涵洞水毁修复工程初步设计说明书.docx

1、涵洞水毁修复工程初步设计说明书第一章 综合说明1.1 工程概况东风渠穿漳涵洞位于邯郸市魏县野胡拐乡大王村东南约300米的漳河上，自南向北穿越漳河，为东风渠的主要工程。穿漳涵洞工程1959年动工，1960年建成。工程的主要作用是输水灌溉。穿漳涵洞原设计过水能力为50m3/s，涵洞采用双排布置，内径4米，现浇钢筋砼无压涵洞，共28节，每节长12.5米，涵洞总长350米。穿漳涵洞原设计为地下埋涵，岳城水库建成后，由于水库蓄洪拦沙，水流的沙量骤减，致使漳河由建库前的淤积型河道变成冲刷型河道，主河道不断加深，使得穿漳涵洞顶部高于主河槽河底高程。行洪时，水流在涵洞处形成跌水，下游受到冲刷。1984年为了保

2、障涵洞安全和河道正常行洪，对穿漳涵洞进行了补强加固，对涵洞顶部加盖了混凝土护面作溢流面；下游冲坑增加了浆砌石消力池作为水流消能措施；涵洞上游增加了粘土、浆砌石铺盖。穿漳涵洞补强加固以后，此部分漳河主河槽逐步稳定，险工段也趋向脱险，补强加固起到了一定的作用。1.2 工程修复缘由 1996年8月14日受8号台风等气象因素影响，沿太行山东麓发生了1963年以来的特大暴雨。暴雨中心发生在漳河上游匡门口一带，三日暴雨量达401毫米，接近百年一遇。受特大暴雨影响，清漳河发生特大洪水，观台水文站实测最大洪峰流量7240 m3/s，岳城水库遇到了将近20年一遇的设计洪水。岳城水库下泄1500m3/s，长达76

3、小时。给1995年漳河刚刚提出京广铁路桥以下河道整治工程初步设计，尚未实施的河道带来极大的影响。“96.8”洪水漳河行洪1500m3/s，因穿漳涵洞上游右岸磨盘坝的挑射作用，洪水折向穿漳涵洞北侧的挡水墙，将浆砌石挡水墙全部冲毁，继续冲刷左岸的滩地，滩地坍塌长达400余米，有六七十米的涵洞洞身外露，并在涵洞下游形成5米左右的冲刷坑，双排5节涵洞严重破坏，基座及涵洞下沉0.5m左右。原涵洞下游消力池及海漫因设计标准不够，也遭彻底破坏，现已被泥沙淤积成滩。原漳河主河槽中心线已移至涵洞挡土墙以北50m处，主河槽北移约100米。 由于“96.8”洪水冲毁了涵洞北侧的挡水墙和下游的消力池，使得河槽冲刷深达

4、1.2米；涵洞内淤积近80%。 “96.8”洪水使得穿漳涵洞严重毁坏，造成的影响是极其严重的。首先由于涵洞处的漳河主槽改道势必改变原河道的水流流态，原已经固定的漳河低水位河床将重新冲刷和摆动，已经稳定的上、下游右堤刘深屯马神庙险工将摆动不稳定，从而威胁漳河右堤的安全，后果不堪设想。其次是中断了东风渠从漳河南岸向北岸输水，使得卫河水不能输往漳河以北地区，大大减弱漳河以北地区的抗旱能力，严重影响了漳北地区已形成的灌溉条件和群众的思想情绪。因此，尽快修复穿漳涵洞，对确保漳河行洪安全和恢复东风渠的灌溉输水是极为重要的，也是势在必行的。1.3 设计依据及任务1.3.1 设计依据水利部海河水利委员会200

