东柏涧水库除险加固设计及方案比选 60页

ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＥｎｉｎｅｅｒｉｎｙｇｇ硕±学位论文题目：东柏涧水库除险加固设计及方案比选作者姓名：李振伟学校导师：杨纪伟教授企业导师：张正良王程领域：水利工程所在学院：水电学院一年提交论文日期；／巧江日n独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行硏巧工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研巧成果，也不包含为获得进並丢程太或其他教育＿学机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研巧做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢煮。木人完全念识到本声明的法律结果由本人承担。韦也学位论文作者签名：签字因期：兴年月Ｉ日Ｉ学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解．哥並主盤太掌有关保留、使用学位论文的规定。特授权河北工程大学可則毎学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索＞，并采用影印、缩印或扫拙等复制手段保存、汇编［＾＾供查阅和借阅。同意学校向圃家有关部口或机构送交论文的复印件和电子文培。（保密的学位论文在解密后适用本授化说明）；学位论文作者签名；导师签名心签字日期；却月ｈ日签字日期：如ｉ年月＾日n分类号：TV密级：公开UDC：单位代码：10076工程硕士学位论文东柏涧水库除险加固设计及方案比选作者姓名:李振伟指导教师:杨纪伟教授企业导师:张正良申请学位级别:工程硕士专业领域:水利工程所在单位:水电学院授予学位单位:河北工程大学nADissertationSubmittedtoHebeiUniversityofEngineeringFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringDongBaiJianreservoirreinforcementdesignandschemeselectionCandidateLi：ZhenweiSupervisorProf.：YangJiweiPluralisticSupervisoZhangzhengliangAcademicDegreeAppliedforMaster：ofEngineeringSpecialtyHydraulics：andRiverDynamicsOrganizationInstitute：ofWaterandElectricityCollege/DepartmentHebei：UniversityofEngineeringHebeiUniversityofEngineering2015n摘要摘要东柏涧水库位于安阳县伦掌镇东柏涧村西北漳河支流上，1974年开工建设，1976年正式建成投运。初建时未进行完整的规划设计，仅根据坝址区地形图简单部署，选定坝型后即开始施工，属于边设计、边论证、边修建的“三边”工程。由于技术力量薄弱，加之物料短缺，工程建设标准较低，防洪能力不能满足规范要求，坝体填筑质量较差、坝基渗漏严重，水库长期处于带病运行状态，亟需进行除险加固。本文针对小型水库特点，在前期工作基础上，对东柏涧水库除险加固工程设计中的多个方面进行了分析研究，主要包括：（1）针对水库缺少水文资料的情况，本次研究采用间接法计算设计暴雨，利用图集推求设计洪水，并用图集法和洪峰模数法对结果的合理性进行对比分析；通过调洪演算，得出不同频率洪水时的水位、泄量及库容；根据溢洪道设计及调洪演算成果对坝顶高程复核。（2）工程地址及水文地质条件的分析与评价。（3）结合水库现状，经泄流、调洪演算、坝顶高程等试算比选，提出三个提高防洪标准的方案进行比较选择。（4）根据东柏涧水库具体情况，结合国内现有防渗工程技术措施，提出四个坝基防渗方案进行比较选择；并对大坝工程设计及稳定性复核；同时进行了溢洪道、输水洞工程设计。本次研究通过水文计算与复核，推求出东柏涧水库的水文数据及资料，为设计及方案比选提供依据。分析研究地质情况得出坝基存在沿第⑵单元卵石渗漏问题；溢洪道两岸存在边坡稳定问题；输水洞洞身渗漏严重的结论。经过一系列研究本文推荐采用溢洪道进口适当下挖、扩宽与坝顶新建防浪墙相结合作为提高水库防洪标准工程的设计方案；推荐采用高压摆喷灌浆作为大坝坝基防渗工程设计方案；针对水库现存问题对水库坝坡、溢洪道、输水洞等设施进行除险加固设计。通过本次对东柏涧水库除险加固的研究，可以从中积累经验，总结方法为具有相类似特点的工程作参考。关键词：水库除险加固方案比选In河北工程大学硕士学位论文AbstractDongBaiJianreservoirislocatedinAnyangCountyLunZhangZhenDongBaiJianCunnorthwestZhangheRivertributaries,constructionstartedin1974,1976formallycompletedandputintooperation.Builtatthebeginningwithoutcompleteplanninganddesign,onlyaccordingtothedamsiteareatopographicmapsimpledeployment.Thedamtypeselectionafterthestartofconstruction,belongingtothedesignside,thesideoftheargument,edgebuilt"trilateral"project.Duetothetechnicalforceisweak,coupledwiththeshortageofmaterials,engineeringconstructionstandardslow,floodcontrolcapacitydoesnotmeetthespecificationrequirements,damfillingqualityispoor,thedamfoundationleakageserious,long-termreservoirintherunningstateofthesick.Thereisanurgentneedfordangerreinforcement.Thispaperagainstthecharacteristicsofsmallreservoir.Onthebasisofthepreliminarywork,toDongBaiJianreservoirsreinforcementmanyaspectsofengineeringdesignarestudied,including:(1)reservoirforlackofhydrologicaldataofthesituation,thestudybyindirectmethodofdesignstormcalculation,andAtlasmethodandfloodpeakmodulusmethodtherationalitycarriesonthecontrastanalysis,usingtheatlastoascertaindesignflood;floodroutingthroughthatdifferentfrequencyfloodwaterlevel,dischargeandstoragecapacity,accordingtothedesignofspillwayandfloodroutingresultsonreviewofcrestelevation.(2)theanalysisandevaluationofEngineeringaddressandhydrogeologicalconditions.(3)basedonthecurrentsituationofthereservoir,theflooddischarge,floodrouting,crestelevationcalculationselectionproposedthreeimprovedfloodcontrolstandardsolutionwerechosenforcomparison.(4)accordingtothespecificcircumstancesoftheDongBaiJianreservoir,combinedwithexistingdomesticanti-seepageengineeringtechnicalmeasures,proposedfourdamfoundationseepagecontrolprogramisselected;andthedamengineeringdesignandthestabilitycheck;atthesametimethespillway,waterconveyancetunnelengineeringdesign.ThestudybyhydrologicalcalculationandcheckingderiveDongBaiJianreservoirhydrologicaldataandinformation,fordesignandschemeisselectedtoprovidebasis.IInAbstractAnalysisofgeologicalconditions,thispaperdrawsaconclusionofdamfoundationisalongthesecondunitpebbleleakageproblem;onbothsidesofthespillwayslopestability;waterholeleakageseriousconclusion.Aftersomeresearchinthispaperrecommendedthespillwayentranceproperlydigging,wideningandcrestnewwavescreenscombinedsoastoimprovethedesignofreservoirfloodcontrolstandardsandengineering;recommendtheuseofhigh-pressureswingsprayinggroutingasthedamfoundationseepagecontrolengineeringdesign;reservoirfortheexistingproblemsofreservoirslopeofthedam,spillway,waterholesfacilitiesforreinforcementdesign.ThroughthestudyoftheDongBaiJianreservoirdangercontrolandreinforcement,canfromtheaccumulationofexperience,summarizemethodissimilartothecharacteristicsoftheprojectforreference.Keywords:reservoir；reinforcement；schemeselectionIIIn河北工程大学硕士学位论文目录摘要........................................................................................................................IAbstract.....................................................................................................................II目录.....................................................................................................................IV第1章绪论.............................................................................................................11.1研究背景及意义.........................................................................................11.2研究对象....................................................................................................21.2.1水库概况..........................................................................................21.2.2水库现存问题..................................................................................