芮城县坑头水库应急处理工程初步设计.docx
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芮城县坑头水库应急处理工程初步设计
1综述
1.1项目背景
坑头水库位于黄河流域葡萄涧支流水峪涧上，地处芮城县坑头村东，是一座以防洪灌溉为主的小
（二）型水库。
水库始建于1956年，1957年竣工蓄水。
水库控制流域面积27.0km2，设计总库容50万m3，其中：
兴利库容27万m3，防洪库容13万m3，死库容10万m3。
水库设计灌溉面积0.15万亩。
水库下游保护范围包括芮城县城及周边5个村庄、9.4万口人、1500亩农田，以及世界文化遗产永乐宫和其他3处国家级文物保护单位、平风公路、通讯电力设施等。
坑头水库原设计防洪标准为五十年一遇洪水设计，百年一遇洪水校核。
目前该大坝未进行除险加固，水库达不到现行要求20年一遇设计，200年一遇校核标准。
水库目前库区淤积严重，淤积量达23万m3，大坝质量差，卧管不能正常泄洪，溢洪道未衬砌，无消能设施，部分断面堵塞严重，达不到设计泄洪能力。
由于上述问题存在，水库一直不能正常蓄水，防洪及灌溉效益不能正常发挥，且危及下游人民生命安全，急需应急处理改造。
为有效防止和减弱洪水灾害、消除重点隐患，保证大坝和下游人民群众的生命与财产安全，根据省水利厅水库应急处理有关精神，我公司受水库管理单位委托，编制了《芮城县坑头水库应急处理工程初步设计报告》。
1.2编制依据
1.2.1主要法律、法规
《中华人民共和国防洪法》
《中华人民共和国防汛条例》
1.2.2主要规范规程
（1）《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2002;
（2）《防洪标准》（GB50201-94）;
（3）《水工设计手册》（6）（水利水电出版社，1982年5月）；
（4）《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303-2004）。
1.2.3主要依据
（1）《山西省小型水库信息库》（运城卷，2008年7月）；
（2）《山西省运城市芮城县坑头水库大坝安全鉴定评价报告》（运城市水利勘测设计研院，2007年11月）。
1.2.4设计原则
（1）、由于为度汛应急工程，关键是要排除影响度汛安全的突出问题，所以本次设计本着先急后缓的原则，对重点隐患进行除险改造；
（2）、结合水库安全鉴定，应急处理工程应符合水库除险加固改造要求；
（3）、工程方案技术可行，经济合理，施工方便。
1.2.5应急处理改造项目
根据《山西省运城市芮城县坑头水库大坝安全鉴定评价报告》结论意见，该库属于病险水库，水库大坝枢纽存在问题较多，依据省厅对水库度汛应急工程安排意见及设计原则，本次设计仅对影响度汛安全突出问题，水库溢洪道进行全面改造，使其达到现行设计泄洪标准，确保大坝安全，减少保护范围淹没损失。
水库存在其它问题，待水库除险加固改造工程中全面解决。
1.3概算成果
本工程概算总投资120.13万元。
总投工38614工时。
总工程量26219m3，其中土方开挖12641m3，外运土方6546m3，土方填筑2452m3，砌石4414m3。
共需水泥117t，柴油7833kg，砂627m3，碎石1408m3，块石2612m3，铅丝笼石969m3。
2工程概况
2.1工程基本情况
坑头水库位于黄河流域葡萄涧支流水峪涧上，地处芮城县古魏镇坑头村东，是一座以防洪、灌溉为主的小
（二）型水库。
水库始建于1956年，1957年竣工蓄水。
设计防洪标准为：
五十年一遇洪水设计，百年一遇洪水校核，总库容50万m3，控制流域面积27.0km2，设计灌溉面积0.15万亩。
水库失事后影响芮城县城及周边5个村庄、94000口人、1500亩农田及世界历史文化遗产芮城县永乐宫、3处国家级文物保护单位、平风公路、通讯电力设施等。
坑头水库于1956年由芮城县水利局设计，当年由芮城县城关公社组织受益区4个村村民实施。
大坝施工前未对河槽进行清理，施工采用河槽两岸附近土料，以小平车推运上坝，用履带式东方红拖拉机碾压。
枢纽工程由大坝、卧管及灌溉涵洞、溢洪道三部分组成。
大坝碾压均为土坝，最大坝高15m，坝长150m，坝顶宽6.5m，坝顶高程580m，大坝上游坡比1：
4.0，下游坡比1：
