水库除险加固设计.docx
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水库除险加固设计
水库除险加固设计
1.综合说明
1.1.项目背景
文华水库位于广元市元坝区清水乡文华村六社境内的余家坪，坝址地理坐标东径105°51’49”，北纬32°03’10”，距清水乡场镇2km,距广元城区70km。
属嘉陵江流域一级支流张家河上游，原是元坝区清水乡境内的一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合效益的小
（二）型水利枢纽工程。
自2007年以来工程主要用于清水供水工程的专用饮用水水源，同时灌溉附近的12亩农田。
兼具有防洪功能。
本水库原是清水乡文华村四、五、六、七、八社农田的主要灌溉水源，为本地的农业生产作出了重大贡献。
但在2007年的清水场镇、文华村、普贤村及关帝庙村的人畜饮水工程规划时，将此水库选定为清水供水工程的饮用水源，并由元坝区水务局、清水乡政府和文华村社共同协商将此水库选定为清水供水工程的专用饮用水水源，本水库灌区的原农田灌溉由清水乡小一型水库--胜利水库调水进行灌溉，本水库只对胜利水库灌溉渠以上的12亩农田进行灌溉，不再作为原灌区的主要农田灌溉水源。
本次设计依然按小二型水库的标准进行除险加固设计。
1.2.枢纽工程现状
文华水库原是元坝区清水乡境内的一座以人畜饮用水为主，兼有灌溉、防洪等综合效益的小
（二）型水利枢纽工程。
枢纽工程由大坝、溢洪道和放水设施等工程组成，等别属五等工程，主要建筑物为5级，次要建筑物为5级。
坝址以上集雨面积为2，总库容为12万m3，兴利库容8.5万m3，死库容1.5万m3，设计灌溉面积0.06万亩，现实际灌面12亩。
1.2.1.大坝工程现状
工程于1965年4月动工修建，1966年4月完工。
现坝高12m，坝顶宽3m，坝顶长110m，实际坝顶高程m，坝基高程70m。
大坝为均质土坝,上游坝坡坡比为1:
2.4,下游坝坡比为1:
1:
。
下游坝脚有1：
0.5的堆石体，高2m。
内坡风浪冲刷严重，大坝内外坝坡及坝顶杂草树木丛生,由于运行较长，加之人畜践踏，坝坡凹凸不平，极不规则。
外坡无排水系统。
大坝内外坝坡外观质量差。
在大坝右肩有明显的散漏现象。
同时有白蚁活动及建巢现象。
1.2.2.溢洪道工程现状
溢洪道位于大坝右坝肩砂质泥岩基础上，为开敞式正堰溢洪道，总长76m，全部末衬砌，洪水沿坝脚直接泄入自然冲沟中。
堰顶段：
堰顶进口高程，堰顶进口宽度m，出口宽度3m，边墙高m，为干砌块石，现已倒塌极不成形。
控制段：
全长30m，边墙高，左岸为4m高的砂质泥岩陡坡，度板为砂质泥岩，左侧为干砌块石，坡比为1：
30。
泄槽段：
全长45m，顺坝坡右脚至坝基河沟，全段乱石堆集，未开挖成形，而是自然冲刷，其底板坡度为1：
5，
消能设施 :
尾端无消能设施。
1.2.3.放水设施工程现状
放水设施位于坝体左侧，卧管平行坝轴线，涵管垂直于坝轴线，放水孔直径20cm，有10级卧管，级高，卧管平行于内坝坡。
涵管为穿坝建筑，管长45m，高0.8m，宽0.6m，设计放水流量0m3/s。
现放水卧管渗漏，需整治。
1.3.水文及水库特征水位
1.3.1.水文气象
文华水库位于广元市元坝区清水乡文华村六社境内的余家坪，坝址地理坐标为105°51’49”，北纬32°03’10”，坝址以上集雨面积2。
水库流域属亚热带湿润季风气候区，具有气候温和、四季分明、雨量充沛、日照充足、湿度大，多年平均气温℃，历年极端气温最高值℃，最低℃，多年平均日照数1250小时，多年平均降雨量为1156mm，无霜期240天。
1.3.2.洪水标准
文华水库为小
