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文档介绍
大学毕业论文---关刀岭水库除险加固设计说明书及计算书
华北水利水电大学继续教育学院毕业设计关刀岭水库除险加固设计摘要：近年来，水利工程的发展，成为了社会主义建设进程中一个不可或缺的部分，其中水库是江河防汛体系的重要组成部分，江油市中小型水库数量多，分布面积广，病险水库多，因此做好中小型水库的除险加固工作越来越重要。本文将从施工组织设计在关刀岭水库除险加固工程中的意义出发，结合实际，对其具体措施进行分析。关键词：中小型水库；除险加固；施工组织设计n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计目录目录I1综合说明11.1水文11.1.1流域概况11.1.2工程概况11.1.3设计洪水复核11.1.4洪水调节计算11.1.5溢洪道最大泄洪能力复核21.1.6施工期洪水21.2工程地质21.2.1区域地质概况21.2.2地层岩性31.2.3地下水特征及评价31.2.4地震31.2.5天然建筑材料31.2.6结论和建议31.3水库安全评价41.3.1防洪安全评价41.3.2渗流稳定评价41.3.3坝体结构稳定评价41.3.4抗震稳定评价41.3.5水库安全评价结论41.4除险加固工程设计51.4.1工程现状及存在问题51.4.2工程等别及建筑物级别51.4.3洪水标准51.4.4总体设计方案52水文62.1流域概况62.2工程概况62.3设计洪水复核7IIn华北水利水电大学继续教育学院毕业设计2.3.1流域特征复核72.3.2洪峰流量计算72.3.3洪水总量计算92.3.4洪水调节计算102.3.5溢洪道最大泄洪能力复核112.3.5施工期洪水113工程地质133.1区域地质概况133.1.1地形地貌133.1.2地质构造133.1.3地层岩性133.1.4地下水特征及评价133.1.5地震143.2天然建筑材料143.3结论和建议154水库安全评价194.1防洪安全评价194.2渗流稳定评价194.2.1计算原理及方法194.2.2渗流计算边界及计算工况204.2.3渗透坡降计算214.2.4渗流量及渗流水深计算214.2.5计算成果224.2.6渗流计算结论254.3坝体结构稳定评价254.4抗震稳定评价274.5目前存在的主要问题284.6安全评价结论295除险加固工程设计305.1工程现状及存在问题305.1.1枢纽总布置305.1.2大坝及坝基305.1.3溢洪道30IIn华北水利水电大学继续教育学院毕业设计5.1.4放水设施315.1.5其他315.2设计依据315.2.1工程等别及建筑物级别315.2.2洪水标准315.2.3设计基础资料315.2.4采用的规范325.3总体设计方案325.3.1挡水建筑物325.3.2泄水建筑物345.3.3放水建筑物345.3.4其它34参考文献35附录36除险加固工程设计361枢纽概况362设计标准363大坝坝坡稳定复核363.1坝体各种材料的容重373.2计算过程及结果：372关刀岭水库渗流分析522.1原大坝渗流分析522.2计算结果53IIn华北水利水电大学继续教育学院毕业设计1综合说明1.1水文1.1.1流域概况关刀岭水库位于江油市云集乡，枢纽地理坐标为东经105º07′，北纬32º36′，属涪江水系潼江支流。所在地属亚热带季风气候区，气候温和，四季分明，雨量充沛，日照充足。具有冬季微寒，春来较早，夏长秋短，无霜期长以及冬干、春旱、夏洪、秋绵等气候特点。1.1.2工程概况自然集雨面积0.975km2，蓄水主要以自然集雨区径流囤蓄。坝址以上主河道长0.98km，河槽比降116.29‰。水库于1961年动工修建，1965年完工投入使用。水库原设计总库容25万m3，死库容4万m3。大坝下游控制洗脚、牛郎、关炉等村3500人，1000多亩耕地，还有剑阁县、东宝镇、学校、机关等，是一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合效益的小（2）型水库。关刀岭水库大坝为均质土坝，最大坝高18m，坝顶高程716.40m，现场实测坝顶宽2m，大坝全长87m。大坝上游实测坝坡坡度1：1.5，下游实测坝坡坡度为1：2，上下游坝坡均为草皮护坡，下游坝脚有一砌石贴破排水体，宽2.0m，坡度为1：2；水库溢洪道位于大坝右侧山体中，为正堰进口溢洪道。现场查勘表明现状堰顶高程714.40m，堰宽6m，总长41m，侧墙及底板均采用浆砌石衬砌，但损毁严重，溢洪水流经消能后泄入下游河道；水库放水管位于大坝左岸，属砌石无压平涵，梯级卧管取水。涵洞尺寸1.0m×0.7m。放水洞底坎高程702.90m，设计最大放水流量0.80m3/s。1.1.3设计洪水复核本次设计根据1/1万地形图勾绘了水库自然集雨范围及河流走势，量算复核了流域面积、集雨范围干流河道长度、综合比降等参数，在此基础上采用四川省水电厅1984年6月编制的《四川省水文手册》及推理公式法进行入库洪水流量复核计算。