3.5，均为草皮护坡。
下游坝脚设堆石排棱水体，棱体高3.0m，顶宽0.5m，外坡比为1：
1.5。
卧管位于库区右侧岸坡上，管身为矩形断面，宽0.5m，高0.5m，坡比1：
2.0。
侧墙为水泥砂浆砌砖，底板为钢筋砼，管台盖板为钢筋砼，管台上设孔径Ф250mm的进水口，相邻两孔高差为40cm，共29个进水口，最低一级进水口高程为566.80m，进水口盖板为预制钢筋砼。
灌溉涵洞于卧管消力池相接，为半圆拱无压洞，长110m，洞宽1.4m，高1.8m，进口底板高程565.0m，纵坡1/200。
卧管消力池目前已损坏。
溢洪道位于大坝左端，进口底高程577m，断面净宽6.0m，总长440m，设计最大泄量85m3/s，经校核，溢洪道现状过流能力为26m3/s。
明渠溢洪道断面较小，且均未衬砌，下游出口没有设消能设施，且部分段堵塞严重，水库建成至今，达不到设计泄洪能力，溢洪道一直带病运行。
坑头水库工程技术经济指标见表2-1。
表2-1坑头水库工程技经表
项目
单位
原设计技术指标
现状
达到技术指标
流域面积
km2
14.69
27.0
流域特征
石山区
km2
12.4
14.1
丘陵区
km2
2.29
12.9
流域长度
km
11
12.1
流域平均宽度
km2
1.344
2.23
纵波
‰
35
48.8
多年平均降雨量
mm
550
500
多年平均径流量
万m3
123
123
多年平均输沙量
万吨
0.28
0.28
清水流量
m3/s
0.012
0.012
设计洪水
标准
％
2
5
洪峰流量
m3/s
226
115
洪水总量
万m3
95
87.8
校核洪水
标准
％
1
0.5
洪峰流量
m3/s
290
261
洪水总量
万m3
120
183
水库调节方式
年调节
年调节
续表2-1坑头水库工程技经表
项目
单位
原设计技术指标
现状
达到技术指标
设计效益
灌溉
保证率
％
50
50
面积
万亩
0.15
0.15
防洪
保护村镇
个/人口
5/940000
5/94000
耕地和设施
亩
1500/县城永乐宫
1500/县城永乐宫
水库特征
总库容
万m3
50
50
灌溉兴利库容
万m3
27
17
防洪库容
万m3
13
重复利用库容
万m3
0
死（泥沙）库容
万m3
10
兴利水位
m
577
577
汛期限制水位
m
572.5
设计洪水位
m
578.5
校核洪水位
m
579
死（泥沙）水位
m
569.6
573.6
淤积年限
年
已淤积库容
万m3
23
大坝工程
坝型
均为土质
均为土坝
坝高
m
15
15
坝顶宽
m
6.5
6.5
坝顶长
m
150
150
坝顶高程
m
580
580
河底高程
m
565
565
续表2-1坑头水库工程技经表
项目
单位
原设计技术指标
现状设计指标
大坝工程
坝坡
上游坡
1：
4.0
1：
4.0
下游坡
1：
3.5
1：
3.5
地基防渗工程
溢洪道工程
型式
溢洪道
溢洪道
进口断面
m
6
6
进口底槛高程
m
577
577
进口控制方式
无
无
泄槽尺寸
m
出口消能方式
总长度
m
440
440
设计泄量
m3/s
校核泄量
m3/s
85
26
放水工程
型式
涵卧管式
涵卧管式
进口水断面
mm
Ф250
Ф250
进口底槛高程
m
565
565
进口控制方式
卧管
卧管
涵洞尺寸
m
1.4×1.8
1.4×1.8
出口消能方式
总长度
m
110
110
设计流量
m3/s
最大流量
m3/s
1.0
1.0
2.2工程存在的主要问题
坑头水库存在的主要问题：
1、库区：
水库淤积严重，目前泥沙淤积23万m3，已将兴利水库侵占一半，淤积高程573.6m（淤积高度8.6m）；
2、坝体：
坑头水库施工时未对大坝基础进行彻底清理，大坝填筑质量差，平均干密度为1.44g/cm3，大坝上游未护砌，下游坝坡无排水沟，右坝段出现较多的裂缝；
3、溢洪道：
溢洪道断面较小，且全段未衬砌，出口无消能设施，部分段堵塞严重，达不到设计泄流能力；
4、卧管及涵洞：
涵洞侧墙砌石部分砂浆脱落，左侧洞帮有多处细小裂缝，宽1~3mm，底板砼出现蜂窝麻面，卧管消力池损坏，不能正常下泄；
5、其它设施：
大坝无工程、水文安全监测设施，无水情测报系统。
由于大坝存在诸多问题，水库一直空库运行。
2.3本次改造内容