（二）型水库，工程等别为五等五级，设计时采用的洪水标准为20年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。
1.3.3.水库特征水位及流量
死水位745.00m，设计正常蓄水位m，设计洪水位7m，校核洪水位7m。
设计20年一遇的洪峰流量为m3/s，相应洪水总量m3;200年一遇洪水时洪峰流量为m3/s,相应洪水总量为m3。
设计洪水最大下泄洪水流量为m3/s,相应坝上设计洪水为：
m，相应水库库容为万m3。
校核洪水最大下泄洪水流量为：
27m3/s，相应坝上校核洪水为：
76m，相应水库总库容为12万m3。
1.4.工程地质
1.4.1.库区水文地质及工程地质条件
1、地形地貌
文华水库位于嘉陵江水系一级支流张家河上游，流域形状呈树叶形，地势为北高南低，东陡西缓，地面高程一般在740-940米之间，沟谷与山顶之间相对高差为200米。
最高点烟杆山，海拔940m，最低点坝址处，海拔740m。
该区地貌上属于构造剥蚀丘陵地貌，山坡度较缓,沟谷切割较浅，山顶圆滑，谷底一般宽10～30米，覆盖层厚4～8米，冲沟两侧Ⅰ级阶地断续发育分布。
两岸基岩出露较好。
地形受构造和岩性控制，砂岩一般呈陡崖；砂质泥岩呈浑圆状丘包和缓坡地。
2、地层岩性
库坝区属中低山地貌，区内出露地层主要为白垩系剑门关组（K1j），岩层由砂质泥岩、砂岩不等厚互层组成。
山坡及沟内广布第四系全新统坡残积层（Q4dl+el）及坡洪积层（Q4dl+pl）粉质粘土。
左右两岸坝肩及近坝库岸稳定，无滑坡或塌落体。
坝基为砂岩与粘土岩互层岩体，岩层较平缓，坝基未进行帷幕防渗。
3、水文地质
区内水文地质条件简单。
地下水主要为松散堆积层中的孔隙型潜水和基岩中的脉状裂隙型潜水。
接受大气降水与库水的补给，动态变化的季节性明显。
1.4.2.地震烈度
根据GB18306－2001《中国地震动参数区划图》国家标准第1号修改单中《四川、甘肃、陕西部分地区地震动峰值加速度区划图》（1/100万）查得，工程区地震动峰值加速度为，《四川、甘肃、陕西部分地区地震动反应谱特征周期区划图》（1/100万）查得，工程所在区地震动反应谱特征周期为0.40s，对应地震基本烈度为
度。
1.5.枢纽工程除险加固设计
1.5.1.大坝整治工程
1、对大坝坝顶增设高的防浪墙。
2、对大坝散漏处采用开挖止水槽回填夯实土料治漏。
3、对大坝内外坝坡清杂去乱，挖填整形。
对内坡采用C15砼预制块护坡，外坡种草护坡。
4、泥结石坝顶，增加路沿石，增加下游坡面排水系统。
5、白蚁防治和增设大坝观测设施。
1.5.2.溢洪道整治工程
对溢洪道进行清杂去乱，按设计标准开挖成形并衬砌。
1.5.3.放水设施整治工程
将原涵卧管撤除后重新浆砌。
1.6.施工组织设计
1.6.1.施工条件
工程对外交通方便，在施工之后需对0.2km长的进库公路整治成泥结石路面。
施工用电可直接在距工程50m处的清水场镇饮用水提水泵房处的变压器上搭接380V线路引至施工点。
钢材、水泥可在广元或元坝城区物资部门或经销商购买，炸药在元坝区民用暴炸器材公司购买。
石料、粘土料等均可在距库区1km范围内进行开采，砂料需到50km的嘉陵江洪江采砂场购买。
1.6.2.主体工程施工
工程施工：
采用人工和机械相结合的方式进行，其中以机械开挖为主，人工为辅，运输以5T的自卸汽车为主辅以拖拉机进行场内土石方及材料的运输，对大坝坝体渗漏采用开挖回填止水槽进行渗漏处理。
坝坡砼块采用人工预制及安砌，溢洪道采用砼现浇，放水设施采用机械开挖回填夯实，人工撤除浆砌。
1.6.3.施工总进度
本工程总工期4个月，其中施工准备期半个月，主体工程施工期3个月，工程完建期半个月。
1.7.工程管理