计算结果为：Qm5%=36.285m3/s，Qm0.5%=49.568m3/s；设由设计暴雨推求洪水总量的方法复核24小时入库水量，计算结果为：20年一遇WP=22.032万m3，200年一遇WP=35.388万m3。1.1.4洪水调节计算本次根据实测的尺寸计算确定水位-泄量曲线，量算复核水位-共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计库容曲线，并由高切林公式进行调洪演算。调算结果为：qm5%=23.4m3/s，相应水深1.89m；qm0.5%=35.5m3/s，相应水深2.50m。1.1.5溢洪道最大泄洪能力复核经坝顶超高计算，△h设=1.46m，△h校=0.88m。则计算得在不影响大坝安全情况下，允许最大溢洪水深H设=0.54m，H校=1.12m，按宽顶堰公式计算得最大允许泄流量q=10.7m3/s，而据溢洪道现状计算当水库遇200年一遇校核洪水时最大过水深H=2.50m，qm0.5%=35.5m3/s，因此现溢洪道过洪能力不满足规范要求，处理措施为：扩宽溢洪道至10m，并在坝顶加设0.7m的防浪墙。然后根据扩宽后的10m溢洪道进行调洪计算，得到结果为：qm5%=25.2m3/s，相应水深1.41m；qm0.5%=37.7m3/s，相应水深1.85m，V总=25.93万m3。1.1.6施工期洪水关刀岭水库不能放空，工程可以安排在枯水期施工，因工期较短，且工程量小，不再进行施工期洪水计算。1.1工程地质1.2.1区域地质概况江油市地处龙门山北段中山山地与四川盆地低山丘陵的交接地带，地势由西北向东南逐渐变低，高程一般在800~1500m之间，最高点位于枫顺乡的轿子顶山，海拔高程2356m；东南部库区属侵蚀河谷阶地貌区，浅山丘陵地形，高程一般在550~650m之间，最低点位于九岭乡的鱼种站谷地，海拔高程469.20m。关刀岭水库位于江油市的中部，按照地质成因划分，地貌类型属构造侵蚀山地丘陵区。江油市处于新华夏系四川沉降盆地与龙门山隆起带的复合部位，按照构造型式分为北东向挤压带和绵阳帚状构造，两者呈不整合复合关系。在境内西北部为北东向挤压带发育区，由脆性的碳酸盐和碎屑岩组成，在同一应力场作用下，形成轴向北东向的“多”字型排列的褶皱和走向东北45~50º、倾向北西、倾角60~70º的冲断裂以及走向北西50º左右的横张断裂及近南北或东西向的压性断裂。在市区东南部的侏罗纪、白垩纪地层中，为绵阳帚状构造的一部分，发育成群的新同型平缓褶皱，呈半环状排列，向西收敛，向东扩散，褶皱崭线多为北东45~70º，地层倾角平缓10~15º共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计。关刀岭库区位于江油市中部，地质构造属北东向挤压带与绵阳帚状构造带的复合部位，位于苦竹沟断裂北西端和马家坝向斜南西翼交界带。1.2.2地层岩性江油市境内地层出露除元古界和第三系缺失外，古生界到第四系大部分地层均有出露，沉积厚度在18000m以上。关刀岭水库区地层为中生界侏罗系中统沙溪庙组（J2）。岩性为棕红色粉砂质泥岩与灰红色泥质粉砂岩互层。泥岩和砂岩的厚度不稳定，横向变化大。平行层理较发育。1.2.3地下水特征及评价库区地下水为中生界风华带裂隙，主要存赋于中生界侏罗纪、白垩纪下统、三叠系上统红色地层中，含水层以紫红色红色泥岩为主，间夹砂砾岩，呈互层。地下水补给模数偏小，以弱酸性和中性水为主，矿化度均小于1g/l，属淡水，以硬水为主；水化学类型根据舒卡列夫分类，以HCO3-Ca和HCO3-Mg为主，地下水对混凝土无腐蚀性。1.2.4地震根据《中国地震动参数区划图》GB18306-2001和2008年6月中国地震局发布的《四川、甘肃、陕西部分地区地震动峰值加速度区划图、地震动反应谱特征周期区划图》，本区地震动峰值加速度为0.15g，相应地震基本烈度为VII度。1.2.5天然建筑材料关刀岭水库工程所需天然建材主要为石料和粗砂，距周边地质勘察报告及现场查勘访问，选定库区周边石料场，该处石料属浅红色层状石英砂岩，易于开采，储量丰富，抗压强度较高，可满足本工程施工所需石料。坝体填筑土可取本地出露的新生界第四系中更新统的亚粘土、亚砂土。1.2.6结论和建议1.该水库地质构造和地层结构简单，岩层倾角较缓，总体而言地质条件较好。2.根据《中国地震动参数区划图》GB18306-2001和2008年6月中国地震局发布的《四川、甘肃、陕西部分地区地震动峰值加速度区划图、地震动反应谱特征周期区划图》，本区地震基本烈度为VII度。3.由于大坝碾压不密实，蓄水位较高时下游坝基有局部少量渗漏现象，建议尽快采取工程处理措施。共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计1.1水库安全评价1.3.1防洪安全评价经溢洪道最大泄洪能力复核，是在现溢洪道进口宽和断面型式按现有坝高情况下不影响大坝安全在正常情况下的复核，即在不影响大坝安全情况下，溢洪道允许最大过水深H=1.12m，按宽顶堰公式计算得最大允许泄流量q=10.7m3/s，而根据调洪演算成果，当大坝遭遇200年一遇标准洪水时溢洪水深为h=2.5m,校核水位已高于坝顶，故现溢洪道过洪能力不能满足规范要求。