水庫除險加固工程設(shè)計摘要：水庫工程修建投入運行，目前水庫存在的主要問題有：大壩滲漏嚴(yán)重；大壩下游排水棱體多處破損、坍塌。輸水涵管破損嚴(yán)重且多處漏水。溢洪道為管涵，多處破損嚴(yán)重，嚴(yán)重影響溢洪道泄洪，影響水庫行洪安全。大壩內(nèi)坡護坡砼破損嚴(yán)重，外坡雜草叢生。針對這些問題,對大壩壩體壩基及壩肩進行防滲處理。大壩內(nèi)坡預(yù)制塊護坡，大壩外坡草皮護坡，重建排水。溢洪道重新改造，新建消力池。對原輸水涵洞采用明挖拆除重建、更換閘門、止水橡皮及啟閉設(shè)備。經(jīng)除險加固處理后，水庫能夠發(fā)揮正常功能，工程質(zhì)量也能得到保證。關(guān)鍵詞：大壩；溢洪道；除險加固；設(shè)計1前言水庫位于縣鄉(xiāng)村,是一座以灌溉為主，兼有防洪、養(yǎng)魚等綜合利用的?。?）型水庫。水庫工程冬修建投入運行，屬于“三邊工程”,即邊勘察、邊設(shè)計、邊施工。水庫興建時施工質(zhì)量較差，一直帶病運行。再加上缺乏管理，運行維護困難，難以發(fā)揮水庫的正常功能，甚至存在嚴(yán)重的安全問題。2綜合說明2.1概述2.1.1工程概述水庫位于縣鄉(xiāng)村，壩址距省會約八公里，西與京株高速公路毗鄰，南與相鄰，為小（2）型水庫。有公路通向壩頂，交通條件較好。2.1.2工程任務(wù)水庫是一座以灌溉為主，兼有防洪、養(yǎng)魚等綜合利用的?。?）型水庫。水庫控制流域面積0.312km2，壩址以上干流長度0.95km，干流平均坡降9‰，總庫容15.91×104m3，正常庫容為13.8×104m3，死庫容為0.3×104m3，為年調(diào)節(jié)水庫。水庫防洪保護耕地53.3×104m2，保護人口約600。2.1.3樞紐主要建筑物及特征參數(shù)水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水建筑物等永久建筑物組成。(1)工程等級與洪水標(biāo)準(zhǔn)。水庫總庫容15.91×104m3，為?。?）型水庫，根據(jù)《水利水電樞紐工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）確定樞紐工程為Ⅴ等工程，其主要建筑物為5級建筑物，次要建筑物為5級建筑物。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。正常運行情況下壩頂安全超高為0.5m，非常運行情況下為0.3m，溢洪道消能防沖工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇。(2)水庫水位與相應(yīng)庫容。加固后水庫正常蓄水位67.39m（黃海高程，以下均同），相應(yīng)正常庫容13.8×104m3；水庫設(shè)計洪水位67.81m（P=5%），相應(yīng)庫容15.24×104m3；校核洪水位67.99m（P=0.5%），相應(yīng)庫容15.91×104m3；死水位為63.26m，相應(yīng)庫容0.3×104m3。(3)加固前大壩。水庫大壩為均質(zhì)壩,控制流域面積0.312km2，最大壩高7.5m，壩頂高程為68.6m，壩頂軸線長72.0m，壩頂寬6.5m。大壩上游壩坡分為二級，從上至下坡比為1:1.5，1：2.0,護坡采用現(xiàn)澆砼護坡。大壩下游壩坡坡比為1:1.5，下游壩坡雜草及灌木叢生。下游壩腳有堆石棱體。水庫溢洪道位于大壩左側(cè)，為管涵式，直徑為0.80m，進水口高程67.39m，出口高程64.00m，基礎(chǔ)坐落于筑填土上。水庫共有低水涵1個，輸水涵管進口底板高程63.26m，出口底板高程63.14m，采用箱涵400×600mm，三合土＋麻石條砌筑，放水設(shè)備采用鑄鐵手搖2t啟閉，設(shè)計過流能力0.1m3/s。2.1.4目前水庫存在的主要問題(1)大壩的土體填筑夯壓不密，土粒的滲透系數(shù)大，造成壩外坡大面積散浸，壩基及壩肩清基不徹底，滲漏嚴(yán)重；大壩下游排水棱體多處產(chǎn)生坍塌，破損，導(dǎo)漏層堵塞嚴(yán)重。(2)輸水涵管破損嚴(yán)重且多處漏水。(3)溢洪道為管涵，經(jīng)多年運行，多處破損嚴(yán)重；嚴(yán)重影響泄洪，影響水庫行洪安全。(4)大壩內(nèi)坡護坡砼破損嚴(yán)重，外坡雜草叢生。2.2水庫水文概況水庫所在的河流上沒有水文站，建庫以后也沒有開展水文、氣象觀測，水庫無實測暴雨資料，洪水復(fù)核的洪水要素只能依照《省暴雨洪水查算手冊》（以下簡稱《查算手冊》）進行計算。該水庫為?。?）型水利工程，沒有實測水文資料，按照有關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，可采用小匯水面積洪水計算方法計算洪水，采用《省暴雨查算手冊》暴雨參數(shù)查算。經(jīng)調(diào)洪復(fù)核，水庫加固后20年一遇設(shè)計洪水位為67.81m，最大下泄流量為1.00m3/s，相應(yīng)庫容為15.24×104m3；200年一遇校核洪水位為67.99m，最大下泄流量為1.52m3/s，相應(yīng)庫容為15.91×104m3。2.3除險加固設(shè)計2.3.1除險加固工程項目根據(jù)除險加固工程的工程任務(wù)和規(guī)模，針對水庫存在的主要問題，確定本次塘水庫除險加固工程的主要項目為：(1)擋水建筑物：壩體沖抓回填、壩基及壩肩帷幕灌漿。壩內(nèi)坡削坡由原1：2.0、1:1.5放緩至1:2.25，拆除原護坡砼，從死水位至校核洪水位采用預(yù)制六方塊護坡；壩頂由原高程68.60m加高至高程69.1；大壩外坡修坡進行培厚，坡比由原1:1.5培厚至1:2.0，草皮護坡。大壩下游重建排水棱體。(2)泄水建筑物：拆除原溢洪道重建，新建交通橋，新修消力池。(3)輸水建筑物：對原輸水涵洞采用明挖拆除重建、更換閘門、止水橡皮及啟閉設(shè)備。2.3.2除險加固措施(1)大壩滲漏處理。大壩壩體散浸，壩體部位滲漏，豐水期水庫大壩靠近左壩岸附近會集中滲漏，滲水量大約為0.29-0.15L/s。此次通過各方案比較，決定采用沖抓回填對大壩壩體進行防滲加固處理。壩基滲漏問題，大壩自蓄水運行以來，距外坡壩腳0~1m范圍內(nèi)常年積水，枯水季節(jié)，壩下游壩底滲漏不明顯，水位高時有分散性滲透現(xiàn)象，總滲漏量Q=0.011L/s。根據(jù)《省小型水庫除險加固工程設(shè)計報告書編制導(dǎo)則》對壩基存在嚴(yán)重滲漏，影響大壩安全的險情問題可采用帷幕灌漿處理，所以此次大壩的防滲加固采用帷幕灌漿處理。(2)大壩壩頂及上、下游壩坡護坡。本次拆除上游壩坡原護坡砼，并削緩上游壩坡，坡比由原1:2.0、1:1.5削緩至1：2.25；上游壩坡坡面平整、成形后采用預(yù)制六方塊護坡，護坡范圍下部起點為死水位63.26m，上部護至校核洪水位。壩頂寬度設(shè)計為5.0m；壩頂由原高程68.60m加高培厚至高程為69.10m，壩頂采用20cm厚的泥結(jié)石路面，具體見設(shè)計圖。大壩下游壩坡加固放緩，重建下游排水棱體。下游壩坡坡比放緩至1：2.0，下游坡面采用草皮護坡，重建坡面及壩肩排水系統(tǒng)，下游壩面設(shè)300*300砼排水溝和C20砼下壩踏步。(3)排水棱體整修設(shè)計。本次設(shè)計拆除原排水體后重建排水棱體，排水棱體頂部高程為80.6m，排水棱體頂寬1.5m，內(nèi)坡比為1：1，外坡比為1：1.5，開挖邊坡為1：0.5。反濾層由三層組成，第一層粒徑D=0.1~1mm厚15cm，第二層粒徑D=1~5mm厚15cm，第三層粒徑D=5~25mm厚25cm。(4)溢洪道除險加固設(shè)計。水庫溢洪道位于主壩左側(cè)，為管涵式，直徑為0.80m，進水口高程67.39m，出口高程64.00m，溢洪道形狀不規(guī)則，基礎(chǔ)坐落于筑填土中上，沉降不均勻，管涵接觸部位出現(xiàn)裂縫以致透水。溢洪道除險加固具體處理措施如下：溢洪道進口底板高程保持不變，寬度為2m;拆除原涵管重建寬頂堰溢洪道，采用漿砌石進行襯砌。