5、0年1月6日，根据水利部水利水电规划设计总院1999年12月24 26日漳河整治工程部分项目初步设计补充报告审查会议精神，委托我院结合穿漳涵洞水毁工程的实际情况，按照有关规程规范编制穿漳涵洞水毁修复专项工程初步设计。我院根据海委“关于编制漳河穿漳涵洞水毁修复工程初步设计的委托书”的要求，正式开展该工程的初步设计工作。1.3.2 设计任务穿漳涵洞水毁修复工程初步设计的编制，根据水利部海委“关于编制漳河穿漳涵洞水毁修复工程初步设计的委托书”的要求，以其原运用条件和设计规模为依据，并充分考虑漳河目前行洪条件，主要设计任务有：（1）将“96.8”洪水冲毁部分的钢筋混凝土涵管及基础全部拆除，基础处理后重

6、新修复钢筋混凝土涵洞，涵洞顶部采用钢筋混凝土护砌作为过流堰面。（2）修复涵洞上游粘土和浆砌石铺盖；（3）修复涵洞下游消力池、海漫及防冲槽；（4）修复主槽左岸水毁坍岸滩地工程和左、右岸边坡护砌工程；（5）涵洞内清淤；（6）由于工程建于60年代，已运用40年，涵洞内表面剥蚀严重，很多地方钢筋外露、锈蚀。为保证涵洞正常输水，对涵管进行喷水泥砂浆补强处理。本设计未包括穿漳涵洞进口闸（即穿漳南闸）和滩地闸。1.4 勘测设计工作简述我院根据水利部海河水利委员会“关于编制漳河穿漳涵洞水毁修复工程初步设计的委托书”的精神，于1999年12月28日30日组织水工、施工、地质等专业对漳河穿漳涵洞进行了现场查勘，并

7、听取了海河水利委员会、河北省邯郸市水利局对穿漳涵洞原设计、施工及运用情况的介绍。我院按照委托任务书的要求开展该工程初步设计工作，完成工程地址处11000地形图测量；根据修复工程的要求，实施了适当的地勘工作，共完成钻孔9个，进尺195m，探坑探槽45个。在勘测工作的基础上，对“96.8”洪水冲毁的穿漳涵洞工程进行了认真的研究分析和修复方案的论证比较，完成了初步设计工作。穿漳涵洞处河道弯曲，溢流面形式特别，水流条件复杂，理论计算的消力池深度、长度及海漫的长度应经水工模型试验验证。由于本阶段设计周期太短，未能安排模型试验工作，故在工程实施前，应做水工模型，对穿漳涵洞上、下游的水流条件进行验证，确保修

8、复工程满足运用要求。本次水毁修复工程中，仅对原涵洞内壁进行喷水泥砂浆补强加固处理，未对涵洞的现状质量进行检测。喷水泥砂浆处理后，涵洞的过水断面略有减小，使用该涵洞输水时，应对涵洞输水能力重新复核。第二章 水文、气象2.1 水文2.1.1 洪水东风渠穿漳涵洞位于岳城水库坝下约82km的漳河干流，大坝至工程位置区间内无支流汇入漳河。岳城水库是大型水库，调蓄能力强，下游漳河干流洪水受水库调蓄影响很大。穿漳涵洞处无实测洪水资料，以岳城水库下泄流量资料为依据，推求穿漳涵洞处的设计洪水。（1）基本资料岳城水库1958年始建，1961年蓄水。水库下泄流量施测至今。根据资料条件，本次分析采用19611991年

9、实测下泄流量（总出库）资料。（2）设计洪水岳城水库洪水调度分三级控泄。3年一遇以下洪水，控泄500m3/s ；330年一遇洪水，控泄1500m3/s；3050年一遇洪水，控泄3000 m3/s ；大于50年一遇洪水不控泄。据此，穿漳涵洞处的设计洪峰流量，采用岳城水库对应频率下的控泄流量。（3）分期洪水根据施工设计要求，推求105月分期33.3%、20、10频率的设计洪峰。按水文年统计岳城水库出库19611991年105月分期的最大洪峰系列，进行频率分析。各频率设计洪峰见表2.1。表2.1 分期设计洪峰 单位：m3/s频率102033.3%洪峰3382431712.1.2 下游水位流量关系计算穿

