水库土石坝枢纽出险加固工程初步设计.docx
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水库土石坝枢纽出险加固工程初步设计
第1章基本情况
1.1绪言
黄洼水库位于信阳市新县苏河镇李庄村，处在淮河流域竹杆河支流上，控制流域面积0.3km2，河长0.5km，河道比降0.07，总库容12.30万m3，建成于1972年，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾水产养殖等综合利用的小
（2）型水库。
根据GB50201－94《防洪标准》及SL252-2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》，黄洼水库属Ⅴ等小
（2）型水库，建筑物级别为5级，防洪标准采用30年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核。
水库主要建筑物由大坝、溢洪道、输水管等组成。
根据调洪成果，水库设计水位223.85m，相应库容11.88万m3；校核水位224.29m，相应库容12.30万m3；水库正常蓄水位222.60m，相应库容11.70万m3；死水位215.00m，死库容2.00万m3。
（1）大坝
大坝为粘土心墙坝，现状坝顶高程244.10～224.50m，坝顶长90m，最大坝高15m，坝顶宽2.74～3.26m；心墙顶部高程218.27m；上游坝坡坡比1:
1.65，下游坝坡坡比1:
1.96；上游为块石护坡，下游护坡为草皮护坡，无纵横排水沟及排水反滤设施；坝顶及上下游坝坡上灌木、杂草丛生。
坝顶宽度不够且没有硬化；大坝坝体渗漏量大，干砌石护坡损坏严重；大坝存在白蚁危害，上坝道路不畅，无监测设施，管理设施不完善。
（2）溢洪道
溢洪道位于大坝右侧，无衬砌，现状堰顶高程为223.40m，宽度为3.6m，过流断面较小，泄流能力不满足防洪要求，无消能措施。
（3）输水洞
输水洞位于大坝右侧山体上，为斜卧管控制。
进口底部高程215.00m，设计引水流量0.1m3/s。
目前斜卧管砼碳化严重，结构已破损，漏水严重。
水库建于“文革”时期，工程在无任何勘测设计资料的情况下仓促上马，属“三边”工程。
由于水库修建时，建筑材料缺乏，施工质量差，又经过40多年运行，大坝出现渗漏，上游为块石护坡、冲刷严重，输水洞不能正常运用，溢洪道无护砌，无消能措施，过流断面较小，不能安全泄洪，危及大坝安全。
为了确保大坝安全，充分发挥水库效益，新县水利局成立小型病险水库除险加固专门管理机构并委托武汉大学对黄洼水库进行安全评价工作。
经现场勘查，收集查阅历史资料，参照《水库大坝安全评价导则》（SL258-2000）和豫水管【2007】5号文《河南省水利厅关于小
（2）型水库安全鉴定办法（试行）的通知》的要求，结合黄洼水库的工程现状，编写完成了信阳市新县黄洼水库大坝安全综合评价报告，安全鉴定结论如下：
（1）经复核，水库防洪能力不满足国家《防洪标准》（GB50201－94）要求，防洪安全性为C级。
（2）大坝心墙填筑土料以低液限粘土为主,含有风化砂，填筑碾压质量不均匀，且填筑密实度不均，心墙顶部高程为218.27m，低于设计洪水位223.85m和校核洪水位224.29m。
渗流安全性为C级。
（3）溢洪道无衬砌，无消能措施，结构安全性为C级。
（4）输水洞斜卧管老化，砼碳化严重，不能正常使用。
（5）无上坝道路，无监测设施，管理设施不完善。
综上所述，大坝病险严重，属三类坝。
第2章水文
2.1流域概况