校核洪水位已超过坝顶高程，防洪安全不满足规范要求。1.3.2渗流稳定评价经渗流计算得知坝体内下游处最大比降大于坝体材料允许比降值，可能发生渗透破坏，破坏形式为流土。因大坝下游有排水棱体可保护使不发生渗透破坏。另水库渗流损失较为严重。1.3.3坝体结构稳定评价经坝坡稳定计算，大坝现状上下游坝坡均不满足稳定要求。上下游坝坡都可能发生滑坡失稳。1.3.4抗震稳定评价正常蓄水位下考虑地震荷载坝体稳定复合结果显示下游坝坡稳定系数小于安全允许值，大坝抗震稳定不满足规范要求需要加固。1.3.5水库安全评价结论目前水库存在问题：1.大坝迎水坡坡度过陡，护坡损坏严重，坝顶未硬化，不利于工程管理和大坝安全。2.溢洪道宽度不够，不能满足泄洪要求。3.放水设施陈旧，运行管理不便。4.水库无管理房，防汛道路仍为泥土路面，不利于水库的管理和维护。根据关刀岭水库的病险、安全鉴定及震损情况综合评定，水库大坝属C级坝，即为不安全大坝，亟待进行除险加固。共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计1.1除险加固工程设计1.4.1工程现状及存在问题总体而言，枢纽总体布置比较合理，但坝顶未硬化，雨天有积水隐患且不利于防汛巡查。水库溢洪道位于大坝右侧，为正堰进口溢洪道，侧墙及底板均未护砌，经复核其泄洪能力也不能满足规范要求。水库放水设施位于大坝左岸，为石质梯级卧管，浆砌条石衬砌。经过40多年运行，放水设施混凝土老化，斜卧管渗漏严重，地震后更加剧了其渗漏程度，且运行管理不便。据水库管理人员介绍，大坝外坡表层曾发现白蚁，经专业处理后近几年未再发现，需专业调查并防治。通向水库坝区的道路尚有2km机耕路，泥土路面，狭窄崎岖，雨雪天气车辆无法行驶，亟待进行整修。水库原有管理房在地震期间全部损毁，无法居住。1.4.2工程等别及建筑物级别根据《大纲》、水库保护对象及其重要性，参照有关规范，确定关刀岭水库的工程等别为Ⅴ等，主要建筑物工程级别为5级。1.4.3洪水标准根据《大纲》和有关规范，关刀岭水库洪水标准按20年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。1.4.4总体设计方案根据关刀岭水库存在的问题，拟定除险加固总体设计方案为：1.大坝：内坡削坡放缓；外坡整修，进行干砌石防护，修建贴坡反滤排水体及排水沟；坝顶以泥结碎石硬化。2.溢洪道：拓宽至10m。3.放水设施：改建为折悬臂铸铁闸门斜卧管。4.其它：新建防汛道路及管理房。共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计1水文1.1流域概况关刀岭水库属亚热带季风气候区，气候温和，四季分明，雨量充沛，日照充足。具有冬季微寒，春来较早，夏长秋短，无霜期长以及冬干、春旱、夏洪、秋绵等气候特点。年均降水量1112mm，降水量年际变化较大，最大降水量1824.5mm（1961年）是最小降水量599.4mm（1969年）的3倍以上，年降水量变差系数0.26~0.30，同时，降雨量年内分配极不均匀，大暴雨多集中在6-9月，一般占全年70%以上；多年平均径流深700mm左右，年径流变差系数0.40~0.45，多年平均径流系数0.48左右；多年平均陆面蒸发量600mm左右，水面蒸发约977mm，实测最大水面蒸发量1172mm；多年平均气温16℃，年内7月气温最高，平均为25.4℃，极端最高气温36.7℃，1月气温最低，平均为4.9℃，极端最低气温-6.8℃。总体而言，江油市气候温暖湿润，植被良好，土壤植被涵养降雨的能力较强，对暴雨洪水有一定的衰减作用。1.2工程概况关刀岭水库位于江油市云集乡，水库于1961年动工修建，1965年完工投入使用。枢纽地理坐标东经105º07′，北纬32º36′，属涪江水系潼江支流。自然集雨面积0.975km2，蓄水主要以自然集雨区径流囤蓄。坝址以上主河道长0.98km，河槽比降116.29‰。水库于1961年动工修建，1965年完工投入使用。水库原设计总库容25万m3，死库容4万m3。大坝下游控制洗脚、牛郎、关炉等村3500人，1000多亩耕地，还有剑阁县、东宝镇、学校、机关等，是一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合效益的小（2）型水库。根据《江油市小型水库大坝基本资料库》及《云集乡关刀岭水库除险加固整治工程设计报告》（江油市江汇水利电力建筑勘察设计所，2004年4月）可知，水库正常蓄水位687.00m，设计洪水位688.50m，校核洪水位688.80m；经本次现场察勘，按水库现状进行复核的结果为：水库正常蓄水位714.40m（相应库容21万m3）、设计洪水位716.29m（库容相应26.1万m3）、校核洪水位716.9m（相应库容27.67万m3），水库设计洪峰流量36.29m3/s(P=5%),水库校核洪峰流量49.57m3/s(P=0.5%)。