该工程为汶川地需后除险加固水利工程，业务上受广元市元坝区水务农机局领导，施工和运行管理由太公片区水利农机管理站负责。
但整治后交由清水场镇供水站管理，作为清水场镇供水工程的专用水源，原水库管理机构撤除。
工程建成后的管护范围、工程监测内容、水库运行调度以及水库防汛渡汛均按小型水利工程管理规定进行管理和乡镇供水工程水源保护条例执行，并及时与上级主管部门备案，在运行中及时互通信息。
1.8.工程占地补偿
由于该工程为病害整治性质，根据工程整治设计，没有永久占地。
1.9.环境保护与水土保持
水库水域及两侧陆地，应按饮用水水源保护标准保护。
其保护措施如下：
本工程施工中水下抛石应严格控制质量，保持水质的清洁，机具维修所产生的废油应该集中收集，尽量重复利用。
工程完工后应对临时占地进行绿化，水土保持工程可采取植物措施和工程措施。
及时划定水源地保护范围，设置界桩，制定管理及保护条例以保护水质的清洁和安全。
1.10.工程投资
工程总投资万元，其中建筑工程投资35万元，机电设备安装工程3.15万元，临时工程费万元，独立费用万元，水土保持和环境保护工程0.5万元,工程总投劳0.21万工日。
水泥T，河砂m3,卵石134m3。
1.11.经济评价
该工程经过经济评价，经济净现值万元，远大于零，经济内部收益率1%，效益费用比1.93。
由此可见，本工程在经济上是合理的。
2. 水文
2.1.流域概况
2.1.1.流域自然地理概况
文华水库位于广元市元坝区清水乡文华村境内的余家坪，坝址地理坐标东经105°51’49”，北纬32°03’10”，距清水乡场镇2km。
属嘉陵江一级支流张家河流域，是元坝区清水乡境内的一座以人畜饮用水为主，兼有防洪、农业灌溉等综合利用的小
（二）型水利枢纽工程。
流域形状呈树叶形，地势为北高南低，东陡西缓，该区地貌上属于构造剥蚀深丘地貌，沟谷切割较深，地面高程一般在740～940米之间，沟谷与山顶之间相对高差为200米。
最高点烟杆山，海拔940m，最低点坝脚处，海拔740m，水库坝址以上集雨面积为2，最远分水岭到大坝址处河道长度km，河道平均比降为177‰，河道坡度较缓，水流较平，但流域内植被较好。
2.1.2.气象
水库流域属亚热带湿润季风气候区，具有气候温和、四季分明、雨量充沛、日照充足、湿度大，冬季寒冷少雨且多寒潮；春季温和、风高物燥、多干旱；夏季炎热、雨量集中、夏旱突出、春旱连夏旱、或伏旱连秋旱等灾害常有发生；秋季多雨、湿度大，常发生秋绵雨及秋洪。
降雨年内分配极不均匀，雨季从5月到10月中旬，降水占年降水量的75%，而12月至次年3月降水量仅占年降水量的10%，降水年际变化较大，多年平均降雨量为，最大年降水量，最小年降水量。
暴雨多发生在6—8月，一次大暴雨过程多为1—2天，其中80%左右的水量集中在24小时以内，实测24小时内最大暴雨量为。
多年平均气温℃，历年极端气温最高值℃，最低℃，多年平均日照数1250小时，多年平均蒸发量为，无霜期240天，多年平均相对湿度69%，多年平均最大风速14m/s。
2.1.3.径流
根据《广元县水文手册》，移用三川水文站数据，多年平均年径流深513mm，地下径流深，则地表径流深。
年径流变差系数CV＝0.45，偏差系数采用CS＝2CV。
则丰水年P＝20%设计年径流深，平水年P＝50%年径流深为，枯水年P＝75%年径流深为。
故各设计年故各设计频率年径流量分别为万m3、万m3、万m3，平均年径流量分别为3m3/s、2m3/s、8m3/s。
2.1.4.设计暴雨
由于水库流域及邻近类似区内无实测水文资料,水库坝址以上无历史洪水调查资料，在运行期间没有洪水过程出流观测资料，无完整的，长系列的暴雨资料，因此不能用频率分析方法及水文法推求设计洪水，其设计洪水只能由设计暴雨并按《四川省中小暴雨洪水计算手册》中推理公式进行分析计算。
