精品水库除险加固计算书.docx
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精品水库除险加固计算书
一、设计洪水计算
（一）、洪水标准
张背山水库总库容10.3万m3（加固后），挡水建筑物为均质土坝2座：
主坝坝顶长31m，最大坝高为7m，坝顶平均高程为55m，坝宽平均为3m，上游坡比1：
1.8，下游坡比1：
2.6；副坝坝顶长17.5m，最大坝高为6.8m，坝顶平均高程为55.8m，坝宽平均为4m，上游坡比1：
1.5，下游坡比1：
1.8。
依据《防洪标准》（GB50201-94）和《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）的规定，张背山水库属小⑵型水库，工程等别为Ⅴ等，主要建筑物级别5级，次要建筑物5级，设计按20年一遇洪水标准设计，200年一遇洪水标准校核，消能工按10年一遇设计。
（二）、基础数据
张背山水库控制集雨面积0.11km2，径流河长0.53km，河床比降0.054。
因水库没有径流观测资料和实测降雨资料，故洪水计算按《广东省暴雨径流查算图表》查算，其中暴雨参数采用广东省水文局2003年编制的《广东省暴雨参数等值线图》。
张背山水库集雨区域位于东江中下游，为4号区，主要暴雨参数列表1-1。
区域主要暴雨参数表表1-1
项目
T（时间）
1
6
24
72
点雨量均值Ht（mm）
52
74.5
124.3
191.4
变差系数Cv
0.30
0.37
0.37
0.42
雨量点面系数αt
1
1
1
1
KP
P=10%
1.4
1.5
1.5
1.56
P=5%
1.56
1.71
171
1.82
P=0.5%
2.06
2.38
2.38
2.63
（三）、计算及成果
本次设计的洪水采用《广东省暴雨径流查算图表》及使用手册和广东省水利电力厅粤水电总字［1992］12号文（关于《广东省暴雨径流查算图表》部分参数修改的通知）计算，本次计算采用广东省推理公式计算。
张背山水库集雨区域地理参数：
集雨面积0.11km2，干流河长0.53km，干流坡降0.054
，集雨区域平均高程为大于100，土壤渗透性中等，植被较好。
汇流参数：
推理公式采用：
查推理公式法（1998年修订）汇流参数m～θ关系图上的大陆区线，m＝0.85。
分别计算水库10年一遇、20年一遇和200年一遇的设计洪水。
详细计算见附件设计洪水电算稿，计算成果列于表1-2。
设计洪水计算成果表表1-2
频率
重现期（年）
洪峰流量（M3/s）
洪水总量（万m3）
P=10%
10
3.6
4
P=5%
20
4
4.4
P=0.5%
200
5
6.0
二、水库调洪演算
（一）、确定调洪原则
张背山水库溢洪道位于副坝右侧,现溢洪道宽2.30m，底高程为54.00m的无坎宽顶堰。
本次除险加固工程的调洪原则拟恢复原溢洪道宽2.30m，底高程54.00m进行计算。
本次调洪采用原溢洪道控制形式亦为无闸控制的开敞式溢洪道，在水库调洪时亦按无限泄要求的方式，起调水位按最不利情况（库水位平溢洪道堰顶）考虑。
（二）、确定泄流参数
1、现状泄流参数的确定
张背山水库溢洪道位于副坝右侧,按以上确定的调洪原则进行调洪，溢洪道底宽为2.30m，堰顶高程为54.00m。
溢洪道控制段堰坎厚度与水深之比大于2.5小于10，库水位由水库下降至泄槽由缓流过渡道急流，无坎宽顶堰流量系数取0.35。
2、加固后泄流参数的确定