由于复核结果表明现状溢洪道不能满足防洪要求，所以本次除险加固方案拟将上游坝坡放缓、扩宽溢洪道至10m，同时在坝顶加设0.9m的防浪墙，据此方案再进行调洪计算结果为：水库正常蓄水位714.40m共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计（相应库容21万m3）、设计洪水位715.81m（库容相应24.77万m3）、校核洪水位716.25m（相应库容25.93万m3）。根据水利部颁发的《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000，本工程为小（2）型水库，主要、次要建筑物为5级，洪水标准为20年一遇设计，200年一遇校核。枢纽工程由大坝、溢洪道、放水设施等部分组成，基本情况如下：大坝：关刀岭水库大坝为均质土坝，最大坝高18m，坝顶高程716.40m，现场实测坝顶宽2m，大坝全长87m。大坝上游实测坝坡坡度1：1.5，下游实测坝坡坡度为1：2，上下游坝坡均为草皮护坡，下游坝脚有一堆石排水体，宽2.0m，坡度为1：2。溢洪道：水库溢洪道位于大坝右侧山体中，为正堰进口溢洪道，据《云集乡关刀岭水库除险加固整治工程设计报告》（江油市江汇水利电力建筑勘察设计所，2004年4月）显示，溢洪道堰顶宽6m，堰顶高程687.0m。现场查勘表明现状堰顶高程714.40，堰宽6m，总长41m，侧墙及底板均未护砌，溢洪水流经消能后泄入下游河道。放水设施：水库放水设施共1处，灌溉放水洞位于大坝左岸，属砌石无压平涵，梯级卧管取水。涵洞尺寸1.0m×0.7m。放水洞底坎高程702.90m，设计最大放水流量0.8m3/s。1.1设计洪水复核2.3.1流域特征复核根据1/1万地形图勾绘关刀岭水库自然集雨范围及河流走势，并量算流域面积、集雨范围干流河道长度、综合比降等参数，并与《江油市小型水库基本资料登记表》数据（简称原数据）相比较，结合现场查勘情况综合分析，最终采用成果见表2.3-1。表2.3-1关刀岭水库以上河道特征值表水库原数据本次量算数据本次采用面积(km2)河长(km)比降(‰)面积(km2)河长(km)比降(‰)面积(km2)河长(km)比降(‰)关刀岭1.401.1691.300.9750.98116.290.9750.98116.292.3.2洪峰流量计算本次采用四川省水电厅1984年6月编制的《四川省水文手册》提供的资料，按设计洪水20年一遇，校核洪水200一遇的标准进行洪水计算。根据水科院推荐的推理公式：共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计Q=0.278ΨiF=0.278ΨF（2-1）当全面汇流条件下，t≤tc，ψ=（2-2）当部分汇流条件下，t>tc，ψ=n（2-3）tc=（2-4）（2-5）（2-6）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，即最大一小时暴雨量（mm/h）n——暴雨公式指数；F——集水面积（km2）；L——自坝址沿主河道至分水岭的河流长度（km）；J——沿L的河道平均坡降（‰）；t——流域汇流时间（h）；τ0——当ψ=1的流域汇流时间（h）；tc——产流历时（h）；µ——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。流域特征系数θ由下式计算：=0.98/0.116290.333/0.980.25=2.021共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计根据流域特征查《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》表3-2，计算汇流参数m，由于流域山高坡陡，洪水调蓄能力小，形成洪峰涨落较快，基流较低。故选表3-2Ⅰ区，当θ=1～30时，则查得：m=0.4θ0.204将θ=2.021代入m=0.4×2.620.204=0.462产流参数μ的确定：由《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》表3-1，查得与流域地形地貌相似的ǁ区，平均µ=4.8F-0.19，相应的Cv=0.18、Cs=3.5Cv，查皮尔逊Ⅲ型曲线表得K5%=1.33，K0.5%=1.57，则：μ5%=K5%μ=1.33×4.8F-0.19=1.33×4.8×0.98-0.19=6.415mm/hμ0.5%=K0.5%μ=1.57×4.8F-0.19=1.57×4.8×0.98-0.19=7.572mm/h水文计算基本参数见表2-1。