黄洼水库位于信阳市新县苏河镇境内，处在淮河流域竹杆河支流上，控制流域面积0.3km2，河长0.5km，河道比降0.07，总库容12.30万m3，建成于1972年，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾水产养殖等综合利用的小
（2）型水库。
2.2气象、径流特征
流域属亚热带季风性气候区，多年平均气温15.1℃，无霜期221.4天，多年平均日照时数为2178.9小时，日照率49.1%。
多年平均降水量1300mm，大部分雨量集中在5、6、7、8四个月份，约占全年降雨量的60%，流域陆面蒸发710mm，水面蒸发900mm，多年平均最大风速15m/s。
黄洼水库流域范围内因无水文测站，没有水位及出库流量观测数据，无法直接计算其年径流量成果。
故本次采用等值线图法计算天然年径流，多年平均年径流深R查算2007年河南省水资源编纂委员会编制的《河南省水资源》附图之河南省多年平均年径流深等值线图，黄洼水库天然年径流量采用下式计算：
（2.1）
式中：
—天然年径流量，万m3；
—多年平均年径流深，mm；
—流域面积，0.3km2。
量算出流域面积重心处的多年平均年径流深为537mm，故黄洼水库多年平均径流量16.1万m3。
2.3基本资料
黄洼水库没有降雨、水位、流量观测项目。
设计洪水计算依据1984年河南省水利勘测设计院编制的《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》（以下简称《84图集》）、2005年河南省水文局编制的《河南省暴雨参数图集》（以下简称《05图集》）。
2.4设计暴雨
2.4.1设计暴雨量
根据流域水文气候特征，设计暴雨历时确定为24小时。
分别查《84图集》、《05图集》中10’、1、6、24小时点雨量值
、相应时段的偏差系数Cv（Cs=3.5Cv）和相应频率的模比系数Kp，并计算各频率的设计面雨量值
（流域面积小于50km2，点面折减系数为1，面雨量等于点雨量），计算成果见表2.1。
表2.1年最大1、6、24小时设计点雨量表
选用图集
时段
t（h）
Ht
（mm）
Cv
10%
3.33%
0.33%
Kp
Htp
Kp
Htp
Kp
Htp
《84图集》
10’
17.5
0.35
1.47
25.7
1.78
31.2
2.40
42.0
1
45
0.40
1.53
68.9
1.91
86
2.66
119.7
6
85
0.50
1.66
141.1
2.18
185.3
3.24
275.4
24
133
0.53
1.70
226.1
2.26
300.6
3.43
456.2
《05图集》
10’
16
0.36
1.48
23.7
1.80
29.0
2.45
39.1
1
47
0.40
1.53
72.1
1.91
90.0
2.66
125.0
6
90
0.45
1.60
144.0
2.04
184.0
2.94
264.8
24
140
0.50
1.66
232.5
2.18
305.0
3.24
453.5
通过表2.1可以看出，《05图集》的暴雨参数与《84图集》的暴雨参数相差在±5%以内，考虑到《05图集》比《84图集》资料系列更长，代表性更好，本次水文复核采用《05图集》参数。
其它不同历时的设计点雨量由以下公式计算：
暴递减指数
（适用1h以内）（2.2）
（适用1～6h）（2.3）
（适用6～24h）（2.4）
各历时雨量
（适用
）（2.5）
（适用
）（2.6）
（适用
）（2.7）
按以上公式计算的流域各频率的暴雨递减指数列于表2.2。
表2.2黄洼水库各频率的暴雨递减指数
设计频率
n1
n2
n3
P=10%
0.401
0.610
0.681
P=3.33%
0.390
0.585
0.681
P=0.33%
0.375
0.550
0.681
2.4.2设计净雨计算
