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塘坝初步设计剖析
第一章综合说明
1.1工程概况
李家石屋2号塘坝位于蒙山旅游区管理委员会柏林镇李家石屋村北，浚河水系金线河支流上游，水库控制流域面积2.7km2。
主河道长度3km，平均干流比降0.026。
总库容70.2万m3，兴利库容59.2万m3，死库容3万m3。
李家石屋2号塘坝于1959年10月建成。
坝型为均质土坝，最大坝高19m，水库灌溉面积600亩。
是一座以农田灌溉、防洪为主的小
（2）型水库。
水库枢纽工程主要包括大坝和放水洞两部分。
水库受当时条件的限制，加之建设仓促，工程遗留问题多，且经过多年的运行，工程老化、损坏严重，出现了许多问题，致使工程目前不能正常运行，并严重影响工程安全和效益的发挥。
因此对李家石屋2号塘坝进行除险加固是十分必要的。
1.2任务来源与勘测设计工作过程
2015年10月，我院成立了李家石屋2号塘坝除险加固工程初步设计项目组，承担李家石屋2号塘坝除险加固初步设计任务。
2015年11月编制完成了《泰安市岱岳区李家石屋2号塘坝除险加固工程初步设计》。
1.3依据的主要规范、规程及相关文件
1、《山东省小型水库除险加固工程初步设计编制指导大纲》（山东省水利厅.2008.03）
2、《小
（2）型病险水库除险加固工程初步设计指导意见》
3、《防洪标准》（GB50201-2014）
4、《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）
5、《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL189-2013）
6、《砌石坝设计规范》（SL25—2006）
6、《溢洪道设计规范》（SL253—2000）
7、《中小型水利水电工程地质勘察规范》（SL55-2005）
8、《水工建筑物抗震设计规范》（DL5073-2000）/SL203-97）
9、《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44-2006）
10、《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）
11、《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）
12、《水工建筑物荷载设计规范》（DL5077-1997）
13、《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）
14、《水库工程管理设计规范》（SL106-96）
15、《土石坝施工组织设计规范》（SL648-2013）
16、《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211-2006）
17、其他有关规范、规程
1.4工程规模等级
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000），李家石屋2号塘坝工程规模为小
（2）型，工程等别为Ⅴ等，建筑物级别为5级。
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000），工程设计洪水标准20年一遇，校核洪水标准200年一遇，溢洪道消能防冲设计洪水标准为10年一遇。
根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），库区地震动峰值加速度为0.05g，地震基本烈度为Ⅵ度。
1.5设计洪水与调洪成果
本水库无实测流量资料，工程为小
（2）型水库，本次洪水核算按照山东省水利厅《山东省小型水库洪水核算办法（试行）》的规定进行。