表2-1关刀岭水库入库洪峰流量计算表F(km2)L(km)J(‰)J1/3F1/4θ=mH1(mm)CvCsH1/6(mm)CvCs0.9750.98116.290.4880.9942.0210.462560.353.5Cv17.50.373.5Cv频率（%）H1/6p(mm)H1p(mm)n1SpτQm(m3/s)演算529.993.50.36493.50.5070.0540.9410.51530.3720.4620.541.7128.20.372128.20.4640.0440.9510.4743.7950.4622.3.3洪水总量计算洪水总量按《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》介绍的由设计暴雨推求洪水总量的计算方法计算，计算公式为：Wp=0.1αHTPF（2-7）式中：Wp——洪水总量(万m3)；α——暴雨径流关系值，由《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》附图3查得库区属于7分区，再查《手册》附表3-1求得P=5%和P=0.5%共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计时径流系数α分别等于0.92和0.94；HTP——设计暴雨量，因暴雨历时Ｔ＝12.8F0.25=12.89h，小于24h（按单峰洪水考虑），即为短历时暴雨，则HTP=Spt1-n3p；F——流域自然集雨面积（km2）。计算成果为：P=5%WP=22.032（万m3）P=0.5%WP=35.388（万m3）2.3.4洪水调节计算关刀岭水库现溢洪道为开敞正槽式平底矩形，宽6m，底高程714.40m，水库坝顶高程716.40m。据前面计算知，20年一遇设计洪峰流量Q设=30.372m3/s，相应洪水总量W设=22.032万m3，200年一遇校核洪峰流量Q校=43.795m3/s，相应的洪水总量W校=35.388万m3。调洪演算计算公式为：宽顶堰流量公式q＝MBh3/2（2-8）和高切林公式q＝QP（1-Va/WP）（2-9）式中：M——流量系数，取1.5;B——溢洪道底宽，m；h——溢洪水深，m；q——溢洪道最大下泄流量(m3/s)；Qp——相应频率下最大洪峰流量（m3/s）；Va——调洪库容（万m3）；WP——相应频率下洪水容量（万m3）；计算步骤：1、假定溢洪水深，由水位库容关系曲线查得Va；2、把查得的Va代入高切林公式式（2-8）中计算q；3、由宽顶堰流量公式式（2-7）计算下泄流量q；使公式（2-7）和（2-8）中的q值相等时，假定溢洪水深即为相应频率下的堰上水深，此时q为相应频率下的溢洪道最大泄量，Va为调洪库容。经试算，20年一遇qm=23.422m3/s，Va=5.045万m3，溢洪水深h=1.892m，相应高程为H设=716.292m；200年一遇qm=35.55m3/s，Va=6.667万m3，溢洪水深h=2.50m，相应高程为H校=716.90m。共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计2.3.5溢洪道最大泄洪能力复核1.坝顶超高计算△h=R+E+A（2-10）式中：△h——坝前在静水位以上的超高（m）；R——波浪爬高(m)；E——风壅水面高，一般可忽略不计；A——安全超高，设计A=0.5m，校核A=0.3m，计算公式：R=3.2Kh波tgαh波=0.0166V5/4D1/3风速V=14m/s，吹程D=0.30km，边坡系数m=1.5，K=0.9，则：设计情况h设=0.0166×（14×1.5）5/4×0.31/3=0.50m，R设=3.2×0.9×0.50×0.67=0.96m；校核情况h校=0.0166×145/4×0.31/3=0.30m，R校=3.2×0.9×0.30×0.67=0.58m，故：△h设=R+A=0.96+0.5=1.46m，△h校=R+A=0.58+0.3=0.88m。2.允许最大溢洪水深计算H设=▽坝顶—△h设—▽溢底=0.54m（2-11）H校=▽坝顶—△h校—▽溢底=1.12m（2-12）3.现溢洪道最大泄流能力复核溢洪道最大泄洪能力复核，是在现溢洪道进口宽和断面型式按现有坝高情况下不影响大坝安全在正常情况下的复核，即在不影响大坝安全情况下，溢洪道允许最大过水深H=1.12m，按宽顶堰公式计算得最大允许泄流量q=10.7m3/s，而根据调洪演算成果，当大坝遭遇200年一遇标准洪水时溢洪水深为h=2.5m,校核水位已高于坝顶，故现溢洪道过洪能力不能满足规范要求。处理措施：将上游坝坡放缓至1：2，溢洪道扩宽至10m，然后根据调整后的溢洪道尺寸进行调洪计算，得20年一遇qm=25.2m3/s，Va=3.765万m3，溢洪水深h=1.412m，相应高程为H设=715.812m；200年一遇qm=37.7m3/s，Va=4.928万m3，溢洪水深h=1.848m，相应高程为H校=716.248m，V总=25.928万m3。