结合溢洪道现状，对溢洪道进口段的宽度和纵坡进行修整，溢洪道控制段长5m，宽2.30m，堰顶高程为54.00m，泄槽底坡为1/2.6，
库水位由水库降至泄槽由缓流过渡到急流，控制段堰坎厚度与水深之比大于2.5小于10，为宽顶堰堰流，流量系数按无坎宽顶堰取为0.35。
3、水库水位～库容
由于本次设计没有对库区进行库容测量，查博罗县水务局水库档案资料得张背山水库调洪库容曲线，结果见表2-4。
水库水位与库容关系表2-4
水位（m）
49
50
51
52
54
55
相应库容（104m3）
2.6
3.7
4.8
6.2
9.1
10.7
（三）、调洪演算结果
调洪演算采用广东省水利厅推广使用的《调洪演算TH－3》微机程序，分别计算水库10年一遇、20年一遇和200年一遇设计洪水的调洪演算。
详细计算见附件中水库调洪演算电算稿，计算成果列于表2-5。
调洪演算成果表表2-5
项目
工况
洪水重现期
（年）
最高水位
（m）
相应库容
（104m3）
最大泄量
（m3/s）
备
注
加固前
10
54.42
9.8
1.4
20
54.59
10.1
1.9
200
54.79
10.3
2.5
加固后
10
54.42
9.8
1.4
20
54.59
10.1
1.9
200
54.79
10.3
2.5
三、溢洪道水力计算
（一）、基础资料
张背山水库溢洪道建于1958年，本次加固工程在原溢洪道处重建溢洪道，根据以上水库调洪演算成果，溢洪道的下泄能力按20年一遇设计工况设计，下泄流量1.9m3/s，按200年一遇校核工况校核，下泄流量为2.5m3/s；下游消能防冲按10年一遇洪水标准设计，设计流量按最大下泄量1.4m3/s进行消能防冲计算。
（二）、溢洪道陡坡水面线和侧墙高度计算
加固后溢洪道为开敞式宽顶堰，采用C20砼边墙及C20砼护底，溢洪道进口段高程为54.00m，底宽2.3m，底板为C20砼基础，厚50cm；堰控制段、泄槽及消力池为C20砼护底，底板为50mm厚，底宽20m，泄槽底坡为1/2.6，消力池底板高程为48.0m，海漫段为矩形浆砌石，初始高程为48.50m，底坡为1/200。
溢洪道水面线计算设计洪水标准为20年一遇，最大泄流量为1.9m3/s，校核洪水标准为200年一遇，最大泄流量为2.5m3/s。
陡坡水面线计算采用省厅推广使用的微机程序《陡坡水面线计算DP-3》，详细计算见陡坡水面线计算电算稿，计算成果列于表3-1。
渗气水深计算：
hb=（1+ξV/100）*h
式中h，hb―――泄槽计算断面的水深及渗气后的水深，m;
v―――不渗气情况下泄槽计算断面的流速，m/s；
ξ―――修整系数，可取1.0到1.4m/s，流速大的取大值；
根据计算可以知道渗气后的水深，见下表3-1。
陡坡水面线计算成果表表3-1
陡坡始端水深
（m）
陡坡末端水深
（m）
水深
渗气后水深
水深
渗气后水深
20
0.424
0.43
0.137
0.15
200
0.51
0.52
0.165
0.18
从表3-1的计算成果可知，设计工况下溢洪道陡坡始端水深0.43m，陡坡末端0.15m；校核工况下溢洪道陡坡始端水深0.51m，陡坡末端0.18m；根据规范设计工况下安全加高0.8m，校核工况安全加高0.5m，取两者中较大值，因此取陡坡始端为1.23m，陡坡末端0.95m。
（三）、消能防冲计算
溢洪道消能形式采用底流消能，消能工设计洪水标准为20年一遇，设计流量1.4m3/s。
