2023年某水库及枢纽除险加固设计.doc

除险加固设计 2.1 水库及枢纽 2.1.1 设计依据 〔1〕工程等别及建筑物级别 某某工程水库总库容26.8万m3，均质土坝最大坝高16.2m〔加高1.2m后〕，设计灌溉面积518亩。根据水利水电工程等级划分及洪水标准〔SL 252—2023〕及防洪标准〔GB 50201—94〕，工程规模属小〔2〕型，工程等别为V等工程。主要建筑物大坝、溢洪道、放水涵洞按5级建筑物设计。 〔2〕洪水标准 根据水利水电工程等级划分及洪水标准〔SL 252-2023〕的规定，本工程永久性挡水和泄水建筑物所采用的设计洪水标准为30年一遇，校核洪水标准为300年一遇，消能防冲标准按10年一遇。 〔3〕设计根本资料 ① 水文、气象 根据水文专业调查、分析计算，设计中所采用的水文、气象参数见下表： 表2.1-1　　　　　　 设计采用的水文、气象参数表 序号 项目名称 单位 数量 备注 1 多年平均最大风速 M/s 16.5 2 设计情况计算风速 M/s 24.75 3 校核情况计算风速 M/s 16.5 续上表 4 吹程 km 0.2 5 多年平均来水量 万m3 264 6 设计洪水位〔P=3.33%〕 m 960.62 7 设计洪水位时最大下泄流量 m3/s 46.9 8 相应下游水位 m 9 校核洪水位〔P=0.33%〕 m 961.18 10 校核洪水位时最大下泄流量 m3/s 73.0 11 相应下游水位 m 12 正常蓄水位 m 959 13 正常蓄水位以下库容 万m3 19.35 14 总库容 万m3 26.8 15 死水位 m 951 16 死水位以下库容 万m3 2.65 17 淤沙高程〔30年〕 m 950.58 18 调节库容 万m3 16.7 ② 地震根本烈度 场区地震根本烈度小于6度，本工程建筑物不考虑地震设防。 ③ 坝基岩石物理力学指标 设计采用的坝基〔肩〕岩体力学指标: ∈2～3ls弱风化白云质灰岩: f=0.7 层 面： f=0.55～0.6 裂隙面： f=0.5～0.55 设计采用坝体物理力学参数见表2.1-2： 表2.1-2　　　　　　 设计采用坝体物理力学参数表 岩性 参数 含 水 量 (%) 孔 隙 比 容 重 g/cm3 饱和 容重 g/cm3 抗剪强度 压缩 系数 (Mpa-1) 压缩 模量 (MPa) 渗透 系数 饱和慢剪 Φ 〔度〕 C (KPa) 粘土夹碎石 38.70 1.343 1.64 1.8 8.5 25 0.32 7.13 5.53×10-5 〔4〕技术标准 防洪标准〔GB 50201—94〕 水利水电工程等级划分及洪水标准〔SL 252—2023〕 碾压式土石坝设计标准〔SDJ 218—84〕及其补充规定 小型水利水电工程碾压式土石坝设计导那么〔SL 189—96〕 溢洪道设计标准〔SL 253—2023〕及其补充规定 水工钢筋混凝土结构设计标准〔SL/T 191—96〕 溢洪道设计标准〔SL 253—2023〕及其补充规定 2.1.2 水库枢纽除险加固工程总体布置 　　某某原溢洪道堰顶高程959m，溢流前缘净宽B=9m。本次洪水调节计算时，考虑了B=9m〔不拓宽方案〕和B=15m〔拓宽方案〕两种情况。根据洪水调节计算成果复核坝顶超高，不拓宽方案大坝需加高2.1m，拓宽方案需加高1.2m。考虑到某某集雨面积较大，库容较小，下泄流量较大，结合右岸的地形地质条件，本次设计选用拓宽方案。 大坝加高由下游953.6m高程加至961.2m高程，坝坡1:2.5，坝顶设1m高防浪墙，坝顶宽度4m。