21.2.3工程除险加固的必要性.................................................................31.3研究内容.....................................................................................................3第2章水文计算与复核.........................................................................................52.1流域概况....................................................................................................52.1.1流域气象..........................................................................................52.1.2基本资料.........................................................................................52.1.3防洪标准复核.................................................................................52.2径流............................................................................................................52.3设计洪水复核............................................................................................62.3.1设计暴雨.........................................................................................62.3.2设计洪水计算.................................................................................82.3.3施工期设计洪水...........................................................................122.4洪水调节计算及坝顶高程复核..............................................................132.4.1调洪演算.......................................................................................132.4.2坝顶高程复核...............................................................................162.5泥沙..........................................................................................................17第3章工程地质及水文地质...............................................................................183.1地质勘探工作概述..................................................................................183.2库区工程地质及水文地质条件..............................................................183.2.1库区工程地质条件.......................................................................183.2.2库区水文地质条件.......................................................................193.2.3库区工程地质及水文地质条件评价...........................................193.3坝址区工程地质条件..............................................................................19IVn目录3.3.1坝址区工程地质条件...................................................................193.3.2各岩土体的物理力学性质及透水性...........................................203.3.3工程地质评价...............................................................................213.4溢洪道工程地质条件..............................................................................223.5输水洞工程地质条件..............................................................................233.6地质评价..................................................................................................23第4章方案比选及建筑物设计...........................................................................244.1设计依据及原则......................................................................................244.1.1设计依据.......................................................................................244.1.2设计原则.......................................................................................244.2提高水库防洪标准工程..........................................................................254.2.1设计方案比选...............................................................................254.2.2工程设计.......................................................................................284.3大坝工程设计..........................................................................................294.3.1大坝坝基防渗工程设计...............................................................294.3.2上游坝坡工程设计.......................................................................324.3.3下游坝坡工程设计.......................................................................334.3.4坝顶工程.......................................................................................334.3.5大坝稳定复核...............................................................................334.4溢洪道工程设计......................................................................................364.4.1进口段设计...................................................................................374.4.2泄槽段设计...................................................................................374.4.3出口段设计...................................................................................374.4.4细部结构设计...............................................................................384.4.5挡土墙设计计算...........................................................................384.5输水洞工程设计......................................................................................404.6环境保护设计..........................................................................................414.6.1运行期环境保护设计...................................................................414.6.2施工期环境保护设计...................................................................41第5章经济评价及结论.......................................................................................435.1经济评价..................................................................................................435.2结论..........................................................................................................43致谢.........................................................................................................................46参考文献.................................................................................................................47Vn第1章绪论第1章绪论1.1研究背景及意义水是人类生存、生活、生产不可或缺的物质，所以对水的利用在人类文明的发展中十分重要。自然界中水的分布（配）在时间和空间上具有不均匀性，为了有效的减少洪水、干旱等自然灾害并且使水资源按照需求合理的被利用，应充分发挥水利设施的作用，特别是水库的防洪、兴利功能。建国以来，我国已兴建8.7万多座水库，数量为居全球第一。这些水库在防洪、发电、灌溉、供水等方面具有巨大的社会经济效益，是我国防洪、减灾、保安全工程体系的重要组成部分，也是保障国民经济可持续发展的重要基础设施[1-2]。其中小型水库所占比例达96%，约8.3万座。大多修建于上世纪50-70年代。