10、漳涵洞下游80m断面的水位流量关系，小频率洪水用单断面法计算,河道纵坡1/3050；超过500m3/s 的洪水采用水面线法推求,主槽糙率0.02，滩地糙率0.05。漳河河道断面资料系1999年实测，徐万仓控制断面各流量相应水位采用漳河整治工程初步设计（已审）成果，下游水位流量关系见表2.2。表2.2 穿漳涵洞下游80m断面水位流量关系表水位（m）流量(m3/s)水位（m）流量(m3/s)水位（m）流量(m3/s)水位（m）流量(m3/s)44.647545.0154045.2457548.2650044.7231045.054545.2758049.5580044.7841545.085504

11、5.3058550.22100044.842045.125545.339051.4150044.892545.156045.369552.68300044.933045.1856545.38510044.9753545.2157046.102002.1.3 上游水位流量关系估算穿漳涵洞上游40m断面的水位流量关系，由下游断面的水位流量关系及穿漳涵洞轴线断面的过流量试算而得。穿漳涵洞断面过流包括左滩、主槽涵洞建筑物两部分，左滩按均匀流计算，建筑物按宽顶堰堰流计算，计算公式为：式中：Q过堰流量（m3/s） H0上游断面水头（m） B堰宽，堰所在断面的河道边坡为1：3，宽顶堰顶宽b=90m，Bb+m

12、H,H为堰上水深。 m流量系数，当3时，m=0.36，当03时，m=0.36+0.01。P1为上游堰高。 s 淹没系数；堰顶以上的下游水深hs0.8H0时为淹没出流，当hs0.8H0时为自由出流，s1。 穿漳涵洞上游40m断面的水位流量关系见表2.3。 表2.3 穿漳涵洞上游40m断面水位流量关系表水位（m）流量（m3/s）水位（m）流量（m3/s）51.54150048.750050.36100047.8120049.7281847.4110049.576047.14502.2 气象 本工程处于东亚温带季风气候区，降雨量多集中于69月，其中78月降雨量约占全年降雨量的50，多年平均降雨量57

13、0mm。多年平均气温15，极端最高气温42.6，极端最低气温-20，多年各月最高、最低平均气温见表2.4。年日照时数为2591小时，无霜期多年平均为215天。 表2.4 各月最高、最低平均气温月份123456789101112年平均最高平均气温（）3.96.713.921.227.732.831.830.826.721.012.85.919.6最低平均气温（）-7.4-4.71.58.214.019.422.321.115.28.91.4-4.87.9第三章 工程地质3.1 区域地质穿漳涵洞位于漳河中游，地处华北平原沉降带的南缘，基底断裂发育，著名磁县大名断裂从附近通过，属磁县大名地震构造小区

14、的东部，该断裂亦属新生代活动断裂。穿漳涵洞水毁段场地区的基本地震烈度为度。场地土的类型属软弱土，场地类别为类。度地震时无液化土。3.2 主要建筑物工程地质条件3.2.1 地形地貌 穿漳涵洞位于漳河中游冲积扇平原河漫滩相，均为近代沉积。该段河水自西向东流，河床干涸，河底地面高程：穿漳涵洞上游44.946.36m，穿漳涵洞下游44.445.6m；穿漳涵洞顶地面高程46.247.0m；左堤地面高程54.1854.42m；右岸滩地地面高程51.652.8m。3.2.2 地层岩性在勘探深度30.0m范围内，据地层岩性特征，沉积环境，时代自上而下可划分为第四系全新统层，现分述如下。 层主要由细砂、粘土、壤

15、土组成，厚度3.94.7m，平均厚度4.4m，层底高程41.0939.46m。细砂，土黄色，稍湿，松散，偶见小砾石，见有交错层理，厚度0.53.5m，主要分布在表层，标准贯入击数58击，平均6.4击。粘土、壤土，偶夹砂壤土，土黄色，稍湿湿，硬塑可塑，厚度1.04.7m，主要分布在底层，标准贯入击数67击，平均6.5击。层以轻壤土为主，灰绿色，湿饱和，可塑软塑，夹有粉砂、砂壤土，厚度2.36.8m，ZK3孔处较厚，平均厚度4.06m，层底高程37.432.66m。标准贯入击数618击，平均10.1击。 层细砂为主，局部为壤土，灰绿色，很湿饱和，稍密中密，可塑，偶见小砾石，ZK3孔处未见细砂，厚度

