土石坝除险加固水利水电毕业设计.docx
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土石坝除险加固水利水电毕业设计
毕业设计（论文）说明书
题目：
TJ土石坝除险加固设计
系名建筑工程系
专业水利水电
学号6008207251
学生姓名高明晶
指导教师王海军
年月日
摘要
我国是拥有水库最多的国家，水库对国民生产生活用水具有重要的意义。
土石坝是我国水利工程中各种坝型应用最多的一种，但由于其建设时期的历史特殊性，多数土石坝存在着不同程度的设计缺陷或质量问题。
该文主要进行了下列工作:
回顾总结了我国土石坝发展的基本概况及运行现状，对土石坝病害的种类及评判方法进行归纳;综述了土石坝加固技术及方法，对各种除险加固措施进行了分析比较，并对TJ水库除险加固进行了系统的分析，结合坝体蓄水后不同水位条件下坝体浸润线的变化，分析模拟水位的变化对坝体稳定性和变形等方面的影响。
从大坝病害勘察、分析，到除险加固设计直至工程施工处理均进行了较为全面的讨论。
关键词：
土石坝；除险加固；渗流分析；稳定分析
Abstract
Ourcountryisoneofthenationsowningthelargestquantityofreservoirsintheworld,andthereservoirplaysagreatroleinthelifeandproductionofourpeople.Theearth-rockdamisthemostfrequently-useddaminhydraulicengineeringinourcountry.Asaresultofthelarge-scaleconstruction，mostoftheearth-rockdamsexistdesignorqualityproblemsindifferentdegree.Inthepaperthefollowingworkismainlycarried.Itreviewsandsummarizesthedevelopmentandoperationofarth-rockdamsinChina,inducesthevariousdiseaseofearth-rockdamsanditsmeasureofjudgement;Thecommonlyusedtechnicalmethodofreinforcementinearth-rockdam’sstrengthenissummarizedtobeanalyzedandcompared.Combiningthedifferentwaterlevelinthedamafterused，primarilyanalyzetheinfluenceonthestressinthedamproducedbythechangingofwaterlevel.
ThepaperhasdonesomeresearchsystematicallyontheprocedureofdoingawaywiththedangerousconditionsoftheTJReservoiranditsreinforcementaswellasthesurveyandanalysisofthediseaseddam,thereinforcementdesign,andthetreatingofconstruction.
Keywords:
earth-rockdam;reinforcementofdangerousdam;seepageanalysis;stabilityanalysis
第一章绪论
1.1引言
我国是世界上拥有土石坝最多的国家之一。