由于这一时期我国国情特殊，正处于“大跃进”和“文革”期间，大量小型水库在技术、资金准备不足的情况下开工，边勘测、边设计、边施工[3-4]；甚至工程在没有专业技术指导的情况下未经过勘测设计便由农民组成的施工队开始施工；施工条件落后，施工质量无法保证。此外，许多大坝运行年龄己达年40~60年，导致部分大坝处于带“病”运行状态,存在严重的安全隐患和失事风险[5]。随着我国综合国力的增强，经济持续高速发展，国家对水利基础设施的建设十分重视，2012年底对小I型水库的除险加固工作已基本完成，2013年底前，已基本完成坝高10米以上且库容20万立方米以上的重点小II型水库的除险加固。按照中央计划安排，其余小II型水库除险加固任务应在十二五规划结束前基本完成[6]。水库一旦失事将给下游人民群众生命财产造成严重危害，同时也制约着这些水库的社会和经济效益的正常发挥[7]。据资料统计，近60年来溃坝事故中小型水库所占比例高达98%。一次次的惨痛教训告诫我们对小型病险水库的除险加固工作刻不容缓。同时小型水库数量多、问题复杂，在建设和运行期间受到技术、人员、资金等因素的影响，使其普遍存在建设期间勘测、设计工作不到位，资料不全；水文资料缺失；工程质量差，达不到设计标准；病险问题种类繁杂等情况。在小型水库的除险加固的工作中存在有独特性、复杂性和很大的不确定性。因此做好小型水库的除险加固工作十分必要。1n河北工程大学硕士学位论文1.2研究对象1.2.1水库概况东柏涧水库位于安阳县伦掌镇东柏涧村西北漳河支流上，距安阳市约33km，控制流域面积1.95km2，是一座防洪与灌溉相结合的小II型水库。水库下游有杜家岗村及北孟村等2个行政村，人口3000余人，耕地3000余亩，地理位置重。东柏涧水库自1974年开工建设，1976年正式建成投运。现状水库正常蓄水位217.94m（高程采用1985国家高程基准，以下同），相应库容为57.3万m3；死水位210.70m，相应库容为14.2万m3；平坝顶水位219.3m，相应库容为72.0万m3。水库水工建筑物主要包括大坝、溢洪道、输水洞等[8]。大坝坝体为均质土坝，南北走向布置，坝顶高程219.3～221.1m，最大坝高17.5m，坝长约300m。坝顶宽4～7.5m；大坝上游坝坡坡度1:2～1:5，在高程213.8m建一马道，宽3～3.5m，主河槽段马道以下坝坡采用浆砌石护砌，马道以上坝坡采用单层干砌河卵石护砌；下游坝坡坡比为1:2～1:4。溢洪道位于大坝左坝肩，为一土质明渠，全长59m，底宽6～8m，两岸边坡坡比为1:1～1:3.5。进口处埋设一条DN800混凝土涵管，进口底高程为217.94m。输水洞进口位于大坝右岸，采用坝下埋管形式，洞身为城门洞型砖砌结构，高1.0m、宽0.8m，洞长81m，进口底高程为210.70m，进口处设铸铁闸门控制，最大泄量为0.5m3/s。水库运行多年，病险日益加重，影响水库效益的发挥，同时给下游带来了安全隐患，因此对水库进行出险加固刻不容缓。1.2.2水库现存问题(1)大坝坝顶坑洼不平；上游坝坡护坡残缺破损，下游坝坡局部有冲沟，缺少相应排水设施大坝坝体填土以棕黄色重粉质壤土～中粉质壤土为主，其渗透系数为7.2×10-5cm/s，属弱透水性；坝体压实度为0.88，未达到现行规范要求。大坝坝顶坑洼不平；现状马道未护砌；主河槽段（大坝桩号0+052～0+245段）马道以下坝坡采用浆砌石护砌，厚约0.3m；马道以上坝坡采用单层干砌河卵石护砌，卵石粒径大小不一，一般为0.1～0.3m，由于缺乏养护，卵石护坡局部残缺，灌木、杂草丛生。下游坝坡为土坡，坡比为1:2～1:4，长满灌木、杂草，局部有冲沟，却少相应排水设施。(2)大坝坝基清基不彻底，存在渗漏通道2n第1章绪论水库修建时，坝基清基不彻底，坝基第⑵单元卵石层（Q4al）层厚2.7～6.0m，渗透系数为3.6×10-3cm/s，属中等透水性，为主要渗透通道，大坝初建时清基不彻底。现场勘察时发现，库水位在212.6m时，大坝下游主河槽部位可见沼泽化现象和渗漏明流，坝基渗漏严重。(3)溢洪道现状溢洪道进口处因修建道路被填埋，仅在道路下部埋设一条DN800混凝土涵管，泄流能力小；泄槽为土质明渠，断面不规则，岸坡坡度较大；在溢洪道出水口位置未做相应相应消能防冲处理。(4)输水洞现状输水洞控制设施损坏，洞身渗漏严重；工作桥损坏严重，桥面高程为214.6m低于正常蓄水位。(5)防洪能力水库防洪能力未达到20年一遇设计洪水标准，不满足《防洪标准》（GB50201-94）规定；1.2.3工程除险加固的必要性东柏涧水库控制流域面积1.95km2，水库下游有杜家岗村及北孟村，人口3000余人，耕地3000余亩，地理位置重要。水库自建成投入运行以来，在灌溉方面效益十分显著，满足了下游农田灌溉用水要求，促进了当地工农业生产及国民经济发展。水库初建时未进行完整的规划设计，仅根据坝址区地形图简单部署，选定坝型后即开始施工，属于边设计、边论证、边修建的“三边”工程。由于技术力量薄弱，加之物料短缺，工程建设标准低，防洪能力不满足规范要求，坝体填筑质量较差、坝基渗漏严重，水库长期处于带病运行状态，亟需进行除险加固。1.3研究内容本文针对小型水库特点，在前期工作基础上，对东柏涧水库除险加固工程设计中的多个方面进行了分析研究，主要包括：(1)针对水库缺少水文资料的情况，本次研究采用间接法计算设计暴雨，利用图集推求设计洪水[9]，并用图集法和洪峰模数法对结果的合理性进行对比分析；通过调洪演算，得出不同频率洪水时的水位、泄量及库容；根据溢洪道设计及调洪演算成果对坝顶高程复核。(2)工程地址及水文地质条件的分析与评价。3n河北工程大学硕士学位论文(3)结合水库现状，经泄流、调洪演算、坝顶高程等试算比选，提出三个提高防洪标准的方案进行比较选择。(4)根据东柏涧水库具体情况，结合国内现有防渗工程技术措施，提出四个坝基防渗方案进行比较选择；并对大坝工程设计及稳定性复核；同时进行了溢洪道、输水洞工程设计。4n第2章水文计算与复核第2章水文计算与复核2.1流域概况2.1.1流域气象水库流域为暖温带大陆性季风气候，夏季受冷暖气团交接影响多暴雨，冬季多风沙，天气寒冷而干燥。夏秋多南风，春冬多北风，最大风速为22m/s，多年平均最大风速为9.9m/s，年平均风速为2.6m/s，全年中4月份风力最大，8月份风力较小。流域内多年平均降水量为582.3mm，降水年内分布极不均匀，汛期6～9月降雨量占全年的70%～80%。降水年际变化较大，年最大与年最小相差3.4倍，而且有连续干旱和连续丰水的特点[10]。多年平均气温13.5℃，1985年出现年平均气温最高值12.9℃；年平均气温最高年份出现在1998年，年平均气温达14.5℃；多年月平均最高气温32.2℃（6月），月平均最低气温-6.5℃（元月）；极端最高气温40.8℃，出现在2000年7月上旬，极端最低气温为-20.1℃，出现在1990年1月下旬[11]。年平均无霜期为212天。2.1.2基本资料根据五万分之一地形图查算、并与已有统计资料比较，确定水库主要特征值：流域面积F=1.95km2；主河道长度L=3.05km；河道比降j=2.7%。由《84图集》表5查得：平均入渗率μ=5～8mm/h，取μ=6mm/h。2.1.3防洪标准复核经复核，东柏涧水库最大库容为72.0万m3，为小II型水库，主要水工建筑物为5级建筑物。根据《防洪标准》（GB50201-94）及《水利水水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）[12]-[14]，5级建筑物（均质土坝）设计防洪标准为20～30年一遇，校核洪水标准为200～300年一遇。根据水库地理位置及保护对象重要性，本次复核采用防洪标准为20年一遇设计、200年一遇校核。2.2径流东柏涧水库由于资料缺乏，以前未进行过年径流分析，因此，本次计算采用5n河北工程大学硕士学位论文《河南省水资源》（2007年）、《河南省地表水资源附图》进行年径流计算。由《河南省水资源》图11、《河南省地表水资源附图》图16、17，查得：年平均径流深130mm，CV=0.80，Cs=2.5Cv。经计算，多年平均径流量为25.35万m3，不同频率径流量见表2-1。表2-1东柏涧水库年径流分析成果表（单位：万m3）Table2-1DongBaiJianreservoirrunoffanalysisresults(unit:m3)多年平均径流深径流量均值频率P=20%P=50%P=75%P=95%（mm）Kp1.490.750.430.2413025.35年径流37.7719.0110.906.082.3设计洪水复核针对水库缺少水文资料的情况，根据《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44-2006）[15]-[16]，考虑水库流域面积较小，本次研究采用间接法计算设计暴雨，利用图集推求设计洪水。因此，本次复核分别采用河南省水文水资源局2005年编制的《河南省暴雨参数图集》（简称《05图集》）、河南省水利勘测设计院1984年编制的《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》（简称《84图集》）[17]中的数据进行计算，并对计算结果进行对比分析，以确定取值[18]。本次研究采用推理公式法来计算洪峰流量和洪水过程线。2.3.1设计暴雨利用图集提供的10min、1h、6h、24h的暴雨参数，分别计算4种时段的设计暴雨，暴雨设计点雨量、面雨量和暴雨递减指数。⑴设计点雨量设计点雨量采用下式计算：(2-1)其中：Htp为t时段设计频率为P的点雨量；：为t时段多年点雨量均值，查图集得出；Kp：模比系数，由变差系数Cv查P-III曲线指标求得，本次计算Cs=3.5Cv。⑵设计面雨量东柏涧水库流域面积为1.95km2，小于50km2，点面折减系数取1，因此设计6n第2章水文计算与复核点雨量即为设计面雨量。⑶暴雨递减指数n按照历时关系0～1h为n1，1～6h为n2，6～24h为n3，计算n1、n2、n3，公式为：H1Pn11.285lg1pH10PH6Pn11.285lg2pH1PH24Pn11.661lg3pH6P(2-2)分别查取两个图集计算得出的各频率设计点雨量、面雨量及暴雨递减指数见表2-2、2-3。表2-2东柏涧水库设计暴雨计算成果表（84图集）Table2-2DongBaiJianreservoirdesignfloodcalculationresults(table84.)时段10min1h6h24h设计点雨量均值17.5436795变差系数Cv0.500.550.620.65点面折减系数111110%29.0573.53119.9173.9设计面雨量5%34.8389.01150.1218.50.5%53.55141250.6372.410%0.4820.7270.732暴雨递减指数5%0.4760.7080.7290.5%0.4600.6790.714表2-3东柏涧水库设计暴雨计算成果表（05图集）Table2-3DongBaiJianreservoirdesignfloodcalculationresults(table05.)时段10min1h6h24h设计点雨量均值16.8426294变差系数Cv0.450.550.700.75点面折减系数111110%26.8872.24116.6180.5设计面雨量5%31.5888.2149.4235.90.5%46.87140.3262.3427.710%0.4480.7330.685暴雨递减指数5%0.4270.7060.6700.5%0.3880.6510.6477n河北工程大学硕士学位论文2.3.2设计洪水计算⑴设计洪峰根据东柏涧水库流域面积小于200km2的特点，本次计算采用推理公式法。推理公式法基本公式为：SQ0.278Fmn(2-3)n1S(2-4)L0.27811mJ3Q4(2-5)L11J3F4(2-6)其中：Qm——设计洪峰流量（m3/s）；Ψ——洪峰径流系数；——洪峰汇流时间（h）；F——流域面积（km2）；L——干流长度（km）；J——L的平均坡度；S——设计最大1小时雨量平均强度；n——设计暴雨递减系数，采用4图集中的计算方法计算；μ——平均入渗率，以mm/h计；m——汇流参数，由84图集图25θ~m相关线查得。根据上述公式，得出最后结果，见表2-4。表2-4设计洪峰流量表Table2-4designpeakflowtable依据重现期(年)设计洪峰(m3s)10年一遇38.1《84图集》20年一遇48.2200年一遇83.310年一遇37.1《05图集》20年一遇47.3200年一遇81.08n第2章水文计算与复核⑵设计洪量WP=0.1R24F(2-7)式中：R24——设计24h净雨量，以mm计；F——流域面积，t——设计历时（h）；WP为相应频率洪水总量。计算成果见表2-5。表2-5设计洪水总量表Table2-5designfloodscale依据重现期(年)净雨R24（mm）洪水总量(万(m3)10年一遇7514.63《84图集》20年一遇11021.45200年一遇22944.6610年一遇8015.6《05图集》20年一遇11722.85200年一遇28154.80⑶设计洪水成果合理性分析图集法对《84图集》以及《05图集》的计算结果进行分析对比，见表2-6、2-7。