此时再计算校核标准洪水时最大允许水深h=1.97m，即在不影响大坝安全情况下，溢洪道允许最大过水深H=1.27m，按宽顶堰公式计算得最大允许泄流量q=21.38m3/s，溢洪道过洪能力仍不能满足规范要求，所以须在坝顶加设0.7米防浪墙。2.3.5施工期洪水共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计关刀岭水库不能放空，但库水位可以降低到死水位以下，工程安排在枯水期施工，且工期较短，剩余水量以水泵提排解决施工导流问题，因此基本不需要设围堰，本次不再进行施工期洪水计算。图2-1江油市关刀岭水库工程平面布置示意图图2-2江油市关刀岭水库流域示意图共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计1工程地质1.1区域地质概况3.1.1地形地貌江油市地处龙门山北段中山山地与四川盆地低山丘陵的交接地带，地势由西北向东南逐渐变低，高程一般在800~1500m之间，最高点位于枫顺乡的轿子顶山，海拔高程2356m；东南部库区属侵蚀河谷阶地貌区，浅山丘陵地形，高程一般在550~650m之间，最低点位于九岭乡的鱼种站谷地，海拔高程469.20m。关刀岭水库位于江油市的东北部云集乡境内，按照地质成因划分，地貌类型属构造侵蚀丘陵区。3.1.2地质构造江油市处于新华夏系四川沉降盆地与龙门山隆起带的复合部位，按照构造型式分为北东向挤压带和绵阳帚状构造，两者呈不整合复合关系。在境内西北部为北东向挤压带发育区，由脆性的碳酸盐和碎屑岩组成，在同一应力场作用下，形成轴向北东向的“多”字型排列的褶皱和走向东北45~50º、倾向北西、倾角60~70º的冲断裂以及走向北西50º左右的横张断裂及近南北或东西向的压性断裂。在市区东南部的侏罗纪、白垩纪地层中，为绵阳帚状构造的一部分，发育成群的新同型平缓褶皱，呈半环状排列，向西收敛，向东扩散，褶皱崭线多为北东45~70º，地层倾角平缓10~15º。关刀岭库区位于江油市东北部，地质构造属北东向挤压带与绵阳帚状构造带复合部位的东南边缘地带，位于水根头—石元坝断裂东南断盘、天井山背斜东南翼。3.1.3地层岩性江油市境内地层出露除元古界和第三系缺失外，古生界到第四系大部分地层均有出露，沉积厚度在18000m以上。关刀岭水库区地层为中生界侏罗系中统沙溪庙组（J2）。岩性为棕红色粉砂质泥岩与灰红色泥质粉砂岩互层。泥岩和砂岩的厚度不稳定，横向变化大。3.1.4地下水特征及评价库区地下水为中生界风化带裂隙水，主要存赋于中生界侏罗系、白垩系下统、三叠系上统红色地层中，含水层以灰红色—共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计紫红色细砂岩、粉砂岩为主，间夹砂砾岩，呈互层。地下水补给模数偏小。以弱酸性和中性水为主，矿化度均小于1g/l，属淡水；地下以硬水为主；水化学类型根据舒卡列夫分类，以HCO3-Ca和HCO3-Mg为主，地下水对混凝土无腐蚀性。3.1.5地震根据《中国地震动参数区划图》GB18306-2001和2008年6月中国地震局发布的《四川、甘肃、陕西部分地区地震动峰值加速度区划图、地震动反应谱特征周期区划图》，本区地震动峰值加速度为0.15g，相应地震基本烈度为VII度。1.1天然建筑材料选定的土料场位于水库大坝上游左岸，距左坝头100m左右。在勘探深度范围内，料场主要为粉质粘土。对土料取代表性样做天然含水量、天然干密度、颗分、击实及重塑土试验力学性、物理性等试验。各类土的物理性指标见表5.1-1，力学性指标见表5.1-2。料场土料物理力学参数与《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》（SL251-2000）技术要求对比见表5.1-3。从表中可以看出粉质粘土粘粒含量部分偏高、天然含水率、塑性指数偏高，其余指标符合防渗体土料质量要求。料场长约150m，宽约50m，有用层厚度2m左右。用平行断面法计算，用平均厚度法校核，料场总面积7.5×103m2，储量为1.5×104m3。料场面积可根据施工用料需求扩大。表3-1料区各土类物理性试验成果汇总表土料岩性统计方法颗粒分析(mm)天然含水量天然干密度孔隙比比重液限塑限塑性指数液性指数2~0.0750.075~0.005＜0.005wρdeGSwLwPIpIL%%%%g/cm3—﹪%%粉质粘土组数55555555555最小值5.254.928.723.91.520.662.7242.419.822.60.17最大值11.962.539.429.41.640.802.7451.722.828.90.25平均值7.759.233.226.71.570.732.7346.821.525.40.21共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计表3-2料区土类重塑土力学性试验成果汇总表土料岩性统计方法击实试验控制干密度饱和快剪饱和固结快剪渗透系数自由膨胀率最大干密度最优含水率凝聚力内摩擦角凝聚力内摩擦角ρdmaxwopρdcΦcΦKg/cm3