降雨径流关系线选用《84图集》“河南省山区丘陵地区降雨径流关系曲线图”Ⅰ号线，降雨最大初损值Imax=50mm。
由各频率24小时暴雨查《84图集》次降雨径流关系
得24小时净雨深R24，P为24小时设计雨量，Pa为设计前期影响雨量，50年一遇以上暴雨
，10～20年一遇
。
计算结果见表2.3。
表2.3设计净雨计算表
频率
10%
3.33%
0.33%
设计雨量P
232.5
305.0
453.5
前期影响Pa
33.3
40
50
P+Pa
265.8
345.0
503.5
查84图集:
R24
171
245
391.2
2.5设计洪水
2.5.1设计洪量
采用降雨径流关系用下式计算24小时设计洪量：
（2.8）
—24小时净雨深，mm；
—流域面积，km2。
列表计算如表2.4：
表2.424小时各频率设计洪量
频率P
项目
10%
3.33%
0.33%
R24（mm）
171
245
391.2
W24（万m3）
5.1
7.4
11.7
2.5.2设计洪峰流量
黄洼水库控制流域面积小于200km2，宜于用推理公式计算洪峰流量。
公式为：
（2.9）
（2.10）
（2.11）
式中：
—设计洪峰流量，m3/s；
—洪峰径流系数；
—洪峰汇流时间，h；
—流域面积，0.3km2；
—干流长度，km，L=0.5km；
—
的平均比降，以小数计，J=0.07；
—设计最大1小时雨量平均强度，即设计频率1小时点雨量，mm；
—设计暴雨递减指数,当
小时n=n2，当
小时n=n2，
小时n=n3，计算成果见表2-2；
—平均入渗率，取3mm/h；
—汇流参数。
据公式
，可查图或用
求出。
将三个基本公式联立转换成方程：
（2.12）
最大1小时净雨平均强度为
。
计算成果见表2.5。
表2.5推理公式法计算洪峰流量
频率P
项目
10%
3.33%
0.33%
S（mm）
74.3
93.1
130.3
θ
1.64
m
0.6
τ（h）
0.320
0.301
0.275
Qm（m3/s）
9.5
12.1
17.4
2.5.3设计洪水过程
采用概化过程先叠加方法推求洪水过程线。
依据《84图集》表（3）24小时净雨时程分配表，以N2p、N3p为参数对24小时净雨概化时程进行分配。
将净雨过程按τ时段进行分配成净雨平均强度Rτ，以各τ时段的净雨平均强度Rτ计算各次峰的洪峰流量Qi=0.278RτF/τ，然后对应于净雨过程绘制底宽为2τ、顶高为Qi（主峰的顶高为Qm）的等腰三角形，连接三角形顶高形成24小时洪水过程线，调整各频率过程线（主峰不变），量算过程包含的洪峰，使其与设计洪量相等，查出各时段对应的洪峰流量值，形成洪水过程线，见表2.6和图2.1。
表2.6黄洼水库设计洪水过程线表
时段（h）
10%
3.33%
0.33%
7
0
0.2
0.3
7.5
0.2
0.2
0.4
8
0.2
0.3
0.5
8.5
0.3
0.5
0.8
9
0.3
0.5
0.8
9.5
0.4
0.5
0.9
10
0.4
0.5
0.9
10.5
0.4
0.5
0.9
11
0.4
0.6
1.0
11.5
0.5
0.9
1.4
12
0.5
0.9
1.5
12.5
0.5
1.1
1.8
13
0.7
1.3
2.1
13.5
1.2
1.9
3.1
14
1.6
2.7
4.5
14.5
4.8
5.6
9.0
15
9.5
12.1
17.4
15.5
0.8
1.4
2.3
16
0.8
1.3
2.2
16.5
0.5
1.1
1.8
17
0.5
1.0
1.8
17.5
0.6
0.8
1.4
18
0.5
0.8
1.3
18.5
0.4
0.5
0.9
19
0.4
0.5
0.9
19.5
0.3
0.5
0.8
20
0.3