表2-6设计洪水计算成果对比表Table2-6designfloodcalculationresultscontrasttable设计洪量（万(m3）设计洪峰（(m3/s）依据10%5%0.5%10%5%0.5%《84图集》14.6321.4544.6638.148.283.3《05图集》15.622.8554.8037.147.381.0表2-7采用《84图集》和《05图集》设计洪水成果比较表Table2-7uses"84"and"05"Atlasatlasdesignfloodcomparisontable设计洪量设计洪峰依据10%5%0.5%10%5%0.5%（05成果-84成果）6.22%6.13%18.50%-2.70%-1.90%-2.84%/05成果9n河北工程大学硕士学位论文通过以上两表的对比分析，得出：采用两图集查算的设计洪量分别相差6.22%、6.13%、18.50%，设计洪峰分别相差-2.70%、-1.9%、-2.84%。造成设计洪量相差较大的主要原因是：相同频率下，两图集查算的24h设计面雨量相差较大，造成24h设计净雨相差大，导致了24h设计洪量相差较大。由于《05图集》采用的资料系列平均比《84图集》长1倍，资料站数比《84图集》增加5倍，综合考虑，以《05图集》作为依据查算的设计洪水成果作为本次复核最终成果。洪峰模数法为验证本次计算成果的合理性，将本次计算成果与附近的东张水库的设计洪水成果进行比较，东张水库设计洪峰计算成果取自《河南省安阳县东张水库除险加固工程初步设计报告》，该水库初步设计成果已由安阳市水利局批复，具体成果见表2-8。东柏涧水库与东张水库均位于相同的气候区，且地理位置接近。表2-8设计洪峰成果比较表Table2-8designpeakresultstable洪峰流域面积河道比降河道长度洪峰河道频率（(m3/s）（km2）（‰）（km）模数5%47.31.9526.73.0524.26东柏涧水库0.5%81.01.9526.73.0541.545%582.224.52.326.36东张水库0.5%982.224.52.344.55通过比较，本次计算成果尚属合理，可以采用。⑷设计洪水过程线①不同历时雨量计算降雨公式：1n2HHtt1（t＝1～6h）n311n3HH24tt24（t＝6～24h）(2-8)净雨公式：RHttt(2-9)上述公式中：Ht——t时段设计雨量（mm）；H1、H24——分别为设计1、24小时雨量（mm）；10n第2章水文计算与复核t——设计历时（h）；n——暴雨递减指数；Rt——t时段设计净雨量（mm）；μ——平均入渗率（mm/h）。②设计洪水过程线取单位时段Δt=τ小时，按“水文图集”表⑵进行逐时段净雨量R时程分配计算。再根据逐时段净雨量R，计算主峰及各次峰的洪峰流量，即为设计洪水过程线。计算公式：RQ0.278Fi(2-10)式中:Qiτ－τ时段净雨为Rτ的洪峰流量，（(m3/s）；F－流域面积，（km2）。计算得主峰及各次峰流量，即为洪水过程线成果，见表2-9及图2-1。表2-9东柏涧水库各频率洪水过程线Table2-9DongBaiJianreservoirfloodprocessofeachfrequencyline10年一遇（τ＝0.93h）20年一遇（τ＝0.88h）200年一遇（τ＝0.77h）时段QiQi时间（h）Rτ（mm）Qi（m3/s)时间（h）Rτ（mm）时间（h）Rτ（mm）（(m3/s)（(m3/s)100.060.0420.770.400.2831.540.640.4542.310.900.6353.081.200.8563.851.541.0974.621.941.3780.000.000.005.392.421.7190.880.510.316.162.992.11101.761.500.936.933.712.611100.000.002.642.241.387.74.623.26120.931.991.153.525.093.148.475.834.12131.8610.185.914.416.9410.459.247.475.27142.7963.9637.135.2876.6447.2710.0110.147.16153.724.152.416.167.924.8810.7815.2310.75164.650.700.417.043.392.0911.5538.9827.50175.580.000.007.921.540.9512.32114.7880.9911n河北工程大学硕士学位论文10年一遇（τ＝0.93h）20年一遇（τ＝0.88h）200年一遇（τ＝0.77h）时段QiQi时间（h）Rτ（mm）Qi（m3/s)时间（h）Rτ（mm）时间（h）Rτ（mm）（(m3/s)（(m3/s)188.80.960.5913.0920.1814.24199.680.130.0813.8612.218.622010.560.000.0014.638.626.082115.46.614.672216.175.183.652316.944.132.912417.713.332.352518.482.691.90图2-1东柏涧水库各频率洪水过程图Figure2-1DongBaiJianreservoirfloodprocessofeachfrequencydiagram2.3.3施工期设计洪水该河道没有实测径流资料，根据河南省水利勘测设计院编制的《黄河北～漳河南段施工期洪峰流量～面积关系图》，结合《交叉断面施工期洪水成果表》，查得：东柏涧水库5年一遇施工期设计洪水1～5月份0.17(m3/s、5～10月份0.21m3/s、10～12月份0.20m3/s。结合东柏涧水库施工安排，确定水库5年一遇施工期设计洪水为0.21m3/s。12n第2章水文计算与复核2.4洪水调节计算及坝顶高程复核2.4.1调洪演算⑴水位～库容曲线本次调洪演算，水位库容根据1:1000测量图进行量取，水位～库容曲线见表2-10、图2-2。表2-10东柏涧水库水位～库容曲线Thewatertableto2-10DongBaiJianreservoircapacitycurve库水位（m）库容（万(m3）库水位（m）库容（万(m3）205.000.0213.0023.0206.001.8214.0027.6207.004.0215.0033.2208.006.4216.0040.1209.009.0217.0048.1210.0011.9218.0057.4211.0015.2219.0068.1212.0018.8220.0080.2212.5020.8图2-2东柏涧水库水位～库容曲线图Figure2-2thewaterlevel~DongBaiJianreservoircapacitycurvediagram13n河北工程大学硕士学位论文⑵设计洪水过程线水库设计洪水过程线见表2-9，图2-1。⑶水位～泄量曲线溢洪道位于大坝左坝肩，为一土质明渠，进口处埋设一条DN800混凝土涵管，泄流能力小。为提高水库防洪标准，本次设计将溢洪道进口底高程降至217.2m，底宽扩宽至10m，并对溢洪道泄槽进行护砌以减小糙率、提高过流能力。溢洪道控制段堰流流态根据堰顶宽度δ与堰上水头H比值进行判定，0.67<δ/H<2.5时为实用堰，2.5<δ/H<10时为宽顶堰，东柏涧水库堰顶宽度13m，为宽顶堰。溢洪道进口控制段堰顶高程217.2m，宽10m，两岸边坡坡度1:0.1。宽顶堰计算公式如下：3/2QmB2gHσsε(2-11)式中：Q——流量，(m3/s；m——宽顶堰流量系数，按《溢洪道设计规范》（SL253-2000）表A.2.3-1查得；σs——淹没系数，随相对淹没度hs/H的增大而减小；hs——堰顶以上的下游水深，m。ε——侧收缩系数，可按《溢洪道设计规范》（SL253-2000）表A.2.1中实用堰侧收缩系数ε取用；B——总净宽；H——计入流速水头的堰上总水头，m。经计算，水库水位～泄量关系曲线见表2-11、图2-3。表2-11东柏涧水库水位～泄量关系表Table2-11DongBaiJianreservoirwaterlevelanddischargerelationshiptable水位（m）泄量（(m3/s）水位（m）泄量（(m3/s）217.200.00218.6025.78217.401.38218.8031.56217.603.90219.0037.73217.807.18219.2044.28218.0011.07219.4051.18218.2015.50219.6058.43218.4020.4214n第2章水文计算与复核图2-3东柏涧水库水位～泄量关系图Figure2-3thewaterlevel~DongBaiJianreservoirdischargediagram水库调洪演算跟据水量平衡原理，采用半图解法，由水位～库容曲线与水位～泄量曲线，推求出库容～下泄流量曲线，在依据水库的起调水位和设计洪水过程线，计算出流能力q，确定出库流量[19]-[23]。单辅助线法的公式为：VqQQVq221211q1t22t2(2-12)式中：Q1——计算时段初的入库流量（m3/s）Q2——计算时段末的入库流量（m3/s）q1——计算时段初的出库流量（m3/s）q2——计算时段末的出库流量（m3/s）V1——计算时段初的库存水量（m3）V2——计算时段末的库存水量（m3）Vq22建立q～t2关系绘制辅助曲线。依据水库的起调水位和设计洪水过程线，Vq22逐时计算t2值，计算出流能力q，确定出库流量。东柏涧水库起调水位为加固后溢洪道进口底高程217.20m，调洪时段取0.5h。通过调洪演算，得出不同频率洪水时的水位、泄量及库容。调洪演算成果见表2-12。15n河北工程大学硕士学位论文表2-12东柏涧水库水文复核调洪演算成果表Table2-12DongBaiJianreservoirhydrologycheckfloodroutingresultstable重现期洪峰流量洪水总量起调水位最大泄量最高水位最大库容（年）（m3/s）(万m3）（m）（m3/s）（m）(万m3)10%37.115.6217.215218.15595%47.2722.82217.221218.43620.5%80.9954.8217.244219.19702.4.2坝顶高程复核坝顶高程等于水库静水位与超高之和，根据溢洪道设计及调洪演算成果[24]-[25]，分别对以下运用情况进行计算，取其最大值：⑴设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高。⑵正常蓄水位加正常运用情况的坝顶超高。⑶校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高。⑷正常蓄水位加非常运用情况的坝顶超高。坝顶超高计算公式如下：y＝R+e+A(2-13)式中：y——坝顶超高，m。R——风浪爬高，m。e——风壅水面高，m。A——安全加高，m。根据规范规定正常运用取0.5m，非常运用取0.3m，地震安全加高取0.5m。列表计算，成果表为2-13。表2-13坝顶超高及计算坝顶高程成果表Table2-13crestelevationandthecalculationresultsofthecrestelevation最大波风壅水面安全地震安全坝顶超计算水计算坝顶现状坝运用条件爬高高e(m)加高加高高Y(m)位（m）高程（m）顶高程正常蓄水位+正常运R(m)A(m)B(m)(m)0.4010.00430.5—0.905217.20218.11用条件的坝顶超高设计洪水位+正常运0.3930.00350.5—0.897218.43219.33用条件的坝顶超高219.3～校核洪水位+非常运0.2400.00140.3—0.542219.19219.73221.1用条件的坝顶超高正常蓄水位+非常运用条件的坝顶超高+0.2410.00190.30.51.042217.20218.24地震安全加高16n第2章水文计算与复核计算结果显示东柏涧水库最不利的计算情况为校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高，所需坝顶高程为219.73m。本次设计在坝顶增设防浪墙，墙顶高程为219.8m，高于219.73m；另外大坝坝顶最低处高程为219.3m，高于校核洪水位。因此大坝溢洪道扩挖后，泄洪能力增加，水库防洪标准满足规范要求。2.5泥沙河道中的水流挟带的泥沙容易对水库造成不少问题和危害，如造成水库淤积，使水库库容减少，寿命缩短等，因此，需要对水库的泥沙量进行计算。查《河南省地表水资源附图》图23，悬移质多年平均年输沙模数为260t/km2，属于轻度侵蚀，相应求得悬移质年来沙量为507t；推移质按悬移质的10%考虑，则推移质年来沙量为50.7t。因此，水库年输沙量为557.7t（即429m3），死库容每年减少429m3[26]。根据现场调查，水库实际淤积高程约为208m，相应库容为6.4万m3。至2014年，水库运行了38年。按此推算，实际年输沙量平均约为1684m3。根据现场查勘及资料调查，流域内植被覆盖率不高，植被破坏严重，导致水土流失严重，且上游煤矿不断将含泥沙量较大的生产废水排入库区，加重了水库淤积。因此，根据流域实际情况，实际年输沙量1684m3是合适的。17n河北工程大学硕士学位论文第3章工程地质及水文地质3.1地质勘探工作概述为了查明该水库坝体、坝基地质情况，对水库进行了工程地的质勘察工作。本次勘察工作共布置7个钻孔，其中4个钻孔布置于水库坝顶，钻孔类型均为取土样钻孔，孔深为15.0m～25.0m，孔距33.97～76.83m；沿主河槽处布置1个横断面，分别在大坝迎水坡216.23m高程处和背水坡214.35m高程处各布置1个钻孔，钻孔均为标准贯入试验钻孔，孔深均为20.0m，孔距17.36～19.7m；此外在溢洪道处布置1个钻孔，钻孔类型为标准贯入试验钻孔，孔深为8.0m。