每隔10m設(shè)一道橫向伸縮縫，伸縮縫縫寬20mm，采用瀝青杉板填縫;新建消力池。(5)輸水建筑物除險加固設(shè)計。本次根據(jù)實際情況，主要工程內(nèi)容：對原輸水涵洞進行壩體明挖，對原消力井及涵管拆除重建，重裝閘門及啟閉設(shè)施。3水文及相關(guān)計算3.1基本情況水庫壩址位于縣鄉(xiāng)村，水庫樞紐工程于1959年冬動工興建，1960年竣工，水庫控制集雨面積0.312km2，壩址以上干流長度0.95km，干流平均坡降9‰，干流植被情況良好稠密。3.2氣象情況屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，溫和濕潤，季節(jié)變化明顯。冬寒夏熱，四季分明；春秋短促，冬夏綿長，充分體現(xiàn)了亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候的典型特點。距海較遠，又位于沖積盆地，邊緣地勢高峻，向北傾斜，北方冷空氣可深入聚集，冬季比同緯度地區(qū)稍冷，而夏季比同緯度地區(qū)更熱，是江南“四大火爐”之一。平均氣溫為17.2℃。1月最冷，平均4.7℃，歷史上絕對最低溫度曾在2月份出現(xiàn)，達零下11．3℃。7月最熱，平均氣溫29．4℃，歷史上絕對最高溫曾在8月初出現(xiàn)，達43℃。全年無霜期平均275天，積雪日為6天。東西山勢高聳，雨量充沛，年平均降水量1360mm，東部山區(qū)高達1600-2200mm，西部為1400-1600mm，年平均雨日152天。降雨不均勻，3～5月平均降雨日數(shù)有52.8天，約占全年總降雨日數(shù)的35％；夏季降水不均，旱澇無定；秋冬雨水明顯減少。地區(qū)日照時數(shù)達1677小時．作物生長期長。冬春多偏北風(fēng)，夏季多偏南風(fēng)，全年保持著溫和濕潤的氣候特點。3.3設(shè)計暴雨的推求根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》SL252-2000的有關(guān)規(guī)定，水庫應(yīng)為小（2）型水庫，屬Ⅴ等工程，其主要建筑物為5級，次要建筑物為5級，臨時建筑物為5級；設(shè)計洪水重現(xiàn)期采用20年一遇，校核洪水重現(xiàn)期采用200年一遇，消能防沖洪水重現(xiàn)期采用10年一遇。由于水庫所在河流沒有水文站，建庫后水庫管理所也沒有開展入庫流量觀測，為無資料地區(qū)，故不能直接采用雨量資料統(tǒng)計推求其設(shè)計暴雨。本次利用水庫所在位置的地理坐標(biāo)，采用我省《暴雨洪水查算手冊》（1984年版）推求設(shè)計暴雨的時程分配和凈雨過程。以下按《手冊》推理公式有關(guān)查圖查表計算過程:根據(jù)水庫所在地理位置查圖三、圖四得流域中心點暴雨量H24點=103mm及變差系數(shù)Cv=0.46，根據(jù)設(shè)計頻率P和偏態(tài)系數(shù)Cs=3.5Cv，按皮爾遜Ⅲ型曲線查得模比系數(shù)Kp，則各設(shè)計頻率下點雨量：0.5%：H24點=H24點×Kp=103×2.84=292.5mm5%：H24點=H24點×Kp=103×1.9=195.7mm10%：H24點=H24點×Kp=103×1.61=165.8mm查圖一知水庫所在的暴雨一致區(qū)號為第七區(qū)，根據(jù)集雨面積F=0.312km2，查圖22，得雨量折算系數(shù)a=0.999，則各設(shè)計頻率下24小時面暴雨量：0.5%：H24面=H24點×a=292.5×0.999=292.2mm5%：H24面=H24點×a=195.7×0.999=195.5mm10%：H24面=H24點×a=165.8×0.999=165.7mm(3)求設(shè)計暴雨24小時降雨時程分配，按以下公式推求：1～6h： (1)6～24h： (2)據(jù)H24面和面積F查圖二十四、二十五，得到上式參數(shù)n2、n3根據(jù)已求得的H24面、n2、n3,代入上面的暴雨公式，分別求出1、3、6、12小時的面暴雨。計算結(jié)果和查得參數(shù)見表1按《手冊》中表（9）概化雨型時程分配表的百分?jǐn)?shù)，即可計算出二十四小時暴雨的時程分配。(4)設(shè)計凈雨過程計算：查圖四十，知水庫所在河流屬于產(chǎn)流分區(qū)一區(qū)，得初始雨量I0=30mm，扣除初損，得時段地表徑流深：R上=R總×徑流系數(shù)(R總：總徑流)設(shè)計暴雨采用值和主要計算參數(shù)見表1表1水庫設(shè)計暴雨成果表Table1ReservoirdesignstormresultstableP(%)0.5510備注Kp2.841.91.61F=0.312km2L=0.95kmJ=0.009Cv=0.46Cs=3.5Cv續(xù)表1I0=30mm續(xù)表1a=0.999H24點（mm）292.5195.7165.8H24面（mm）292.2195.5165.7n20.5840.6230.64n30.7840.7920.795H1（mm）102.874.665.4H3（mm）162.3112.897.1H6（mm）216.6146.5124.7H12（mm）251.6169.3143.7R總（mm）262.2175.2135.7Ψ0.750.750.75R上（mm）196.7131.4101.73.4設(shè)計洪水的推求3.4.1洪峰流量及洪水過程線推求由于水庫所在河流無水文測站，故不能采用流量資料統(tǒng)計推求其設(shè)計洪水。本次按無資料地區(qū)洪水計算方法進行洪水計算。以下按《手冊》用推理公式求設(shè)計頻率下的設(shè)計洪水(1)求凈峰流量及匯流時間： (3)因θ≤25， (4)列表計算時段凈雨強度。(2)用試算法求凈峰流量Qm及匯流時間： (5) (6)以二百年一遇設(shè)計洪水為例，利用上述公式進行試算：假設(shè)t1=2,查Rt/t～t的關(guān)系可得Rt/t=50.18因t1≠τ1,假設(shè)t2=2.51按上述方法進行第二次試算。直到t1=τ1時所得的Qm上，τ即為所求。(3)洪水過程線繪制：用徑流分配系數(shù)法求地面徑流過程：已知地面徑流R上，Qm，F(xiàn)，則時段地面徑流總量為： (7)ΔT均采用1h；Qm/Qi總，對照前表，取時段分配系數(shù)。各時段分配系數(shù)乘以Qi總，即得相應(yīng)凈雨深R上，地面徑流過程線Qi～t。(4)地下徑流過程計算 (8) (9)To：由Qi～T過程線，得地面徑流過程線底寬。自Qm地開始每增減一個時段，則減少一個ΔQ地(ΔQ地=Qm地/To)，得Qo~T過程線。Qi+Qo即得設(shè)計頻率下洪水過程線圖。設(shè)計洪水總量的計算。采用W=R總×F×1000計算洪水總量。本次計算全部采用電腦程序，查圖查表的有關(guān)參數(shù)及電算成果見表2，各頻率洪水過程線見表3。表2水庫設(shè)計洪水參數(shù)及成果表Table2ReservoirdesignfloodparametersandresulttableP(%)0.5510備注Q上m（m3/s）3.732.491.90F=0.312km2L=0.95kmJ=0.009‰T（h）2.602.873.01∑Qi（m3/s）17.0411.398.82Q上m/∑Qi0.220.220.24θ=6.11m=0.35Q下m（m3/s）0.240.160.12ΔQ下m（m3/s）0.010.010.01W（104m3）8.185.474.233.4.2設(shè)計洪水成果的合理性檢查水庫集雨面積0.312km2，干流長0.95km，干流平均坡降9‰，集雨面積內(nèi)多年平均最大24小時點暴雨量為103mm，統(tǒng)計參數(shù)Cv為0.46，經(jīng)與水庫當(dāng)?shù)仄渌こ瘫容^，20年一遇的洪峰模數(shù)為8.04m3/s/km2在該地區(qū)應(yīng)屬合理。3.4.3分期（施工期）洪水計算根據(jù)施工專業(yè)選定本工程主體工程施工期為10月至次年3月。統(tǒng)計就近雨量站該時段的最大日降雨量的統(tǒng)計參數(shù)，采用概算暴雨因子法，求得水庫10月～次年3月分期洪水Q=0.87m3/s。