现状溢洪道形式为开敞式，净宽12m，兴利水位66.28m，加固后堰顶高程不变起调水位采用堰顶高程66.28m（即兴利水位）。
设计洪水调算成果见表1-1。
表1-1洪水调节计算成果表
名称
单位
数量
备注
死水位
m
61.5
兴利水位
m
66.28
设计洪水位
m
68.0
p=5%
相应泄量
m3/s
51
设计调洪库容
万m3
4.9
校核洪水位
m
68.6
p=0.5%
最大泄量
m3/s
82
校核调洪库容
万m3
8
总库容
万m3
70.2
兴利库容
万m3
59.2
死库容
万m3
3
1.6险情隐患及加固处理措施
一、出险主要问题：
（1）坝前护坡局部破损，副坝无防护墙，存在漏水现象。
（2）溢洪道位于大坝右端，无交通桥，下游为自然冲沟，抗冲刷能力低，无消能设施。
（3）放水洞损坏严重，无法正常运行。
（4）无工程管理及观测设施。
二、采取的加固措施主要包括：
（1）大坝加固工程
主坝上游干砌石护坡维修；副坝新建防护墙，坝脚采用水泥土防渗；新建坝顶碎石路面，增设路沿石；下游坝坡整修，新建草皮护坡，设坝脚浆砌石排水沟。
（2）溢洪道工程
溢洪道现状实用堰上设3孔交通桥1座；溢洪道进出口右岸采用30cm厚浆砌石护坡，坡比1:
1.5；溢洪道进口左岸采用干砌块石护砌，底部设1m高浆砌石挡墙，上部采用干砌石护坡；出口左岸设浆砌石导流墙；下游底部采用浆砌石护底。
（3）放水洞工程
放水洞：
板涵内衬Φ300的PE管，进出口采用C15砼封堵；进口浆砌石竖井拆除，设浆砌石八字挡墙及护底；出口设砖砌圆形阀门井，采用DN300工作闸阀和DN300检修蝶阀控制。
（4）管理设施
新建管理房30m2，增设水位观测水尺一套。
1.7工程管理
水库管理单位为化马湾乡土山村委，主管部门为化马湾乡水利站。
土山村委负责水库正常运行管理、大坝管护、防汛等工作。
1.8施工组织设计
李家石屋2号塘坝除险加固工程施工自2015年5月～2015年6月，施工期为2个月。
1.9工程概算
工程概算总投资69.16万元。
其中：
建筑工程55.08万元；金属结构设备及安装工程0.51万元；临时工程1.39万元；独立费用8.89万元；基本预备费3.29万元。
附表（技术特性表）技术指标见表1-2。
表1-2李家石屋2号塘坝主要技术特性指标表
项目
特性指标
单位
加固后
水库
控制流域面积
km2
2.7
防洪标准
设计
×年一遇
20
校核
×年一遇
200
水位
死水位
m
61.5
兴利水位
m
66.28
设计水位
m
68.0
校核水位
m
68.6
起调水位
m
66.28
库容
死库容
万m3
3
兴利库容
万m3
59.2
调洪库容
万m3
8
总库容
万m3
70.2
灌溉面积
万亩
0.06
地震基本烈度
度
6
大坝
坝型
均质坝
坝长
m
175
最大坝高
m
19
坝顶宽
m
3
坝顶高程
m
69.28
边坡坡比
上游坡
1：
2.0
下游坡
1：
2.0
溢洪道
型式
宽顶堰
闸门孔数/宽×高
孔/m
无
堰顶（闸底板）高程
m
66.28
控制断面净宽
m
12
设计洪水时最大泄量
m3/s
51
校核洪水时最大泄量
m3/s
82
放水洞
结构型式
PE管
断面尺寸
m
Φ0.3
进口底高程
m
61.5
第二章水文
2.1基本概况
李家石屋2号塘坝位于泰安市岱岳区化马湾乡，控制流域面积2.7km2，主河道长3km，平均干流比降0.026。
2.2设计洪水计算
2.2.1设计标准及内容
按照水利部《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000），并参照工程原防洪标准，本工程设计洪水标准20年一遇（P=5%），校核洪水标准200年一遇（P=0.5%）。
2.2.2采用方法
本水库无实测流量资料，工程为小
（2）型水库，本次洪水核算按照山东省水利厅《山东省小型水库洪水核算办法（试行）》的规定进行。