3.2库区工程地质及水文地质条件3.2.1库区工程地质条件水库流域处于太行山东麓丘陵区，属于丘陵地貌，地表大部分为第四系上更新统（Q3al）重粉质壤土及卵石覆盖。河床宽约80～100m，为“U”形河谷。库区位于山西陆台边缘，太行陆梁南段东侧，属太行背斜隆起向华北平原的过渡地带。区域地质构造上受安阳北断裂控制，在小区域内受太行山山前断裂密集带控制[27]-[28]。根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），水库所在区域地震动峰值加速度为0.15g，地震反应谱特征周期为0.40s，抗震设防烈度为Ⅶ度[28]-[30]。通过对库区的地质情况进行调查，未发现大的崩塌、沉陷、滑坡等不良地质现象。库区以上流域属浅山丘陵区，植被一般，上游出露的地层主要为重粉质壤土，受长期冲刷影响，现库区已淤积约3m。库区出露地层为第四系上更新统（Q3al）冲积物、全新统（Q4ml）地层所组成，现由老到新分述如下：(1)上更新统（Q3al）左岸主要分布为棕黄色～红黄色重粉质壤土，呈硬塑状态，局部夹卵石，棕黄色～红黄色重粉质壤土充填；右岸主要分布为卵石，成分主要为砂岩，磨圆度较好，粒径一般在20～100mm之间，棕黄色～红黄色重粉质壤土充填，充填程度密实。18n第3章工程地质及水文地质(2)全新统（Q4ml）主要为淤积土，以黄色及灰色重粉质壤土为主，呈可塑状态，主要分布于库区内和库区下游主河槽内。3.2.2库区水文地质条件库区水文地质较为简单，库水补给来源主要为上游的主焦煤矿排水和大气降水形成的地表径流。主要排泄途径为灌溉、蒸发和坝基渗漏。现库区有水。3.2.3库区工程地质及水文地质条件评价①库区渗漏问题库区底部和两岸表层，主要为棕黄色～红黄色重粉质壤土和棕黄色～红黄色重粉质壤土充填的卵石，为弱透水性。本区无较大断裂发育，无通向库外的构造破碎带，周围无低的邻谷，经调查，库区未发现渗漏问题。②库岸稳定问题库区两岸主要为棕黄色～红黄色重粉质壤土和棕黄色～红黄色重粉质壤土充填的卵石，坡度较平缓小于40°，库岸相对比较稳固，不会发生坍塌或滑坡等库岸失稳问题。3.3坝址区工程地质条件3.3.1坝址区工程地质条件坝址区地形主要为丘陵区，属于丘陵地貌，坝址区河道呈“U”字形，左右坝肩地面高程220.24～222.06m，库区下游高程202.35m，坝肩与下游河谷底相对高差约为20.0m。坝址区地层主要分布为坝体填土（rQ）和第四系全新统（Q4al）、上更新统（Q3al）冲积物地层所组成。依据钻孔揭露地层情况，同时结合时代差异、成因类型和工程地质性能，把地层划分为四个工程地质单元，由老到新分述如下：⑴坝基土：①第四系上更新统（Q3al）第⑷单元卵石：杂色，卵石，卵石成分为砂岩、石英岩，呈亚圆状，粒径在10～200mm之间不等，大于20mm的含量约60.9%，充填物为棕黄～红黄色重粉质壤土，充填程度密实。本单元层底埋深在25.0m以下，最大揭露厚度5.8m，层底分布高程194.35m以下。19n河北工程大学硕士学位论文第⑶单元棕黄～红黄色重粉质壤土：棕黄～红黄色，重粉质壤土，局部为中粉质壤土，呈硬塑状态。含白色钙质斑纹和姜石，姜石粒径10～30mm。本单元层底埋深为12.8m～15.5m，层厚4.3m～6.0m，平均厚度为5.2m，层底分布高程在204.25m～207.14m之间。②第四系全新统（Q4al）第⑵单元卵石：杂色，卵石成分为砂岩、石英岩，呈亚圆状，粒径10～40mm不等，大于20mm的含量约57.7%，充填程度稍密，充填物主要包括中、细砂和少量重粉质壤土。本单元仅分布在主河槽部位的D3、D4、D6、D7号钻孔范围内，层底埋深为15.3m～20.5m，层厚为2.7m～6.0m，平均厚度为4.4m，层底分布高程在198.88m～200.24m之间。⑵坝体土：第⑴单元：人工填土（rQ）以坝体填土为主，属于人工填筑，以棕黄色重粉质壤土～中粉质壤土为主，呈硬塑状态。含少量砖屑、木炭屑等杂物。本单元层底埋深在主河槽部位为16.5m～17.5m，高程为在201.88m～205.33m之间。3.3.2各岩土体的物理力学性质及透水性⑴土体物理力学性质本次勘察在坝体土、坝基土内取原状土作了室内物理力学性试验。坝体土的物理力学性质详见表3-1，各单元土体c、φ值建议值表见表3-2。表3-1坝体土物理力学指标及建议值Table3-1physicalandmechanicalparametersofdamanditsrecommendedvalue含水量干重度γd比重孔隙比液性指数塑性指数压缩系数压缩模量统计方法w(%)(kN/m3)GseILIp(MPa-1)(MPa)组数1416191719191212最大值25.516.52.730.9650.8914.40.35015.50最小值15.513.72.700.563-0.918.50.1205.10平均值19.615.52.710.742-0.1311.00.17911.08建议值19.615.52.710.742-0.1311.00.17911.0820n第3章工程地质及水文地质表3-2各单元土体c、φ值建议值表Table3-2soilCvalue,eachunitrecommendedvaluetable单元编号名称⑴坝体填土⑵卵石⑶重粉质壤土⑷卵石Cq（kPa）1742012φq(°)18351630⑵坝址区水文地质条件勘探期间，在主河槽部位及靠近输水洞部位钻孔见地下水，地下水类型主要为上层滞水，其主要补给来源为库水。为了检查坝体、坝基的渗透性，本次勘察对坝体土及坝基第⑶单元重粉质壤土进行了室内渗透试验和现场注水试验，对第⑵、⑷单元卵石进行了现场注水试验，试验结果及各单元渗透性参数建议值见表3-3。表3-3各单元渗透系数统计及建议值表Table3-3Thestatisticsofthepermeabilitycoefficientofeachunitandtherecommendedvaluetable室内试验（cm/s）注水试验（cm/s）建议值渗透单元土体名称组数范围值平均值组数范围值平均值(cm/s)等级1.29×10-5～6.6×10-5～坝体⑴坝体土155.26×10-527.2×10-57.2×10-5弱1.83×10-47.8×10-52.5×10-3～⑵卵石23.6×10-33.6×10-3中等4.7×10-3⑶重粉质壤1.66×10-5～3.9×10-5～坝基45.40×10-524.05×10-55.4×10-5弱土9.34×10-44.2×10-56.5×10-5～⑷卵石26.9×10-56.9×10-5弱7.3×10-53.3.3工程地质评价⑴坝体土质量问题大坝为均质土坝，取坝体土1组作击实试验，其最优含水量为14.3%，最大干密度为1.77g/c/m3。根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-2013），粘性土压实度可取0.95～0.97，本次坝体质量评价取压实度为0.97时，对应干密度为1.72g/c/m3进行评价。根据本次勘探揭露的坝体地层情况，坝体干密度一般为13.7kNm3～16.5kN/m3，平均为15.5kN/m3，干密度均小于17.2kN/m3，坝体填土平均压实度为0.88，小于0.97的要求。⑵坝基渗漏问题21n河北工程大学硕士学位论文大坝坝基主要为：第⑵单元（Q4al）卵石，渗透系数为3.6×10-3cm/s，属于中等透水性土体；第⑶单元（Q3al）重粉质壤土，渗透系数为5.4×10-5cm/s，属于弱透水性土体；第⑷单元（Q3al）卵石，渗透系数为6.9×10-5cm/s，属于弱透水性土体。根据上述结果分析，第⑵单元卵石为中等透水性，坝基存在沿第⑵单元卵石渗漏问题，目前，在坝下游主河槽部位，可见沼泽化现象和漏水明流现象。⑶坝体土渗透稳定性评价根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录G“土的渗透变形判别”，坝体土存在发生流土渗透变形的条件，其流土型渗透变形的临界水力比降采用下式计算[31]-[33]：Jcr=（GS－1）（1－n）（G.0.6-1）(3-1)式中：Jcr——土的临界水力比降；GS——土的比重；n——土的孔隙率（%）。由土工试验资料可知：GS建议值为2.71，n为42.4%，代入上式中，求得Jcr=0.985。坝体土允许水力比降为：J允许=Jcr/m式中：J允许——坝体土允许水力比降；m——安全系数，取2.0。将Jcr、m值代入式中求得J允许=0.49。④地震液化评价根据土工试验成果，第⑴单元坝体土及第⑵、⑷单元卵石和第⑶单元重粉质壤土，不存在液化问题，因此根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）有关规定判定，坝体填土及坝基土均为不液化土。3.4溢洪道工程地质条件溢洪道位于大坝左坝肩，两岸出露地层主要为第四系上更新统（Q3al）棕黄色重粉质壤土，坚硬状态，出口处局部存在棕黄色重粉质壤土充填的卵石；底部在上游段主要为0.5～1.5m厚的棕黄色重粉质壤土，呈坚硬状态，承载力特征值采用150kPa，其下为棕黄色重粉质壤土充填的卵石，承载力特征值采用400kPa；下游段主要为棕黄色重粉质壤土充填的卵石，卵石成分主要为为石英岩与砂岩，呈亚圆状，粒径为10～200mm不等。溢洪道两岸坡度较陡且未进行衬砌，在泄洪时容易产生冲蚀塌岸等现象，左岸已出现冲沟及坍塌现象，因此存在边坡稳定问题，建议对溢洪道进行削坡和护22n第3章工程地质及水文地质砌处理，施工时边坡取1:1.0～1:1.5。溢洪道未设消能设施，建议末端增设消能设施。3.5输水洞工程地质条件输水洞位于大坝右岸，底部及周围地层为坝体填土，输水洞洞身为砖砌结构，根据调查，输水洞洞身渗漏严重。目前当地村民在输水洞出口加装闸阀堵漏，但由于库水位较高，致使洞内水压较大，洞内水由洞壁渗出，在输水洞出口洞顶处流出。根据在输水洞附近的D5号钻孔资料，钻孔内水位与输水洞高程一致。3.6地质评价⑴库区：库内主要为库区淤积土，厚约3.0m，以灰黄色重粉质壤土为主，可塑状态；左岸主要分布为棕黄色～红黄色重粉质壤土，呈硬塑状态；右岸主要分布为棕黄色～红黄色重粉质壤土充填的卵石。均为弱透水性。库区不存在渗漏问题。⑵坝体：根据本次勘探揭露的坝体地层情况，坝体土天然孔隙比一般为0.563～0.965，平均为0.742，干重度一般为13.7～16.5kN/m3，平均为15.5kN/m3，坝体填土压实度平均为0.88，渗透系数为7.2×10-5cm/s，为弱透水性。⑶坝基：第⑵单元（Q4al）卵石，渗透系数为3.6×10-3cm/s，属于中等透水性土体；第⑶单元（Q3al）重粉质壤土，渗透系数为5.4×10-5cm/s，属于弱透水性土体；第⑷单元（Q3al）卵石，渗透系数为6.9×10-5cm/s，属于弱透水性土体。根据上述结果分析，第⑵单元卵石为中等透水性，坝基存在沿第⑵单元卵石渗漏问题，目前，在坝下游主河槽部位，可见沼泽化和明流现象。⑷溢洪道两岸坡度较陡且未进行衬砌，在泄洪时容易产生冲蚀塌岸等现象，左岸已出现冲沟及坍塌现象，因此存在边坡稳定问题，建议对溢洪道进行削坡和护砌处理，施工时边坡取1:1.0～1:1.5。⑸输水洞洞身渗漏严重。23n河北工程大学硕士学位论文第4章方案比选及建筑物设计4.1设计依据及原则4.1.1设计依据⑴根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）：东柏涧水库属于V等枢纽工程，其主要建筑物设计标准为5级。⑵根据《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97），东柏涧水库建筑物抗震设防类别为丁级。根据国家质量技术监督局发布的《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），本地区地震动峰值加速度为0.15g，基本地震烈度为Ⅶ度，水平地震加速度ah按0.15g计算。⑶《河南省安阳县东柏涧水库安全评价报告》（河南省豫北水利勘测设计院，2015年3月）及《安阳县东柏涧水库大坝安全鉴定报告书》（安阳市水利局，2015年3月）。⑷《安阳县东柏涧水库除险加固工程地质勘察报告》，2015年3月。⑸安阳县东柏涧水库测量资料（2015年2月）。⑹《防洪标准》（GB50201-94）、《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL189-2013）、《溢洪道设计规范》（SL253-2000）、《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007）等有关规程、规范。4.1.2设计原则东柏涧水库建成至今已经运行近40年，坝体沉降稳定，在不影响坝体渗流及结构稳定前提下，本次不再考虑坝体压实问题，着重考虑解决防洪安全、坝基防渗及坝体安全稳定等问题；完善大坝观测设施。因此，针对水库存在的主要问题，通过扩挖溢洪道，以提高水库防洪标准；对坝基进行防渗治理，以解决坝基渗漏问题；对大坝上游坝坡进行整修、护砌，以解决坝坡冲刷破坏问题，保证大坝运行安全。东柏涧水库除险加固工程建筑物工程设计本着安全、经济、实用的原则，并考虑水库的管理、运用方便；完善观测和工程管理设施，按方便、经济、实用原则设计。