河长(km);J—河道平均坡降;
Sp=h24,p×24n-1,h24,p为相应频率设计暴雨量,n为暴雨衰减指数,计算取0.76
μ—流域损失参数,计算取2.5mm/h;m流域汇流参数,取0.8;
τ—流域汇流时间;tc—产流历时。
24小时洪量采用公式W24=0.1×h24,p净×F。
经计算,产流历时大于汇流历时,选用公式合理,设计值见下表2-8:
表2-8水科院法设计洪峰流量计算结果
洪水频率(%)
0.5
5
20
设计洪峰流量(m³/s)
28.3
18.51
11.31
设计24小时洪量(104m³)
33.1
22.40
13.26
2.3.2成果合理性检查
(1)方法检验
将暴雨推求设计洪水、推理公式法推求设计洪水成果进行对比,见表2-9:
表2-9两种方法计算洪峰洪量比较表
暴雨洪水
推理公式
差值百分比
时段
洪峰
洪量
洪峰
洪量
洪峰
洪量
P=0.5%
28.72
32.92
28.30
33.1
0.01
-0.01
P=5%
18.63
22.21
18.51
22.40
0.01
-0.01
P=20%
11.35
13.21
11.31
13.26
0.35
-0.38
从表中可以看出两种方法计算出的设计值相差不大,洪峰相对误差在0.35%以内,洪量相对误差在0.38%以内,采用瞬时单位线计算设计洪水成果合理,可供使用。
(2)地区合理性检查
把由单位线计算出的P=0.5%的设计洪峰点绘在《大理州小
(二)型水库300年一遇Qm~F关系图》上,如图所示,点子与关系线配合较好,符合大理州的Qm~F关系分布,设计洪峰计算合理;把由单位线计算出的P=0.5%的设计24小时洪量点绘在《大理州小
(二)型水库50年一遇W24~F关系图》上,如图所示,点子与关系线配合较好,符合大理州的W24~F关系分布,设计洪量计算合理,选用单位线计算值作为设计值。
2.4水库现有泄洪能力复核
大坝坝型为均质土坝,坝顶长77.5m,坝底宽度65.63m,坝顶宽3m,现状最大坝高15.8m,坝顶高程1466.80~1467.00m,坝底高程1451.20m。
溢洪道位于大坝左坝肩,为开敞式,由进口段、控制段、消力池段组成,进口底板高程1465.06m,型式为矩形断面,尺寸为1.4m(高)×1.6m(宽),出口消力池段采用跌坎消能,坎高10~30cm。
溢洪道泄流计算公式为:
式中:
m=0.34b=1.6m。
计算结果见表2-8。
表2-10水库现有溢洪道泄流量表
高程(m)
水深(m)
流量(m³/s)
高程(m)
水深(m)
流量(m³/s)
1465.06
0
0.00
1466
0.94
2.19
1465.2
0.14
0.13
1466.2
1.14
2.93
1465.4
0.34
0.48
1466.4
1.34
3.74
1465.6
0.54
0.96
1466.6
1.54
4.60
1465.8
0.74
1.53
1466.8
1.74
5.53
经复核,小春菁旧水库现状最大下泄流量为5.53m³/s,小于本次复核调洪演算得到的水库最大下泄流量16.18m³/s,因此水库不能满足泄流要求。
2.4.1水库正常蓄水位
水库正常蓄水位1465.06m,相应库容12.95万m3,除险加固后,正常蓄水位仍维持1465.06m不变。
2.4.2防洪标准
小春菁旧水库为小
(二)型水利工程,坝型为均质坝,坝高18.03m,根据《防洪标准》GB50201-94山区、丘陵部分,水库防洪标准为二十年一遇(P=5%)设计,二百年一遇(P=0.5%)校核。
2.4.3调洪演算及结果
小春菁旧水库以正常蓄水位1465.06m为起调水位,相应库容12.95万m3,根据入库洪水过程,水位~库容和下泄流量曲线关系,采用列表试算法,根据公式[(Q1+Q2)/2-(q1+q2)/2]Δt=V2-V1进行调洪演算。
鉴于小春菁旧水库建库至今,已经有50余年,库区内已经有较多的泥沙淤积,原高程~库容曲线已不能反映实际情况,故本次采用实测水位、库容曲线数据,详见表2-11。
表2-11水库水位~库容关系
水位(m)
库容(万m³)
水位(m)
库容(万m³)
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