截止到2000年年底统计,全国已兴建各类水库8.5万余座,其中大型水库420座,中型水库2704座,小型水库近8.2万座，这些水库大坝绝大部分是土石坝
。
土石坝工程在防洪抗旱中发挥了重要的作用，促进了工农业生产，提高了人民生活水平。
但由于当时特定的历史条件，存在严重的“三边”（边勘测，边设计、边施工）现象
，防洪标准低，质量控制不严，尾工和隐患较多，时刻威胁下游人民生命财产安全，限制了当地的经济发展，其除险加固的重要性和必要性为人民所认识，各地都在进行病险水库的除险加固。
而搞好病险水库的除险加固，必须搞好除险加固设计。
1.2国内外发展现状
土石坝是最普遍的一种坝型，无论是在中国，还是在世界其它各国，与其它坝型相比较，土石坝都占绝对优势。
二十世纪六十年代以前，中小型坝多采用土石坝，高坝多采用混凝土坝，近几十年来，这种趋势发生了改变，在整个50-60年代，各类坝型在坝建设中的比例的变化情况为堆石坝增加19%，碾压土坝增加0.7%，拱坝增加0.2%，而重力坝和支墩坝分别下降了0.9%和0.6%。
据1981年的资料，25座坝高超过200m的水库中，大坝属土石坝的有16座，在86座装机容量超过106kw的水电站大坝中，有59座是土石坝，这说明在高坝大库中，土石坝所占的比重越来越大。
就总体而言，全世界土石坝数量占总数的82.9%
。
由表1-1和表1-2知国内外发展具体情况
。
表1-1全世界不同坝型建造数量和百分比
坝型
全世界数量
百分比%
中国数量
百分比%
美国数量
百分比%
土石坝
28845
82.9
17305
93
4584
85.8
重力坝
3953
11.3
519
2.8
528
9.9
拱坝
1527
4.4
719
3.9
163
3.1
支墩坝、连拱坝
473
1.4
52
0.3
63
1.2
表1-2建坝总数中土石坝的发展比例
年份
全世界（含中国）
全世界（不含中国）
中国
1950
61.7
61.7
1951-1977
87.1
74.6
94.47
1978-1982
82.66
83.5
82.15
1982
82.99
70.2
93.0
近代土石坝在试验技术、设计理论、施工设备与工艺等方面,已取得了令人瞩目的成就,进而推动了土石坝型的日趋成熟和发展。
土石坝紧随时代的步伐,不断地从新技术、新工艺中获取发展的动力,不断地发展,成为坝工建设的主要坝型,它们在坝工建设中的作用将越来越大,影响将越来越深远。
目前，关于国外病险水库大坝的治理措施的报告及相关文献还比较少。
在美国，主要致力于服务大坝安全管理的基于确认风险的大坝安全决策研究、大坝应急管理和报警系统等非工程措施的研究。
在日本，主要致力于由于大坝工程新技术的开发和应用，如预制混凝土构件、高流动性混凝土、老坝扩建等新技术研究，这些技术可缩短了施工工期，降低了工程造价，保护环境。
另外，日本的水利工程基本实现了自动化监控管理，工作人员通过计算机和监视屏幕掌握工程运行情况，可远距离遥控操作闸门等设备的启闭
。
1.3研究目标
评价大坝的安全状况，掌握工程运行性态和提高工程的安全保障，加快病险水库的除险加固进程，早日根治工程存在的不安全隐患，发挥水库应有的效益。
目前，TJ大坝存在较严重的质量问题，不能在设计条件下正常运行，属于Ⅲ类病险水库大坝，需要尽快对该大坝进行全面的除险加固。
通过对该大坝进行除险加固设计，合理有效的指导TJ土石坝除险加固工程的实施，使其正常发挥效益，安全运行。
第二章土石坝的病害及处理技术
2.1土石坝的病险及特征
为了达到除险加固的理想效果，首先必须对各种病险有一个较为清楚的认识，以便根据不同的实际情况采取不同的技术措施。
根据病害的特点可归纳为两类:
一类是结构性病害，主要是由结构强度稳定刚度构造等因素而产生的病险，具体表现于滑坡裂缝排水溢洪设施问题等;二类是渗漏性病害，其主要是由坝体及其接合体抗渗性能不足而造成的病险。
