庄水库除险加固工程设计报告(改)

庄水库除险加固工程设计报告(改)

济南市长清区张庄水库除险加固工程设计说明书编制单位：济南市水利建筑勘测设计研究院设计证书编号：151147-sy二○○八年四月53n批　　　　准：张　杰审　　　　定：张一新审　　　　查：刘延杰编　　　　写：巩传忠主要参加人员：李晓艳刘　玲张浴涛53n目　　录第一章　设计提要1第二章　基本情况5§2-1工程概况5§2-2水文气象5§2-3　工程地质与水文地质6§2-4工程管理14§2-5大坝建设及运行情况15第三章大坝防洪标准复核16§3-1　概况16§3-2大坝防洪标准复核17§3-3设计洪水推求成果17第四章　安全状况24§4-1大坝24§4-2溢洪道25§4-3放水洞25§4-4工程管理26§4-5　其他26第五章工程设计27§5-1　工程等别和标准27§5-2　基本资料27§5-3　主要工程内容2753n§5-4　大坝除险加固工程28§5-5放水洞工程34§5-6放水洞水力计算36§5-7　溢洪道工程39第六章工程投资预算40§6-1　编制说明40§6-2　主要工程量及设资43第七章　施工组织设计45§7-1　工程概况45§7-2　施工组织45§7-3　施工条件45§7-4　施工导流46§7-5　施工交通47§7-6　主体工程施工47§7-7　施工总进度49第八章经济评价50§8-1投资和费用50§8-2效益50§8-3计算评价51§8-4　国民经济评价结论53附预算53n第一章　设计提要一、建设地点济南市长清区五峰山街道办事处的南部，南大沙河三官庙支流上。二、建设性质除险加固三、设计标准1．建筑物等级：水库为小(1)型，工程等别IV等，主要建筑物级别4级。2．洪水标准：依据国家《防洪标准》GB50201-94规定，本工程防洪标准按五十年一遇设计，五百年一遇洪水校核。四、设计依据1.《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000；2.《防洪标准》GB50201—94；3.《水利水电工程设计洪水计算规范》SL44—93；4.《碾压式土石坝设计规范》SL274—2001；5.《碾压式土石坝施工规范》DL/T5129—2001；6.《溢洪道设计规范》SL253—2000；7.《水工砼施工规范》DL/T5144—2001；8.《水利水电工程施工组织设计规范》(试行)SDT338—89；9.《水库工程管理设计规范》SL106—96；10.《土石坝安全监测技术规范》SL60—94；53n11.《张庄水库大坝安全鉴定评价报告》12．其它国家有关规范、规程五、主要工程内容1．大坝工程：上、下游坡翻压深度0.5～1.0m、原上游干砌块石护坡拆除，新建干砌石上游护坡、坝坡下游草皮护坡、上坝台阶、下游M7.5浆砌石排水沟、坝顶5m宽泥结碎石路面等。2．溢洪道工程：原溢洪道宽为20m,经计算加宽至40m,维持右岸墙不动，向左加宽20m。3．放水洞工程：老放水洞拆除，在原放水洞上新建放水洞。4．新建管理房，防汛路六、工程预算工程总投资365.00万元，其中建筑工程287.65万元，金属结构及安装工程5.28万元，临时工程18.33万元，其他费50.13万元，基本预备费3.61。七、主要工程量1．主要工程量土石方6.00万m3，干砌石3154m3，浆砌石511m3，粗料石129m3，砼及钢筋砼261m3。2．设备0.7×0.7m平面钢闸门1扇，5T螺杆启闭机1台。3．材料及工日钢材12T，工日3.4万个八、主要工程指标53n1．水库主要性能及洪水指标见表1-1。张庄水库主要性能技术指标表表1-1主要指标五十年一遇(P=2%)500年一遇(P=0.2%)最高水位　(m)188.71199.23兴利水位　(m)118.00118.00死水位　　(m)105.0105.0起调水位　(m)118.0118.0总库容　　(万m3)115.6122.9防洪库容　(万m3)14.121.4兴利库容　(万m3)84.584.5死库容　　(万m3)17.017.0洪峰总量　(万m3)46.687.5洪峰流量　(m3/s)94.5133.0最大泄量　(m3/s)66.0101.02．大坝主要工程技术指标见表1-2。