干拱桥水库枢纽除险加固工程初步设计报告.docx
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干拱桥水库枢纽除险加固工程初步设计报告
四川省广安市武胜县
干拱桥水库枢纽除险加固工程
初步设计报告
四川省武胜县水利水电工程勘测设计队
第一章工程概况
一、概述
干拱桥水库位于武胜县双星乡境内，地处拱桥村双星河支流，距武胜县城20km。
水库集水面积3.9km2，设计总库容19.82万m3，兴利库9.95万m3，防洪库容8.87万m3，死库容1.0万m3。
是一座以灌溉为主，兼有水产养殖等综合利用的重点小
（二）型水利工程。
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000），干拱桥水库枢纽工程主要建筑物工程等级为五等5级，建筑物洪水标准按20年一遇设计，200年一遇校核，溢洪道消能防冲建筑物设计洪水标准为10年一遇。
二、枢纽主要建筑物现状
1、大坝
主坝为均质土坝，1975年1月动工兴建，1976年12月完工，并开始投入运行。
达到现有规模，坝顶最大长度65m，最大坝高13.0m，坝顶宽1.3m，最大坝底宽48.6m，坝顶高程299.80m，大坝上游坝坡为干砌条石护坡，坡比1:
1.2，大坝下游坝坡未护，坡比1:
1.7。
四川5.12汶川大地震造成大坝外坡高程在293.3m左右滑坡30m2，下滑高度1.5m左右，大坝下游坝坡未设置排水系统。
2、溢洪道
溢洪道位于大坝左端，为正堰开敞式，堰顶净宽6.5m，堰顶296.99m。
溢洪道是在左坝端砂质泥岩上开凿而成，堰后溢洪道长13米，陡槽斜面长30米，宽5.8米，深1.2米。
陡槽左边墙未衬砌，风化冲刷淘空垮塌严重，影响泄洪，陡槽末端未修建消能设施，下游冲刷严重。
这次5.12汶川大地震造成溢洪道陡槽右边墙垮塌50m。
3、放水设施
该水库无放水设施。
三、枢纽工程存在的主要问题
本次设计时按照《水库大坝安全鉴定导则》进行复核，其结果是：
水库防洪标准达不到规范SL252—2000防洪标准要求，大坝结构评价为Ｃ，安全类别评定为三类坝，与原鉴定结论相符。
其存在的主要问题是：
（一）水库防洪标准不够。
经洪水复核计算，设计下泄流量35.25m3/s，校核下泄流量64.12m3/s，而溢洪道现实际最大下泄流量仅16.41m3/s，不满足SL252—2000规范要求。
（二）大坝下游坝坡较陡，四川5.12汶川大地震造成大坝外坡高程在293.3m左右滑坡30m2，下滑高度1.5m左右，局部变形。
采用简化毕肖普法对大坝坝坡进行核定。
大坝下游坝坡在各种工况下最小稳定安全系数不满足SDJ274-2001规范要求。
工况一：
上游正常蓄水位296.99m，下游无水。
Kmin=1.112＜〔K〕=1.25
工况二：
上游设计洪水位298.73m，下游相应水位292.30m。
Kmin=1.186＜〔K〕=1.25
工况三：
上游校核洪水位299.58m，下游相应水位292.52m。
Kmin=1.126＜〔K〕=1.15
（三） 大坝无排水棱体。
（四）大坝下游坝坡未设置排水系统，雨水冲刷，坝坡面及周边形成冲沟。
（五）溢洪道断面不够，陡槽左边墙未衬砌，风化冲刷淘空垮塌严重，影响泄洪，陡槽末端未修建消能设施，下游冲刷严重。
这次四川5.12汶川大地震造成溢洪道陡槽右边墙垮塌50m。
（六）无监测设计。
水库下游地势平坦开阔，农田集中成片，县级公路各2条，有耕地1.36万亩，人口0.82万多人，一旦溃坝，将对下游人民的生命财产造成重大损失，因此对水库进行除险加固迫在眉睫。
干拱桥水库工程特性表
序号
项目
单位
特性
备
整治前
整治后
注
一
河流特性
1
坝址控制集雨面积
Km2
3.9
3.9
2
多年平均径流深
mm
343.4
343.4
3
多年平均径流量
万m3
133.93
133.93
4
水文气象特征
（1）
多年平均气温
℃
17.4
17.4
（2）
多年平均降雨量
mm
1020
1020
（3）
多年平均最大风速
m/s
17.0
17.0
5
代表性流量
（1）
设计洪水标准及流量
m3/s
36.67
Ｐ＝5％
（2）
校核洪水标准及流量