采用省厅推广使用的微机程序《陡坡水面线计算DP-3》计算得进水渠陡坡段始端水深为0.346米，流速5.41m/s，换算为静水位为54.35m。
底流消能计算采用省厅推广使用的微机程序《斜坡消力池水力计算XL-1》，详细计算见电算稿。
经计算，消力池长4.5m，消力坎高0.3m，第二共轭水深为0.98米。
取消力池长度4.5m，消力坎高度0.5m，消力池两边边墙高度取1.8米。
（四）、结构计算
（1）、溢洪道边墙
溢洪道进水渠延长的侧墙采用混凝土浇筑，混凝土重度γ=23KN/m3；具体尺寸见下面图,迎水坡为垂直坡，背水坡为1:
0.5；墙背土等效内摩擦角取φ=35º，填土重度γ=18KN/m3,填土表面坡角为0º，填土对侧墙的摩擦角取δ=φ/2=17.5º；侧墙基底摩擦系数f=0.35；简图如下：
抗滑稳定安全系数
式中G－挡土墙自重（KN）；
Ea－土压力（KN）；
μ－基底摩擦系数，取0.35。
抗倾稳定安全系数
式中G－挡土墙自重（KN）；
Ea－土压力（KN）；
采用水利部“水利水电工程PC－1500程序集（88版）”中的微机程序《G－9挡土墙稳定与应力计算程序》，详细计算见电算稿，根据计算结果抗倾稳定系数为13.5大于1.5，抗滑稳定系数为3.36大于1.3，因此挡土墙稳定满足要求。
（2）、消力池底板
溢洪道消力池底板厚度可根据抗冲和抗浮要求，分别按下面公式计算，并取其最大值。
抗冲
式中：
t─消力池底板始端厚度（m）；
─闸孔泄水时的上、下游水位差（m）；
─消力池底板计算系数，可采用0.15~0.20（m）；本次计算取0.20；
经过计算：
抗冲力t＝
＝374mm；本工程取500mm厚底板。
（3）、海漫长度
海漫长度
；
Lp为海漫长度；
qs为消力池末端单宽流量；
Ks为海漫长度计算系数；取8。
经过计算取海漫长度为15米。
四、坝顶高程复核计算
张背山水库挡水建筑物为均质土坝2座：
主坝坝顶长31m，最大坝高为7m，坝顶平均高程为55m，坝宽平均为3m；副坝坝顶长17.5m，最大坝高为6.8m，坝顶平均高程为55.8m，坝宽平均为4m。
因主副坝的坝型相同，所处的地形相识，因此其坝顶高程参照主坝取用。
现按《碾压式土石坝设计规范SL274-2001》（以下简称《规范》）第5.3条的规定及有关计算公式复核大坝的高度，其坝顶超高按《规范》第5.3.1条确定，公式如下：
Y=R+E+A
式中：
Y——坝顶超高，米；
R——最大波浪在坝坡上的爬高，米；
E——最大风壅水面高度，米；
A——安全加高，米。
（一）、风向与风速
在万分之一地形图上作大坝坝轴线的库内侧法线。
八个方位角中与大坝法线偏离最小的方向为东北方向。
因此，大坝风浪计算采用的风向为东北风方向。
由于博罗县气象局未对各个风向的风速作统计，仅提供年平均最大风速13.7m/s（没有分风向），故水库大坝的西南风按13.7m/s进行换算。
气象站风速仪离地面高度为5.0，根据《水工设计手册》第4卷P4-12表17-4-2～表17-4-4和图17-4-2，考虑仪器地面高度，气象站台隐蔽情况和地形高低进行换算成库面10米高处的风速。
⑴气象台离地面10米高处的风速：
V10=KVp查表17-4-2k=1.1
=1.1×13.7
=15.07m/s
⑵陆地风速换算成库区风速
查表17-4-3,气象台站隐蔽系数k1=1.8
查表17-4-4,气象台所在地的地形高低系数k2=1.1，则k1.k2=1.8×1.1=1.98,由k1.k2和V10查图17-4-2得多年库面平均最大风速为w10=21.93m/s.