其中偏差系数采用CSV。
设计暴雨按短历时暴雨公式计算：
Htp=Spt1-n
则：
当历时t=1/6—1小时范围内时
n1=1+1.285lg（Hp1/6/Hp1）Sp1=Hp1（mm）
当历时t=1—6小时范围内时
n2=1+1.285lg（Hp1/Hp6）Sp2=Hp1（mm）
当历时t=6—24小时范围内时
n3=1+1.661lg（Hp6/Hp24）Sp3=Hp6×6n3-1（mm）
根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》附图—暴雨等值线图计算文华水库各控制历时暴雨统计参数如下表：
文华水库设计流域暴雨频率参数表
表2-1
时段
均值mm
CV
KP=5%
KP=0.5%
Hp=5%
Hp=0.5%
1/6h
1h
44
6h
88
24h
125
273
2.2.基础资料收集与复核
2.2.1.基本资料的收集整理
本次洪水复核收集整理了文华水库的主要特征参数：
集雨面积、主河道长度、河流比降、吹程、水位～面积、库容曲线、溢洪道有关参数等资料，和原设计的相关资料，并采根据1989年四川省测绘局出版1/10000采用航测图测算和现场实测数据进行对比分析。
2.2.2.流域基础资料复核
本次复核根据1989年四川省测绘局出版1/10000航测图量算得集雨面积为F＝2。
L＝。
J＝177‰。
2.2.3.水库水位～库容曲线复核
工程原无水位库容曲线图表，为保证资料的一致性，本次水位库容曲线采用1:
10000万航测图与现场核实的方法勾绘。
文华水库水位H～库容V曲线表
表2-2
H（m）
742
748
751
75
754
V（万m3）
0
3
6
8
11
2.2.4.水位泄量曲线复核
文华水库溢洪道位于大坝左侧,为开敞式正堰，堰顶高程，堰宽3m，工程原无水位泄量关系曲线图表，本次按宽顶堰公式
M取1.55，计算下泄流量q,绘制H～q曲线,计算成果见下表及图。
文华水库溢洪道H～q曲线计算表
表2-3
水库水位Z（m）
753
754
总库容V（万m3）
8
9
11
12
堰上水位H（m）
0
1
2
下泄流量qm3/s
0
1.64
4.65
8.54
13.15
2.3.设计洪水
2.3.1.洪水特征
文华水库洪水由暴雨形成，洪水发生季节与暴雨相应，一般在夏秋季节，多集中在6—8月，洪水特性为陡涨缓落，起涨到峰顶历时1—6小时，一次洪水总历时为1天左右，洪水过程线呈单峰形，具有山溪洪水的特性。
2.3.2.洪水标准
文华水库为小
（二）型水库，工程等别为五等五级，故本次洪水标准根据《水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252—2000）》规定,采用20年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。
2.3.3.推求设计洪水的途径
水库流域及附近区域无实测洪峰流量资料；水库运行期间也无洪水过程出流观测资料，只能由库水位及出库流量等资料通过入库洪水来推求设计洪水，加之是小
（二）型水利工程，故本次根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》（1984版，以下简称《手册》），按手册中的推理公式法由暴雨推求该水库的设计洪水。
2.3.4.设计洪峰流量
采用《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》推理公式计算洪峰流量：
Qpψ
F
上式适用于全面条件下的全面汇流和部分汇流两种情况：
当全面汇流条件下τ≤tcψ=1-
τn
当部分汇流条件下τ＞tcψ=n（tc/τ）1-n
tc=[（1-n）s/