m3/s
65.84
Ｐ＝0.5％
6
洪量
（1）
设计洪水总量
万m3
64.84
Ｐ＝5％
（2）
校核洪水总量
万m3
115.43
Ｐ＝0.5％
二
灌区特性
1
设计灌溉面积
亩
1300
1300
2
实际灌溉面积
亩
1300
1300
3
灌溉保证率
%
80
80
4
干渠长
km
三
特征水位及库容
1
校核洪水位
m
300.62
299.58
2
设计洪水位
m
299.43
298.73
3
正常高水位
m
296.99
296.99
4
死水位
m
289.20
289.20
5
总库容
万m3
23.36
19.82
6
防洪库容
万m3
12.41
8.87
7
兴利库容
万m3
9.95
9.95
8
死库容
万m3
1
1
干拱桥水库工程特性表
序号
名称
单位
特性
备
整治前
整治后
注
四
主要建筑物及设施
1
大坝
（1）
坝型
均质土坝
均质土坝
（2）
坝长
m
65
65
（3）
坝顶宽
m
1.3
3.0
（4）
坝高
m
13
13
（5）
坝顶高程
m
299.8
299.8
（6）
地震动峰值加速度
g
＜0.05
＜0.05
（7）
地震反应谱特征周期
0.35
0.35
2
溢洪道
（1）
型式
开蔽式
开蔽式
（2）
堰顶高程
m
296.99
296.99
（3）
堰型
折线实用堰
折线实用堰
（4）
堰顶净宽
m
6.5
11.0
（5）
消能方式
无
消力池消能
（6）
最大泄流量
m3/s
16.41
64.12
3
取水设施
无
无
第二章水文
第一节概况
一、流域概况
干拱桥水库位于武胜县双星乡境内，嘉陵江水系双星河支流上，地理坐标为东经106°24′15″，北纬30°20′20″。
坝址以上控制集水面积3.9km2，主河道长3.8km，主河道平均坡降6.05‰。
干拱桥水库属嘉陵江水系双星河支流，工程区属丘陵地带,相对高差30～50m，属低山～浅丘地貌。
水库位于川中红层剥蚀丘陵区，出露地层为中侏罗系上沙溪庙组石荀河段（J2S2），为一套紫红色砂纸粘土层、泥质粉砂岩与灰紫、灰褐色长石石英砂岩的不等厚互层。
构造上位于中心镇背中段的南翼，与背斜轴相距1.3km。
地层产状为：
走向65°，倾向155°，倾角2—3°，呈近水平状。
域内未见断裂构造发育，常见的一般多为北东、北西向两组有规律性的区域性构造节理裂隙。
二、气象特征
双星河流域属亚热带湿润季风气候区，具有气候温和，雨量充沛，日照适宜，四季分明，无霜期长，春季回暖早，夏季炎热，秋季阴雨连绵、冬季短而温和等特点。
干拱桥水库气象特征值以武胜气象站为代表：
多年平均气温17.4℃，极端最高气温41.3℃（1972年8月27日），极端最低气温-2.7℃（1991年12月28日），多年平均蒸发量1107mm，多年平均日照时数1247小时，多年平均无霜期328天，多年平均相对湿度81%，多年平均风速17m/s，多年平均降水量1050mm，降水量主要集中在汛期，5～10月降雨量占全年降雨量的79.1%左右。
三、基本资料
双星河流域内无水文站和雨量站，无实测流量和雨量资料。
邻近有武胜、石盘沱和二郎等雨量站。
其雨量资料可作为本次洪水计算的主要参证资料。
各站的雨量资料情况见表2-1。
表2-1邻近站雨量资料情况表
站名
时段
起迄时间
资料引用年限
武胜
1/6小时
1981～今
1小时
1964～1965、1967、1969～今
1969～2006
6小时
1954～今
1954～2006
24小时
1954～今
1954～2006
石盘沱
6小时
1960～今
1960～2006
24小时
1960～今
1960～2006
二郎
6小时
1964～今
1964～2006
24小时
1964～今
1964～2006
第二节洪水
一、流域特征值
“三查三定”时，根据1/10000航测图，只对集雨面积F进行复核，即：
F=3.9km2；本次根据1/10000航测图，对F、L、J等流域特征值进行了复核，即：
F=3.9km2；L=3.8km，J=6.05‰。
二、防洪标准
按照《防洪标准》（GB50201-94）及《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000），干拱桥水库为小