3.5調(diào)洪演算3.5.1調(diào)洪演算的基本原則為了水庫安全起見，根據(jù)水庫的具體情況，調(diào)洪演算遵循以下兩條原則：第一，除溢洪道以外，其它輸水設(shè)施（如灌溉涵）均不參與泄洪；第二，起調(diào)水位（正常蓄水位）67.39m以上來多少泄多少。采用水量平衡方程，求得不同設(shè)計入庫洪水過程的最高庫水位以及相應(yīng)的庫容和下泄流量。3.5.2調(diào)洪演算的基本方程調(diào)洪演算根據(jù)水庫水量平衡公式計算： (10)式中：Qt、Qt+1：時段Δt始、末的入庫流量(m3/s）；可直接從洪水過程線計算表中查取。qt、qt+1：時段Δt始、末的出庫流量(m3/s）；為溢洪道時段Δt始、末溢洪流量。Vt、Vt+1：時段Δt始、末水庫蓄水量，即庫容(104m3）；Δt：取1h，即3600s；調(diào)洪起始水位取正常蓄水位，即庫水位超過正常蓄水位時，溢洪道開始溢洪。本計算采用電腦試算。先假定Δt末庫水位，由庫水位查《水庫水位～庫容曲線圖》得相應(yīng)庫水位時的庫容，即Δt末庫容；查《水庫溢洪道水位～流量關(guān)系曲線計算表》，得Δt末溢洪流量。又已知Δt始的庫容及溢洪流量，Δt始、末入庫流量可從《洪水過程線計算表》查取，代入上述水庫水量平衡公式，到等式左右兩邊相等，則此假定水位即為Δt末所求庫水位。對每一Δt時段進行試算，當(dāng)入庫流量等于出庫流量時，此時庫水位即為設(shè)計頻率下庫內(nèi)最高水位。3.5.3調(diào)洪演算的基本資料(1)入庫洪水過程線。入庫洪水過程線詳見表3。表3水庫設(shè)計洪水過程線表Table3Reservoirdesignfloodhydrographtable時段(Δt=1h)0.55.010.0時段(Δt=1h）0.55.010.000.010.000.00120.560.330.2710.380.250.21130.520.300.2421.831.221.04140.480.270.2133.772.512.08150.430.240.1842.261.501.29160.390.210.1551.671.100.92170.370.190.1461.310.850.71180.34續(xù)表30.17續(xù)表30.1271.080.700.58190.320.150.1080.920.580.48200.290.130.0890.790.500.41210.260.110.06100.690.430.35220.240.090.04110.620.380.30230.210.070.03（2）庫內(nèi)水位～容積曲線。實查《水庫地形圖1：2000》得水庫庫內(nèi)水位～容積關(guān)系。詳見表4。表4水庫水位與庫容關(guān)系表Table4TherelationshipbetweenReservoirwaterlevelandvolumetable水位（m)庫容（104m3）備注水位（m)庫容（104m3）備注63.260.30死水位66.007.3363.500.7066.509.7064.001.5467.0012.1064.502.6367.3913.80高程65.003.9067.5014.0565.505.4668.0015.93(3)溢洪設(shè)施的水力計算。原溢洪道位于大壩左側(cè)，為直徑為0.8m的涵管，進口高程為67.39m，長23m。現(xiàn)設(shè)計將溢洪道改為2.0×1.25(寬×高)的寬頂堰，長28.0m，消力池底流消能。水力計算按最不利情況設(shè)計，取水庫調(diào)洪起調(diào)水位為正常蓄水位，按照水位高低，采用寬頂堰的流量公式進行： (11)式中：Q——流量（m3/s）；ε——側(cè)收縮系數(shù)；取ε=1.0；m——流量系數(shù)；取m=0.365；B——堰頂寬度（m）；取B=2.0。經(jīng)計算，結(jié)果如表5表5溢洪道水位與下泄流量關(guān)系Table5Spillwaywaterlevelanddischargevolumerelationship序號上游水位(m)進口水深(m)下泄流量（m3/s）備注167.390.000.00267.500.110.12368.000.611.54(4)起調(diào)水位。溢洪道無閘門控制的起調(diào)水位為正常蓄水位。3.5.4調(diào)洪計算根據(jù)調(diào)洪演算的基本原則和基本資料，利用調(diào)洪演算的基本方程，求得調(diào)洪計算結(jié)果見表6。表6水庫調(diào)洪演算成果表Table6Reserviorfloodroutingresulttable設(shè)計頻率入庫流量（m3/s）出庫流量（m3/s）相應(yīng)庫容（104m3）相應(yīng)水位（m）溢洪水深（m）0.5%3.771.5215.9167.990.605%2.521.0015.2467.810.4210%1.920.8414.8767.760.37水庫水位特征值如下：水庫正常蓄水位：67.39m水庫設(shè)計洪水位(P=5%）：67.81m水庫校核洪水位(P=0.5%）：67.99m本次調(diào)洪演算成果與以往成果及水庫所在區(qū)域的其他水庫資料比較，是較為合理的，推薦采用本次復(fù)核成果。3.6水庫抗洪能力復(fù)核3.6.1水庫大壩壩頂高程復(fù)核根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》SL274-2001的規(guī)定，水庫大壩的頂部高程等于水庫不同運用情況下的靜水位與相應(yīng)的超高之和，具體計算式如下： (12) (13)式中：Z——水庫大壩頂部高程(m）；Z0——水庫靜水位(m）；y——壩頂超高(m）；Rp——設(shè)計波浪爬高(m）；e——風(fēng)壅水面高度(m）；A——安全超高(m）。(1)設(shè)計波浪爬高Rp。正向來波在帶有馬道的復(fù)坡上的平均波浪爬高按下列規(guī)定計算：馬道上、下坡度不一致，且位于靜水位上、下0.5h1%范圍內(nèi)時，可先按下式確定該壩坡的折算單坡坡度系數(shù)，再根據(jù)本規(guī)范按單坡計算。 (14)式中：Me——折算單坡坡度系數(shù)；m上——馬道以上坡度系數(shù)，m上≥1.5；m下——馬道以下坡度系數(shù)，m下≥1.5。單坡斷面波浪爬高公式: (15)式中：K△——爬坡的糙率滲透系數(shù)；Kw——經(jīng)驗系數(shù)。由風(fēng)速W、坡前水域平均水深Hm、重力加速度g所組成的無值量W/(g·Hm）0.5查表確定；m——壩坡坡度系數(shù)；hm——平均波高，可按莆田試驗站公式求解: (16)式中：W——計算風(fēng)速；取多年平均最大風(fēng)速的1～1.5倍；D——風(fēng)區(qū)長度；從地形圖上直接量得，大壩取260m；Lm——平均波長，采用深水波公式: (17)式中：Tm——平均波周期: (18) (19)式中：Kp——由平均波高hm與壩迎水面前水深H的比值和相應(yīng)的設(shè)計累計頻率P(%）按規(guī)范規(guī)定的系數(shù)表中查取。經(jīng)上述公式計算結(jié)果見表7。(2)風(fēng)壅水面高度e。風(fēng)沿水面吹過所形成的水面壅高: (20)式中：k——綜合摩阻系數(shù)，取k=3.6×10-6；β——計算風(fēng)向與壩軸線法線的夾角。計算成果見表7。(3)安全加高A。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2000），4級建筑物的安全超高，按表4.0.1確定，正常運用條件下：安全加高hc=0.5m，非常運用條件下：hc=0.3m。(4)水庫大壩頂部所需最低高程的計算。按上述公式計算水庫大壩頂部所需最低高程，成果見表7。