]1/n
τ=τ0ψ（-1/4-n）τ03/4-n]/[（mJ1/3/L）4/4-n（SF）1/4-n
式中：
Q—最大流量（m3/s）; ψ—洪峰径流系数;
i—最大平均暴雨强度（mm/h）
S—暴雨雨力,即最大1小时暴雨量（mm/h）;
τ—流域汇流时间（h）; τ0—当ψ=1的流域汇流时间（h）;
n—暴雨公式指数; F—集水面积（km2）; tc—产流历时（h）；
—产流参数，即产流历时内流域平均入渗强度（mm/h）;
m—汇流参数J—沿河长的河道平均坡度。
L—自出口断面沿主河道至分水岭的河流长度（km）
1、流域特征值
集雨面积F＝2,主河道长L＝,主河道比降J＝177‰。
2、汇流参数m值
流域特征系数θ＝L/（J1/3*F1/4）=θ＝0.4
3、暴雨参数S、n
根据《手册》结合相关公式计算暴雨衰减指数n和雨力参数S。
t=1/6～1h，n1=1+1.285lg（H1/6p/H1p）,Sp1=H1P
式中：
暴雨量HP根据公式HP=KP×HP均值计算。
文华水库暴雨参数成果表
表2-4
P%
S1p
S2p
S3p
n1
n2
n3
5
162.45
0.444
0.530
0.710
251.29
0.444
0.467
0.695
4、汇流时间
根据《手册》结合相关公式为：
5、产流参数μ及系数
文华水库地形地貌相对高差不大，采用盆缘山区公式μ=计算平均产流参数μ值及μｐ（CV=0.23，CsV）,由于流域面积较小,可认为是全面汇流，则
。
K5%=1.33K0.5%=1.57.
6、流域汇流时间
计算公式：
7、验算m′值
验算公式：
m′×L÷（
×J1/3×Q1/4），结果要使m′=m
8、洪峰流量计算
由于流域面积较小，先采用n1作试算，则计算成果如下表：
文华水库洪峰流量计算成果表
表2-5
P（%）
n1
S1p
τ0
τ
μ
μ0
ψ
Qp
Tp
m/
5
0.444
0.63
0.64
5.01
6.66
0.92
19.69
2.31
0.36
0.444
0.57
0.58
5.01
7.86
0.94
29.05
2.51
0.36
由上述分析计算可知：
流域汇流时间τ价于<1小时，说明采用n1计算合理，验算的汇流参数m′＝m，则计算正确。
2.3.5.洪水成果合理性分析
由于该水库无任务原始资料可查，也就无可对比性原始数据，但该水库所控制的集水面积较小，只有0.8km2，在采用上述暴雨手册中的推理公式和所查的各项参数进行频率年洪水计算的同时，结合区域内同类型同规模水库的洪水计算成果进行分析，认为此次洪水计算过程和方法是比较合理和适用的。
2.4.分期设计洪水
根据后面的施工组织设计和前面径流计算，加之该工程规模较小，无需进行分期洪水计算。
2.5.调洪演算
2.5.1.起调水位的确定
文华水库起调水位定为正常蓄水位752.50m，相应库容8.5万m3。
2.5.2.水位～库容曲线
见表2—2，见水位～库容曲线图。
2.5.3.水位～泄量曲线
见表2—3，见水位～下泄流量曲线图。
2.5.4.洪水总量、洪水过程线
1、洪水总量推求
根据该库各时段设计暴雨，采用《暴雨洪水手册》推荐公式，按单峰洪水进行计算，径流系数α根据《手册》和相应雨量查得。
则设计暴雨历时T=1/4=1小时。
短历时设计暴雨量按HTP=H24p×（T/24）1-n3计算，
设计洪水总量用WPαHTPF公式计算，成果如下：
洪水总量计算成果表
表2-6
P%
HTP（mm）
H24p
α
n3
WP（万m3）
5
223.85
273.00
0.91
0.71
16.37
352.40
434.20
0.93
0.70
26.22
2、洪水过程线推求
按《四川省水文手册》东部地区典型概化洪水过程线单峰