（2）型水库，大坝为均质土坝坝，防洪标准应为30～20年一遇洪水设计，300～200年一遇洪水校核。
采用20年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。
消能防冲建筑物洪水标准为10年。
三、设计暴雨
1.邻近站暴雨频率计算
根据武胜和石盘沱站的实测暴雨系列，进行频率计算。
二郎站考虑移用武胜站特大值和不移用武胜站特大值两种情况分别计算，移用武胜站特大值以后的系列，按不连续系列处理，特大值的经验频率根据武胜站系列确定。
采用P-Ⅲ型曲线适线。
统计参数和设计值见表2-5。
2.根据等值线图查算
根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》的有关等值线查算干拱桥水库的设计暴雨，成果见表2-2。
表2-2设计暴雨成果表
计算方法或站名
时段
均值
（mm）
CV
CS/CV
各频率设计值（mm）
备
注
P=0.5%
P=5%
P=10%
由等值
线查算
1/6小时
16.5
0.36
3.5
38.61
27.9
24.42
1小时
41.0
0.42
3.5
107.83
74.5
63.96
6小时
76.0
0.48
3.5
201
148
124.64
24小时
100
0.50
3.5
274
199
166
武胜
1小时
41.6
0.48
3.5
122.3
81
68.22
6小时
76.2
0.60
3.5
267.46
165
133.35
24小时
102
0.58
3.5
358
210
178.5
石盘沱
6小时
56.3
0.33
3.5
123.86
91.7
81.07
24小时
78.8
0.36
3.0
184
133
116.62
3.干拱桥水库设计暴雨
石盘沱雨量站由于缺乏特大暴雨，其统计参数和设计值明显低于武胜站和等值线查图值，武胜站暴雨均值与等值线查图值比较接近，Cv值和设计值明显大于查图值。
经综合分析比较，干拱桥水库设计暴雨采用成果为：
1/6小时暴雨采用等值线查图值，1小时、6小时和24小时暴雨采用武胜站实测资料计算值。
干拱桥水库的设计暴雨见表2-3。
表2-3干拱桥水库设计暴雨成果表
时段
均值
（mm）
CV
CS/CV
各频率设计值（mm）
P=0.5%
P=5%
P=10%
1/6小时
16.5
0.36
3.5
38.61
27.9
24.42
1小时
41.6
0.48
3.5
122.3
81
68.22
6小时
76.2
0.60
3.5
275.8
167.6
134.87
24小时
102
0.58
3.5
358
220.3
178.5
四、设计洪水
1.洪峰流量计算
由于干拱桥水库现无实测流量资料，也无实测暴雨资料，推求设计洪水的资料缺乏，按照《水库大坝安全评价导则》（SL258-2000第4.1.2条，参照《水利水电工程设计洪水计算规范》SDJ22－79、《四川省暴雨洪水计算手册》、《四川省水文手册》等资料，采用水科院推理公式法计算洪峰流量。
采用四川省中小流域暴雨洪水计算手册中的推理公式Q＝0.278ψ
F进行计算。
（1）流域特征值
集雨面积F＝3.9km2、流域长度L＝3.80km、流域平均比降J＝6.05‰。
（2）汇流参数m值
流域特征系数θ＝
＝9.88
根据《暴雨洪水手册》，m＝0.4θ0.204=0.638
3.暴雨参数S、n
暴雨衰减指数n分历时确定：
t=6～24h，
t=1～6h，
t=1/6～1h，
根据《暴雨洪水手册》1/6h、1h、6h、24h暴雨等值线图查值，结合相关公式计算暴雨参数S。
4.产流参数μ
干拱桥水库地形地貌相对高差一般在250～350米之间，地势较陡，切割较深，间有零星丘陵或盆地，植被较好，采用公式μ=4.8F-0.19计算平均产流参数μ值。
μ=4.8F-0.19=3.71（CV=0.18，Cs=3.5CV）
μｐ=Kp.μ（当CV=0.18，Cs=3.5CV时，查皮尔皮尔逊Ⅲ型曲线K0.5%=1.57，K5%=1.33K10%=1.24）。
其它参数均根据《暴雨洪水手册》计算、取值。
F（Km2）
L（Km）
J（‰）
θ
m
3.9