根据前人对多年来病险土石坝除险加固经验的总结,主要的病险有以下几方面。
（1）裂缝。
裂缝可以说是土石坝病害中较为常见的现象，有的裂缝在坝体表面就可以看到，有的隐藏在坝体内部，裂缝宽窄长短深浅不一。
裂缝有平行坝轴线的纵缝，也有垂直坝轴线的横缝，还有不规则的倾斜裂缝。
无论什么性质的裂缝对土坝的正常使用都有不利影响，其中危害最大的是贯穿坝体的横向裂缝水平裂缝以及滑坡裂缝，它们直接影响坝体的稳定性。
在进行大坝除险加固时，应对裂缝的范围位置长度宽度深度数量等参数进行详细的测定，以便确定其影响程度，从而采取确切的措施。
（2）渗漏。
渗漏一直以来都是危害土石坝安全的主要因素之一，按渗漏的部位可分为坝体渗漏、坝基渗漏、接触渗漏、绕坝渗漏;按渗漏性质可分为正常渗漏和异常渗漏;按渗漏现象可分为散浸和集中渗漏。
对于因渗漏而引起的坝体破坏或渗漏量过大，且影响蓄水和造成土石坝整体或局部失稳的，称为异常渗漏，异常渗漏则是考核坝体病险程度的主要指标之一，若出现地面凸起坍塌或管涌现象则表现渗漏很严重，急需处理。
（3）滑坡。
土石坝滑坡的原因有很多，如坝坡太陡，坝体抗剪强度偏小，坝基土的抗剪强度不足，外界因素扰动（如地震、坝周围动荷载）等，而导致坝体局部或整体的滑动。
实际上滑坡往往是多种原因综合产生的，所以当发现滑坡征兆后，应及时认真调查研究，分析滑坡产生的原因，并根据不同的情况，采取有效的方法及时处理。
（4）护坡损坏。
护坡是土石坝的重要组成部分，由于雨水波浪动植物以及设计不当施工质量和管理等因素的作用和影响，土坝坝坡大都存在不同程度的毁坏，严重的将威胁大坝的安全。
护坡毁坏原因比较复杂，主要有坝体碾压不实护坡垫层设计与施工不合格块石偏小砌筑质量差设计不完善水流冲刷坝体不均匀沉陷块石风化变质等原因。
因此，需要综性的分析护坡产生的问题。
（5）输泄洪建筑物老化破坏。
随着使用年限的增加，许多土石坝的输泄洪建筑物老化，甚至出现裂缝、断裂、露筋、漏水等现象，严重影响了这些建筑物的接体性和安全性。
特别是遇到坝下埋管时，极易导致接触冲刷破坏;有时也存在溢流面和泄槽未衬砌或质量差冲蚀，无消能工或消能工不完善，基础淘刷等，以上情况均危及坝体安全。
（6）防洪标准偏低。
我国有很多土石坝的防洪标准低，达不到规范要求的洪水标准。
水库的防洪标准低于颁布的防洪标准，坝高低于设计洪水位的要求。
表2-1统计了国内各地一些病险水库存在的问题，并列举了各水库对应的加固治理措施
。
表2-1病险水库存在问题统计表
序号
水库名称
坝型
存在问题
治理对策
1
陕西省讨曲坡水库
均质土坝
库区渗漏
混凝土填塞溶洞、裂缝，水平粘土铺盖
2
江西省滨川水库
均质土坝
坝身渗流稳定、坝坡稳定、坝基渗漏
抓斗造薄壁塑性混凝土防渗墙
3
广西省和平水库
粘土心墙坝
坝坡稳定
高压摆喷灌浆造防渗墙
4
山东省贺庄水库
土砂组合坝
坝身渗流稳定、坝身变形
劈裂灌浆
5
安徽省城西水库
粘土斜墙坝
坝身、坝基渗流稳定
高压摆喷灌浆和劈裂灌浆联合防渗
6
浙江省横溪水库
粘土心墙坝
坝身渗流稳定
坝基帷慕灌浆
7
福建省江家水库
浆砌石拱坝
坝体结构应力、坝体渗漏
大坝培厚、上游面防渗和下游坡防护
8
四川省长沙坝水库
浆砌石拱坝
坝基18.8mm的裂缝，拱的径向变位相差23.9mm
坝上游面铺钢筋混凝土防渗面板，坝体裂缝化学灌浆
9
广东省龙颈上水库
均质土坝
坝顶高程不足，坝体上部存在砾石土，渗透系数大于规范要求
加高培厚背水坡，坝体进行劈裂灌浆，基础进行帷慕灌浆
10
广东省南告水库
浆砌石重力
坝
坝体渗漏量较大，并且渗漏水对硅（砂浆）存在溶出型侵蚀、碳酸型侵蚀和泛酸型侵蚀，造成大坝材料容贡、防渗墙抗渗能力、硅与浆砌石的强度、抗剪断粘结力等的降低
浆砌石坝体整体充填水
泥浆，上游面采用灌浆重造防渗幕