表7壩頂高程復(fù)核計算成果表Table7Thecalculationresultsofultra-highcrestreview壩體頻率水位Zp(m)波浪爬高Rp(m)風(fēng)壅水面高度e(m)安全加高A(m)壩頂超高y(m）Zp+y(m)原壩頂高程(m)結(jié)論大壩5%67.810.750.01210.501.2669.0768.60不滿足大壩0.5%67.990.630.00520.300.9468.9368.60不滿足復(fù)核結(jié)果表明，水庫壩頂高程不能滿足正常運行情況下的要求，因此壩頂高程需加高。3.6.2溢洪道控制段頂部高程復(fù)核根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》（SL253-2000）第2.2.6條的規(guī)定，溢洪道控制段的閘墩、胸墻和岸墻的頂部高程，宣泄洪水時，不得低于校核洪水位加安全超高值（5級建筑物為0.3m）。水庫溢洪道無閘門控制，控制段導(dǎo)墻的頂部高程在宣泄洪水時不得低于68.29m，即（67.99+0.30m）。水庫溢洪進口段導(dǎo)墻頂部現(xiàn)有高程68.64m，因此，溢洪道導(dǎo)墻頂部高程滿足《規(guī)范》要求。4大壩除險加固設(shè)計4.1壩頂高程復(fù)核經(jīng)調(diào)洪演算，正常蓄水位、設(shè)計洪水位、校核洪水位分別為：67.39m、67.81m、67.99m，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001），水庫大壩的壩頂高程，等于水庫靜水位與超高之和，根據(jù)本水庫的實際情況，對庫水位與超高分別按設(shè)計洪水位加正常運用條件和校核洪水位加非常運用條件二種不同運用情況計算，取相應(yīng)組合的最大值作為水庫大壩的設(shè)計壩頂高程。經(jīng)過水文章節(jié)計算，水庫大壩頂部所需最低高程，成果見表7。復(fù)核結(jié)果表明，水庫壩頂高程不能滿足正常運行情況下的要求，因此壩頂高程需加高。4.2大壩抗滑穩(wěn)定根據(jù)《大壩安全評價報告》大壩穩(wěn)定計算結(jié)果：現(xiàn)狀大壩斷面在不考慮地震荷載作用時，大壩上、下游壩坡邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，且在通過防滲處理后邊坡抗滑穩(wěn)定更加能滿足規(guī)范要求。4.3大壩及壩基防滲處理4.3.1方案擬定根據(jù)大壩存在的問題及安全鑒定專家意見，針對大壩壩身、壩基及壩肩滲漏等問題，本設(shè)計采用如下二種方案進行技術(shù)、經(jīng)濟比較，并擇優(yōu)選取較佳方案作為本次大壩防滲的除險加固設(shè)計方案。方案一：在壩頂軸線向上游2m處對壩體進行沖抓回填，對壩基及兩岸壩肩帷幕灌漿防滲處理，帷幕灌漿孔布置根據(jù)大壩滲透剖面圖將帷幕線往壩頂左右岸延伸至水庫校核水位與相對不透水層在兩岸的相交處，使壩身、壩肩壩基形成封閉、連續(xù)的防滲墻。方案二：在壩頂軸線上對壩體進行高噴灌漿，對壩基及兩岸壩肩帷幕灌漿防滲處理，帷幕灌漿孔布置根據(jù)大壩滲透剖面圖將帷幕線往壩頂左右岸延伸至水庫校核水位與相對不透水層在兩岸的相交處，使壩身、壩肩壩基形成封閉、連續(xù)的防滲墻。二個方案相比較，方案一構(gòu)筑的防滲體系防滲效果好，壩高有7.20m，工程造價較低，施工較為方便，目前，相當(dāng)部分壩身防滲處理均采用沖抓套井回填，有豐富的施工經(jīng)驗，其缺點是回填土料質(zhì)量難以控制。方案二構(gòu)筑的防滲體系防滲效果較好，缺點是施工作業(yè)面需求大，造價高。綜上所述，推薦方案一為大壩防滲加固處理措施。4.3.2壩基及壩肩帷幕灌漿設(shè)計帷幕設(shè)計：在原壩頂（高程68.60m）中軸線向上游2m處布設(shè)一排帷幕灌漿孔，對壩基及壩肩與山體接合處帷幕灌漿。根據(jù)規(guī)范SL274-2001規(guī)定，帷幕灌漿設(shè)計為單排，灌漿孔孔距為2.0m，防滲標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)地勘成果及規(guī)范SL274-2001要求，取q=10Lu，帷幕最深處高程為55.05m，帷幕灌漿平均深度為4.31m，最終孔深應(yīng)由現(xiàn)場先導(dǎo)孔壓水試驗確定。灌漿孔布置：灌漿孔布置在原壩頂（高程68.60m）中軸線向上游2m處；與壩體沖抓回填軸線同軸布置，主要帷幕灌漿為壩基及壩肩與山體的接合處，帷幕灌漿在壩肩頂高程為校核洪水位高程，孔距2.0m。鉆孔：帷幕灌漿鉆孔。壩身采用沖擊干鉆、套管護壁，基巖采用回轉(zhuǎn)式鉆機鉆進，用金剛石鉆頭或硬質(zhì)合金鉆頭鉆進，終孔孔徑為75mm。鉆機安裝必須水平、穩(wěn)固，開孔位置偏差應(yīng)控制在10cm之內(nèi)，孔斜率控制在1%以內(nèi)。鉆孔沖洗及簡易壓水試驗：鉆孔達到設(shè)計深度后，應(yīng)采用清水沖洗鉆孔，直至回水澄清無砂和巖粉為止，殘留巖芯不應(yīng)超過0.2m。帷幕灌漿孔在灌漿前，對先導(dǎo)灌漿孔均應(yīng)進行簡易壓水試驗，所得透水率q值來確定開灌水灰比及了解巖層的透水程度。灌漿參數(shù)的選取：灌漿段的長度是根據(jù)巖石的裂隙發(fā)育程度、破碎情況、滲透性以及設(shè)備條件決定的。參照省內(nèi)外帷幕灌漿取得的成功經(jīng)驗，并根據(jù)工程的具體情況，為確保工程質(zhì)量，設(shè)計要求灌漿段一般長5～8m，基巖條件較好的灌漿段取大值，裂隙發(fā)育，巖石破碎段取小值。接觸面單獨做一段，灌段長1.5m。灌漿壓力是影響灌漿質(zhì)量的重要因素，本次灌漿壓力要求現(xiàn)場通過灌漿試驗確定。漿液稠度根據(jù)基巖透水率不同而改變，一般當(dāng)q大于10Lu時，起始水灰比采用3:1；q=5～l0Lu時，起始水灰比采用5:1；以后采用3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.6:1。接觸面灌漿壓力要求以不使壩體底部劈開或上抬為原則，根據(jù)《土壩壩體灌漿技術(shù)規(guī)范》SD266-88，接觸面灌漿壓力應(yīng)控制在0.05Mpa以內(nèi)。漿液稠度的變換原則是：當(dāng)某一比級漿液的灌入量己達300L以上或灌注時間已達1h，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，應(yīng)改濃一級?；蜃⑷肼蚀笥?0L/min時，可根據(jù)具體情況越級變濃。結(jié)束灌漿標(biāo)準(zhǔn)：符合下列條件之一者，即可結(jié)束灌漿：在設(shè)計規(guī)定的灌漿壓力下，灌漿段已停止吸漿或吸漿量小于1.0L/min，并持續(xù)60min以上時；在規(guī)定的壓力下，吸漿量徘徊在1.0L/min的時間達1h以上。灌漿材料及灌漿工藝：灌漿材料必須是新鮮合格的普通硅酸鹽水泥，強度等級不低于42.5，對水泥的供給采取邊用邊進的原則，以保障水泥不過長時間在工地積放。灌漿施工次序：應(yīng)遵循分序加密的原則。帷幕孔分二序次施灌，同序孔孔距4m。灌漿方法：當(dāng)巖段小于6m時，采用全孔一次灌漿法；大于6m或在漏水嚴(yán)重地段應(yīng)采取自上而下的方法灌漿，以提高灌漿質(zhì)量。灌漿結(jié)束和封孔：在灌漿過程中，對于每一個灌漿孔都應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)程、規(guī)范的要求結(jié)束灌漿，以確保工程質(zhì)量。對較深的帷幕灌漿孔，后一段灌漿結(jié)束后即采用濃漿封孔。封孔分段長15～20m，封孔壓力與灌漿壓力相同，當(dāng)注入率不大于1L/min，繼續(xù)灌注30min后，在孔口處繼續(xù)灌注60min，灌注結(jié)束后閉漿24h。對于壩體，閉漿24h后，將孔內(nèi)稀漿取出，用粘土搗實封孔（或投放干粘土球）。工程質(zhì)量檢查：檢查孔數(shù)為灌漿總孔數(shù)的10%，質(zhì)量檢查應(yīng)以檢查孔壓水試驗成果為主，檢查孔應(yīng)布置在帷幕中心線上或巖石破碎、斷層、大孔隙等地質(zhì)條件復(fù)雜的部位，末序孔注漿量大的孔段附近、孔偏斜過大處、灌漿過程不正常的部位。