3.80
6.05
14.84
0.6935
P（%）
H24
H6
H1
n
Sp
to
μ
ψ
τ
QP
m′
0.5
358
267.5
122.3
0.5632
122.30
2.857
5..967
0.9105
2.9348
65.84
0.693
5.0
210
165
81
0.6029
81.00
3.265
4..929
0.8728
3.3972
36.67
0.693
10.0
178.5
133.35
68.22
0.626
68.23
3.464
4..596
0.8489
3.6106
28.00
0.697
表2-4推理公式法计算洪峰流量的主要参数表
2.与原计算成果的比较
干拱桥水库在“三查三定”和全安鉴定中都作过洪水计算，成果见表2-5。
由表2-5可知，本次洪水计算成果，设计情况洪峰流量与前两次计算成果比较，其洪峰流量大均于前两次洪水计算成果，主要原因在于：
前两次洪峰流量计算地区经验公式计算，未考虑当地的暴雨，流域的河道长度、纵坡降等特征值对洪峰流量的影响，本次根据邻近站实测资料，考虑短历时暴雨、河道长度、纵坡降等特征值对洪峰流量的影响，按推理公式计算，因此，本次洪水计算较为可靠。
表2-5历次洪峰流量计算成果比较表
阶段
计算方法
P=0.5%
P=5%
P=10%
三查三定
经验公式法
60.57
30.64
全安鉴定
经验公式法
60.57
30.64
23.94
本次计算
推理公式法
65.84
36.67
28.00
4.洪量
根据设计暴雨推求设计洪水总量，暴雨径流关系分区为1区（盆地腹部丘陵区），按单峰洪水计算暴雨历时T=12.8F1/4，按WP=0.1αHTPF计算洪水总量，成果见表2-6。
表2-6洪量计算成果表
频率
P=0.5%
P=5%
P=10%
洪量（万m3）
115.43
64.84
53.02
5.设计洪水过程线
采用典型放大法，推求设计洪水过程线，典型洪水过程线采用四川东部地区平均情况的单峰概化模型。
基流按嘉陵江区计算回，Q0=0.014F0.984。
设计洪水过程线见表2-7及附图2-7。
表2-7 干拱桥水库洪水过程线
P=0.5%
P=5%
P=10%
T
Q
T
Q
T
Q
0.000
0.053
0.000
0.053
0.000
0.053
0.531
3.345
0.536
1.886
0.574
1.453
0.725
6.637
0.732
3.720
0.784
2.853
0.966
13.221
0.975
7.387
1.044
5.652
1.184
26.388
1.194
14.720
1.279
11.252
1.523
39.556
1.537
22.054
1.645
16.851
1.935
52.724
1.952
29.388
2.090
22.451
2.393
62.599
2.415
34.888
2.586
26.650
2.901
65.891
2.927
36.721
3.134
28.050
3.385
62.599
3.416
34.888
3.657
26.650
3.940
52.724
3.975
29.388
4.256
22.451
4.763
39.556
4.806
22.054
5.146
16.851
5.970
26.388
6.024
14.720
6.450
11.252
7.928
13.221
7.999
7.387
8.565
5.652
10.154
6.637
10.245
3.720
10.969
2.853
12.474
3.345
12.586
1.886
13.476
1.453
18.613
0.053
18.780
0.053
20.108
0.053
第三节调洪计算
一、库容曲线
本次根据实测库区地形图，对“三查三定”的库容曲线进行了复核无误，本次直接采用“三查三定”复核成果，见表2-8。
表2-8干拱桥水库库容曲线
水位（m）
287
288
289
290
291
292
293
库容（万m3）
0
0.29
0.79
1.49
2.27
3.2
4.29
水位（m）
294
295
296
297
298
299
300
库容（万m3）
5.57