大坝工程主要指标表表1-2项　　　目现　　状设　　　计坝型均质土坝均质土坝坝长(m)336336最大坝高(m)20.220.2坝顶宽5.06.3坝顶高程120.2120.2边坡迎水坡1:2.501:2.5~3.0背水坡1:2.0～1:2.51:2.75～1:3.25截渗措施/复合土工膜3．溢洪道主要工程技术指标见表1-3。53n溢洪道工程主要指标表表1-3项　　　目现状设计型式宽顶堰宽顶堰堰顶高程(m)118.0118.0堰顶净宽(m)2040最大泄水量(m3/s)6966m3/s　　　101m3/s2%　　　　　　0.2%4．放水洞主要工程技术指标见表1-4。放水洞工程主要指标表表1-4项　　　目现　　状设　　　计型式浆砌石方涵更换钢筒砼管断面尺寸(m)1.2×1.4φ700进口底高程(m)105.0105.0设计流量(m3/s)11闸门型式铸铁闸门铸铁闸门53n第二章　基本情况§2-1工程概况张庄水库位于五峰山街道办事处的南部，南大沙河三官庙支流上，流域面积3.5km2，总库容122.9万m3。该水库1978年6月动工，于1978年12月建成。水库枢纽由大坝、溢洪道、放水洞组成。大坝为均质土坝，最大坝高20.2m，坝顶高程120.2m，大坝全长336m；溢洪道设在主坝南端，为开敞式。净宽20m，底高程118m，历史最大泄量55m3/s，1991年汛前在溢洪道新开一宽1.8m、深2m的子槽；放水洞设在主坝桩号0+099m处，为浆砌石箱式涵洞，设0.8×0.8m钢闸门,手摇启闭机已失控，闸门后安装φ300闸阀控制放水。水库总库容122.9万m3，兴利库容84.5万m3，死库容17.0万m3。是一座具有防洪、灌溉、养殖等综合利用的小型水库。§2-2水文气象　　一、流域概况流域内山势陡峻，岩石主要为花岗石，有风化，大多山沟为片麻岩，土层较薄，土壤保质状况较差，水流充沛，主河道长2km，平均坡降0.036m/m。该水库区域内四季分明，具有春季干旱多风、夏季炎热多雨、秋季温度雨量适中、晚秋干旱、科季寒冷干燥的特点，属53n暖温带半湿润大陆性气候季风区域，年平均日照时数2334.6小时，多年平均气温14.1℃，极端最高气温40.6℃(1997年6月22日)，极端最低气温-20.5℃(1981年1月26日)，平均无霜期215天，降雨量年平均680mm，最大降水量1114mm(2004年)，最小降水量321mm，降水量年内分配不均，年降雨主要集中在7、8月份，汛期(6～9月)占全年降水量的80%，雨量集中，洪涝灾害威胁严重，年际间变化较大，丰枯年相差悬殊，最大值为最小值的3.47倍。水库防洪效益主要是保护下游的17个村庄、1万人的生命财产、下游7km处的3个企业及104省道的安全。水库灌区设计灌溉面积2.1万亩，实灌面积500亩。库水面进行养鱼和其它综合经营，年产成鱼5000斤~1.2万斤之间，效益不高，有待进一步投入。根据山东省水利厅鲁水管字〔2007〕6号文《山东省小型水库安全状况排查办法》确定为重点小型水库。§2-3　工程地质与水文地质一、地形地貌张庄水库位五峰山街道办事处的南部，南大沙河三官庙支流上，属丘陵河谷地貌。库区南部、东部为基岩出露的丘陵地貌，地形东南高西北低。二、地层岩性区内库区及坝址区基岩地层为泰山群(Ar)，为青灰色～浅红色花岗岩。53n基岩之上多由第四系松散堆积物所覆盖，具体岩性主要为冲洪积成因(Q3al+pl)的壤土(微棕黄色)和(Q4al+pl)的壤土(黄土状土)。库区溢洪道、大坝始端可见出露基岩。三、地震依《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)，本区地震动峰值加速度为0.05g(相应的地震基本烈度为Ⅵ度)。地震动反应谱特征周期为0.45s。四、水文地质区内地下水主要为基岩裂隙水。主要含水层为泰山群花岗岩，花岗岩节理裂隙发育程度的不同，导致含水层富水程度的不均一。钻孔注水试验资料，第①层坝体素填土的渗透系数为1.15×10-5cm/s，属弱透水层；第②层坝基壤土(黄土状)的渗透系数为1.06×10-5cm/s，属弱透水层；第③层坝基壤土(微棕黄色)的渗透系数为3.36×10-5cm/s，属弱透水层；第④层坝基强风化花岗岩的渗透系数为8.16×10-3cm/s，属中等透水层；第⑤层坝基中风化花岗岩的渗透系数为2.59×10-5cm/s，属弱透水层。