采用值:
大坝库面上空10米高处的多年平均最大风速为21.93m/s。
本工程的大坝为5级坝，计算波浪爬高的设计风速：
正常运用条件下采用多年平均最大风速的1.5倍，即为32.90m/s；非常运用条件下采用多年平均最大风速，即为21.93m/s。
（二）、吹程
逆风向作主射线，主射线与坝轴线法线的夹角β=2°；并作坝前不同方向的吹程线，相邻风向吹程线的夹角为8°,不同风向吹程Di，夹角αi及计算过程见表4-7，等效风区长度De为69米。
等效风区长度计算表表4-1
I
项目
－5
－4
－3
－2
－1
0
1
2
3
4
5
合计
Di（m）
24
30
134
131
145
65
54
53
54
57
61
Αi
-40
-32
-34
-16
-8
0
8
16
24
32
40
Cosαi
0.767
0.848
0.914
0.961
0.990
1.000
0.990
0.961
0.914
0.848
0.767
9.96
DiCos2αi
14
22
92
121
142
65
53
49
45
41
36
680
De（m）
∑DiCos2αi/∑Cosαi
69
（三）、水域平均水深及坝前水深
大坝最大坝高7米，坝趾高程47.8米，库区平均高程48米，水域平均水深及坝前水深如下表4-2。
水域平均水深及坝前水深表表4-2
工况项目
洪水位（m）
水域平均水深（m）
坝前水深（m）
设计
54.59
6.59
6.79
校核
54.79
6.79
6.99
（四）、其他计算数据
根据规范规定和工程经验,其他计算数据取值如下:
坡高累积概率值取5%，爬高累积概率取5%，斜坡坡度系数为3.0，混凝土护坡沿坡向板长为3米，水容重为1吨/m3，块石容重2.5吨/m3，砼护面糙率及渗透系数取0.9，砌石护面糙率及渗透系数取0.8，砼容重取2.3吨/m3，护坡结构系数取0.075，综合摩阻系数取3.6×10-6。
（五）、坝顶超高
波浪护坡计算采用水利部“水利水电工程PC-1500程序集（88版）”的微机程序《K-5波浪护坡计算程序》改进windows版（惠州市水利局提供）。
计算成果：
（风浪爬高、同壅水面高）列于表4-3，详细计算见附件波浪护坡计算电算稿。
坝的安全加高在设计工况下取0.5m，在校核工况下取0.3m。
详细计算见电算稿，坝顶超高的计算成果列于表4-3。
坝顶高程复核计算成果表表4-3
项目
工况
静水位
（m）
风浪爬高（m）
风壅水面高（m）
安全加高
（m）
坝顶超高
（m）
坝顶高程
（m）
大坝
设计
54.59
0.92
0.00
0.5
1.42
56.01
校核
54.79
0.71
0.00
0.3
1.01
55.8
根据《规范》第4.4.3条的规定，坝顶高程取较大值，即56.01m,现状主坝坝顶高程为55.0m，副坝现状坝顶高程55.8m，故本工程主、副坝需要加高，坝顶高程为56.01。
五、土坝渗流计算
（一）、计算内容及计算工况
坝体浸润线计算选用坝体实测最大断面及设计最大断面进行计算。
因实测最大断面较不规则，对其进行适当的概化，以利于计算。
坝体浸润线的计算内容为：
①、确定坝体浸润线的位置；
②、确定坝下游坡溢出点的位置。
参照水库的实际运行情况及《广东省人大议案小型水库除险加固工程设计报告编制指引》（以下简称《编制指引》）的要求，确定以下计算工况：
工况一：
水库正常蓄水的坝体稳定渗流浸润线；
工况二：
库水位从设计洪水位按正常泄洪降至正常蓄水位坝体上游坝坡非稳定渗流浸润线；
工况三：
库水位在1/3坝高附近坝体稳定渗流浸润线（土坝上游坝坡陡于下游坝坡者）。
（二）、计算及计算结果
1、主坝加固前浸润线计算
张背山水库主坝现状最大坝高7m，坝顶高程55.0m，坝顶平均宽3.00m，坝上游坡加权平均坡度为1：
1.8，下游坡加权平均坡度为1：
2.6。