11
广东省红场水库
均质土坝
坝身渗流稳定、坝坡稳定
造塑性混凝土防渗墙、培厚背水坡
2.2土石坝病害的主要原因
（1）自然灾害问题。
土石坝建筑物受到自然界难以预测或难以抗拒的灾害的作用,致使水库大坝发生灾害性事故,造成无可挽回的损失。
总的来讲土石坝可能遇到的自然界灾害有:
一是遭遇非常洪水、特大水流。
二是遭遇强烈的风暴、地震、山崩、滑坡等自然界灾害。
（2）设计阶段的失误。
总结以往工程设计经验和教训,在设计阶段容易出现失误:
一是缺乏勘测资料就盲目进行工程设计,或因勘测的深度、精度、范围和方法不当,勘测设计资料不准确,以及勘测和设计工作脱节等。
二是土石坝枢纽建筑物布置受地形、地势限制,在未作充分地质勘测及工程论证基础上,就确定坝址,由于大坝选址不当带来工程整体的不安全、不稳定隐患。
三是土石坝泄水建筑物设计标准偏低,达不到防汛泄洪要求,严重影响整个枢纽工程及下游区域防洪度汛的安全。
（3）施工阶段遗留下的隐患。
一是坝基基础开挖不到位,未开挖至设计基岩,而不作特殊处理,或开挖至设计高程,但基础仓面清理不到位,留下碎石、浮土、杂物等影响工程质量隐患,就进行下一道工序施工。
二是坝体回填土料（或石料）含水率不符合设计要求,土料（或石料）含水率高于或低于设计碾压含水率。
三是土石坝坝体土料（或石料）填筑质量差,每层土石料铺筑厚度超设计要求。
（4）运行管理中存在的问题。
一是盲目、片面追求灌溉效益,不了解洪水出现的随机特性,汛期不适当地抬高运行水位,减少防洪库容,致使水库防洪能力不足,直接威胁大坝下游城镇、工矿企业的安全。
二是对土石坝定期安全检查不够细致,导致坝体遭受白蚁的侵灾严重。
三是对水库大坝及枢纽建筑物的日常维修和养护不及时,彻底。
2.3加固方法分类及选用原则
2.3.1方法选用原则
土石坝发生病害是多种因素共同作用的结果。
土石坝加固方法很多都有其适用范围、局限性和优缺点。
因此，对每一具体工程病害，都应进行仔细分析，应从工程病害情况、加固要求、工程费用以及材料、机具来源等各方面进行综合考虑，克服盲目性。
确定土石坝加固方法时，应根据工程病害的具体情况对几种加固方法进行技术、经济、施工比较。
合理的土石坝加固方法应是技术上可靠、经济上合理、又能满足施工要求。
通过比较分析，可采用某一种加固方法，也可采用两种或两种以上的方法组成的综合加固方法。
2.3.2加固方法分类及适用范围
土石坝的加固方法,一般可按土石坝加固的原因、原理、目的、性质等进行分类,其中按加固的原因进行分类,主要有:
渗透破坏、裂缝、滑坡、地震震害与液化等加固方法。
这里主要介绍以下几种方法：
（1）渗透破坏加固方法
渗透破坏加固方法的原理是在上游不使或少使来水渗入坝体或坝基,并使渗水在下游通畅排出,但不带走坝体或坝基上的土粒和不改变坝体或坝基的变形和强度。
即上游防渗下游排水减压和导渗（上堵下排）。
防渗排渗方法常用于解决土石坝坝体和坝基的渗流问题,使下游不发生散渗、漏水、翻砂冒水、砂沸、管涌流土或沼泽化、塌坑浑水等渗透变形现象;上游不发生漩涡、翻泡、塌坑等渗漏入口,从而加强土石坝及其坝基的抗渗能力。
按防渗、排渗、滤土排水的不同,防渗排渗加固方法可分为：
防渗加固方法。
在上、中游设置切断透水坝基的垂直防渗措施有:
土质截水槽、混凝土防渗墙、桩柱式防渗墙、粘土防渗墙、防渗板墙、灌浆帷幕、泥浆槽防渗墙、自凝灰浆防渗墙,混凝土防渗墙和灌浆帷幕的组合等等。
排渗加固方法。
防渗加固方法采取后,仍需采用贴坡排水、棱体排水、褥垫排水及其组合,坝体内竖向排水层和水平排水层、排水沟、减压井、透水盖重等排水设备,排除上游渗水,降低浸润线及下游坝基上的水头。
（2）滑坡加固方法
土石坝的滑坡的原因是多方面，一般都是多种因素的组合从破坏力上讲占主导地位是坝体内部原因，再加上外部的自然因素或者运用管理不当造成的从滑坡的机理上看，当作用在滑坡上的作用力大于阻止滑坡的作用力时就会发生滑坡