53n张庄水库坝体、坝基土渗透系数统计表表2-3层号岩土名称室内试验(*10－4cm/s)钻孔注水试验(*10－4cm/s)双环渗水试验(*10－4cm/s)推荐值(cm/s)渗透性分级备注统计项目统计数据平均值试验数据平均值1素填土统计个数140.6590.115坝前坡15.6334.06×10-4中等透水推荐采用室内试验大值平均值最大值6.55012.100最小值0.00511.400大值平均值4.060坝后坡小值平均值0.09023.42壤土统计个数60.0520.106　　1.06×10-5弱透水推荐采用注水试验最大值0.108最小值0.017大值平均值0.107小值平均值0.0253壤土统计个数90.0480.336　　3.36×10-5弱透水推荐采用注水试验最大值0.258最小值0.012大值平均值0.258小值平均值0.0224强风化花岗岩统计个数　　81.600　　8.16×10-3中等透水推荐采用注水试验5中风化花岗岩　　　0.259　　2.59×10-5弱透水推荐采用注水试验依水质分析资料，库水及地下水均属于HCO3-SO4-Ca-Mg型水，对砼无腐蚀性。五、坝体填筑质量依钻探资料，坝体填土：黄褐色～褐黄色，稍湿～饱和，可塑，以壤土为主，含少许砾砂，局部偶见姜石，局部松散，采芯率约40％(见照片)。粘粒(＜0.005mm)含量22.3%，符合规范粘粒含量10%～30%的要求，塑性指数11.8，符合规范塑性指数7～17的要求。依钻孔原状土样试验资料，坝体填土干密度最大值1.73g/cm3，最小值1.54g/cm3，大值平均值1.68g/cm3，小值平均值1.60g/cm3，平均1.64g/cm353n。标准贯入试验最大值11击，最小值4击，大值平均值7.6击，小值平均值6.6击，平均值7.2击。坝体填土渗透系数推荐采用4.06×10-4cm/s，不符合规范小于1×10-4cm/s的要求。依ZKB1-4击实样试验资料，坝体填土的最大干密度1.74g/cm3，最优含水量14.4%。按4级坝压实系数95%的要求，其控制干密度值应为1.653g/cm3，依钻孔原状土样试验资料，坝体填土干密度推荐值1.54g/cm3。压实度为88.5%。若依探坑所测平均干密度1.42g/cm3，则坝体填土的压实度仅为81.6%。坝体土的压实度不满足设计要求；坝体填土在0.95压实条件下土的主要物理力学指标详见《土工试验成果报告表》(ZKB1-4，JS2)。六、坝基工程地质条件(一)坝基地层岩性依钻探资料，坝基在桩号0+000～0+120段清基比较彻底。坝基基岩属泰山群花岗岩，岩石呈浅灰色、浅红色；中风化状态，钻孔注水试验资料推求其渗透系数为2.59×10-6cm/s，属弱透水地层。依钻探资料，坝基在桩号0+120～0+336段，坝基在筑坝前未进行清基。坝基主要地层岩性可分为四层。②层壤土(黄土状土)：褐色～褐黄色，可塑，稍湿～饱和，见少许白色钙质条纹，偶见小姜石。层厚1.4～6.6m不等。平均层厚3.54m，层顶标高110.87～118.68m，平均层顶高程114.14m。壤土层含水量21.4%。干密度1.55g/cm3，饱和度78.1%，孔隙比0.71，塑性指数10.8．液性指数0.23。室内试验渗透系数1.07×10-5cm/s。钻孔注水试验推求渗透系数1.06×10-5cm/s。标贯击数11击。详见《长清张庄水库除险加固主要物理力学指标统计表》(表3-1)。③层53n壤土：微棕黄色，硬塑，湿～饱和，含少许砾砂颗粒，偶见小姜石。层厚1.40～7.70m不等，平均层厚4.46m。层顶标高107.31～116.38m。平均层顶高程110.61m。壤土层含水量20.6%。干密度1.64g/cm3，饱和度85.3%，孔隙比0.66，塑性指数12.5。液性指数0.14。室内试验渗透系数2.6×10-5cm/s。钻孔注水试验推求渗透系数3.36×10-5cm/s。标贯击数12.4击。详见《长清张庄水库除险加固主要物理力学指标统计表》(表3-1)。④层强风化花岗岩：浅灰色，原岩风化强烈，结构、构造已经风化破坏，岩芯呈砂状和碎块状。依钻探过程中采取干钻法获取的原级配颗分资料，小于砂粒粒径(＜0.075mm)的粉粘粒含量自2.2%～12.8%不等。标贯击数83击，钻孔注水试验推求渗透系数8.16×10-3cm/s。