檢查孔應(yīng)采取巖芯，繪制鉆孔柱狀圖：檢查孔壓水試驗應(yīng)在該部位灌漿結(jié)束14d后進行。自上而上分段卡塞進行壓水試驗，采用單點法或五點法。壓力為1H0（H0為正常蓄水位至試驗段處高差），且不大于該處灌漿壓力的80%。檢查孔各段壓水試驗測得的q值原則上須≤5Lu，如出現(xiàn)大于5Lu的試驗段，則段數(shù)不得超過檢查孔總試驗段數(shù)的10%；且所有試段的q值必須小于l0Lu，才符合標(biāo)準(zhǔn)。4.3.3壩體沖抓套井回填設(shè)計回填土料的要求：回填土料采用粘土，要求粘粒含量為35%-50%，滲透系數(shù)K≤1×10-6cm/s，含水量控制在塑限附近，填筑后的土料干密度γd≥1.58g/cm3。鉆孔平面布置：沖抓回填孔沿大壩原壩頂(68.60m)軸線向上游2m處布置，鉆孔范圍從壩右端的0+000起至左端的0+070.2止，共計需沖抓孔90個，進尺616.08m。套井防滲墻在平面上按主、套井相間布置，一主一套相接連成井墻，套井為整圓，主井被套井切割，呈對稱蝕圓?？拙嗪团啪嗟拇_定，要求用最小的工程量，得到最大的防滲厚度，大壩防滲墻由單排孔構(gòu)成，井孔直徑110cm。參照《省病險土石壩工程治理研究》及有關(guān)文獻，孔距和排距計算如下：孔距(主并與套并中心距)L=2Rcosα，其中α為主、套井最優(yōu)切割角度，α=45°；R為井孔半徑，即R=0.55m，則計算得L=0.78m。計算分析得沖抓套井回填防滲墻孔距為78cm?？咨畲_定：從原壩頂(68.60m)到建基面沖抓回填成孔深度最大為8.72m。施工操作技術(shù)要求。鉆孔：鉆孔要鉛直，鉆孔的偏斜率應(yīng)不大于1/50，造孔順序先主井后套井。回填：鉆孔達設(shè)計深度后應(yīng)立即回填，按先主井、后套井的原則，填土分層進行，回填一層，夯實一層，不得邊填邊夯，每層松土的厚度為0.5m至0.7m。夯實：夯實方式應(yīng)視現(xiàn)場試驗確定，一般夯壓距離為3m，夯壓次數(shù)為25次。在夯擊過程中，一定要盡量保持夯錘穩(wěn)定，不左右搖擺，不碰撞井壁，以提高夯壓效果。當(dāng)夯實10m以下的井段時，可適當(dāng)加大夯錘的沖擊作用，擴大對周圍土體的擠壓影響。當(dāng)接近井底部位時，則減小夯錘落距，以防壩面開裂或孔周土體隆起。質(zhì)量檢查：為保證施工質(zhì)量，應(yīng)及時進行檢測。檢測內(nèi)容為鉆孔的深度、土料的含水量、夯實后土料的干容重、滲透系數(shù)，以保證其符合設(shè)計與相關(guān)規(guī)范要求。主要工程量：沖抓套井回填616.08m。4.3.4大壩加固前后穩(wěn)定計算(1)大壩滲流計算。滲流計算斷面的確定：大壩加固后的滲流計算斷面和加固前滲流計算斷面一致，選取大壩最大壩高斷面進行二維有限元滲流分析。大壩滲流計算內(nèi)容、方法：滲流分析計算采用理正軟件計算，該程序能較好地解決分區(qū)較復(fù)雜的土石壩的滲流分析問題。該程序已在我院通過多處工程實例對比計算驗證，其計算結(jié)果符合常規(guī)并具有較高的精度，能夠滿足工程設(shè)計要求。滲流計算參數(shù)的確定：水庫特征水位根據(jù)本次水文計算及洪水復(fù)核成果采用，即水庫校核洪水位為67.99m、設(shè)計洪水位為67.81m、正常蓄水位為67.39m。計算斷面滲透指標(biāo)的確定：滲流計算斷面的滲透分區(qū)主要根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘探資料、室內(nèi)土工實驗資料，并結(jié)合大壩建設(shè)、加固情況，加固后大壩剖面分7個區(qū)，各滲透分區(qū)滲透系數(shù)分別見表8和表9。表8大壩現(xiàn)狀計算斷面各滲透分區(qū)的水平、垂直滲透系數(shù)表Table8Situationcalculatesectionofdameachpenetrationdistricthorizontalandverticalpermeabilitycoefficienttable分區(qū)1區(qū)(壩體)2區(qū)（排水棱體）3區(qū)(壩基)Kx(cm/s)26.4×10-42.1×10-22.98×10-4Ky(cm/s)2.5×10-41.0×10-25.9×10-4表9大壩加固后計算斷面各滲透分區(qū)的水平、垂直滲透系數(shù)表Table9Afterthereinforcementcalculatesectionofdameachpenetrationdistricthorizontalandverticalpermeabilitycoefficienttable分區(qū)1區(qū)(上游壩體)2區(qū)(下游壩體)3區(qū)(排水棱體)4區(qū)(沖抓回填)5區(qū)(下游壩基)6區(qū)(上游壩基)7區(qū)(帷幕灌漿)Kx(cm/s)1.1×10-41.1×10-41.0×10-21.0×10-62.5×10-42.5×10-41.0×10-6Ky(cm/s)5.3×10-55.3×10-51.0×10-21.0×10-62.5×10-42.5×10-41.0×10-6滲流計算的內(nèi)容。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274—2001)第8.1.2條的規(guī)定，結(jié)合本水庫實際情況，本次滲流復(fù)核計算考慮了以下幾種情況：穩(wěn)定滲流計算：上游正常蓄水位（67.39m），下游無水；上游設(shè)計洪水位（67.81m），下游無水；上游校核洪水位（67.99m），下游無水；上游1/3壩高水位（63.54m），下游無水。非穩(wěn)定滲流計算。庫水位降落時上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況。庫水位降落時上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況為水庫在正常蓄水情況下因特殊原因（如水庫快速放空等）放水涵管以可能最大流量向下游渲泄庫水，庫水位從正常蓄水位連續(xù)降落（驟降）的工況。水庫水位驟降，一般為水位降落至1/2～1/3壩高水位時壩坡穩(wěn)定最不利，本次從實際出發(fā)為從正常蓄水位（67.39m）連續(xù)降落（驟降）至涵洞進口高程（63.26m），下游則無水的工況進行非穩(wěn)定滲流計算：假設(shè)時段內(nèi)無降雨，輸水涵管以允許最大流量快速往下游宣泄庫水根據(jù)水庫庫水位—庫容關(guān)系曲線，輸水涵管泄流計算表，確定庫水位的最快可能降落過程線，并將庫水位降落期分成1個時段進行非穩(wěn)定滲流計算，各時段的上游水位值及相應(yīng)的時間間隔見表11。表10水庫輸水涵管泄流計算表Table10Wushitangreservoirculvertdischargecalculationtable上游水位（m）67.3967.0066.0065.0064.0063.30放水流量(m3)1.631.551.331.060.690.16滲流分析結(jié)論。各種計算工況下的穩(wěn)定滲流和非穩(wěn)定滲流中，滲流的最大比降值、逸出段滲透比降及單寬滲流量見表12。