0.4
0.8
20.5
0.2
0.3
0.6
21
0.2
0.3
0.6
21.5
0.2
0.3
0.6
22
0.2
0.3
0.5
22.5
0.2
0.2
0.4
23
0.2
0.2
0.4
23.5
0.2
0.2
0.4
24
0
0.2
0.3
Qm（m3/s）
9.5
12.1
17.4
从上至下依次为：
300年、30年、10年一遇洪水过程线
图2.1黄洼水库设计洪水过程线图
2.6施工设计洪水
2.6.1施工设计洪水标准
黄洼水库属小
（2）型水库，工程等别为Ⅴ等，枢纽永久性水工建筑物级别为5级。
根据《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303-2004）和本工程的具体条件及施工导流阶段的要求，临时建筑物级别定为5级，相应确定该工程导流建筑物洪水标准采用5年一遇。
2.6.2施工期确定
根据对黄洼流域降雨特性的分析可知，从4月份开始降雨量明显增大，至11月份明显减小，由此可以确定黄洼水库的汛期在每年的4～10月，枯水期在每年的11到次年的3月。
根据施工组织设计，黄洼水库输水管安全加固施工安排在枯水期12～2月进行，根据施工要求，需计算12～2月5年一遇入库水量。
2.6.3入库水量
黄洼水库所在流域无实测水文资料，故参证临近流域泼河水库实测入库径流资料。
现收集到泼河水库1951～2007年实测逐月入库径流系列，分析得到12月、1月、2月、12～2月份5年一遇来水量，泼河水库控制流域面积222km2，通过水文比拟法推得黄洼水库各分期5年一遇来水量见表2.7。
表2.7黄洼水库12～2月入库水量成果表
施工期
泼河水库分期（20%）入库水量
（万m3）
黄洼水库入库水量
（万m3）
12～2月
1873
2.53
12月
477.5
0.65
1月
582.5
0.79
2月
856
1.16
2.7泥沙及死库容复核
水库坝址无泥沙观测资料，查算2007年《河南省水资源》附图，水库悬移质多年平均年输沙模数约110t/km²/a。
综合悬移质、推移质泥沙和岸崩三者需要的淤积库容由下式计算：
V=GT/γ（1+E）（2.13）
式中：
V—淤积库容，m³；
T-—淤积年限，为42a；
G—多年平均悬移质输沙量，G=FS0，其中S0取110t/km²/a；
F—集水面积，0.3km²；
γ—泥沙的容重，一般用1.3t/m³；
E—为推移质和岸崩二者占悬移质泥沙的百分比，本水库取20%。
各参数代入后求得淤积库容V为0.13万m³，小于原规划死库容2.0万m3，按水库运行42年计算，平均每年淤积30.5m3。
若计划水库继续运行30年，总淤积库容为0.22万m3，依旧小于规划死库容，故规划死水位能够满足继续运行要求。
第3章工程地质
3.1地形地貌
黄洼水库位于信阳市新县苏河镇境内，在淮河流域竹杆河支流上，工程区地貌上属大别山腹地构造剥蚀中低山地貌区，由浅低山及高中低丘陵和侵蚀宽谷、侵蚀隘谷等组成，山间谷底高程在209.0m左右，左右岸山顶高程在2m左右，大坝位于山谷间一条冲沟上，大坝上游沟谷较窄，大坝下游沟谷稍宽，河床两岸无阶地形成。
3.2地层岩性
本次勘察查明，在钻探所达深度范围内，坝体地层为人工填筑土，坝基主要为片岩（Pt）。
现根据各层土结构特点和岩土工程性质，从上到下叙述如下：
第①层：
砾质土（Q4m1）
黄色～棕黄色，系筑坝时人工回填的砾质土，稍湿，堆积松散～中密，局部为粉质粘土，土的状态可塑～软塑状。
组成以粘粒、粉粒土为主，密实性差，孔隙发育，结构较疏松，填筑土厚3.0～6.0米。
第②层：
粘土心墙（Q4m1）
黄褐色,湿，土呈可塑状,物质组成以低液限粘土为主,含有风化砂，填筑碾压质量不均匀。
本层区内分布不均，层厚3.5～9.0米。