16、2.24.0m，平均厚度3.24m，层底高程34.7932.11m。标准贯入击数918击，平均14.7击。层壤土、粘土为主，黄色，很湿饱和，可塑，局部夹有砂壤土、砂粒，仅深孔中揭穿，厚度9.410.2m，平均厚度9.83m，层底高程23.2622.02m。标准贯入击数714击，平均9.4击。层为壤土夹粘土，棕红色，湿很湿，可塑，局部夹有粘土。揭露厚度7.39.1m。标准贯入击数710击，平均8.8击。穿漳涵洞水毁段左岸地层岩性以壤土、砂壤土为主。 各土层的物理力学性质指标详见表3-1。3.2.3 水文地质条件场地区浅层地下水为孔隙潜水，地下水埋深4.44.9m，高程40.5939.66m。地下

17、水类型为重碳酸钠镁型水，其对混凝土具有弱侵蚀性。地下水主要受漳河水和大气降水补给，地下水位受河水位影响而变化。根据室内渗透试验：、层壤土平均渗透系数分别为1.8610-4、1.7010-4m/s，均属中等透水性。3.2.4 地基土体承载力根据现场标准贯入试验、静力触探试验和基础各土层的天然含水量()、液性指数(IL)和孔隙比(e)等物理性质指标，依据水闸设计规范SD133-84和建筑地基基础设计规范GB7-89，分析场地地基土特性，综合给出各土层地基参数建议值详见表3-2。3.2.5 地基土体变形特征根据室内试验:各层粘土、壤土的平均压缩系数介于0.230.45MPa-1之间，均属中等压缩性土

18、；层细砂，稍密中密，亦应属中等压缩性土。 穿漳涵洞水毁段基础各土层变形及稳定计算所需的压缩模量ES1-2建议值列于表3-2，请设计参照使用。地基参数建议值表 表3-2 层号岩 性地基承载力容许(标准)值（kPa）饱 和 快压缩模量Es1-2MPa凝聚力C ( kPa )内摩擦角 ( 。)细砂80020粘土、壤土1103086壤土11020178细砂15002312粘土、壤土20030128壤土夹粘土21025136 穿漳涵洞水毁段基础位于层底部、层上部，其属中等透水性,当穿漳涵洞上游水位较高时，穿漳涵洞基础有发生渗透变形及冲刷掏空的可能。故应在穿漳涵洞上游进行适当的防渗、防冲处理。 综上所述，

19、穿漳涵洞水毁段基础各土层饱和快剪抗剪强度指标建议值详见表3-2。 穿漳涵洞水毁段基础混凝土底面与地基土之间的摩擦系数建议值： 层壤土 0.303.2.6 基础方案根据设计方案，穿漳涵洞水毁段基础底板高程约41m，为层底部、层壤土，很湿饱和，可塑软塑，中等压缩性土，强度较低，抗冲性差，做为浅基础持力层性状较差，未经处理不可采用。建议采用混凝土灌注桩方案，层壤土作为桩端持力层，桩端高程约为26m。根据对基础各土层物性指标成果的分析，结合标准贯入试验和静力触探试验，参照水闸设计规范SD133-84等，给出有关桩参数，详见表3-3。桩基施工后，应根据规范进行一定数量的测桩，复核单桩承载力。 桩基参数表

20、 表3-3细砂粘土、壤土壤土细砂粘土、壤土壤土夹粘土3.3 土料场根据河北省魏县水利局的意见：为了便于土料场征地，土料场以开挖穿漳涵洞南北堤之间联接渠段土料为佳。为此，土料场勘察工作在穿漳涵洞南北堤之间联接渠段的东风渠内进行。穿漳涵洞附近没有发现合适的粘土料场。3.3.1 地层岩性勘探深度3.13m范围内，自上而下分别为：砂壤土，褐黄色，稍湿湿，可塑，表层0.3m夹植物根系。多分布在东风渠西段及北段的下部，厚度3.00.4m。壤土，棕黄色，湿饱和，可塑，见锈斑，局部夹有粉砂，淤泥质壤土。该层多分布在东风渠的北段，分布连续、稳定，厚度2.880.4m。3.3.2 土料质量及评价勘察中现场测定天然