24n第4章方案比选及建筑物设计4.2提高水库防洪标准工程4.2.1设计方案比选根据水库安全鉴定意见，水库现状防洪能力未达到20年一遇设计洪水标准，不满防洪要求。提高水库防洪标准，可通过以下两种工程措施来解决：一、加高大坝坝顶高程，增大水库调蓄能力[34]-[37]；二、改造溢洪道，提高水库下泄能力[38]-[39]。现状溢洪道位于大坝左坝肩，为一土质明渠，全长59m，底宽6～8m，两岸边坡坡度为1:1～1:3.5，进口处埋设一条DN800混凝土涵管，涵管进口底高程为217.94m，泄流能力小。大坝坝体为均质土坝，坝长约300m，坝顶宽4～7.5m，坝顶高程219.3～221.1m，最大坝高为17.5m。结合水库现状，本次设计将溢洪道进口涵管拆除并扩宽下挖，经泄流、调洪演算、坝顶高程等试算比选，提出三个方案进行比较：①进口深挖；②进口适当下挖，尽量扩宽；③进口适当下挖、扩宽与坝顶新建防浪墙相结合。三个方案分别详细叙述如下：⑴方案一：溢洪道进口深挖，进口底高程取216.2m，底宽6m。本方案结合溢洪道现状底宽，将进口底高程下挖至216.2m，底宽取6m，边坡坡度取1:0.1（交通桥桥台临水侧边坡），进口新建1座1跨8m长交通桥，并对溢洪道泄槽进行护砌以减小糙率、提高过流能力。按照宽顶堰公式进行泄流计算（详见第二章），确定溢洪道扩宽后的水位～泄量关系，成果见表4-1。表4-1水位～泄量关系表（方案一）Table4-1tableofwaterlevelanddischargevolume(scheme1)水位(m)泄量(m3/s)水位(m)泄量(m3/s)216.200217.8019.13216.400.83218.0022.91216.602.35218.2026.91216.804.32218.4031.15217.006.68218.6035.61217.209.36218.8040.28217.4012.35219.0045.16217.6015.61219.2050.24调洪演算成果见表4-2。25n河北工程大学硕士学位论文表4-2调洪演算成果表（方案一）Table4-2resultstable(scheme1)重现期洪峰流量洪水总量起调水位最大泄量最高水位最大库容（年）（m3/s）（万m3）（m）（m3/s）（m）（万m3）2047.2722.82217.2019.13217.805420080.9954.80217.2039.09218.7563由表4-2可知，20年一遇洪水位为217.80m，200年一遇洪水位为218.75m。经坝顶超高计算，计算坝顶高程为219.29m，低于最低坝顶高程219.3m，坝顶高程满足规范要求。本方案溢洪道下挖后，兴利库容为27.4万m3。优点：开挖占地面积小；桥梁工程量小；投资较小。缺点：兴利库容小；影响进口交通。⑵方案二：进口适当下挖，底高程取217.2m，底宽扩宽至16m。本方案结合现状溢洪道进口地形，将进口底高程适当下挖，取217.2m，底宽取16m，边坡坡度取1:0.1（交通桥桥台临水侧边坡），进口新建1座3跨、单跨长6m交通桥，并对溢洪道泄槽进行护砌以减小糙率、提高过流能力。经泄流计算，确定溢洪道扩宽后的水位～泄量关系，成果见表4-3。表4-3水位～泄量关系表（方案二）Table4-3tableofwaterlevelanddischarge(schemetwo)水位(m)泄量(m3/s)水位(m)泄量(m3/s)217.200.00218.4032.52217.402.20218.6041.03217.606.23218.8050.20217.8011.46219.0059.97218.0017.66219.2070.33218.2024.71调洪演算成果见表4-4。表4-4调洪演算成果表（方案二）Table4-4resultstable(schemetwo)重现期洪峰流量洪水总量起调水位最大泄量最高水位最大库容（年）（m3/s）（万m3）（m）（m3/s）（m）（万m3）2047.2722.82217.2025.08218.216020080.9954.80217.2048.31218.766626n第4章方案比选及建筑物设计由表4-4可知，20年一遇洪水位为218.21m，200年一遇洪水位为218.76m。经坝顶超高计算，计算坝顶高程为219.30m，与最低坝顶高程219.3m齐平，坝顶高程满足规范要求。本方案溢洪道下挖后，兴利库容为35.8万m3。优点：兴利库容较大，不需新建坝顶防浪墙；对进口交通影响小。缺点：溢洪道进口较宽，开挖占地面积大；桥梁工程量大；投资较大。⑶方案三：进口适当下挖，底高程取217.2m，底宽扩宽至10m，坝顶新建防浪墙。本方案设计溢洪道进口底高程同方案二，取217.2m，通过在坝顶新建防浪墙、适当抬高校核洪水位以降低溢洪道宽度，底宽取10m，边坡坡度取1:0.1（交通桥桥台临水侧边坡），进口新建1座2跨、单跨长6m交通桥，并对溢洪道泄槽进行护砌以减小糙率、提高过流能力。经泄流计算，确定溢洪道扩宽后的水位～泄量关系，成果见表4-5。表4-5水位～泄量关系表（方案三）Table4-5tableofwaterlevelanddischarge(schemethree)水位(m)泄量(m3/s)水位(m)泄量(m3/s)217.200.00218.4020.42217.401.38218.6025.78217.603.90218.8031.56217.807.18219.0037.73218.0011.07219.2044.28218.2015.50调洪演算成果见表4-6。表4-6调洪演算成果表（方案三）Table4-6resultstable(schemethree)重现期洪峰流量洪水总量起调水位最大泄量最高水位最大库容（年）（m3/s）（万m3）（m）（m3/s）（m）（万m3）2047.2722.82217.2021.19218.436220080.9954.80217.2043.94219.1970由表4-6可知，200年一遇洪水位为219.19m，低于最小坝顶高程219.30m。经坝顶超高计算，计算坝顶高程为219.73m，防浪墙顶高程取219.8m可满足规范27n河北工程大学硕士学位论文要求。本方案溢洪道下挖后，兴利库容为35.8万m3。优点：兴利库容较大，开挖占地面积较小，对进口交通影响小。缺点：需新建坝顶防浪墙，投资较大。上述三种方案比较分析汇总见表4-7。表4-7提高水库防洪标准工程设计方案比较表Table4-7comparisontableofthedesignschemeofthestandardengineeringdesignforfloodcontrolofreservoir方案一方案二方案三进口适当下挖，底高程取进口深挖，进口底高程取进口适当下挖，底高程取内容217.2m，底宽扩宽至10m，216.2m，底宽6m217.2m，底宽扩宽至16m坝顶新建防浪墙兴利库容27.4万m335.8万m335.8万m3投资万元万元万元开挖占地面积小兴利库容较大兴利库容较大优点桥梁工程量小不需新建坝顶防浪墙开挖占地面积较小投资较小对进口交通影响小对进口交通影响小溢洪道进口较宽兴利库容小开挖占地面积大需新建坝顶防浪墙缺点影响进口交通桥梁工程量大投资较大投资较大经综合比较，根据经济实用的原则，为尽量增加兴利库容，考虑投资，本次研究推荐采用方案三作为提高水库防洪标准工程的实施方案。4.2.2工程设计改造溢洪道工程：本次设计将溢洪道进口底高程降至217.2m，底宽扩宽至10m，边坡坡度取1:0.1，进口新建1座2跨、单跨长6m交通桥，并对溢洪道泄槽进行护砌以减小糙率、提高过流能力，详见溢洪道工程设计。坝顶新建防浪墙工程：本次设计在坝顶上游新建C30钢筋混凝土防浪墙，墙顶高程取219.8m，墙宽0.2m，基础宽0.7m。28n第4章方案比选及建筑物设计4.3大坝工程设计根据东柏涧水库安全鉴定意见，大坝上游坝坡局部采用干砌卵石护坡，下游坝坡局部有冲沟，无排水设施，坝顶坑洼不平；坝基渗漏严重，下游主河槽部位可见沼泽化现象和明流。大坝坝体采用人工填筑，坝体填土以棕黄色重粉质壤土～中粉质壤土为主，平均压实度为0.88，未达到现行规范要求；坝体土渗透系数为7.2×10-5cm/s，属于弱透水性。坝基第⑵单元卵石（Q4al）渗透系数为3.6×10-3cm/s，属于中等透水性，为主要渗透通道，该层层厚2.7～6.0m，大坝初建时对坝基进行了简单清理，并开挖了截渗槽，但未截断该透水层，现场勘察时发现，低水位（高程212.6m）运行时，大坝下游主河槽部位可见沼泽化现象和渗漏明流，坝基渗漏严重。通过在大坝上游对坝基进行防渗处理，以减少水库渗漏，避免大坝发生渗透破坏，并对上游坝坡进行整修护砌、下游坝坡增设排水沟以及对坝顶进行护砌，另外结合提高水库防洪标准设计方案，在坝顶新建防浪墙。本次主要工程内容有：大坝坝基防渗工程，上游坝坡整修护砌，下游坝坡新建踏步和排水沟，坝顶工程等。4.3.1大坝坝基防渗工程设计⑴设计方案比选考虑大坝坝基渗漏严重，根据地质报告及现场地形，本次研究主要在大坝上游对坝基第⑵单元卵石层进行防渗处理，该层分布范围约为桩号0+126.4～0+210段，层底埋深为15.3m～20.5m，层厚2.7m～6.0m，平均厚度4.4m，层底分布高程198.88m～200.24m。根据透水层分布情况，为防止绕渗[40]，防渗范围取大坝桩号0+120～0+216段，结合国内现有防渗工程技术措施，提出四个方案进行比选，分别叙述如下：①方案一：高压摆喷灌浆方案本方案沿大坝上游坝坡现状马道布置单排高压摆喷钻孔，孔距1.5m，摆角30°，灌浆底高程深入第⑵单元卵石层以下相对不透水层不小于1m。高压射流直接对土体产生冲击破坏作用，从而使浆液与之混合凝结[41]-[43]。在灌浆射流冲切掺搅过程中，浆液可沿着大颗粒间缝隙流动，从而直接包裹凝结大颗粒卵石，另外，射流束对冲切范围以外土体还有渗透、充填挤压作用，灌浆机械可由两侧坝坡道路进入上游坝坡马道。本方案建安工程投资为83.85万元。优点：施工道路利用现状马道，不需修筑围堰，临时工程量少，对坝体结构29n河北工程大学硕士学位论文影响小，施工方便；高压摆喷灌浆对卵石层的防渗处理效果较好；投资较小。缺点：施工专业性强，投资较小；高喷灌浆形成的墙体厚度不均一。②方案二：坝体劈裂灌浆+坝基帷幕灌浆方案灌浆孔布置同方案一，设计采用坝体劈裂灌浆和坝基帷幕灌浆相结合的方案。由于帷幕灌浆灌浆压力较小，浆液不易进入地层颗粒缝隙，为保证灌浆质量，孔距取1.0m。本方案建安工程投资为85.01万元。优点：施工道路利用现状马道，不用填筑围堰，临时工程量少，对坝体结构影响小，施工方便；投资较小。缺点：砂卵石层灌浆如压力过高，不能控制浆液流失，而如压力过低，则地层孔隙难以进浆，导致扩散半径过小，不能达到预期效果，帷幕灌浆防渗质量不易保证[44]-[46]。③方案三：塑混凝土防渗墙方案考虑防渗墙需施工场地较大，设计将防渗墙布置在上游坝脚，防渗墙穿过坝基第⑵单元卵石层，深入相对不透水层不小于1m。墙顶以上加盖重至现状坝脚，现状坝坡采用C20混凝土护坡护砌至上游坝坡马道。本方案联合采用抓斗和钻机成槽，采用泥浆固壁。施工开始时，通过输水洞将水库水位放至死水位210.7m，利用输水洞结合抽排进行施工导流。由于需采用大型设备，因此需填筑20m宽工作平台，平台外侧填筑围堰。围堰内侧至坝脚处挖除淤积层，槽口修建C25钢筋混凝土导墙，上游侧碾压填筑施工平台，宽20m。本方案建安工程投资为109.16万元。优点：对地层适用性广，形成墙体厚度均匀，能够彻底的解决渗漏问题，质量可靠，防渗效果好，耐久性好。缺点：施工需用大型专业设备、场地要求高；卵石层中泥浆容易渗漏，易塌孔；需放空水库，临时工程量大，建设工期长，投资较大。⑷方案四：上游坝脚开挖截渗槽并铺设土工膜[47]-[48]本方案在上游坝脚开挖截渗槽，外侧填筑围堰。土工膜顶部铺设至上游坝坡马道，底部深入相对不透水层不小于1m。由于卵石层较深，开挖深度土工膜底部铺设粗砂垫层，坝坡土工膜外侧采用C20混凝土护砌。施工开始时，将水库水位放至死水位210.7m，并采用现状输水洞进行施工导流。施工机械由防渗范围两侧进出。本方案建安工程投资为166.63万元。优点：防渗效果容易保证，施工简单。30n第4章方案比选及建筑物设计缺点：开挖深度较深（8～10.2m），土方开挖量大，施工开挖容易影响大坝上游坝坡稳定；需放空水库，临时工程量大，建设工期长；投资较大。上述四种坝基防渗方案都能较好的解决坝基渗漏问题，但根据施工技术、施工组织难易、工期长短及投资高低，又各有优缺点，比较分析汇总见表4-8。表4-8坝基防渗方案比较表Table4-8comparisontableofdamfoundationseepagecontrolscheme方案一方案二方案三方案四坝体劈裂灌浆+坝基帷上游坝脚开截渗槽并内容高压摆喷灌浆混凝土防渗墙幕灌浆铺设土工膜坝体灌浆495延米，坝体劈裂灌浆738延米，土方开挖、回填主要塑性混凝土防渗坝基卵石层灌浆446坝基卵石层灌浆666延22745m3，工程量墙1584m2延米米土工膜5114m2投资83.85万元85.01万元109.16万元166.63万元施工简单施工方便施工技术要求高土石方开挖大临时工程量小施工方便需用大型设备施工难易、截渗槽开挖影响大坝对坝体结构影响较小临时工程量小需放空水库临时工程稳定施工专业性强对坝体结构影响较小临时工程量大及工期需放空水库工期较短工期较短施工组织复杂临时工程量大工期长工期长墙厚均匀防渗效果较好卵石层灌浆质量不易保对地基适应性强防渗效果但形成的墙体厚度不防渗效果容易保证证耐久性好均一防渗效果较好施工简单施工方便施工方便施工技术要求高截渗槽开挖易影响大临时工程量少临时工程量少需放空水库坝稳定综合比较施工专业性较强投资投资较小临时工程量大需放空水库较小防渗质量不易保证投资较大临时工程量大投资较大综上所述，四种方案均能较好的解决坝基渗漏问题，但考虑水库不易放空，31n河北工程大学硕士学位论文在卵石层中高压摆喷灌浆效果较好且投资较小，因此推荐采用方案一高压摆喷灌浆作为设计方案。