。
土石坝出现滑坡裂缝及滑坡后,应进行滑坡勘察及土工试验,分析产生的原因,按照滑动力减少和抗滑动力增加的准则,进行滑坡加固设计。
一般采用土石坝中常用的主动滑动段减重和滑坡体前缘抛石固脚,加重压坡的方法。
（3）裂缝加固方法
土坝裂缝是较为普遍的现象，大多发生在蓄水运用期间，有些裂缝在坝体表面就可以看到，有些隐藏在坝体内部，要开挖检查才能发现。
裂缝的走向有与坝轴线平行的纵缝，与坝轴线垂直的横缝，还有不规则的倾斜裂缝。
无论什么形式的裂缝对土坝的正常运行都有不利影响，其中危害最大的是贯穿坝体的横缝、纵缝以及滑坡裂缝。
它们直接影响坝体的稳定性,使水库不能正常发挥效益。
其中横缝可能发展成贯穿坝体的漏水通道,甚至造成溃坝失事，若不及时修复，可使土坝在很短的时间破坏。
土坝裂缝的治理应根据检查的情况和观察资料,判断裂缝的特征、规模和部位等,正确分析裂缝产生的原因,采取有针对性的措施,适时进行加固处理。
裂缝加固方法一般是开挖回填、裂缝灌浆以及两者相结合。
其适用范围如下：
①开挖回填:
适用于粘性土,裂缝不超过5m。
②裂缝灌浆:
适用于粘性土,坝体内裂缝和非滑动的表面裂缝。
2.4加固新技术应用
水库项目研究内容主要集中在以下几个方面
1）病险水库大坝治理对策
2）大坝防渗处理技术；
3）建筑物补强新材料和新工艺应用；
4）自动化监测设施应用；
5）大坝白蚁防治技术。
目前，在水库大坝除险加固过程中，广泛采用新技术、新材料和新工艺。
如安徽省佛子岭水库采用现浇钢纤维喷射混凝土加固大坝上游防渗面板
和浙江省余姚百丈岗水库溢洪道地基防渗处理中薄型抓斗法混凝土防渗墙
。
佛子岭连拱坝采用在上游面板与垛墙间增加劲性钢筋以加强连接，然后浇筑钢纤维混凝土的加固方案，通过手工操作喷枪，成功地实现一次喷射厚度达400mm，输送水平距离达100m、垂直距离达60m以上的超厚度、远距离泵送喷射效果；同时在提高新老混凝土粘结力性能，减小喷射钢纤维混凝土的回弹和增加纤维粘附率，以及解决钢纤维特别是长纤维在拌和中易结团等问题上也取得了卓有成效的成果。
在国内首次成功地将喷射钢纤维混凝土技术大规模应用于水库大坝结构加固，该技术研究和应用方面达到国际领先水平。
余姚百丈岗水库溢洪道地基防渗处理中采用了薄型抓斗成槽施工工艺，防渗墙厚度为300mm，该工程设计墙体深入弱风化基岩深度为1.0m。
完工后，在槽段连接处进行了现场开挖。
检查结果表明，露出的墙体接缝密实，接缝无夹泥、脱开现象，墙面平整光滑，墙厚满足要求，墙体整体性强，满足设计要求
。
另外，还有新型灌浆材料及灌浆工艺、深覆盖层堤坝地基渗流控制技术、混凝土外加剂及掺合料技术、白蚁防治技术和高分子化学灌浆材料与高分子密封材料等。
这些新技术在近年来水利工程安全隐患治理工作中发挥了很大的作用
。
第三章TJ水库工程概况
3.1基本情况
TJ水库座落于赣江水系袁河三阳支流海江水上游的袁州区三阳镇海江村境内，距宜春城区20km，距沪瑞高速公路12km，坝址以上控制流域面积16.8km2，多年平均径流量1487.4m3，水库总库容1173万m3，设计灌溉面积1.735万亩，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、养殖等综合利用的中型水利枢纽工程。
水库于1958年动工兴建，于1959年3月建成受益，原为小型水库，后经1970年、1973年二次扩建成现状规模。
投入运行后已为当地工农业生产发挥了一定的经济效益和社会效益，但因历史原因和投资限制，工程质量较差，运行中暴露出不少影响水库安全的严重隐患。
虽经加固处理，至今仍不能正常运行，多年来水库一直控制运行，成为江西省的重点病险中型水库之一。