21、含水量、天然密度，取样进行土的物理性质试验，根据岩性分布特征，汇总统计各土层土工试验成果，详见3-4。根据土工试验成果土料场各土层天然含水量4.4%36.0%、平均值为19.9%，天然含水量随深度增加而呈增大的趋势，粘粒含量：8.3%60%、平均值为25.9%，塑性指数822.4，平均值为12.9。土料以壤土、砂壤土为主，分布较稳定。土料储量采用平均厚度计算法计算，勘察面积5.2万m2，无效层平均厚度0.3m，无效储量1.56万m3；有效层平均厚度2.65m，其有效储量为13.8万m3。土料用于河岸再造，质量整体评价尚好。施工中土料场开采深度控制在3.0m以内为好，河岸再造的含水量以控制在19

22、.0%，碾压后的干密度1.50g/cm3以上为宜。第四章 工程修复设计4.1 设计基本资料4.1.1 工程等级穿漳涵洞是东风渠的主要建筑物之一，原设计没有确定工程等级。本次修复工程设计，根据该涵洞设计输水能力50m3/s，灌溉面积应为5万50万亩，故确定穿漳涵洞的工程等级为III级。根据漳河整治工程初步设计报告（京广铁路桥以下河道）漳河大堤为三级堤防，其防洪标准为3050年一遇洪水。因此消能防冲的标准为3050年一遇洪水。4.1.2 涵洞输水流量原涵洞设计输水流量为50m3/s，本次修复工程输水流量仍按50m3/s进行设计，但由于原涵管需进行喷水泥砂浆加固处理，涵洞过流断面略有减小，输不能力应

23、重新复核。4.1.3 水文、气象岳城水库洪水调度分为三级控泄。3年一遇以下洪水，控泄500m3/s；330年一遇洪水，控泄1500m3/s；3050年一遇洪水控泄3000m3/s；大于50年一遇洪水不控泄。漳河穿漳涵洞下游水位流量关系见表2.2，上游水位流量关系见表2.3。穿漳涵洞处多年平均气温15，极端最高气温42.6，极端最低气温20，多年各月最高、最低平均气温见表2.4。4.1.4 岩土物理力学指标根据地质勘察穿漳涵洞地基各土层物理力学指标见表4.1。4.1.5 地震烈度本地区基本地震烈度为7度。4.1.6 材料容重混凝土： 24kN/m3；钢筋混凝土：25kN/m3；浆砌石： 23kN

24、/m3；水： 10kN/m3；4.1.7 采用的规程、规范水利水电枢纽工程等级划分设计标准（平原、滨海部分）SDJ21787；水工混凝土结构设计规范DL/T50571996；浆砌石坝设计规范SL2591； 堤防工程设计规范GB5028698。4.2 水毁涵洞修复设计“96.8”洪水中，漳河穿漳涵洞左岸2排各5节涵洞被洪水冲毁，相邻涵洞段基础也有不同程度的破坏。此次修复设计，将被破坏的10节涵洞用现浇钢筋混凝土涵洞原样恢复，相邻管段基础冲毁部分进行局部加固处理；其它涵洞进行内壁喷水泥砂浆补强加固。原涵洞每节长12.5m，外径4.6m，内径4.0m，管壁厚30cm，两排涵洞中心间距6.0m。4.2

25、.1 基础处理设计由于原涵洞建设时，未进行地质勘察工作，涵洞施工开挖时，发现涵洞建于流沙地基上，建成后曾多次发生地基不均匀沉陷，洞身接头错动，止水破坏，严重漏水，在一定程度上影响涵洞的安全。经地质勘察查明涵洞地基由细砂、壤土、砂壤土等土层组成，土层上部细砂层、壤土层松散。根据地基条件，为确保涵洞基础被淘刷时，不至危及涵洞和河道行洪安全，将原涵洞基础改为钢筋混凝土灌注桩。每节涵洞下墩台尺寸为4.612.5m，每墩台下均布两根钢筋混凝土灌注桩。灌注桩长16m，直径1.2m，中心间距6.25m。详见灌注桩结构图。灌注桩单桩容许竖向承载力按下式计算：式中：Pa 单桩竖向容许承载力（kN）； Rj 桩尖