⑵坝基防渗工程设计经方案比选，本次设计在大坝桩号0+120～0+216段上游马道中间布置一排高压摆喷灌浆孔，钻孔沿大坝上游坝坡现状马道（高程213.80～214.10m）布置，长96m，孔距1.5m，共65个钻孔，摆角30°，灌浆底部深入第④或③单元不小于1m。4.3.2上游坝坡工程设计大坝上游坝坡坡度1:2～1:5，高程213.8m处设一马道，宽3～3.5m。现状马道未护砌；主河槽段（大坝桩号0+052～0+245段）马道以下坝坡采用浆砌石护砌，厚约0.3m；马道以上坝坡采用单层干砌河卵石护砌，卵石粒径大小不一，一般为0.1～0.3m，由于缺乏养护，卵石护坡局部残缺，灌木、杂草丛生。考虑水库不宜放空，现状马道以下浆砌石护坡为2007年修筑，结构较好，因此不再对浆砌石护坡维持现状，仅将现状干砌卵石护坡拆除，并对马道及其上部坝坡整修平整后进行护砌。护砌方案比选：上游坝坡护砌采用两种方案进行比较，①干砌石护坡：上游坝坡采用干砌石护坡，厚0.3m，下设粗砂、碎石垫层各0.15m，每平米投资89元；②混凝土护坡：上游坝坡采用C20混凝土护坡，厚0.12m，按3×3m分块，块与块间设碎石排水盲沟，每平米投资53元。干砌石块石护坡投资较大，块石砌筑质量不易保证；混凝土护坡投资较小，施工速度快，但需要养护[49]-[50]。经综合比较，上游坝坡护砌采用C20混凝土护坡。工程布置：现状马道（213.80～214.10m）及以上坝坡整修后采用现浇C20F100混凝土护砌，坝坡护砌厚度120mm，由于坝坡坡度不规则，分段设计如下：桩号0+000～0+040设计坡度1:1.8；桩号0+040～0+075设两级边坡，上部坡度1:1.8，下部坡度1:4.5，中间设平台作为上坝道路，采用C20F100混凝土护砌，厚度200mm，上游侧设C20混凝土路沿石；桩号0+075～0+300高程217.5m以上设计坡度1:1.8～1:3.3，217.5m以下设计坡度1:4.0～1:5.0。护砌设计：将上游坝坡按设计坝坡整修后，采用C20F100现浇混凝土进行护砌，厚度0.12m。混凝土护坡分块原则按自上而下、自坝面中间向两侧按3m/块规格分块，平面尺寸3×3m，坝坡边角部位分块结合实际情况可进行调整。混凝土块与块间设0.3×0.3m碎石排水盲沟，内填碎石，碎石粒径2～40mm，要求级配良好；盲沟外包土工布，规格为200g/m2；盲沟顶部浇筑无砂混凝土。32n第4章方案比选及建筑物设计4.3.3下游坝坡工程设计大坝下游坝坡为土坡，坡比为1:2～1:4，现存主要问题有灌木丛生，局部有冲沟，为此对下游坝坡增设踏步、纵横向排水沟等设施。踏步设计：设计在桩号0+235处（临近输水洞出口）新建上坝踏步，采用C20F100现浇混凝土，宽2.0m。排水沟设计：桩号0+080～0+233沿现状下游坝坡平台（高程214.0m～215.0m）设纵向排水沟，净宽0.5m、高0.6m，在桩号0+110、0+140、0+170、0+200处设横向排水沟，延伸至纵向排水沟，净宽0.3m、高0.4m，桩号0+080、0+233处横向排水沟延伸至坝脚，净宽0.5m、高0.6m。纵横向排水沟均采用C20F100现浇混凝土。4.3.4坝顶工程现状大坝坝顶未护砌，坑洼不平。本次设计结合提高水库防洪标准，对坝顶进行护砌并新建防浪墙。设计对坝顶采用C20F100混凝土护砌，长300m，护砌厚0.2m，底部设0.15m厚碎石垫层。桩号0+090～0+280坝顶道路上游侧设C30钢筋混凝土防浪墙，墙顶高程219.8m，宽0.2m，基础位于坝坡及坝顶护砌底部，道路下游侧设C20混凝土路沿石；其余段两侧均设C20混凝土路沿石。4.3.5大坝稳定复核结合本次除险加固工程措施，对上、下游坝坡进行边坡稳定分析复核。大坝坝体为均质土坝，根据地质勘测资料，本次选择主河槽处的大坝桩号0+170断面作为典型断面进行大坝稳定计算。⑴渗透稳定分析①计算原理东柏涧水库大坝为均质土坝，坝基存在卵石透水层，本次除险加固工程在大坝上游布置一排高喷灌浆孔，因此渗流计算按照有限深透水地基上有截水槽的均质土坝进行计算，通过坝身和坝基的单宽渗流量采用下式计算[51]：22HHHH1212qkkT02LLLL0.44T1e(4-1)m1LH12m11(4-2)33n河北工程大学硕士学位论文式中：H1——上游水位（m）；H2——坝后水深（m）；L——坝基宽度（m）；m1——坝体上游坝坡；m2——坝体下游坝坡；T——坝基至隔水层间距（m）；h0——渗流水深（m）；k——坝体渗透系数；k0——透水地基渗透系数；qD——通过坝体的单宽渗流量（m3/s）；q——通过坝身和坝基的单宽渗流量（m3/s）。坝身浸润线按下式确定：22yhyh00xkTk0q'2q'(4-3)22HhHh1010q'kTk0LmHmh2LmHmh11201120(4-4)下游坝坡渗出段出渗比降按下式确定：0.251h0J1m2y2(4-5)式中：J——下游坝坡渗出段出渗比降；y——出渗点距地基高度。式中其余各项意义同上。②计算工况依据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL189-2013），参照《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），坝体渗流计算工况为：①经常蓄水位（212.6m）渗流计算；②正常蓄水位（217.2m）渗流计算；③校核洪水位（219.19m）渗流计算。采用理正程序进行辅助计算，通过计算，提出渗流逸出点的渗透坡降、坝体渗流量及浸润线[52]-[54]。③计算参数各部分渗透系数如下：坝体填土：K1=7.2×10-5cm/s；34n第4章方案比选及建筑物设计坝基卵石：K2=3.6×10-3cm/s；灌浆防渗帷幕：K=7.83×10-9cm/s。④计算结果坝体填土以棕黄色重粉质壤土～中粉质壤土为主，依据地质研究分析，其允许渗流坡降J允许=0.49。经计算，各种工况下，下游坝坡渗出段最大出渗比降J=0.316<[J]，渗流逸出段渗透坡降满足规范要求。各种工况下渗流量、逸出点高度及逸出坡降计算结果见表4-9。表4-9东柏涧水库渗流量及渗透坡降成果表Table4-9DongBaiJianreservoirseepageflowandseepagegradientresults经常蓄水位正常蓄水位校核洪水位计算工况（212.6m）（217.2m）（219.3m）单宽渗流量q（m3/(d·m)）0.1850.3820.421逸出点高度(m)0.1520.2180.273逸出坡降J0.3160.3160.316计算结果表明，除险加固后各种工况下，大坝渗流量较小，逸出点高度较低，渗透坡降小于允许渗透坡降，土体不会发生渗透破坏，大坝渗流性态安全。⑵坝坡稳定分析①土层物理力学指标根据地质情况研究分析，水库填筑土料的物理力学指标建议值见表4-10。表4-10东柏涧水库大坝坝体土料物理力学性质表Table4-10DongBaiJianreservoirdamsoilphysicalandmechanicalpropertiesofsheetmaterial天然容重饱和容重自然快剪土体名称(kN/m3)(kN/m3)C(kPa)φ()坝体填土18.219.81718第⑵单元卵石2225435②稳定计算依据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL189-2013），参照《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），坝坡稳定计算考虑了三种情况即稳定渗流期、库水位降落期和正常运用遇地震[55]-[57]。上、下游坡计算的工况分别为：上游坝坡：35n河北工程大学硕士学位论文a.经常蓄水位（212.6m）时的坝坡稳定；b.水位从校核洪水位（219.3m）降至正常蓄水位（217.2m）时的坝坡稳定；c.正常蓄水位（217.2m）遇地震时的坝坡稳定。下游坝坡：a正常蓄水位（217.2m）时的坝坡稳定；b校核洪水位（219.3m）时的坝坡稳定；c.正常蓄水位（217.2m）遇地震时的坝坡稳定。东柏涧水库属Ⅴ等枢纽工程，相应主要建筑物为5级建筑物，水库建筑物抗震设防类别为丁级，坝址区地震动峰值加速度为0.15g，地震反应谱特征周期为0.40s，抗震设防烈度为Ⅶ度，抗震稳定复核采用拟静力法。坝坡稳定按瑞典圆弧法计算[58]，采用中国水利水电科学研究院编《土石坝坝坡稳定分析程序STAB2008》[59]进行计算，计算成果见表4-11。表4-11东柏涧水库大坝0+170断面坝坡稳定计算成果表Table4-11DongBaiJianreservoirdamsectionof0+170damslopestabilitycalculationresults规范允许运用情况计算工况上游坡下游坡值经常蓄水位1.651.15正常运用正常蓄水位1.681.15校核洪水位1.531.05非常运用I校核洪水位突降至正常蓄水1.341.05位非常运用Ⅱ正常蓄水位+地震1.391.421.02计算结果表明，各种工况下上、下游坝坡抗滑稳定安全系数均大于规范中要求，古上、下游坝坡稳定。4.4溢洪道工程设计溢洪道位于大坝左坝肩，为一土质明渠，全长59m，底宽6～8m，两岸边坡坡比为1:1～1:3.5，两岸及底部出露地层主要为第四系上更新统（Q3al）棕黄色重粉质壤土，呈坚硬状态。水库现状防洪能力未达到20年一遇设计洪水标准；溢洪道岸坡较陡，不稳定；进口处埋设一条DN800混凝土涵管，泄流能力小；无消能防冲设施。根据提高水36n第4章方案比选及建筑物设计库防洪标准工程方案比选，本次设计将溢洪道进口底高程降至217.2m，底宽扩宽至10m，进口新建1座2跨、单跨长6m交通桥，并对溢洪道泄槽进行护砌以减小糙率、提高过流能力。根据东柏涧水库枢纽为Ⅴ等工程，水库溢洪道为5级建筑物，其消能防冲洪水标准为10年一遇，相应泄量15m3/s；校核洪水标准为200年一遇，相应泄量44m3/s。4.4.1进口段设计溢洪道桩号0-008～0+005.4为进口段，其中桩号0+000～0+005.4段为新建交通桥段。为使水库达到防洪标准，根据现场地形，设计溢洪道进口底高程为217.2m。交通桥上游两岸采用C20F100混凝土八字斜降挡土墙结构，迎水面坡率为1:0.5，墙背坡率为1:0.3，顶宽0.5m，基础深0.8m；底部采用C20F100混凝土护砌，厚0.2m。4.4.2泄槽段设计溢洪道桩号0+005.4～0+080.9为泄槽段，底宽为5m，纵坡1/40。为减少土方开挖，桩号0+005.4～0+044.5段两岸采用C20F100混凝土仰斜式挡土墙结构，高3.21～1.7m，迎水面坡率为1:0.5，墙背坡率为1:0.2，顶宽0.3m，基础深0.5m；桩号0+049.5～0+080.9段两岸采用C20混凝土重力式挡土墙结构，迎水面为直墙，墙背坡率为1:0.3，顶宽0.3m，基础深0.5m，高1.7m；桩号0+044.5～0+049.5段两岸挡墙由仰斜式挡土墙渐变至重力式挡土墙结构。泄槽底部采用C20F100混凝土护砌，厚0.2m。4.4.3出口段设计溢洪道桩号0+080.9～0+097.5为出口消能防冲段。根据东柏涧水库溢洪道为5级建筑物，其消能防冲建筑物设计洪水标准为10年一遇。设计采用底流消能方式，消力池采用综合式消力池，利用消力池进行消能。根据《溢洪道设计规范》（SL253-2000）附录A.5公式，对消力池长度、深度及底板厚度进行计算[60]-[61]，经计算，消力池长度取8m，池深取1.2m，池底板厚度取0.5m[62]。本次设计在桩号0+080.9～0+84.5段设置陡坡，纵坡1/2，底宽5.0m，底板采用C20F100混凝土浇筑，厚0.5m；在陡坡下游（桩号0+084.5～0+092.5段）设置消力池，长8.0m，底宽5.0m，池深1.0m，消力坎坎高0.2m。消力池底板采用C20F100混凝土浇筑，厚0.5m。两岸采用M7.5浆砌石重力式挡土墙结构，迎水面为直墙，37n河北工程大学硕士学位论文墙背坡率为1:0.3，顶宽0.3m，基础深0.5m。桩号0+092.5～0+097.5段设海漫，采用C20F100混凝土浇筑，宽9.0m，厚0.3m。4.4.4细部结构设计溢洪道护砌除消力池及上游陡坡段底板表层配12@200钢筋网外，两岸挡墙迎水面及其余段底板表层均配φ8@200钢筋网。挡墙及底板每10m设一道伸缩缝，缝宽20mm，内填聚乙烯闭孔泡沫板；挡墙每2m设一根φ75PVC排水管，距底板高度0.5m；墙后回填土要求分层夯实，压实度不小于0.91。4.4.5挡土墙设计计算溢洪道两岸均为C20混凝土挡土墙结构，本次计算选取消力池桩号0+090处泄槽边墙进行验算。挡土墙高为3.5m，迎水面为直墙，墙背坡率为1:0.3，顶宽0.3m，基础深0.8m。根据地质情况研究分析，挡土墙基础均位于土基上。