表11水庫大壩非穩(wěn)定滲流計算時段及水位Table11Wushitangreservoirdamunsteadyseepagecomputationtimeandwaterlevel上游水位(m)放水流量(m3)庫容(104m3)平均Q(m3)△V(104m3)△t(d)T(d)67.391.62713.801.591.700.000.00671.54912.101.444.770.120.12661.3257.331.193.430.380.51651.0563.900.872.360.330.84640.6891.540.421.140.311.1563.30.1600.400.080.400.311.47表12水庫大壩現(xiàn)狀滲流比降表Table12Reservoirdamsituationdamseepageslopetable計算斷面分類上游水位（m）下游水位（m）壩體內(nèi)部滲透比降J下游壩體與壩基接觸面滲透比降J滲漏流量(m3/d）主壩正常蓄水位67.39無水0.61-0.360.21-0.011.653設(shè)計洪水位67.81無水0.65-0.370.22-0.011.733校核洪水位67.99無水0.66-0.380.22-0.011.7721/3壩高水位63.54無水0.24-0.150.10-0.010.571庫水位驟降67.39→63.26無水0.53-0.340.42-0.111.815允許滲透比降按照地勘提供的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，大壩壩體填土允許滲透坡降為0.30-0.40，現(xiàn)大壩壩體內(nèi)最大滲透比降為0.35，小于壩體填土允許滲透坡降，大壩壩體內(nèi)部不會發(fā)生滲透破壞。浸潤線相對原來降低較多，壩體飽和區(qū)減小，對壩坡穩(wěn)定有利；壩體、壩基滲漏量大幅度減小。表13水庫大壩加固后滲流比降表Table13Reservoirafterreinforcedofdamseepageslopetable計算斷面分類上游水位（m）下游水位（m）壩體內(nèi)部滲透比降J下游壩體與壩基接觸面滲透比降J滲漏流量(m3/d）主壩正常蓄水位67.39無水0.31-0.150.21-0.010.977設(shè)計洪水位67.81無水0.34-0.160.22-0.011.033校核洪水位67.99無水0.35-0.170.22-0.011.0631/3壩高水位63.54無水0.12-0.050.10-0.010.281庫水位驟降67.39→63.26無水0.31-0.130.22-0.010.977(2)壩坡穩(wěn)定分析計算。選取壩體最大斷面作為計算斷面。穩(wěn)定分析計算斷面的分區(qū)與滲流分區(qū)一致進行計算，大壩加固后計算斷面材料分區(qū)指標(biāo)見表15。表14大壩現(xiàn)狀計算斷面材料分區(qū)指標(biāo)表Table14Situationcalculatesectionofdammaterialspartitionindextable分區(qū)摩擦角φ(°)粘結(jié)力c(KPa)容重(g/cm3)1（壩體）13.321.11.52（排水棱體)2802.203（壩基）60192.45表15大壩加固后計算斷面材料分區(qū)指標(biāo)表Table15Afterthereinforcementcalculatesectionofdammaterialspartitionindextable分區(qū)摩擦φ(°）粘結(jié)力c(KPa）容重(t/m3）1上游壩體13.321.11.52下游壩體13.321.11.53排水棱體2802.204沖抓回填16.016.21.555下游壩基60192.456上游壩基60192.457帷幕灌漿45252.30大壩穩(wěn)定復(fù)核計算的目的是為了核算大壩在自重、各種情況的孔隙壓力和外荷載的作用下，大壩是否具有足夠的穩(wěn)定性，或發(fā)生通過壩體或壩體和地基的整體剪切破壞。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）第7.1.2條規(guī)定，滲流計算應(yīng)考慮水庫運行中的不利條件。本次滲流計算分析按如下工況進行：上游正常蓄水位與下游相應(yīng)的最低水位時的滲流情況；上游設(shè)計洪水位與下游相應(yīng)水位時的滲流情況；上游校核洪水位與下游相應(yīng)水位時的滲流情況；大壩上游水位為1/3壩高與下游相應(yīng)水位的滲流情況；庫水位快速降落時，對上游壩坡穩(wěn)定不利情況。計算方法及原理。土石壩的靜力計算方法常用的有兩種，一種是不計條塊之間作用力的瑞典園弧法，另一種是考慮條塊側(cè)向作用力的簡化畢肖普法，本次加固后邊坡穩(wěn)定復(fù)核分別采用以上兩種方法進行計算取小值(瑞典園弧法值)。瑞典條分法,穩(wěn)定滲流期或水庫水位降落期有效應(yīng)力法： (21)式中：b──條塊寬度；W──條塊實重，W=W1+W2+γWZb；W1──在壩坡外水位以上的條塊實重；W2──在壩坡外水位以下的條塊實重；Z──壩坡外水位高出條塊底面中點的距離；u──穩(wěn)定滲流期或水庫水位降落期壩體或地基中的孔隙壓力；ui──水庫水位降落前壩體中的孔隙壓力；β──條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角。簡化Bishop法,穩(wěn)定滲流期和水庫水位降落期有效應(yīng)力法： (22)穩(wěn)定滲流期四種情況下大壩下游壩相應(yīng)的最小安全系數(shù)見表16。表16除險加固前穩(wěn)定滲流期大壩上、下游壩坡最小安全系數(shù)表Table16Thestableseepageperiodbeforereinforcementdamslopeminimumsafetyfactortable名稱數(shù)據(jù)上游水位（m）67.3967.8167.9963.54圓心X0-3.04-12.160-12.1608.107圓心Y013.17312.16012.16033.440滑弧半徑RO12.37916.5216.51733.429瑞典圓弧法安全系數(shù)F0.8220.7920.7831.487簡化畢肖普法安全系數(shù)F0.8550.8010.7921.576表17除險加固后穩(wěn)定滲流期大壩上、下游壩坡最小安全系數(shù)表Table17Thestableseepageperiodafterreinforcementdamslopeminimumsafetyfactortable計算斷面庫水位（m）下游水位（m）圓心座標(biāo)x（m）圓心座標(biāo)y（m）滑動半徑R（m）最小安全系數(shù)K規(guī)范要求值比較結(jié)果下游壩坡67.39無水10.3222.33225.1541.2641.15大于67.81無水8.25625.47627.3271.2571.15大于67.99無水7.7428.6230.2851.2511.05續(xù)表17大于續(xù)表17上游壩坡63.54無水18.86431.4431.6951.4111.15大于非穩(wěn)定滲流期兩種情況大壩上游相應(yīng)的最小安全系數(shù)見表18。表18加固后非穩(wěn)定滲流期大壩上游壩坡最小安全系數(shù)表Table18Theunsteadyseepageperiodafterreinforcementdamslopeminimumsafetyfactortable計算斷面庫水位（m）下游水位（m）圓心座標(biāo)x（m）圓心座標(biāo)y（m）滑動半徑R（m）最小安全系數(shù)K規(guī)范要求值比較結(jié)果上游壩坡63.54無水23.05625.15225.472.0751.05大于根據(jù)以上壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果分析：加高加固后大壩在不考慮地震荷載作用時，上、下游壩坡各工況下抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。4.4上下游壩坡整治4.4.1上游壩坡設(shè)計本設(shè)計大壩上游坡比為1:2.25，拆除原上游護坡砼，采用預(yù)制砼六方塊護坡，邊長為0.3m。4.4.2上游預(yù)制砼塊設(shè)計水庫大壩上游坡面砼防滲面板多處開裂，破損。處理措施：拆除上游原護坡砼，進行砼預(yù)制塊護坡處理。上游死水位(63.26m)設(shè)現(xiàn)澆C15砼護腳，深0.9m，寬0.4m。采用砼預(yù)制塊護坡，邊長為0.3m。護坡厚度計算： (23)式中：t──混凝土護面板厚度(m)；η──系數(shù)，按上部為開縫板，下部為閉縫板取0.10；H──計算波高（m），取HP=5.0%；rb──混凝土板的重度（kN/m3）；r──水的重度（kN/m3）；L──沿坡向板長，采用邊長為0.3m的正六邊形砼預(yù)制塊時，L=0.676m；B──沿斜坡方向的護面板長度；采用邊長為0.3m的正六邊形砼預(yù)預(yù)制塊時，B=0.676m；m──坡率。