2.2.3洪峰流量计算
（1）流域特征参数
1）流域面积F:
本工程流域面积为2.7km2。
2）主要河道长度L：
从地形图上量算本工程主要河道长度3km。
3）主河道比降J:
0.026。
4）流域特征综合参数
从《山东省小型水库洪水核算办法》（试行）辅助图表查得：
F2/5=1.488，J1/3=0.296。
流域特征综合参数：
k=L/（J1/3F2/5）＝6.81
（2）多年平均最大24小时降雨量
及变差系数Cv
根据《山东省小型水库洪水核算办法》（试行）“山东省部分县（市、区）暴雨统计参数分析成果表”查出工程地点以上流域中心多年平均最大24小时降雨量
＝110mm，变差系数Cv＝0.57，取Cs＝3.5Cv，根据皮尔逊Ⅲ型曲线的模比系数Kp值表查得Kp值，进而可计算出某种频率的设计标准24小时暴雨量见表2－1。
表2-1各洪水标准24小时暴雨量
洪水标准
10%
5%
0.5％
Kp
1.74
2.14
3.45
24小时暴雨量（mm）
191.4
235.4
379.5
（3）设计标准的单位面积洪峰流量模数qm
根据流域特征综合参数K和设计标准降雨量H24，按工程地点所在位置和流域坡度、土壤土质、植被等情况，查《山东省小型水库洪水核算办法》（试行）泰沂南山区qm～H24～k关系曲线。
得出设计标准的单位面积洪峰流量模数qm，见表2－2。
（4）最大洪峰流量Qm
将单位面积最大洪峰流量模数qm，乘以流域面积F，即可求得设计标准的最大洪峰流量Qm。
Qm=qm×F
表2-2各洪水标准最大洪峰流量Qm
洪水标准
5%
0.5％
235.4
379.5
qm
24
36.5
Qm
64.8
98.6
2.2.4洪水总量的推求
以设计标准的最大24小时暴雨量
的75%，加上前期影响雨量Pa，查《山东小型水库洪水核算办法》（试行）山区P+Pa～hR降雨径流关系曲线求出净雨hR，其中山区小型水库的前期影响雨量Pa取40mm。
以净雨hR乘上流域面积F即得到洪水总量W：
W=0.1hR×F（万m3）
洪水过程按三角形计算，洪水历时T（即三角形过程的底宽）按下式计算：
T=W/（1800·Qm）（小时）
式中：
W——洪水总量，Qm——最大洪峰流量。
涨洪历时为三分之一T，即最大洪峰Qm出现在三分之一T的地方，计算结果见表2-3。
表2-3各洪水标准洪水总量
洪水标准
5%
0.5％
净雨hR（mm）
133
241
洪水总量W（万m3）
35.9
65.1
洪水历时T（小时）
3.08
3.67
2.3兴利调节计算
本水库除险加固不考虑提高兴利水位，本次加固仅对兴利库容进行简单复核。
水库流域多年平均径流深计采用“山东省1956～2000年平均年径流深等值线图”进行查算，多年平均径流深150mm，流域面积2.7km2，多年平均径流量40.5万m3，库容系数1.46。
第三章工程地质
3.1地形地貌
李家石屋2号塘坝位于徂徕山西北侧。
地貌上属鲁中南构造侵蚀为主低山丘陵区——强～弱切割侵蚀中低山丘陵亚区。
徂徕山地势差异显著，主峰太平顶海拔1027m，相对高度800m。
库区地貌形态以低山丘陵地貌与河谷地貌为主，分述如下：
1、低山丘陵。
库区低山丘陵主要为侵蚀剥蚀型，剥蚀带宽约2km，海拔200～700m。
长期受中～浅度剥蚀切割，沟谷下切较强烈，切割深度在50～100余米。
山体多由片麻状英云闪长岩组成，大多山势较陡。
库区地形南高北低，上游冲沟较发育，环绕山体多呈放射状或树枝状，横断面呈“V”型，山坡坡度在一般50～70°。
2、河谷。
库区河谷地貌不发育，呈狭窄的准“U”字形，河谷下切至基岩，谷内堆积物不丰富，堆积物厚度薄而呈零散分布。
坝址区河床宽度小于50m，主要由冲积洪积堆积的漂卵石组成。
3.2地层岩性
本区域地层主要为晚太古代泰山期新甫山阶段太平顶单元片麻状英云闪长岩。