上游坝面采用C15砼预制块护坡，下游坝面采用草皮护坡，下游坝脚增设堆石排水棱体，棱体顶部宽度2.25m，顶部高程947.5m，底部高程945。 溢洪道位于右岸，拓宽时左侧墙〔靠坝侧〕位置不动，右侧边墙往右岸延伸。另外，原溢洪道出口对冲坝脚，影响坝体稳定，须对将其改道，使水流顺畅接入下游河道。 放水涵洞位于左岸，原进口取水高程950m，由一扇双向转动闸门控制。经过复核计算，30年淤沙高程已达950.58m，所以取水口高程应抬高，本次设计考虑抬高至950.8m，并重建启闭房，更换已经损坏的双向转动闸门。 2.2 大坝除险加固设计 2.2.1 大坝加固设计方案 　　根据本次勘测和设计复核结果，针对大坝存在坝顶超高不够，浸润线高，上、下游坝面无护坡设施，坝坡淘刷、冲刷严重等主要问题，确定本次大坝除险加固设计的工程措施为：①坝体加高1.2m、②坝面增设护坡设施、③下游坝脚增设截水沟和排水棱体。 2.2.2 大坝加高设计 2.2.2.1坝顶高程确定 坝顶上游侧考虑设1.0m高的防浪墙，防浪墙顶高程等于水库静水位加上相应墙顶超高，按以下两种情况计算，取其最大值。 ① 设计洪水位+正常运用情况的墙顶超高； ② 校核洪水位+非常运用情况的墙顶超高。 墙顶超高计算公式： 　　　　　Y=R+e+A　〔m〕 波浪的平均爬高R按下式计算： 　　　　　 波浪要素按“莆田试验站〞公式计算： 　　　　　 　　　　　 　　　　　 　　设计波浪爬高值R按工程等级确定，对于V级土石坝取累计频率p=5%的爬高值，。 坝前风雍水面高度e一般很小，故计算时忽略不计。 表2.2-1　　　　　　　 波浪要素计算成果表 单位：m 计算情况 风速W 吹程D 平均波高h 平均波长λ 设计爬高R5% 设计洪水位 24.75 200 0.19 4.72 0.7 校核洪水位 16.5 200 0.12 3.02 0.5 　　安全超高A按SDJ 218－84中表4.4.2规定，对于V级建筑物正常运用情况取0.5m，非常运用情况取0.3m。 墙顶高程计算成果如表2.2-1： 表2.2-2　　　　　　　 坝顶高程计算成果表 单位：m 计算情况 项　　　　目 水库静水位 墙顶超高Y 墙顶高程 设计洪水位〔P=3.33%〕 960.633 1.2 961.833 校核洪水位〔P=0.33%〕 961.18 0.8 961.98 由校核洪水位控制墙顶高程，取962m，采用0.8m高的防浪墙，确定坝顶高程为961.2m，高于水库最高静水位〔校核洪水位〕0.02m，满足标准要求。 2.2.2.2大坝标准剖面 　　原坝顶高程为960m，大坝需要加高1.2m。结合坝体现状，加高局部坝体从下游坝面953.6m高程按1:2.5的坡度加至961.2m高程，加高后原上游坝坡1:2不变。坝顶宽度根据交通要求取4m，设高1m、厚0.5m的防浪墙后坝顶净宽3.5m。 2.2.2.3渗流计算 〔1〕计算方法及计算工况 某某大坝加高1.2m后渗流计算考虑以下两种水位组合情况： 工况1：上游正常蓄水位〔959m〕与下游相应的最低水位〔945.5m〕； 工况2：水库水位从校核洪水位〔961.18m〕降至放水涵洞取水高程〔951m〕情况。 计算方法为有限元数值分析法，采用北京理正软件设计研究所渗流分析软件〔1.1版〕计算。计算时分三个区域：粘土局部主坝体为1区、下游排水棱体为2区、坝基为3区。各区采用的渗透系数如下： 1区〔按各向同性考虑〕：Kx=Ky=5.56×10-5cm/s； 2区〔按各向同性考虑〕：Kx=Ky=1.16cm/s； 3区〔按各向同性考虑〕：Kx=Ky=5.79×10-6cm/s； 〔2〕工况1计算结果 经计算，稳定渗流期单位坝长渗漏量q=0.001L/s·m.