波長及波高按《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》SL274-2001中莆田實驗站公式計算： (24) (25)式中波浪爬高，當(dāng)1.5≤m≤5時：hm──堤前波浪的平均波高(m)；M──斜度坡度系數(shù)，m=ctga，a為斜坡的角度(度)，采用折線坡，按折算后計；L──堤前波浪的波長(m)；g──重力加速度，g=9.81m/s2；D──吹程m；D=260mT──平均波周期(s)；V──計算風(fēng)速，根據(jù)縣統(tǒng)計資料最大風(fēng)速為15.0m/s，根據(jù)《土石壩設(shè)計規(guī)范》計算風(fēng)速采用歷年汛期最大風(fēng)速平均值的1.5倍，即22.5m/s。經(jīng)計算，砼預(yù)制塊護坡厚度為0.1099m，采用預(yù)制塊護坡厚度為0.10m，下設(shè)0.2m厚砂礫石墊層，為增加護坡的穩(wěn)定性，在護腳處設(shè)寬0.4m，深0.9m的現(xiàn)澆砼護腳。4.4.3反濾層預(yù)制砼塊下按規(guī)范應(yīng)鋪設(shè)反濾層(墊層),根據(jù)設(shè)計設(shè)置為二層，采用耐風(fēng)化的砂礫、卵石或碎石構(gòu)成。4.4.4細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計為防止預(yù)制砼塊板的滑動，在垂直壩坡方死水位(63.26m)設(shè)置一道長方形防滑槽，砼防滑槽高90cm，寬度40cm。預(yù)制砼塊板周邊處理（周邊縫）也要堅固、可靠，故上游坡與壩端山體接觸處開挖溝槽，形成防滑槽，向兩邊山體延伸0.5m，末端用現(xiàn)澆C15砼固定，砼現(xiàn)澆帶高60cm，寬40cm。4.4.5壩頂整治根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》SL274-2001，第5.4條壩頂構(gòu)造第5.4.1條壩頂寬度應(yīng)根據(jù)構(gòu)造、施工、運行和抗震等因素確定，如無特殊要求，高壩的頂部寬度可選用10—15m，中、低壩可選用5-10m。因此本次除險加固設(shè)計中，大壩頂寬度設(shè)計為5.0m；壩頂兩邊砌C20砼緣石，壩頂采用20cm厚的砂石路面，經(jīng)計算壩頂高程（68.60m）不滿足要求，因此壩頂需加高。此次設(shè)計壩頂加高20cm4.4.6下游壩坡整治大壩外坡整形，設(shè)計大壩下游坡比改為1:2.0，壩面采用草皮護坡，護坡護坡范圍從排水棱體頂部至壩頂范圍，左右兩端均與山體搭接，搭接處設(shè)排水溝。土方填筑前需在原壩面開挖0.3m的防滑臺階，大壩培坡前坡面需清除表層松土和植物根莖，新老土體結(jié)合面開挖成0.5×0.2m階梯狀，土料自料場運至施工段后，填至設(shè)計坡面時采用人工整平，由于壩體填土厚度均小于1.5m，用蛙式打夯機及人工夯實。土方填筑原則是：嚴(yán)格按施工程序分層夯實，填筑采用分層填筑法，每層填筑厚度應(yīng)嚴(yán)格進行把關(guān)，層夯層壓，逐步循環(huán)。用于填筑的土料內(nèi)不得含有雜草、樹根等有機物及塊石，不得含有腐植土。填筑土料開采時要求按規(guī)范進行，回填土為沙壤土。為保證夯實度，在回填打夯應(yīng)選擇最優(yōu)含水量涂料，填筑夯實指標(biāo)達到γ≥16KN/m3，夯填后的土料密實度要求大于0.92。4.4.7排水棱體設(shè)計本設(shè)計對原排水棱體進行重建處理。棱體排水的頂部高程應(yīng)超出下游最高水位，且應(yīng)大于下游波浪沿坡面的爬高，并不小于0.5m，同時也應(yīng)滿足水庫滲流計算中的最高滲漏高程。據(jù)此，以確定棱體排水的頂部高程與頂部寬度，本次設(shè)計排水棱體頂部高程為63.10m，頂寬為1.5m，外坡比為1:1.50，內(nèi)坡為1:1.0。排水棱體反濾層根據(jù)規(guī)范要求設(shè)置三層，采用耐風(fēng)化的砂礫、卵石或者碎石構(gòu)成，隨滲流方向第一層粒徑中粗砂，層厚15cm,；第二層粒徑20-40mm卵石，層厚15cm,；第三層粒徑40-80mm礫石，層厚20cm。4.4.8排水溝為防止下游壩坡雨水集中沖刷面形成雨淋溝，需設(shè)置縱、橫排水溝，匯集徑流，排到濾水壩趾或壩腳。設(shè)計縱向排水溝布置在各平臺內(nèi)側(cè)，采用明溝，以利清淤，溝底為i=0.02的坡度向壩兩端傾斜，溝斷面尺寸為b×h=30cm×30cm；順著壩坡的橫向排水溝沿壩坡與山體交界布置，并要求與縱向排水溝相連接，斷面與縱向排水溝相同?？v向和順坡橫向排水溝均采用C15砼進行襯砌，襯砌厚度為10cm。4.4.9人行階梯及壩面大壩上、下游坡均新建行人階梯，凈寬1.2m，采用30cm厚C15砼護砌。大壩加固主要工程量：土方開挖259.7m3，土方回填411.1m3，砼320.4m3。5溢洪道加固改造設(shè)計水庫溢洪道位于大壩左側(cè)，為直徑800mm管涵。管涵位于筑填土內(nèi)，管涵已披損，建議對溢洪道重新修建，并做好防滲處理。5.1加固設(shè)計內(nèi)容(1)溢洪道泄洪進口底板高程保持不變，寬度為2m。(2)拆除原涵管重建溢洪道，采用漿砌石進行襯砌。每隔10m設(shè)一道橫向伸縮縫，伸縮縫縫寬20mm，采用瀝青杉板填縫。(3)新建消力池。5.2溢洪道水力計算5.2.1洪水標(biāo)準(zhǔn)溢洪道按20年一遇設(shè)計，200年一遇校核；消力池按10年一遇設(shè)計；泄洪渠按10年一遇設(shè)計。5.2.2溢洪道水力復(fù)核計算(1)根據(jù)洪水復(fù)核成果,其泄洪基本參數(shù)如下表:表19泄洪基本參數(shù)表Table19Releasefloodbasicparameterstable設(shè)計頻率溢洪水深(m)溢洪流量(m3/s)相應(yīng)庫內(nèi)水位(m)相應(yīng)庫容(104m3)備注0.5%0.601.5267.9915.915%0.421.0067.8115.2410%0.370.8467.8714.75實際堰高1.5m，減去規(guī)范安全超高0.3m，溢洪道實際過流斷面高1.2m，則實際過流量最大為Q=5.25m3/s，均大于設(shè)計校核的泄洪流量，溢洪堰滿足過流要求。(2)泄槽水力復(fù)核計算。由于溢洪堰后為泄槽，其臨界水深按《水力學(xué)計算手冊》公式進行。 (26)式中：Hk──臨界水深。 (27)式中：M──為邊墻系數(shù)；b──槽底寬。 (28)式中：q──為矩形斷面的單寬流量。計算得臨界水深，P=0.5%:Hk=0.37m；P=5%:Hk=0.29m；P=10%:Hk=0.26m得臨界坡降，P=0.5%:ik=0.013；P=5%時:ik=0.013；P=10%時:ik=0.013泄洪槽底實際坡降大于ik=0.22＞0.011，故泄槽段屬陡坡。因此，泄槽首斷面水深可取為臨界水深。泄槽的水面線可按棱柱形明渠能量方程用分段求和法解方程求取。 (29)式中：E1、E2──分別為上下游計算斷面的總水頭。 (30) (31)式中：α1、α2──動能校正系數(shù)，取1.10；V1、V2──分別為上下計算斷面平均流速；Z1、Z2──分別為上下計算斷面水位。 (32) (33)式中：Z1ˊ、Z2ˊ──分別為上下計算斷面泄槽底板高程；h1、h2──分別為上下計算斷面平均水深。hf──水流經(jīng)上下游斷面間的沿程水頭損失，一般采用均勻流沿程水頭損失的公式計算： (34) (35)式中：j──上截面到下截面的能坡；n──泄槽糙率；取0.025。 (36)式中：R1、R2──分別為上、下游斷面的水力半徑；V──兩斷面流速的平均值V=(V1+V2）/2。本計算采用計算機編程試算，成果見表20。