3.2水文
3.2.1流域概况
3.2.1.1自然地理
TJ水库地处袁州区三阳镇海江村境内，属袁河水系三阳支流海江水，其流域中心地理位置为东径114°21.9'，北纬27°59.2'，距离宜春城区20km，距沪瑞高速公路12km，距320国道7km，坝址以上控制流域面积16.8km2，多年平均径流量1487.4万m3。
水库总库容1173万m3，设计灌溉面积1.735万亩，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、养殖等综合利用的中型水利枢纽工程。
3.2.1.2水文气象
本流域属亚热带季风气候区，四季分明。
冬季盛行西北风，干而冷；夏季盛行东南或西南风，温而暖。
春秋季较短，夏冬季略长。
多年平均气温17.2℃，实测最高气温41.6℃（1953年8月16日），实测最低气温-9.2℃（1955年1月11日），多年平均最大风速14.0m/s，流域内多年平均降雨量为1550.5mm，最大降雨量为2058.1mm（1998年），最小降雨量为1002.8mm（1968年），降雨量年季变化较大，年内分配也不均匀，其中4、5、6三个月占全年降雨量的44.9%以上，流域内多年平均蒸发量E601=801.2mm，7、8两个月最大，占全年的31.9%。
3.2.2设计洪水
3.2.2.1暴雨成因、洪水特征
本流域每年从3月份进入雨季、4～9月为汛期，其中4～6月为主汛期。
4～6月大气环流活跃，冷暖气流在流域上空交峰频繁，形成峰面雨。
其特点为：
暴雨历时长，范围大，遇到暴雨集中时，往往酿成大洪水。
7～9月主要受台风入侵造成暴雨，形成秋汛。
台风雨特点是历时短，强度大，有局部性。
水库洪水主要由暴雨形成，洪水期一般从4月份开始，至7、8月份结束，较大洪峰多出现在5、6两月，这期间洪水极为频繁。
年最大洪水以6月份端午节前后出现机率最多。
本流域山高坡陡，汇流迅速，洪水暴涨暴落，具有明显山溪性河流特性，一般洪水历时最多3天，退水历时约为涨水历时的4～5倍。
3.2.2.2设计洪水标准及计算原则：
TJ水库为中型水利工程，大坝为土坝，按规范规定，其设计洪水标准为五十年一遇（P=2%），校核洪水标准为千年一遇（P=0.1%）。
1.2.3.3坝址设计洪水的计算方法及推求
由暴雨洪水查算手册法推求设计洪水。
根据江西省水文总站主编《江西省暴雨洪水查算手册》（以下简称《手册》）推求海江水库坝址洪水。
由《手册》附图查得TJ水库坝址各历时点暴雨参数如下：
=100mm，Cv24=0.40，Cs=3.5Cv
=75mm，Cv6=0.45，Cs=3.5Cv
=45mm，Cv1=0.44，Cs=3.5Cv
，式中，
根据《手册》查各历时点面折算系数，求得各种历时各频率面暴雨量，见以下表3-1。
表3-1TJ水库流域各频率暴雨量表单位：
mm
项目
（）
直控面积
坟山背复流区
H24面
H6面
H3面
H1面
H24面
H6面
H3面
H1面
0.1
303.6
253.9
206.6
149.2
303.8
254.4
207.1
149.4
0.2
281.6
234.5
191.0
137.9
281.8
235.0
191.4
138.2
1
230.7
188.2
153.5
111.1
230.8
188.6
153.8
111.3
2
207.7
168.1
137.0
99.0
207.8
168.4
137.2
99.2
3.33
194.4
155.8
127.1
92.0
194.5
156.1
127.3
92.2
5
177.8
140.4
114.7
83.3
177.9
140.7
115.0
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