对溢洪道断面进行拓宽和挖深，提高溢洪道过流能力，同时拆除原有的三座机耕桥，新建一座机耕桥，对原有的公路桥拆除重建。
3工程地质及水文地质
3.1区域工程地质及水文地质情况
1）、地质构造及地形地貌
坑头水库位于秦岭东西构造带北缘，祁吕贺兰山字型构造前弧东翼，新华夏系第三隆起带南端，是三大结构体系的复合和联合部位。
坝基土为第四系下更新统，主要由粉质土构成。
坝址位于黄河阶地的黄土台垣前缘地带，河谷呈“V”字形南北流向，河谷两岸冲沟发育，沟壁陡立，谷内阶地已被冲沟破坏，但仍见由阶梯陡坎残留，谷底地势由北向南倾斜。
2）、水文地质条件
本区地下水类型相对简单，主要受大气降水垂直补给之后，形成地下潜水，由北向南以泉水形式排泄地表，汇入黄河。
3）、地震
按照《中国地震动参数区划图》（2001），本场地的地震设防烈度为Ⅶ度。
3.2枢纽工程地质
坝体为素填土（Q4ml）：
浅黄色~褐黄色，上部稍湿，下部湿、稍密~中密。
填土以粉土为主，粉质粘土次之，局部含有砾石、腐殖土和遇水软化的钙质结核，均匀性差。
本次将表层松散土清除后，在桩号0+030、0+080、0+130m处挖取探井3个（总进尺19.6m），取土样19组（试验结果见表3-1）。
土体物理学指标平均值为：
含水量值为4.81%，孔隙比值为0.92，天然密度值为15.2KN/m3，干密度值为14.4KN/m3，粘聚力值为45.05KPa，内摩擦角值为19.6°，压缩系数值为0.297MPa-1，压缩模量值为11.39MPa，渗透系数值为4.25×10-4cm/s。
下游河槽坝基土为粉质粘土（Q1al）：
青灰色，褐红色，坚硬状态，具少量孔隙。
土体物理力学指标为：
含水量值为23.6%，孔隙比值为0.724，天然密度值为17.3KN/m3，干密度值为16.1KN/m3，粘聚力值为29KPa，内摩擦角值为20°，承载力特征值为300KPa。
土工试验成果表见3-1。
4防洪标准复核
4.1流域情况
坑头水库位于山西省运城市芮城古魏镇坑头村，坝址位于黄河流域葡萄涧支流水峪涧上，流域地貌上游为石山区，下游为黄土丘陵沟壑区。
经本次采用1：
1万地形图进行复核，水库以上控制流域总面积27.0km2，其中变质岩石山区面积14.1km2，黄土丘陵沟区面积12.9km2，坝址以上流域长12.1km，流域平均宽2.23km，河床纵坡48.8‰。
流域内植被一般。
水库兴建于1956年，1957年竣工，是一座以防洪、灌溉为主的小
（二）型水库工程，原设计总库容50万m3，目前已累计淤积泥沙23万m3。
本流域属大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季暴雨时有发生，秋季阴雨连绵，冬季少雪干冷。
根据芮城县气象站统计资料，多年平均降雨量504.3mm，最达日降雨量124.3mm（1972年9月1日）。
多年平均蒸发量1973mm，多年平均气温12.9℃，历年最高气温为40.3℃，极端最低气温-18.7℃，无霜期为200天，多年平均风速2.7m/s，最大风速28m/s（1982年5月2日），风向多为东南风。
汛期6～9月份降雨量占全年降雨量的63%，主汛期7月15日至8月15日雨量比较集中。
4.2防洪标准
4.2.1洪水特性
由于本流域内无水文测站，属无资料地区，流域面积较小，洪水计算采用《山西省暴雨洪水计算使用手册》（简称《省手册》）中推理公式法和《山西省运城地区水文计算手册》（简称《地区手册》）分别计算，首先计算流域的设计暴雨，然后由设计暴雨推求设计洪水。
由于坑头水库总库容为50万m3，按水利水电工程等级划分标准属五等工程，其主要建筑物为5级永久性水工建筑物，且由于大坝坝型为均质土坝，因此根据《水利水电工程等级划分标准及洪水标准》（SL252—2000）规范选用防洪标准为20—30年一遇设计，200—300年一遇校核。
4.2.2.1《山西省暴雨洪水计算实用手册》计算设计洪水
（1）设计暴雨
根据《山西省暴雨洪水计算实用手册》中暴雨分区图，选定本流域为东南区。
查《省手册》中附图1--10得坑头水库短历时暴雨统计参数，并计算不同频率设计暴雨如表4-1。
表4-1坑头水库时段暴雨统计参数
历时
10分钟
60分钟
6小时
24小时
3天
暴雨均值（mm）
12
31
51
60
81
Cv
0.5
0.55
0.55
0.5
0.45