%g/cm3kPa度kPa度cm/s粉质粘土组数222222222最小值1.7815.81.7161.015.249.017.83.80E-0829最大值1.8117.21.7472.016.755.019.07.20E-0833平均值1.8016.51,7366.516.052.018.45.50E-0831表3-3料区土类质量技术要求与试验成果对比表土料岩性质量指标粘粒含量塑性指数渗透系数天然含水率最优含水率塑限紧密密度天然干密度IpKWWopwpρdmaxρd均质坝土料10%~30%7~17碾压后<1×10-4cm/s天然含水率与最优含水率或塑限接近者为优紧密密度宜大于天然干密度粉质粘土28.7%~39.4%22.6~28.95.50×10-826.7%16.5%19.8%~22.8%1.801.57结果部分偏高偏高合格天然含水率偏高合格混凝土粗、细骨料及反滤料均拟采购自江油市彰明镇砂砾料场，据调查，江油市工业民用建筑用砂砾料主要来源于该料场，料场距该水库22km左右，施工前应按照《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》（SL251-2000）要求进行相关的试验，确保材料质量合格。1.1结论和建议1.该水库地质构造和地层结构简单，岩层倾角较缓，总体而言地质条件较好。共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计2.根据《中国地震动参数区划图》GB18306-2001和2008年6月中国地震局发布的《四川、甘肃、陕西部分地区地震动峰值加速度区划图、地震动反应谱特征周期区划图》，本区地震基本烈度为VII度。3.由于大坝碾压不密实，蓄水位较高时下游坝基有局部少量渗漏现象，地震期间大坝出现多处裂缝，坝基有浑水渗出，虽经过应急处理，但坝体内部仍可能有隐蔽裂缝，建议尽快采取工程处理措施。勘察期间取原土料区散状样进行土料击实、重塑土试验，试验最大干密度范围值1.78~1.81g/cm3，平均1.80g/cm3，坝体填筑质量按压实度96%（相应于干密度1.73g/cm3）的标准进行判别。据勘察试验成果：坝体土天然干密度范围值1.50~1.68g/cm3，平均1.60g/cm3，其压实度合格率为0；压缩系数范围值0.17~0.40KPa-1，平均值0.27KPa-1，标准贯入试验范围值5~6击，属中等压缩性中硬土。共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计表3-4坝体填土物理性试验统计成果表填土岩性统计项目含水率干密度孔隙比比重颗粒组成液限塑限塑性指数液性指数砂粒粉粒粘粒0.25~0.075mm0.075~0.005mm<0.005mmWρdeGsWLWPIPIL%g/cm3——%%%%%——粉质粘土组数1313131355513131313最小值20.91.500.6222.714.655.225.936.017.118.90.03最大值30.51.680.8282.7511.265.838.755.324.033.00.38平均值24.71.600.7092.738.159.432.445.920.225.70.18表3-5坝体填土力学性、渗透性及膨胀性试验统计成果表填土岩性统计项目压缩系数压缩模量直剪渗透系数自由膨胀率标准贯入饱快饱固快凝聚力内摩擦角凝聚力内摩擦角室内试验钻孔注水a1-2EsCφCφKKMPa-1MPakPa°kPa°cm/scm/s%击粉质粘土组数5566665232最小值0.174.5744.010.426.016.31.80E-073.70E-04365最大值0.409.9067.014.238.019.25.30E-064.38E-04466平均值0.276.8455.312.831.717.81.32E-064.04E-04416小均值5.3648.711.828.016.9大均值0.37共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计表3-6坝体填土物理性指标建议值表填土岩性含水率干密度孔隙比比重颗粒组成液限塑限塑性指数液性指数砂粒粉粒粘粒0.25~0.075mm0.075~0.005mm<0.005mmWρdeGsWLWPIPIL%g/cm3%%%%%粉质粘土24.71.600.7092.738.159.432.445.920.225.70.18表3-7坝体、坝基土力学性指标建议值表岩、土体岩性压缩系数压缩模量直剪饱快饱固快凝聚力内摩擦角凝聚力内摩擦角a1-2EsCφCφMPa-1MPaKPa°KPa°粉质粘土0.375.3628112515泥岩全风化层28122515共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计1水库安全评价1.1防洪安全评价防洪能力复核：经2.3水文计算，20年一遇qm=23.422m3/s，Va=5.045万m3，溢洪水深h=1.892m，相应高程为H设=716.292m；200年一遇qm=35.55m3/s，Va=6.667万m3，溢洪水深h=2.50m，相应高程为H校=716.90m。