仅山坡及坡脚残存少量的坡洪积堆积的壤土、壤土夹砂及河床有少量的砂砾石、卵砾石。
3.3地质构造及地震
场区大地构造单元位于鲁西中台隆（Ⅱ2）—鲁西拱断束（Ⅲ8）—新蒙凹断束（Ⅵ26）区内。
区域内构造发育，脆性断裂以北西方向为主，北东方向、东西方向、南北方向次之。
其中北西向断裂形成最早，具长期多次活动特点，之后依次为南北方向、东西方向和北东方向的形成。
库区8km范围内，仅东部发育有2～3条、西部发育有1条规模较小的北西向断裂。
这些断裂延伸一般小于5km，对水库安全影响甚微。
控制库区构造稳定的断裂主要为库区北部的泰安～大王庄山前弧形断裂，东部的铜冶店～孙祖断裂，两断裂分别构成莱芜断陷盆地的北部、东部边界。
简述如下：
泰安～大王庄山前弧形断裂：
走向80°～90°，倾向南，倾角为86°，长达50km，宽0.01～0.1km。
北盘上升，南盘下降，断裂带由碎裂岩、蚀变岩及断层泥组成，断裂面高岭土化，为正断层，大部分被第四系覆盖。
铜冶店～孙祖断裂（区内称“鹿野～蔡庄断裂”）：
走向北西330°～335°延伸，长达70km，宽0.1～0.2km，是一条长期活动的断裂。
形成于燕山晚期，喜山早期也有强烈活动。
断裂带由高岭土化蚀变岩、断层角砾岩、断层泥组成，硅化蚀变岩发育。
表现为东盘上升西盘下降的正断层。
3.4水文地质条件
场区内地下水主要为基岩裂隙潜水，根据区域水文地质资料，基岩透水率一般0.50～5.0Lu，为微弱透水层。
地下水埋藏深度亦随地形的起伏各不一致，一般几米至几十米，以及裂隙在分布上的不均一，岩石含水性亦不一致；地下水主要接受大气降水和上游来水补给，季节动态变化显著；以地下水补给河水为主。
地下水和环境水对砼无侵蚀性。
第四章工程概况与加固规模
4.1概况
4.1.1工程现状概况
李家石屋2号塘坝位于徂徕山北麓，化马湾乡土山村，属黄河流域大汶河水系淘河支流，水库控制流域面积2.7km2。
主河道长度3km，平均干流比降0.026。
水库总库容70.2万m3，兴利库容59.2万m3，死库容3万m3。
李家石屋2号塘坝于1959年10月建成。
坝型为均质土坝，最大坝高19m，水库灌溉面积600亩。
是一座以农田灌溉、防洪为主的小
（2）型水库。
水库枢纽工程主要包括大坝、溢洪道和放水洞三部分。
（1）大坝
大坝为均质坝，长175m，现状坝顶高程为69.28m。
最大坝高19m，坝顶宽3.0m；上游坝坡坡比1：
2.0左右，为干砌乱石护砌；下游坡为草皮护坡，坡比为1:
2.0。
（2）溢洪道
溢洪道位于大坝右端，开敞式，溢洪道现状底高程66.28m，净宽12.0m。
（3）放水洞
放水洞位于大坝右端，为浆砌石板涵。
4.1.2工程建设情况
该水库建于1959年10月,属于人民群众会战工程,运土方式是小推车推土、人工抬土,人工碾压夯实,坝型为均质坝。
4.2工程存在的问题
根据安全鉴定，李家石屋2号塘坝现状存在的主要问题有：
（1）坝前护坡局部破损，副坝无防护墙，存在漏水现象。
（2）溢洪道位于大坝右端，无交通桥，下游为自然冲沟，抗冲刷能力低，无消能设施。
（3）放水洞损坏严重，无法正常运行。
（4）无工程管理及观测设施。
4.3除险加固必要性和建设内容
4.3.1除险加固必要性
李家石屋2号塘坝是一座以农田灌溉、防洪为主的小
（2）型水库,该水库设计灌溉面积600亩，下游保护1500人1800亩耕地，对保障当地人民生命财产安全起到重要作用。
鉴于大坝、溢洪道、放水洞存在的问题，为保证防洪安全，促进当地经济和社会发展，对李家石屋2号塘坝进行除险加固是非常必要的。
4.3.2建设内容
（1）大坝加固工程
主坝上游干砌石护坡维修；副坝新建防护墙，坝脚采用水泥土防渗；新建坝顶碎石路面，增设路沿石；下游坝坡整修，新建草皮护坡，设坝脚浆砌石排水沟。
（2）溢洪道工程
溢洪道现状实用堰上设3孔交通桥1座；溢洪道进出口右岸采用30cm厚浆砌石护坡，坡比1:
1.5；溢洪道进口左岸采用干砌块石护砌，底部设1m高浆砌石挡墙，上部采用干砌石护坡；出口左岸设浆砌石导流墙；下游底部采用浆砌石护底。
（3）放水洞工程
放水洞：
板涵内衬Φ300的PE管，进出口采用C15砼封堵；进口浆砌石竖井拆除，设浆砌石八字挡墙及护底；出口设砖砌圆形阀门井，采用DN300工作闸阀和DN300检修蝶阀控制。
（4）管理设施
新建管理房30m2，增设水位观测水尺一套。
4.4工程规模与特性指标
4.4.1工程规模
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000），水库工程规模为小
（2）型，工程等别为Ⅴ等，建筑物级别为5级，工程设计洪水标准20年一遇，校核洪水标准200年一遇，溢洪道消能防冲洪水标准为10年一遇。
4.4.2特性指标
除险加固后水库枢纽工程指标如下：
水库正常蓄水位66.28m，相应库容62.2万m3；设计洪水位68.0m，相应库容为67.1万m3；校核洪水位68.6m，相应库容为70.2万m3；死水位61.5m，相应库容为3万m3。
第五章水库洪水调节计算
5.1调节计算的边界条件
5.1.1起调水位的确定
溢洪道形式为开敞式，堰顶高程为66.28m，净宽为12m，加固后堰顶高程不变，起调水位采用堰顶高程66.28m（即兴利水位）。
5.2洪水调节计算
5.2.1溢洪道泄量计算
工程为无闸控制开敞式溢洪道，堰净宽12m,采用流量计算公式：
式中：
Q—流量（m3／s）
g—重力加速度（m／s2）
b—溢洪道净宽（m）
H0—计入行进流速的堰上水头（m）
m—流量系数
ε—侧收缩系数
根据水库的不同水位算出溢洪道的相应泄量见表5-1，然后将水库水位、库容和q对应列成表格，或绘成曲线，供调洪时使用。
表5-1水库水位～库容～溢洪道泄量
水库水位（m）
水库库容（万m3）
溢洪道泄量（m3/s）
66.28
59.20
0.00
66.78
61.10
8.06
67.28
63.20
22.80
67.78
65.60
41.89
68.28
68.20
64.49
68.78
71.60
90.12
69.28
75.70
118.47
5.2.2洪水调算方法
调洪演算采用图表法。
本工程为小
（2）型水库，且溢洪道为无闸控制开敞式溢洪道，用三角形调洪法进行。
5.3洪水调节计算成果
调洪过程详见图5-1～5-3，调洪结果见表5-2。
表5－2调洪结果
洪水标准
库容（万m3）
溢洪道泄量（m3/s）
防洪水位（m）
5%
67.1
51
68
0.5%
70.20
82
68.6
图5-1二十年一遇调算图
图5-2二百年一遇调算图
图5-3水位～泄量关系曲线
第六章大坝除险加固设计
针对大坝现状存在的问题，需要采取以下加固措施：
主坝上游干砌石护坡维修；副坝新建防护墙，坝脚采用水泥土防渗；新建坝顶碎石路面，增设路沿石；下游坝坡整修，新建草皮护坡，设坝脚浆砌石排水沟。
6.1坝顶高程复核
6.1.1坝顶超高计算
（1）基本资料
风速：
根据岱岳区气象局提供的资料，确定水库水域上空10m处多年平均最大风速为14.6m/s。
风区长度：
根据水库水域情况，在库区1/10000地形图上量得：
设计洪水位68.0m，风区长度为700m；校核洪水位68.6m，风区长度为750m。
水深：
取水域平均深度。
设计情况Hm=10.5m，校核情况Hm=11m。
（2）波浪爬高计算
1）风浪要素：
按《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）（附录一）莆田试验站公式进行计算
式中：
g—重力加速度，取9.8m/s2；
—平均波高（m）；
—平均周期（s）；
—平均波长（m）；
W—风速（m/s），设计洪水位取满库期多年平均最大风速的1.5倍，校核洪水位取多年平均最大风速；
Hm—水域平均水深（m）；