表20泄槽水面曲線計算成果表Table20DischargeTroughwatersurfacecurvecalculatedresultstable斷面編號樁號底板高程（m）I間距（m）寬度（m）糙率流量（m3/s）水深（m）水位高程（m）備注0367.39——2.00.0251.000.52067.81011067.3907.02.00.0251.000.07867.468224.561.600.26314.52.00.0251.000.14861.748消力池(3)泄槽過水?dāng)嗝鎻?fù)核。摻氣水深計算。波動及摻氣水深按《溢洪道設(shè)計規(guī)范》（SL-253-2000）附錄A.3.2式計算。 (37)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）；ξ──修正系數(shù)，可取1.0～1.4s/m，流速大者取大值。安全超高計算。泄槽側(cè)墻安全超高按《水工設(shè)計手冊》(27-3-46）式計算： (38)式中：Δ──安全超高(m）；V──斷面平均流速(m/s）；h──不摻氣水深。消力池及出水渠道超高參照水電部《SDJ217-84》規(guī)范采用，取0.5m。側(cè)墻高度確定。根據(jù)溢洪道設(shè)計規(guī)范規(guī)定，泄槽邊墻頂部高程，應(yīng)根據(jù)波動及摻氣后的計算水面線加0.5～1.5m超高，本次設(shè)計安全超高取0.5m，邊墻頂部高度=溢流水深+摻氣水深+安全超高，成果見表21。表21側(cè)墻高度計算成果表Table21Sidewallheightcalculatedresultstable編號樁號(km+m)流量(m3/s)水深(m)水速(m/s)摻氣水深(m)超高(m)需要墻高(m)001.000.521.1240.5260.531.579171.000.0786.9330.0830.610.771221.51.000.1483.180.1530.560.8635.2.3消力池消能計算根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范（SL253-2000）》，等寬矩形斷面消力池自由水躍的計算公式采用： (39) (40)式中：h1——收縮面的水深（m）；V1——流速(m/s)；Fr1——弗勞德數(shù)；h2——躍后水深，也即收縮斷面水深h1的共軛水深（m）。等寬矩形斷面下挖式消力池的池深或水躍淹沒度按下列公式計算： (41) (42)式中：d——池深（m）；σ——水躍淹沒度系數(shù)，取1.05；h2——池中發(fā)生臨界水躍時的躍后水深（m），0.72m；ht——消力池出口下游水深（m），0.39m；ΔZ——消力池尾部出口水面落差（m），0.04m；b——消力池寬度（m），5m；φ——消力池出口段流速系數(shù)，取0.95。d=1.05×0.72-0.39=0.04=0.326m消力池長度 (43)其水躍長度按下式計算： (44)消力池下游接泄洪渠，按P=10%消能防沖洪水進行斷面計算。經(jīng)計算，消力池計算長度為4.2m，計算深度為0.33m，取消力池長度為5.0m，深度為0.5m，消力池邊墻高1.5m。5.3底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計5.3.1荷載分析溢洪道底板為現(xiàn)澆砼，本次加固消力池底板厚度為50cm。取消力池進口單元長度底板進行分析。(1)板上水壓力P： (45)式中：P——板上水壓力，kN；γ——水容重，γ=10kN／m3；h——垂直板面的水深，h=0.73m；L——板塊寬，L=10.0m。P=10×0.73×10=73kN(2)板自重G： (46)式中：G——板自重；γc——砼及漿砌石容重，取為25kN/m3；b——計算板塊單位長，b=lm。(3)脈動水壓力Pfr：按《溢洪道設(shè)計規(guī)范》SL253-2000附錄C(C．5．7-1)公式計算： (47)式中：βm——面積均化系數(shù)，取為0.1；Pfr——脈動壓強，N／m2；A——作用面積，m2；Ffr——脈動壓力，N。式中“±”號應(yīng)按不利設(shè)計條件選定，本次取正號（力向上為正），脈動壓強Pft按下式計算： (48)式中：Kp——脈動壓強系數(shù),按規(guī)范取為0.02；ρw——水的密度，kg／m3；V——相應(yīng)校核狀況下水流計算斷面的平均流速m/s，計算取V=5.06m/s。(4)揚壓力U：按泄槽底板下排水失效的情況考慮： (49)式中：ΔH——計算處滲壓水頭(m)。5.3.2抗浮穩(wěn)定驗算不設(shè)錨筋，不考慮粘著力，抗浮穩(wěn)定按下式計算：Kf=（P+G）/（Pfr+U）=1.23＞[k]=1.0～1.2按(SL253-2000)4.6.3規(guī)定，抗浮穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。5.4消力池側(cè)墻穩(wěn)定復(fù)核(1)計算要點。墻背主動土壓力按庫倫公式計算，粘性土采用換算內(nèi)摩擦角；重力式擋土墻土壓力，當(dāng)出現(xiàn)第二破裂面時，用第二破裂面公式計算；當(dāng)不出現(xiàn)第二破裂面時，以邊緣點聯(lián)線作為假想墻背，按庫倫公式計算；不計入墻前土體的被動土壓力。擋土墻的穩(wěn)定性要求：抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K≥1.3；抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)Kt≥1.5；基底摩擦系數(shù)f=0.4；墻背填料換算內(nèi)摩擦角35°；墻頂填土水平；墻底基巖允許承載力：土基200kPa，風(fēng)化基巖400kPa。(2)材料要求。M7.5砂漿砌MU30毛石。(3)細(xì)部結(jié)構(gòu)要求。設(shè)置伸縮縫、沉降縫：一般沿墻長度方向每隔10m設(shè)縫一道；并且設(shè)置排水孔：排水孔的孔徑為10cm，相鄰孔距上下左右均為3m，宜呈梅花形布置。倒濾層：凡伸縮(沉降)縫和排水孔所在處的墻背，均應(yīng)設(shè)倒濾層。典型斷面擋土墻斷面尺寸及參數(shù)。重力式擋土墻斷面尺寸及參數(shù)見表22。表22重力式擋土墻斷面尺寸及參數(shù)表Table22Gravityretainingwallsectiondimensionsandparameterstable斷面尺寸(mm)每米體積（m3）土壓力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)穩(wěn)定系數(shù)基底應(yīng)力設(shè)計值(kPa)hb1b2b3b4h5水平垂直抗滑抗傾墻趾墻踵10003005501501502000.5952.681.812.2253.78730.552.0015004008001501503001.236.114.272.0522.96753.679.3120004009002002004001.8210.717.241.7652.21796.0823.35250050011002002004002.616.6010.991.6432.103121.6330.72300070014502002004003.96524.1016.281.7182.439138.6526.75350070016002002005005.02533.0022.611.6142.048179.8946.725500800223035035060010.0981.6756.291.3631.714280.8090.846輸水建筑物加固設(shè)計6.1基本情況水庫共有輸水涵1個，輸水涵管進口底板高程63.26m，出口底板高程63.14m，采用箱涵400×600mm，三合土＋麻石條砌筑，，紅磚加固，與涵管接觸不牢，水沿壩體與涵管接合處產(chǎn)生沖刷和滲透現(xiàn)象。放水設(shè)備采用鑄鐵手搖2t啟閉，設(shè)計過流能力0.1m3/s。6.2設(shè)計方案的選定本次根據(jù)實際情況，主要工程內(nèi)容：輸水涵洞開挖，原址重建，采用直徑800mm的預(yù)制砼承插圓管，新建放水設(shè)備