溢洪道最大泄洪能力复核，是在现溢洪道进口宽和断面型式按现有坝高情况下不影响大坝安全在正常情况下的复核，即在不影响大坝安全情况下，溢洪道允许最大过水深H=1.12m，按宽顶堰公式计算得最大允许泄流量q=10.7m3/s，而根据调洪演算成果，当大坝遭遇200年一遇标准洪水时溢洪水深为h=2.5m,校核水位已高于坝顶，故现溢洪道过洪能力不能满足规范要求。校核洪水位已超过坝顶高程，防洪安全不满足规范要求。可采取措施：加高坝顶高程，设防浪墙，拓宽溢洪道。1.2渗流稳定评价大坝现状渗流计算4.2.1计算原理及方法渗流分析采用水力学法及有限元软件分析根据《规范》要求计算坝体土允许渗透比降1.土的渗透变形类型的判别：表4-1土体类别计算表沙粒粉粒粘粒孔隙比空隙率0.25-0.0750.075-0.005<0.005en小于某粒径的含量99.991.832.40.7090.41542.725因为Pc为土的细粒颗粒含量，即Pc=91.8>=42.725。故土的渗透变形属流土。2.流土的临界水力比降（4-1）依《规范》规定，允许渗透比降J允许应除以安全系数K，K取值1.5-2.0.取K值为1.5，得J允许=Jcr/1.5=0.67（4-2）共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计由此可得渗流计算比降值小于该值可判断为安全。4.2.2渗流计算边界及计算工况本次选用和平水库2008年实测坝体断面进行渗流稳定计算，所选断面为大坝主河槽段最大坝高断面。测量成果显示，该断面坝顶宽2m，上游坝坡坡比1:1.5，下游坝坡坡比1:2，下游为草皮护坡，大坝坝高18m，下游坝坡坡脚排水棱体高4m。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）规定，对以下水位组合的工况进行计算：①上游正常水位与下游无水；②上游设计洪水位与下游无水；③上游校核洪水位与下游无水；④水位下降时期。根据本次水文复核结果，本水库校核水位超过坝顶高程，所以该工况不再计算。大坝渗流计算采用平面有限元法进行。由于大坝已运行多年，可认为土体完全固结，采用不可压缩渗流方程，认为渗透系数各向同性，稳定渗流水头函数满足如下方程：（4-3）初始边界：边界条件：水头边界：流量边界：式中：——流量边界；q——流量函数；h——水头函数；t——时间；x、y——坐标。将上述方程采用加权残余法进行离散，用有限元法求解。有限元网格尺寸为1.0m，土层渗透系数按各向同性考虑。本次渗流计算程序选用北京理正软件设计研究院编制的《理正岩土系列软件——渗流分析程序》平面有限元法分析大坝渗流，程序功能有：共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计A.可处理各种非匀质土层分布及复杂坝体情况；B.可设置给定水头，给定流量，不透水边界等多种边界条件；C.自动计算浸润线；输出等势线、流线、浸润线各种计算结果曲线等。4.2.2渗透坡降计算渗透坡降计算采用有限元二维渗流方法，土层渗透系数按各向同性考虑。取坝体最大断面进行渗透坡降计算。渗透坡降J计算公式按照达西定律基本公式：（4-4）式中：J——渗透坡降；L——渗透途径长度；△H——上、下游水头差。4.2.3渗流量及渗流水深计算参照《水工设计手册》（水利电力出版社）第三卷结构计算，大坝渗流量及渗流水深采用下列公式计算：①不透水地基均质土坝（4-5）（4-6）②有限透水地基均质土坝（4-7）式中：q──通过坝体及坝基的渗流量；共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计qD──通过坝体的渗流量，按不透水地基上的均质土坝计算；h——坝体渗流量计算中渗流水深；h0——大坝渗流量计算中渗流水深；m3——排水棱体临水侧坡比；T——有限透水地基厚度；H1——上游水深；H2——下游水深；L——渗径；k——坝体渗透系数，取《地质报告》建议值；k0——坝基渗透系数，取《地质报告》建议值均值；m1——上游坡比。4.2.4计算成果图4-1原设计水位坝内流网图共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计图4-2设计水位下游最大比降值图4-3原正常水位流网图共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计图4-4原正常水位下游最大比降处图4-5原大坝降水时流网图共55页第54页n华北水利水电大学继续教育学院毕业设计计算成果统计见表:表4-2大坝现状渗流计算结果统计工况最大渗透比降值允许渗透比降值判别稳定与否结论设计洪水位0.800.67J>J允许不稳定正常蓄水位0.730.67J>J允许稳定水位下降0.520.67J查看更多