D—风区长度（m）。
2）波浪爬高计算
按照莆田试验站公式计算：
式中：
Rm—波浪在斜坡上的平均爬高（m）；
KΔ—斜坡的糙率渗透性系数；
KW—经验系数，由风速W，坡前水深H，重力加速度g所组成的无维量W/
查附表得设计洪水情况时KW，见表6-1；
m—大坝坝坡率。
表6-1不同洪水标准KW值
名称
频率P（％）
5
0.5
1.050
1.006
波浪爬高RP=KP·Rm。
式中：
Kp为不同累积频率下的波高与平均波高比值。
由
/Hm查《碾压式土石坝设计规范》附表得累积概率P=5%时的Kp＝1.84。
（3）风壅水面高度计算
风壅水面高度按下式计算：
式中：
e—计算点处的风壅水面高度（m）;
K—综合摩阻系数，取K=3.6×10-6;
Hm—水域平均水深（m）;
β—风向与水域中线的夹角（度）。
计算结果见表6-2。
（4）坝顶超高计算
根据《碾压式土石坝设计规范》坝顶超高按下式确定：
Y=RP+e+A
式中：
Y—坝顶超高（m）；
Rp—在坝坡上波浪最大爬高（m）；
e—最大风壅高度（m）；
A—安全加高（m），设计A=0.5m，校核A=0.3m。
水库防浪墙顶超高计算成果见表6-2。
表6-2大坝顶超高计算成果
项目
频率P（％）
5
0.5
波高（m）
0.288
0.191
波长（m）
8.847
5.861
波浪爬高（m）
0.890
0.568
风壅水面高（m）
0.006
0.003
安全加高（m）
0.500
0.300
坝顶超高（m）
1.396
0.870
6.1.2坝顶高程防洪安全复核
水库防浪墙顶高程69.88m，本次水库防洪核算成果见表6-3。
表6-3大坝防洪核算成果表
项目
频率P（％）
5
0.5
最高洪水位（m）
68
68.6
坝顶超高（m）
1.396
0.870
核算坝顶高程（m）
69.396
69.470
现状坝顶高程（m）
69.28
69.28
防浪墙顶高程（m）
69.88
69.88
防浪墙顶高程与核算坝顶高程之差（m）
0.484
0.410
由表6-3，水库大坝防浪墙顶高程高于设计、校核洪水核算坝顶高程，水库大坝满足防洪标准。
6.2大坝加固设计
6.2.1上游坝坡
主坝上游干砌石护坡维修加固。
副坝挖深6m，设12%水泥截渗斜墙，顶宽1m，底宽2m，内侧坡比1:
0.5，外侧采用开挖沙壤土回填压实，压实度不小于0.96。
6.2.2坝顶构造
根据坝顶核算成果，并结合大坝实际情况，坝顶高程维持现状。
坝顶宽度4.0m，新建碎石路面，路面净宽3.0m，路面横坡2%，向下游侧倾斜；副坝上游侧设防护墙，高0.6m；下游侧设路沿石，每隔50m设一排水口。
防护墙做法：
底部采用M10浆砌块石基础，厚50cm，宽60cm；墙身采用M10浆砌块石结构，高45cm，宽40cm；顶部采用C25预制砼块压顶，宽50cm，厚15cm；每隔15m设一分缝，橡塑板填缝。
路沿石做法：
采用C25预制砼块，单块长0.8m，断面尺寸为0.12m×0.4m。
6.2.3下游游护坡设计
下游坝坡清理整平，新建草皮护坡，坝脚设浆砌石排水沟。
坝脚排水沟采用M10浆砌石砌筑，M12.5水泥砂浆勾缝；隔15m设一伸缩缝，缝宽2cm，用橡塑板填缝。
第七章溢洪道工程加固设计
针对溢洪道现状存在的问题，本次加固设计主要采取以下加固措施：
溢洪道现状实用堰上设3孔交通桥1座；溢洪道进出口右岸采用30cm厚浆砌石护坡，坡比1:
1.5；溢洪道进口左岸采用干砌块石护砌，底部设1m高浆砌石挡墙，上部采用干砌石护坡；出口左岸设浆砌石导流墙；下游底部采用浆砌石护底。
7.1工程布置
溢洪道主要建筑物主要由进口段、控制段、出水渠段组成。
1、进水渠段：
进水渠左岸采用干砌块石护砌，长18m，底部设1m高浆砌
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