5%
23.9
65.1
107.1
119.4
152.3
0.5%
36.7
103.5
170.3
183.6
226.0
进行点面换算后，根据《省手册》东南区暴雨时程分配关系计算坑头水库主雨日暴雨时程分配，结果见表4-2。
表4-2坑头水库主雨日暴雨时程分配表
时程
起
3：
00
6：
00
7：
00
8：
00
9：
00
10：
00
11：
00
迄
6：
00
7：
00
8：
00
9：
00
10：
00
11：
00
12：
00
时段雨量（mm）
5%
12.3
4.9
6.2
65.1
13.9
9.5
7.5
0.5%
13.2
7.9
9.8
103.5
22.2
15.1
11.8
（2）产流计算
根据《省手册》产流分区范围确定本流域分属饱和产流和非饱和产流，相应的产流地类为14类变质岩石山区和9类黄土丘陵沟壑区，产流计算结果见表4-3--4-4
（3）洪水计算
根据本流域下垫面地形地貌特征，汇流地类采用《省手册》中的Ⅲ（一般山区），最大洪峰流量计算公式为Q=0.278*F*Ht/t；汇流历时τ=0.278*L/（m*Q1/4*J1/3），汇流参数m=0.35*ht-0.24*θ0.26，分别计算主雨日造峰雨洪水过程，然后按时程叠加计算求得流域主雨日洪水过程。
由于流域面积较小，因此本次计算仅考虑流域主雨日产生的洪水过程，其它两雨日洪水忽略未计，洪水计算成果见表4-5。
表4-3坑头水库流域（P=5%）产流计算成果
分段号
时程
（时：
分）
分段雨量
（mm）
分段累积雨量
（mm）
历时
（h）
产流深
（mm）
一
2：
00～8：
00
17.0
17.0
6
2.9
二
3：
00～6：
00
12.3
12.3
3
0.3
6：
00～7：
00
4.9
17.2
4
0.5
7：
00～8：
00
6.2
23.4
5
0.8
三
8：
00～9：
00
65.1
65.1
1
49.1
四
9：
00～10：
00
13.9
13.9
1
2.1
10：
00～11：
00
9.5
23.4
2
3.1
11：
00～12：
00
7.5
30.9
3
3.6
五
4：
00～10：
00
11.3
11.3
6
5.5
表4-4坑头水库流域（P=0.5%）产流深计算结果
分段号
时程
（时：
分）
分段雨量（mm）
分段累积雨量
（mm）
历时
（h）
产流深
（mm）
一
2：
00～8：
00
21.4
21.4
6
3.5
二
4：
00～6：
00
13.2
13.2
3
0.7
6：
00～7：
00
7.9
21.1
3
1.3
7：
00～8：
00
9.8
30.9
4
2.4
三
8：
00～9：
00
103.5
103.5
1
90.8
四
9：
00～10：
00
22.2
22.2
1
9.8
10：
00～11：
00
15.1
37.3
2
13.6
11：
00～12：
00
11.8
49.1
3
14.4
五
4：
00～10：
00
14.2
14.2
6
6.9
表4-5坑头水库设计洪水计算结果
P（%）
暴雨历时
tp（h）
净雨深
ht（mm）
洪峰上涨历时
Tz（h）
汇流历时
τ（h）
洪峰流量
Qm
（m3/s）
洪量
Wp
（万m3）
洪峰形状系数λ
5
2
51.2
1.25
1.49
268
144
0.87
0.5
2
100.5
1.25
1.49
511
290
0.84
根据《省手册》中推理公式法计算坑头水库的设计洪水过程线见表4-6。
4.2.2.2《地区手册》计算设计洪水
（1）短历时暴雨计算
根据《地区手册》附图5-1和附图5-2得：
H24=65mm，Cv=0.45，CS/CV=3.5
最大24小时暴雨量：
H24.5%=122.2mm，H24.05%=181.4mm
最大12小时暴雨量：
H12.5%=99.0mm，H12.05%=146.9mm
（2）洪峰流量计算
查附表6-3得C1.5%=0.105，C1.05%=0.16
Q5%=C1.5%×F2/3=0.105×122.2×272/3=115（m3/s）
Q0.5%=C1.05%×H24.05%×F2/3=0.16×181.4×272/3=261（m3/s）
表4-6坑头水库设计洪水过程线（省手册）
P=5%
P=0.5%
T（h）