7.08
8.85
10.954
12.68
15.92
20
二、泄流曲线
该库溢洪道为无坎宽顶堰无，自由出流，溢流堰净宽6.5米。
1、流量系数m的确定
溢流堰无坎宽顶，自由出流，其流量系数m=0.32,侧收缩系数ε＝0.985，按公式计算下泄流量q,再由库容曲线查得V,绘制q～H曲线,成果见表2-9。
干拱桥水库溢洪道q～h曲线计算表表2-9
水位h（ｍ）
堰上水头 H（ｍ）
流量系数
m
侧收缩系数ε
下泄流量
q（m3/s）
相应库容V
（万ｍ3）
296.99
0.000
0.32
0.985
0
10.95
297.062
0.072
0.32
0.985
0.174
11.145
297.343
0.444
0.32
0.985
2.68
12.468
298.391
1.401
0.32
0.985
15.04
15.741
299.495
2.505
0.32
0.985
35.96
19.517
300.24
3.25
0.32
0.985
53.14
22.07
300.592
3.602
0.32
0.985
62
23.27
300.62
3.63
0.32
0.985
62.72
23.36
三、调洪计算
调洪计算根据水库的水位～库容关系曲线、溢流水深～下泄流量关系曲线和本次计算的洪水过程线，按公式：
（Q1+Q2）/2×Δt-（q1+q2）/2×Δt=V2-V1
采用电子表格试算法进行调洪计算，起调水位为正常蓄水位96.99米，计算时段长0.5小时，成果见表2-10。
表2-10调洪计算成果表
频率P（%）
最大下泄流量（m3/s）
最高库水位（m）
库容（万m3）
0.5
62.72
300.62
23.36
5
34.68
299.43
19.31
10.0
21.47
298.77
17.03
第四节坝顶高程的确定
一、坝顶超高
坝顶超高按《碾压式土石坝设计规范》S1274—2001规定的公式计算：
Y=R+e+A
式中：
Y——坝顶超高，m；
R——最大波浪在坝坡上的爬高，m。
e——最大风壅水面高度，m。
A——安全加高，m。
1、安全加高A
干拱桥水库为小
（2）型水库，地处丘陵区，主要建筑物为5级，按照规范规定，设计情况下的安全加高为0.5米，校核情况下的安全加高为0.3米。
2、最大风壅高度e
e=[KW2D/2gHm]cosβ
式中：
K——系数，取3.6×10-6
β——风向与坝轴线法线间夹角
W——水面以上10m高处风速，设计情况下按多年平均最大风速的1.5倍计，校核情况下按多年平均最大风速计，多年平均最大风速为17m/s。
D——吹程，D=400m；H——坝前水深，H=11m；
3、波浪爬高Rm
按官厅水库公式计算波浪要素：
[ghm/W2]=0.0076W-1/12[gD/W2]1/3
[gLm/W2]=0.331W-1/2.15[gD/W2]1/3.75
按Rm=K△KW（hmLm）1/2/（1+m2）1/2计算波浪爬高
式中：
K△——护坡粗糙系数，大坝内坡为混凝土板K△=0.85；
KW——水深校正系数，KW=1.02；
m——坝坡坡率，m=1.7；
hm——平均波高；Lm——平均波长。
坝顶超高计算成果见表2—11
表2—11坝顶超高计算成果表
计算工况
安全加高A
风壅高度e
波浪爬高R
坝顶超高Y
设计
0.5
0.002
1.199
1.701
校核
0.3
0.001
0.769
1.07
二、坝顶高程
按设计和校核两种情况分别计算相应的坝顶高程，取其中的大值作为坝顶高程。
（1）设计情况下：
Z坝顶=Z设+Y设=299.43+1.701=301.131米
（2）校核情况下：
Z坝顶=Z校+Y校=300.62+1.07=301.69米
干拱桥水库的坝顶高程应为301.69米。
干拱桥水库大坝顶高程为299.80米，尚差1.89m，不满足《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000）规范要求。
第五节 溢洪道扩宽
整治设计将溢洪道由6.5m扩宽至11.0m，经调洪计算，成果见表2-12
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