在计算中，坝体按均质坝考虑，坝基按不透水地基考虑，坝下游按无水考虑。
工况一：
水库正常蓄水的坝体稳定渗流浸润线。
水库加固前正常蓄水位为54.00m，坝前水深为6.0m，坝体渗透系数取大值平均值2.3×10-4cm/s。
浸润线计算采用水利部“水利水电工程PC－1500程序集（88版）”中的微机程序《K－2土坝渗流计算程序》。
详细计算见电算稿，经计算，坝下游坡溢出点的高度为1.753m，坝体浸润线曲线见表5-1。
主坝现状坝体正常蓄水位稳定渗流浸润线表5-1
x
0
2
4
6
8
10
12
14
16.64
y
5.05
4.78
4.48
4.17
3.84
3.47
3.05
2.57
1.75
工况二：
库水位从设计洪水位按正常泄洪降至正常蓄水位坝体上游坝坡非稳定渗流浸润线。
水库设计水位为54.59m，按正常泄洪降至正常蓄水位54.00m，库水位下降速度v查水库调洪演算电算稿得0.83m/d，坝体渗透系数k取小值平均值。
查水利电力出版社出版的《水工设计手册》第十五章“渗流计算”可知计算库水位下降时土坝浸润线位置，可按比值k/（μv）的指标来确定。
给水度μ按申斯基经验公式计算，计算公式如下：
式中：
μ——坝体土的给水度；
k——坝体渗透系数，m/d。
经浸润线的位置按《水工设计手册》的谢斯塔可夫公式计算，详细计算见电算稿。
坝体浸润线曲线见表5-2。
主坝现状坝体设计水位降至正常蓄水位非稳定渗流浸润线表5-2
x
8.45
12.45
16.45
20.45
24.45
28.45
32.45
y
6
5.99
5.52
4.86
4.08
3.09
1.58
工况三：
库水位在1/3坝高（50.33m）坝体稳定渗流浸润线
水库库水位在1/3坝高（50.33m），坝前水深为2.33m，坝体渗透系数取大值平均值2.3×10-4cm/s。
浸润线计算采用水利部“水利水电工程PC－1500程序集（88版）”中的微机程序《K－2土坝渗流计算程序》。
详细计算见电算稿，经计算，坝下游坡溢出点的高度为0.213m，坝体浸润线曲线见表5-3。
主坝坝体1/3坝高处稳定渗流浸润线表5-3
x
0
4
8
12
16
20
20.646
y
1.849
1.662
1.452
1.205
0.893
0.378
0.213
2、副坝加固前浸润线计算
张背山水库副坝现状最大坝高6.8m，坝顶高程55.8m，坝顶平均宽4.00m，坝上游坡加权平均坡度为1：
1.5，下游坡平均坡度为1：
1.8。
在计算中，坝体按均质坝考虑，坝基按不透水地基考虑，坝下游按无水考虑。
工况一：
水库正常蓄水的坝体稳定渗流浸润线。
水库加固前正常蓄水位为54.00m，坝前水深为6m，坝体渗透系数取大值平均值4.0×10-4cm/s。
浸润线计算采用水利部“水利水电工程PC－1500程序集（88版）”中的微机程序《K－2土坝渗流计算程序》。
详细计算见电算稿，经计算，坝下游坡溢出点的高度为1.251m，坝体浸润线曲线见表5-4。
副坝现状坝体正常蓄水位稳定渗流浸润线表5-4
x
0
2
4
6
8
10
12
14
16.15
y
4.90
4.61
4.30
3.96
3.59
3.18
2.71
2.13
1.25
工况二：
库水位从设计洪水位按正常泄洪降至正常蓄水位坝体上游坝坡非稳定渗流浸润线。
水库设计水位为54.59m，按正常泄洪降至正常蓄水位54.00m，库水位下降速度v查水库调洪演算电算稿得0.83m/d，坝体渗透系数k取小值平均值。
查水利电力出版社出版的《水工设计手册》第十五章“渗流计算”可知计算库水位下降时土坝浸润线位置，可按比值k/（μv）的指标来确定。
给水度μ按申斯基经验公式计算，计算公式如下：
式中：
μ——坝体土的给水度；
k——坝体渗透系数，m/d。
经浸润线的位置按《水工设计手册》的谢斯塔可夫公式计算，详细计算见电算稿。
坝体浸润线曲线见表5-5。