水库为Ⅴ等枢纽工程，主要建筑物级别为5级，依据《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007），本次对挡土墙进行稳定计算。⑴计算工况①完建情况；②校核洪水位情况；③完建+地震情况。⑵荷载及其组合作用于挡土墙上的荷载主要有基本荷载与特殊荷载。基本荷载主要包括挡土墙结构及其底板以上填料和永久设备的自重；正常挡水位、设计洪水位或墙后正常地下水位情况下的土压力、静水压力、扬压力、水重、浪压力[63]。特殊荷载主要包括校核洪水位或墙后地下高水位情况下的土压力、静水压力、扬压力、水重、浪压力；地震荷载。⑶抗滑稳定计算挡土墙抗滑稳定安全系数采用下式计算：fGKKccH(4-6)式中：Kc—挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数；f—挡土墙基底面与地基之间的摩擦系数；ΣG—作用在挡土墙上的全部竖向荷载，kN；ΣH—作用于挡土墙上的全部水平向荷载，kN。⑷基底应力计算38n第4章方案比选及建筑物设计根据《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007）要求，土质地基与软质岩石上的挡土墙基底应力计算应满足以下要求：在各种计算情况下，挡土墙平均基底应力不得大于地基允许承载力，最大基底应力不得大于地基允许承载力的1.2倍；挡土墙基底应力的最大值与最小值之比应符合规范要求[64]。①基底应力计算公式挡土墙基地应力计算，按以下公式计算：maxGMPminAW(4-7)maxPmin式中：—挡土墙基底应力的最大值或最小值，kPa；ΣG—作用在挡土墙上部的全部竖向荷载，kN；ΣM—全部荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩，kN·m；A—挡土墙基底面的面积，m2；W—挡土墙基底面对垂直水流方向的形心轴的截面矩，m3。②基底应力验算基底应力验算应满足以下三个条件：a、基底平均应力小于地基允许承载力Pcp≤[R](4-8)式中：Pcp—平均应力，Pcp=（Pmax+Pmin）/2；Pmax—最大应力；Pmin—最小应力；[R]—地基允许承载力。b、基底最大应力Pmax≤α[R](4-9)式中：α—加大系数，取α=1.2。c、地基应力不均匀系数小于容许值pmaxpmin(4-10)⑸抗倾覆稳定计算挡土墙抗倾覆稳定安全系数采用下式计算：39n河北工程大学硕士学位论文MVK0MH(4-11)式中：K0—挡土墙抗倾覆稳定安全系数；MV—对挡土墙基底前趾的抗倾覆力矩（kN-m）；MH—对挡土墙基底前趾的倾覆力矩（kN-m）。计算结果见表4-12。表4-12边墙稳定计算成果表Table4-12tableofthestabilityofthesidewall抗滑稳定计算抗倾稳定计算基底应力计算工况Kc［Kc］K0［K0］PmaxPminPcpη[η]完建工况1.573.9564.5538.2651.411.69校核水位工1.21.422.345.1455.3233.0644.191.67况地震工况1.331.03.291.373.0329.7851.412.452.5计算结果表明：挡土墙稳定计算成果均满足规范要求。4.5输水洞工程设计输水洞进口位于大坝右岸，为坝下埋管，采用城门洞型砖砌结构，高1.0m、宽0.8m，洞长81m，进口底高程为210.70m，最大泄量0.5m3/s。进口处设进水闸，采用铸铁闸门控制、螺杆启闭机启闭，顶部修建有1座工作桥，出口与下游灌溉渠道连接。现状输水洞控制设施损坏，不能正常使用；洞身渗漏严重；工作桥损坏严重。考虑输水洞洞身渗漏严重且洞径较小，洞身衬砌不易施工，设计对洞身内衬钢管进行防渗加固。由于输水洞进口深入库区，在进口安装控制设施需修建进水塔等运行管理设施，投资较大，且洞身采用钢管加固，本次设计在输水洞出口安装控制设施。本次设计根据输水洞现状情况，为保证输水洞运行安全，设计在洞身内衬1根DN500钢管进行加固，长80m；为防止输水洞渗水，在洞身内衬钢管与原洞壁之间充填C20F100细石混凝土；进口采用C20F100混凝土封堵，封堵长度为1.0m；40n第4章方案比选及建筑物设计出口新作C20F100混凝土出水池，与现状渠道连接。输水洞内衬钢管出口安装DN500控制蝶阀，进口安装拦污栅，采用12@100钢筋网焊接制成，拦污栅直接焊至洞口钢管上。内衬钢管内外均做防腐，其中钢管内防腐采用IPN高分子聚合漆（8710-1型），涂两道底漆，一道面漆。4.6环境保护设计4.6.1运行期环境保护设计水库不作为饮用水源，主要是灌溉用水。水库管理单位平时要注意对周围进行检查监督，避免水质恶化。生活污水处理利用施工期建成的化粪池，定期进行清淘，用作农业耕作有机肥。4.6.2施工期环境保护设计本阶段工程环境设计重点是控制噪声、施工废水和生活污水对环境的影响，进行必要的监测，同时，加强宣传教育，增强施工人员的环保意识。⑴噪声防治施工中噪声源主要由推土机、挖掘机、浇筑设备、运输车辆等产生的。主要影响对象是附近的村庄等。施工尽量采用噪声较低的生产设备；限制车速，禁止使用喇叭；避免影响村民夜间休息；文明施工。⑵废水处理在施工区铺设排水管线，将机械冲洗等含油废水进行收集，处理达标后，排入水库下游河道，避免污染水库水体。混凝土搅拌冲洗废水处理：设置1个矩形平流式沉淀池，池壁采用浆砌石水泥砂浆抹面，池体总有效容积3m3。机械设备保养冲洗水：在施工区设1个隔油沉淀池，埋设直径150mm排水管道15m，对废水进行集中处理。生活废水处理：食堂污水设1个隔油池；施工区内设置厕所及1个2m3化粪池。⑶大气质量保护工程施工远离村庄，对空气质量要求不高，具体保护措施如下：运输车辆限速行驶；减少车辆废气排放量；减少扬尘；安排1个工人专人及时清扫工区（含道路）积尘，配备手推式洒水车配备1辆。41n河北工程大学硕士学位论文⑷固体废弃物处理生活垃圾运至垃圾处理场。工程垃圾在附近堆放填埋，利用土方平衡余土覆盖绿化。⑸环境监测施工期进行必要的监测，按1个点，分两期。42n第5章经济评价及结论第5章经济评价及结论5.1经济评价由于对本类工程有关资料极少，进行定量经济效益分析较困难，本次仅对效益进行定性分析。⑴灌溉效益水库现状灌溉面积约3000亩，主要为东柏涧村、杜家岗村及北孟村耕地。区域内土地肥沃，气候适中，是农业经济较为发达地区，是粮食主产区。工程实施后，通过坝基防渗和输水洞维修加固工程等，可有效减少水库坝基渗漏，保证水库正常蓄水和灌溉放水，提高水库灌溉保证率，增加水库灌溉面积，灌溉效益显著。⑵防洪效益防洪效益是指防洪工程修建后可减免的土地淹没损失、财产损失、防汛抢险费用、工矿停业、交通中断损失等。东柏涧下游有杜家岗村及北孟村等2个行政村，人口3000余人，耕地3000余亩，地理位置重要，水库一旦失事对下游危害严重。水库除险加固工程完成后，提高了水库防洪标准，消除了工程的安全隐患，可有效减少坝基渗漏，为下一步水库正常运行发挥效益奠定了坚实基础，保证了水库下游工程设施、耕地及人民群众的生命安全。5.2结论由于东柏涧水库原始资料、水文资料缺乏，结合水库现状存在的问题以及水库所在区域地质情况，经水文计算与复核、地质情况分析以及方案对比选择等一系列研究，给出了水库加固设计的推荐结果。本次研究采用《河南省水资源》（2007年）、《河南省地表水资源附图》进行年径流计算；根据《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44-2006），考虑水库流域面积较小，采用间接法计算设计暴雨，利用图集推求设计洪水，并用图集法和洪峰模数法对结果的合理性进行对比分析；复核分别采用河南省水文水资源局2005年编制的《河南省暴雨参数图集》（简称《05图集》）、河南省水利勘测43n河北工程大学硕士学位论文设计院1984年编制的《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》（简称《84图集》）中的数据进行计算，然后对比分析计算结果，确定取值。通过调洪演算，得出不同频率洪水时的水位、泄量及库容；根据溢洪道设计及调洪演算成果对坝顶高程复核。库区位于山西陆台边缘，太行陆梁南段东侧，属太行背斜隆起向华北平原的过渡地带。根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），确定库区各种地震相关特征值。采用标准贯入试验钻孔对工程地质勘察，并分析得出第⑵单元卵石为中等透水性，坝基存在沿第⑵单元卵石渗漏问题；溢洪道两岸存在边坡稳定问题；输水洞洞身渗漏严重的结论。对于提高水库防洪标准，本文认为可以通过以下两种工程措施来解决：一、加高大坝坝顶高程，增大水库调蓄能力；二、改造溢洪道，提高水库下泄能力。结合水库现状，本次设计将溢洪道进口涵管拆除并扩宽下挖，经泄流、调洪演算、坝顶高程等试算比选，提出三个方案进行比较：①进口深挖；②进口适当下挖，尽量扩宽；③进口适当下挖、扩宽与坝顶新建防浪墙相结合。经综合比较，根据经济实用的原则，为尽量增加兴利库容，考虑方案三投资适中，兴利库容较大，本次设计采用方案三作为实施方案。大坝坝基渗漏严重，根据地质报告、现场地形以及透水层分布情况，为防止绕渗，防渗范围取大坝桩号0+120～0+216段，结合国内现有防渗工程技术措施，提出高压摆喷灌浆；坝体劈裂灌浆+坝基帷幕灌浆；塑混凝土防渗墙；上游坝脚开挖截渗槽并铺设土工膜四个方案进行比选。四种方案均能较好的解决坝基渗漏问题，但考虑水库为小型水库，不易放空，在卵石层中高压摆喷灌浆效果较好且投资较小，因此采用方案一高压摆喷灌浆作为设计方案。主要建筑物除险加固设计有：大坝坝基高压摆喷灌浆，上游坝坡整修护砌，下游坝坡新建排水沟、贴坡排水及踏步，坝顶整修护砌；溢洪道扩挖，新建交通桥，增设消能防冲设施；输水洞内衬钢管；通过在大坝上游对坝基进行防渗处理，以减少水库渗漏，避免大坝发生渗透破坏，并对上游坝坡进行整修护砌、下游坝坡增设排水沟以及对坝顶进行护砌，另外结合提高水库防洪标准设计方案，在坝顶新建防浪墙。为提高水库防洪标准工程，经方案比选，设计将溢洪道进口底高程降至217.2m，底宽扩宽至10m，并对溢洪道泄槽进行护砌以减小糙率、提高过流能力。溢洪道消能防冲洪水标准为10年一遇，相应泄量15m3/s；校核洪水标准为200年一遇，相应泄量44m3/s。设计采用底流消能方式，消力池采用综合式消力池，利用消力池进行消能。现状输水洞控制设施损坏，不能正常使用；洞身渗漏严重。本文建议对输水44n第5章经济评价及结论洞洞身内衬钢管进行防渗加固，在出口安装控制设施。45n河北工程大学硕士学位论文致谢岁月如梭，我的研究生生涯也接近尾声，离别在即，心中充满了对学生生活的留恋。在我的人生路上给予我指引，在困难时候尽全力帮助自己的老师们，请允许我在此向你们表达我最最崇高的敬意和谢意。首次要感谢杨纪伟教授和王志国老师在我论文选题、撰写以及修改过程中的悉心指导，倾注了许多宝贵时间和精力，为论文提出许多宝贵的意见和建议。他们严谨治学的精神和精益求精的工作作风使我受益匪浅。我还要感谢学院的各位授课老师为我打下扎实的专业基础，同时还要感谢我同门师兄弟、师姐们以及身边同学给予我的无私关怀和真诚帮助。此外在豫北水利勘测设计院的实习经历为完成本次毕业论文奠定了基础，感谢设计院的领导以及同事们，给予我工作上和生活上的极大帮助。由于本人才疏学浅，论文中不足之处在所难免，欢迎各位批评指正。46n参考文献参考文献[1]李超.小型水库溃坝风险分析研究[D].山东农业大学,2010.[2]郭娟.小型水库安全管理浅析[J].科技致富向导,2013,08:392.[3]徐义萍,赵慧彦,白黎明.豫西地区中小型水库设计洪水复核及合理性分析——以涧里水库为例[J].时代教育(教育教学),2012,09:200.[4]祝伟.论新疆阿图什市库木鲁克水库除险加固的必要性[J].民营科技,2013,02:220.[5]马福恒.病险水库大坝风险分析与预警方法[D].河海大学,2006.[6]建维.全国小(Ⅱ)型病险水库除险加固规划实施启动视频会召开[J].水利天地,2011,05:5.[7]殷小林.基于Fuzzy-AHP的水库运行风险分析[D].昆明理工大学[5]王晓春.谈李林水库水文分析[J].河南水利与南水北调,2013,09:61+63.[8]贾鹏生,张国辉,杨兴.张湾水库泄洪方案的优化比选[J].河南水利与南水北调,2012,06:6-7.[9]周静静,叶继业,许长银.简析林州市露水河设计洪水计算[J].河南水利与南水北调,2013,21:47-48.[10]杨霞,朱素芬,牛广伟.浅谈洹河蓄水工程对安阳市水资源的影响[J].水资源开发与管理,2015,02:12-14+20.[11]刘祎茹.杨庄滞洪区复建水库项目的可行性[J].河南水利与南水北调,2011,08:27-28.[12]熊美林,田波,丁承富.磨盘水库大坝安全评价[J].人民长江,2011,12:28-31+39.[13]FERZIGERJH，PERICM，Computationalmethodsforfluiddynamics[J]，Berlin：Springer，1996，149-208[14]米文静.混凝土重力坝防洪安全复核方法的研究[D].西北农林科技大学,2013.[15]李冬梅.洹河林州陵阳段设计洪水计算[J].河南水利与南水北调,2014,24:63-64.[16]张冬冬.大清河流域下垫面要素变化对洪水的影响统计分析[D].天津大学,2012.[17]黄河.小沙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