第③层：
强风化片岩（Pt）
黄色～灰白色，片状构造，组分以石英、长石、云母为主，次为角闪石。
母岩结构已完全破坏，呈强风化状态，锤击易碎，岩心呈碎末状，采取率低。
本层区内分布均匀，顶板起伏较大，层厚1.5～2.0米。
第④层：
中风化片岩（Pt）
黄色～灰白色，片状构造，组分以石英、长石、云母为主，次为角闪石，岩心呈块状或短柱状，采取率低，本层区内分布均匀，顶板起伏较大，此次勘察未揭穿此层，最大厚度5.0m。
3.3地质构造与地震
3.3.1区域地质构造
黄洼水库区位置在区域构造单元划分上属三级构造单元之西峡-南湾地向斜褶皱束（Ⅱ14），以水库大坝为中心60km范围内的大断裂南有桐柏～商城深断裂，北有信阳～梅山深断裂，两条断裂呈北西西向平行展布，是二级构造单元界线。
3.3.2新构造运动与地震
据《中国地震目录》（1960年）记载，信阳市自明宪宗成化七年四月（1471年5月）记载最早的商城县金刚台地震以来，全市共发生有感地震百余次，但震级接近或等于5级的地震仅有4次，其中商城、潢川、光山和平桥区各一次，震中烈度为Ⅵ度。
因此，将黄洼水库库区地震基本烈度定为Ⅵ度。
另据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），黄洼水库工程区地震动峰加速度为0.05g。
根据《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）之规定，从场地土的性质判定，场地土属中硬场地土，场地类别为Ⅰ类，属抗震一般地段。
3.4枢纽区工程地质条件
3.4.1大坝
3.4.1.1坝基
据钻探分析，桩号0+000～0+090段坝基主要为片岩（Pt），坝基分别为第③层强风化片岩，渗透系数q=2.40Lu～3.20Lu，属弱透水，第④层为中风化片岩，渗透系数q=0.29Lu～0.41Lu，属微透水层，不存在坝基渗漏。
3.4.1.2坝体
（1）填土质量
从大坝钻探来看，坝体土料有相当一部分含有机质耕作土，很湿，呈可塑～软塑状，钻进中有缩径现象，坝体采取10组原状填土样室内分析，干密度最小值为1.54g/cm3，最大值为1.61g/cm3，平均值为1.58g/cm3，由坝体填土取样击实试验，最大干密度为1.68g/cm3，（由规范小水库干密度设计值为1.68×0.96＝1.61g/cm3）与规范要求1.61g/cm3比较，合格率为20%。
压实度为0.925，说明坝体填筑质量不满足规范要求。
（2）坝体的透水性试验
坝基第④层为中风化片岩，q=0.29Lu～0.41Lu,属微透水层，第③层为强风化片岩，渗透系数q=2.40Lu～3.20Lu,属弱透水层，故不存在坝基渗漏。
坝体分别为第①层砾质土渗透系数K=3.85E-3～4.25E-3cm/s,属强透水层、第②层粘土心墙渗透系数K=1.34E-4～6.45E-5cm/s，属中等～弱透水层，注水试验成果见表3.1。
表3.1土岩层渗透试验成果表
序号
土名
试验方法
组数
范围值（cm/s）
平均值（cm/s）
渗透等级
①
砾质土
钻孔注水
3
3.85E-3～4.25E-3
4.08E-3
强等透水
②
粘土心墙
钻孔注水
4
1.34E-4～6.45E-5
1.20E-4
中等～弱透水
③
强风化片岩
钻孔压水
3
q=2.40Lu～3.20Lu
q=2.42Lu
弱透水
④
中风化片岩
钻孔压水
3
q=0.29Lu～0.41Lu
q=0.26Lu
微透水
大坝渗漏严重，主要是坝体填筑不密实，坝基与坝体接合处施工处理不当造成，存在渗透安全问题。
根据原位和室内试验成果，经综合分析整理，代替料物理力学性质试验成果见表3.2和3.3。
表3.2坝体代替料颗粒分析成果统计表
统计项目
颗粒组成（%）
砾石（mm）