26、土容许承载力（kN/m2），Rj=260kN/m2； F 桩横截面面积（m2）； fui第 i层桩周土容许摩擦力（kN/m2），详见穿漳涵洞地基设计参数表； Si 第i层桩周表面积（m2）；表4.1 穿漳涵洞地基设计参数表层号岩性及特征层底高程（m）平均层厚（m）标贯击数/平均击数地基承载力标准值混凝土灌注桩fk (kPa)Rj (kPa)fu (kPa)细砂：稍湿，松散39.4641.094.4058/6.48020壤土、粘土：稍湿湿，可塑67/6.511040轻壤土：湿饱和，稍密，可塑32.6637.44.06618/10.111030细砂：饱和，稍密中密32.1134.793.24918

27、/14.715035壤土：可塑，夹粉细砂22.0223.269.83714/9.420026030壤土夹粘土：可塑揭露至14.8揭露厚度7.9910/8.8210300注1. 地下水平均埋深4.63m。 2. 建议钻孔灌注桩桩端高程26m。根据穿漳涵洞地基设计参数计算，单桩容许竖向承载力为2068kN。作用在墩台上的竖向荷载由灌注桩承担70%，地基承担30%。按不利工况考虑，桩和墩台分别承担的竖向荷载详见表4.2。表4.2 每节涵洞桩和墩台承担的竖向荷载分配表运用条件桩承担竖向荷载（kN）墩台承担竖向荷载（kN）备 注涵洞过水41251768每节涵洞墩台下布置2根灌注桩，2根灌注桩允许竖向承载

28、力为4136kN涵洞不过水302612974.2.2 涵洞修复设计“96.8”洪水冲毁的左岸2排各5节涵洞，修复设计仍按原运用条件和运用规模进行恢复，即仍恢复两排直径4.0m的涵洞。考虑到原保留部分涵管需进行喷水泥砂浆加固处理，因此修复工程重建的10节涵管的内径为3.9m，外径仍为4.6m，涵管的壁厚为35cm。每节涵管长12.5m，双排，共62.5m，仍采用现浇钢筋混凝土涵管。涵洞座落于现浇钢筋混凝土墩台上，墩台宽4.6m，高0.6m，长12.5m。墩台下均匀布置两根现浇钢筋混凝土灌注桩，桩长16米，桩径1.2米，每根灌注桩的容许承载力为2068kN。4.2.3 涵洞顶部混凝土护面根据结构要

29、求，涵管顶部钢筋混凝土护面厚40cm，沿水流方向长10.6m，其顶高程46.65m。钢筋混凝土护面在垂直水流方向每25m设一道永久变形缝，其上游以1：2坡度与上游浆砌石铺盖连接。为使水流衔接平顺，钢筋混凝土护面与下游消力池采用斜坡段连接，详见平面布置图、剖面图。4.2.4 止水设计水毁修复工程修建新涵洞共10节，相邻两节涵洞之间设置沉降止水缝。沉降止水缝采用1cm厚沥青木板填充，在迎水面设一道8200mm橡胶板，橡胶板与钢筋混凝土用环氧树脂粘贴剂结合；管外侧贴两毡三油，外设宽60cm厚30cm的现浇钢筋混凝土止水环。4.2.5 涵洞抗浮稳定计算涵洞的抗浮稳定安全系数采用下式计算： 式中： 1：作用在涵洞上的总重力（kN）； 2：作用在涵洞上的总浮托力（kN）；按管道不过水计算涵洞的抗浮稳定，不考虑涵洞与周围土之间的摩擦力，抗浮稳定安全系数K=1.042；若考虑涵洞与周