副坝现状坝体设计水位降至正常蓄水位非稳定渗流浸润线表5-5
x
6.75
10.75
14.75
18.75
22.75
26.75
y
6
5.86
5.37
4.65
3.75
2.53
工况三：
库水位在1/3坝高（50.33m）坝体稳定渗流浸润线
水库库水位在1/3坝高（50.33m），坝前水深为1.33m，坝体渗透系数取大值平均值4.0×10-4cm/s。
浸润线计算采用水利部“水利水电工程PC－1500程序集（88版）”中的微机程序《K－2土坝渗流计算程序》。
详细计算见电算稿，经计算，坝下游坡溢出点的高度为0.213m，坝体浸润线曲线见表5-6。
副坝坝体1/3坝高处稳定渗流浸润线表5-6
x
0
4
8
12
15.129
y
1.013
0.868
0.694
0.457
0.062
3、主坝加固后浸润线计算
主坝加固后，坝顶高程56.01m，坝顶宽5.0m，坝上游坡平均坡度为1：
2.8，下游坡平均坡度为1：
2.6。
在计算中，坝体按均质土坝考虑，坝基按不透水地基考虑，下游按无水考虑。
工况一：
水库正常蓄水的坝体稳定渗流浸润线。
水库加固前正常蓄水位为54.00m，坝前水深为6.0m，坝体渗透系数取大值平均值2.3×10-4cm/s。
浸润线计算采用水利部“水利水电工程PC－1500程序集（88版）”中的微机程序《K－2土坝渗流计算程序》。
详细计算见电算稿，经计算，坝下游坡溢出点的高度为1.118m，坝体浸润线曲线见表5-7。
主坝坝体正常蓄水位稳定渗流浸润线表5-7
x
0
4
8
12
16
20
22.918
y
4.577
4.185
3.751
3.261
2.682
1.937
1.118
工况二：
库水位从设计洪水位按正常泄洪降至正常蓄水位坝体上游坝坡非稳定渗流浸润线。
水库设计水位为54.59m，按正常泄洪降至正常蓄水位54.00m，库水位下降速度v查水库调洪演算电算稿得0.83m/d，坝体渗透系数k取小值平均值。
查水利电力出版社出版的《水工设计手册》第十五章“渗流计算”可知计算库水位下降时土坝浸润线位置，可按比值k/（μv）的指标来确定。
给水度μ按申斯基经验公式计算，计算公式如下：
式中：
μ——坝体土的给水度；
k——坝体渗透系数，m/d。
经浸润线的位置按《水工设计手册》的谢斯塔可夫公式计算，详细计算见电算稿。
坝体浸润线曲线见表5-8。
主坝加固后坝体设计水位降至正常蓄水位非稳定渗流浸润线表5-8
x
14.25
18.25
22.25
26.25
30.25
34.25
38.25
42.25
46.25
y
6
6.14
5.85
5.41
4.89
4.32
3.65
2.83
1.63
4、副坝加固后浸润线计算
张背山水库副坝加固后最大坝高7.01m，坝顶高程56.01m，坝顶平均宽5.00m，坝上游坡加权平均坡度为1：
2.8，下游坡平均坡度为1：
2.6。
在计算中，坝体按均质坝考虑，坝基按不透水地基考虑，坝下游按无水考虑。
工况一：
水库正常蓄水的坝体稳定渗流浸润线。
水库加固前正常蓄水位为54.00m，坝前水深为6m，坝体渗透系数取大值平均值4.0×10-4cm/s。
浸润线计算采用水利部“水利水电工程PC－1500程序集（88版）”中的微机程序《K－2土坝渗流计算程序》。
详细计算见电算稿，经计算，坝下游坡溢出点的高度为0.86m，坝体浸润线曲线见表5-9。
副坝加固后坝体正常蓄水位稳定渗流浸润线表5-9
x
0
4
8
12
16
20
20.989
y
3.824
3.461
3.054
2.585
2.009
1.178
0.86
工况二：
库水位从设计洪水位按正常泄洪降至正常蓄水位坝体上游坝坡非稳定渗流浸润线。
水库加固前设计水位为54.59
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