（2）型放大设计洪水过程线（同倍比），求得设计地面径流过程线后再加上基流量，就是所求设计洪水过程线。
设计洪水概化历时TP按公式TPP/QP计算，则：
P=5%，TP=2.31小时；P=0.5%，TP=小时
根据《手册》中典型洪水过程线相对坐标y-x建立设计洪水过程线方程式Qt-t，既：
Qt=yQPt=xTP根据该流域特征，基流部分Q=0.014*F，平均加入设计洪水过程线中。
文华水库设计洪水过程线计算表
表2-7
典型概化坐标
5.00%
0.50%
y
x
t
Qt
t
Qt
0
0
0.00
0.01
0.00
0.01
0.25
1.00
0.28
1.46
0.35
1.98
0.38
2.92
0.46
3.95
0.50
5.82
0.57
7.89
0.61
11.63
0.73
11.83
0.79
17.44
0.92
15.76
1.00
23.25
1.14
18.72
1.24
27.61
1
1.39
19.70
1.51
29.07
1.62
18.72
1.76
27.61
1.88
15.76
2.04
23.25
2.28
11.83
2.47
17.44
2.85
7.89
3.10
11.63
3.79
3.95
4.11
5.82
4.85
1.98
5.27
2.92
5.96
1.00
6.47
1.46
0
8.90
0.01
9.66
0.01
2.5.5.调洪演算
按照《水库大坝安全评价导则》（SL258—2000）第条及4.4.3条的有关规定，结合本次设计洪水采用坝址洪水、汛期动库容所占比重不大的情况，调洪计算方法为静库容法。
本次采用试算法进行调洪演算，复核文华水库防洪标准是否符合现行规范要求，以及水库实际能够达到的防洪标准。
计算公式采用水量平衡方程式（Q1+Q2）△t/2-（q1+q2）△t/2=V2-V1，根据H-V和H-q进行单辅助曲线的计算,间隔时间△t取1小时，然后根据库容曲线和单辅助曲线图，采用单辅助曲线半图解法进行设计和校核频率年进行该水库的调洪演算，调洪成果见表：
调洪演算成果表
表2-8
频率P（%）
最大下泄流量（m3/s）
库容（万m3）
最高库水位（m）
5
27
12
2.6.坝顶高程复核
2.6.1.坝顶超高标准
根据规范，土石坝波浪爬高和风壅高度以上为安全超高，在正常运用条件下为0.100m，在非常运用条件下为，地震安全加高1m。
2.6.2.坝顶超高计算
根据元坝区气象站提供的资料，该水库多年平均年最大风速V=10m/s,正常运用情况计算风速采用多年平均年最大风速的1.5倍;非常运用情况计算风速采用多年平均年最大风速。
吹程：
文华水库大坝附近水域形状较不规则，故吹程采用De=ΣDicos2αi/Σcosαi计算。
经反复量算，De=0.22km。
根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）附录A中、A.1.8、A.1.12和A.1.13条之规定和其中的有关公式和换算系数进行计算波浪爬高值，并以此来复核坝顶高程。
Gh/w2-1/12（GD/w2）1/3GLm（gD/w2）
其计算和复核成果见表2-10。
文华水库坝顶超高计算表
表2—9
项目
正常运用（设计）
非常运用（校核）
正常水位+非常运用+地震安全加高
频率P（%）
5
计算风速W（ｍ/s）
15
10
吹程D（m）
220
220
水域平均水深Hm（m）
坝坡坡比ｍ
经验系数KW
经验系数K△
波高hP
0.296
0.178
平均波高hm
0.152
0.091
平均波长Lm
3.937
2.623
平均爬高Rm
0.273
0
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