Q（m3/s）
T（h）
Q（m3/s）
T（h）
Q（m3/s）
T（h）
Q（m3/s）
0.00
0
7.00
97
0.00
0
6.00
193
2.00
1
7.12
82
1.66
2
6.12
167
3.00
1
7.24
66
2.00
2
6.24
139
4.66
2
7.37
59
3.66
6
6.37
124
5.00
2
7.49
53
4.00
5
6.49
109
5.25
13
7.74
41
4.25
28
6.74
84
5.50
53
7.99
35
4.50
104
6.98
74
5.75
121
7.99
34
4.75
236
6.99
73
5.99
188
8.24
30
4.98
359
7.24
65
6.00
191
8.49
28
5.00
367
7.49
62
6.12
229
8.66
26
5.12
438
7.66
58
6.25
268
8.74
25
5.25
511
7.74
55
6.31
253
9.36
21
5.31
484
8.36
48
6.37
239
9.99
18
5.37
456
8.98
40
6.43
224
10.61
14
5.43
429
9.60
32
6.50
210
11.23
11
5.49
402
10.23
25
6.62
177
11.86
7
5.62
341
10.85
17
6.75
144
11.99
6
5.74
280
10.98
15
6.87
121
12.48
4
5.87
237
11.47
11
6.99
98
13.37
0
5.99
195
12.72
0
（3）洪量计算
因流域面积小于100km2，选用12小时暴雨H12.5%=99.0mm及H12.05%=146.9mm，查附表6-5“运城地区暴雨径流关系表”得：
H5%=32.5mm，h0.5%=67.8mm
W5%=0.1×h5%=0.1×32.5×27=87.8（万m3）
W0.5%=0.1×h0.5%×F=0.1×67.8×27=183（万m3）
（4）洪水过程线
因流域面积小于100km2，用简易概化过程线计算设计洪水。
T5%=12×W5%/Q5%=12×87.8/115=9.2（h）
T0.5%=12×W0.5%=12×183/261=8.4（h）
查简易概化过程线计算表得坑头水库设计洪水过程线如表4-7。
表4-7坑头水库设计洪水过程线（地区手册）
P=5%
P=5%
T（h）
Q（m3/s）
T（h）
Q（m3/s）
T（h）
Q（m3/s）
T（h）
Q（m3/s）
0
0
3.68
42.6
0
0
3.36
96.6
0.46
1.15
4.6
20.7
0.42
2.61
4.2
47
0.92
9.2
5.52
10.4
0.84
20.9
5.04
23.5
1.38
31.1
6.44
4.6
1.26
70.5
5.88
10.4
1.84
7802
7.36
2.3
1.68
177
6.72
5.22
2.3
115
8.28
1.15
2.1
261
7.56
2.61
2.76
89.7
9.2
0
2.52
204
8.4
0
4.2.2.3成果的采用
上述两种计算方法所计算的设计洪水成果差别很大，为了对比，采用《地区手册》补充计算了P=2%和P=1%的洪水成果，与水库原设计时采用的计算成果比较见表4-8。
表4-8坑头水库设计洪水成果比较表
项目
洪峰流量（m3/s）
洪量（万m3）
5%
2%
1%
0.5%
5%
2%
1%
0.5%
原设计成果
226
290
95
120
省手册成果
268
511
144
290
地区手册成果
115
171
221
261
87.8
124
151
183
从上表对比看出，无论洪峰流量还时洪量都是《省手册》成果最大，而《地区手册》计算的洪峰流量最小，但洪量介于原设计成果和《省手册》成果之间。
结合以往两种手册在中条山地区运用的经验，《地区手册》计算成果更切合实际情况，所以本次采用《地区手册》计算成果。
4.3调洪计算
4.3.1水库库容关系
由于水库资料散失，本次未能收集到坑头水库的水位--库容关系，而1:
1万地形
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