，浸润线位置见以以下图： 〔3〕工况2计算结果 　　放水涵洞进口双向转动闸门的尺寸为Φ300mm，洞身断面尺寸0.4×0.8m〔城门型〕，校核洪水位961.18m至放水涵洞取水高程951m之间的库容差为24.15万m3，考虑0.02m3/s的天然来水量，经计算，水库水位由961.18m降至951m所需的时间为3.62天。 计算的浸润线位置见以以下图： 〔4〕渗透稳定计算 　　根据碾压式土石坝设计标准〔SDJ 218—84〕第7.2.5条规定，各种土石坝自浸润线出逸点至下游坡脚一段，按要求做好反滤排水设备时可不进行坝体填土渗透稳定的校核。某某大坝下游坝脚增设了排水棱体，排水棱体前设置了反滤层，故未进行渗透稳定计算。 2.2.2.4坝坡稳定计算 〔1〕计算方法及计算工况 　　稳定计算的目的是保证土石坝在自重、各种情况下的孔隙压力和外荷载的作用下，具有足够的稳定性，不致发生通过坝体或坝体和坝基的整体剪切破坏。某某大坝加高1.2m后的坝坡稳定计算考虑了以下两种情况： 工况1〔正常运用〕：稳定渗流期的下游坝坡〔上游正常蓄水位959m与下游相应的最低水位945.5m〕； 工况2〔非常运用〕：水库水位降落期的上游坝坡〔水库水位从校核洪水位961.18m降至放水涵洞取水高程951m〕。 计算方法为刚体极限平衡法，采用北京理正软件设计研究所边坡稳定设计软件〔3.0版〕计算。 坝体强度计算方法为有效应力法，设计抗剪强度指标按饱和慢剪试验指标的0.8倍取用。 表2.2-3 稳定计算采用参数表 部位 试验强度指标 设计强度指标 湿容重 饱和容重 C(kPa) φ(度) C(kPa) φ(度) γw(t/m3) γs(t/m3) 坝　体 29.4 10.7 25 8.6 1.64 1.8 排水棱体 30 45 2.0 2.1 坝　基 500 500 2.3 2.5 〔2〕工况1：稳定渗流期下游坝坡稳定计算结果 通过程序自动收索，最不利滑动面的圆心坐标为：x=16.24m、y=25.08m，滑弧半径R=25.075m。抗滑稳定安全系数见表2.2-3： 表2.2-4 下游坝坡抗滑稳定安全系数表 计算方法 计算安全系数Ｋ 最小安全系数允许值Ｋ 瑞典条分法 1.342 1.15 Bishop法 1.416 1.265 Janbu法 1.426 1.265 由表2.2-4可知，稳定渗流期的下游坝坡抗滑稳定安全系数满足标准要求。 〔3〕工况2：水库水位降落期上游坝坡稳定计算结果 通过程序自动收索，最不利滑动面的圆心坐标为：x=16.24m、y=25.08m，滑弧半径R=25.075m。抗滑稳定安全系数见表2.2-4： 表2.2-5 上游坝坡抗滑稳定安全系数表 计算方法 计算安全系数Ｋ 最小安全系数允许值Ｋ 瑞典条分法 1.136 1.05 Bishop法 1.196 1.155 Janbu法 1.213 1.155 由表2.2-5可知，水库水位降落期的上游坝坡抗滑稳定安全系数满足标准要求。 2.2.3坝面护坡 　　由于原来的坝体上、下游坝面均未采取护坡措施，坝坡易被波浪掏刷或雨水冲刷，特别是下游坝面，受雨水冲刷形成的冲沟纵横遍布，最深的达1.5m，宽达2.5m。故本次除险加固设计对上、下游坝面增设护坡设施。 上游坝面采用C15混凝土预制菱形块护面，预制快宽度0.6m，厚度0.15m。其背水侧设反滤层，其中碎石层厚0.15m、细砂层厚0.15m。 　　下游坝面采用草皮护坡，将草皮割成宽约0.25m、长2.5m的长条形