砂粒（mm）
粉粒（mm）
粘粒（mm）
>2
2～0.5
0.5～0.25
0.25～0.075
<0.075
<0.005
组数
4
4
4
4
4
4
最大值
33.1
13.5
12.5
11.6
34.5
27.4
最小值
22.3
9.7
8.9
8.4
29.2
17.5
平均值
27.5
11.6
10.7
10.2
31.6
22.4
推荐值
27.5
11.6
10.7
10.2
31.6
22.4
表3.3粘土心墙力学性质试验成果统计表
土体单元序号
②
土名（时代成因）
粘土心墙（Q4ml）
试验项目
组数
范围值
平均值
饱快
C
（KPa）
4
24-35
30
摩擦角
（°）
4
11.6-15.2
13.4
饱固快
C
（KPa）
4
18-29
23
摩擦角
（°）
4
14.9-18.4
16.1
压缩系数
MPa-1
6
0.383-0.488
0.40
压缩模量
MPa
6
4.78-7.12
6.43
标准贯入击数
击
13
4-6
5
3.4.2溢洪道
溢洪道位于大坝右侧，为开敞式宽顶堰，堰顶宽3.60m，进口堰顶高程223.40m；底部为原状岩体，呈强风化状态，两岸为原状山体。
溢洪道进口明渠段为第①层砾质土上，该层土渗透性大，抗冲刷能力差；底部为第③层强风化片岩该层强度高，为理想持力层，fak=300MPa,工程地质条件良好。
陡坡段为第③层强风化片岩，该层强度高，为理想持力层，fak=260MPa,工程地质条件良好。
但抗冲刷能力差。
尾水渠为第①层砾质土层厚1.0m，fak=160MPa，该层土渗透性大。
下伏第③层强风化片岩，该层强度高，为理想持力层，fak=260MPa,工程地质条件良好。
但抗冲刷能力差，溢洪道设计应考虑衬砌防护问题。
3.4.3输水洞
输水洞斜卧管位于水库右侧山坡上，平管为Φ400mm的砼预制管，进口高程215.00m，洞身长158m。
进口由斜卧管，出口直接与渠道相接，出水口底部高程为213.86m，出水口尺寸为0.5×0.5m（宽×高）。
设计引水流量0.1m3/s。
勘察结果表明，输水洞闸室及洞身基础部分持力层均为第③层强风化片岩，该层强度高，为理想持力层，fak=260MPa,工程地质条件良好。
洞身基础无沉降变形。
3.5天然建筑材料
3.5.1土料区
据料区调查，工程所需土料可以就地取材，在水库库区下游粘性土（低液限粘土）较为丰富，储量能够满足工程需要。
土料区评价：
成分为粉质粘土，棕黄色，粘粒含量较27.3～35.4，规范要求10％～30％；天然含水率23.4％，稍大于最优含水率22.1％；塑性指数13.5，规范要求7～17，综合评价土料区土料基本满足规范要求，基本合格。
石料可采用下箭厂河石料场块石，材质优良。
经取样分析，饱和密度2.69g/cm3，饱和吸水率0.47%，饱和单轴抗压强度110MPa。
碎石可按粒径要求从块石中加工获取。
水泥及其它建材采购于新县县城，运距约60km。
材料货源充足，均可保证工程用量。
外购材料进场前必须进行质量控制指标检测，满足要求后方可进场。
3.6结论
通过本次勘察，黄洼水库大坝、溢洪道、输水洞工程水文地质条件基本查明:
（1）黄洼水库位于信阳市新县苏河镇境内、在淮河流域竹杆河支流上，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾水产养殖等综合利用的小
（2）型水库。
库区及坝址区地貌上属大别山山前低山区。
（2）库区工程地质条件良好，不存在穿坝断裂，建库以来库岸边坡稳定，未发生边岸再造等不良工程地质问题，水库淤积轻。
（3）坝址区地层结构较简
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