属中等透水地层。⑤层中风化花岗岩：坝基基岩地层为泰山群(Ar)，具体岩性主要为浅灰色～浅红色花岗岩。粒状结构，块状构造，主要矿物成份为石英、长石，岩芯多呈碎块状、少许短柱状，裂隙较发育，岩芯采取率70％～90％。注水试验推求其渗透系数为2.59×10-5cm/s，属弱透水层。(二)坝基渗漏量分析依现有勘察资料，大坝0＋000～0＋120坝基地层⑤层为中风化花岗岩；大坝0＋120～0＋336坝基分布地层主要为第②层壤土(黄土状土)、第③层壤土、第④层强风化花岗岩及第⑤层中风化花岗岩。据注水试验资料，②层壤土(黄土状土)的渗透系数采用1.06×10－5。③层壤土的渗透系数为3.36×10-5cm/s。④层强风化花岗岩的渗透系数为8.16×10-3cm/s。⑤层中风化花岗岩的渗透系数为2.59×10-5cm/s，现依⑤53n层坝基中风化花岗岩作为相对不透水地层，计算0＋120～0＋340大坝段的坝基渗漏量。计算公式如下：式中：Q－坝基渗漏量(m3/d)；B—渗漏段长度(m)；H—上下游水头差(m)，上游水位取兴利水位116.2m。下游水位取勘探期坝后地下水位98.9m，H为17.3m；2b－坝底宽(m)，此取120m；K－透水层渗透系数(m/d)，K为7.05m/d(8.16×10-3cm/s)；M1－透水层厚度(m)，M1为0.89m。0＋120～0＋336大坝段渗漏量计算:计算得Q＝194m3/d，即7.1万m3/年。占兴利库容95万m3的7.5%。(三)坝基渗透稳定分析　　坝基属双层结构，依ZK10－6、ZK11－8－9、ZK12－7中的颗分资料，④层强风化花岗岩的平均不均匀系数Cu＝12.253，平均D10＝0.144。而③层壤土的不均匀系数Cu>12，d10<0.002，且D10/d10大于10，因而，坝基下③、④层间可能会发生接触冲刷，对大坝的稳定产生不利影响。七、放水洞地质条件(一)现状存在问题53n放水洞为浆砌石半无压廊道式，施工质量差，曾多次发生基础不均匀沉陷，洞身变形，虽对沉陷部位进行夯实处理，但仍存在安全隐患。(二)地质条件依勘探资料，放水洞下地层可分为二层：①层坝体素填土，层底高程98.39～102.44m。⑤层中风化花岗岩，层顶高程98.39～102.44m。各地层的承载力建议分别采用100KPa、2000KPa。各地层的其它主要物理力学指标详见(表3-1)。(三)工程地质评价依设计文件，放水洞进口底高程105.0m，座于①层坝体素填土及⑤层中风化花岗岩上，两者工程地质性质相差悬殊，因而易出现基础不均匀沉陷，洞身发生变形。放水洞一侧ZK3钻孔在深7.0～12.0m处坝体土异常松散，岩芯采取率仅约30%～40%。依设计文件，该放水洞拟原址重建，洞基础应座于⑤层花岗岩内，以确保洞身的安全。八、天然建筑材料粘性土料场位于库区内库水位以上的高地，现状主要用途是耕作，料场面积约0.3万m2。依台地陡壁观察，深5.0m范围内主要为壤土，去除表层耕土0.5m，可开采土料储量约1.35万m3。依试验资料，料场内壤土，塑性指数平均11.3，满足规范塑性指数7～17的要求；粘粒含量平均13.7%，满足规范10%～30%的要求。依击实试验(ZKT1-2)资料，料场壤土的最大干密度为1.74g/cm353n。最优含水量14.5%。击实后在0.95压实度条件下的抗剪强度：饱和直接快剪Cq＝13KPa，φq＝7.6度，饱和固结快剪CCq＝17KPa，φCq＝12.8度，慢剪Cs＝26KPa，φs＝17.2度。渗透系数为2.31×10-7cm/s。满足规范碾压后渗透系数小于1×10-4cm/s的要求。依《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL251-2000)，料场壤土可用于均质土坝的填筑。但实际施工时，应结合现场最优含水量对现场实际含水量进行调整。料场土现状条件下土的主要物理力学指标详见表6-1。料场土在0.95压实条件下土的主要物理力学指标详见《土工试验报告表》ZKT1-2(JS1)。料场土用于填筑土坝，按95%的压实度要求，其干密度应按1.65g/cm3控制。九、结论及建议1．依《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)。本区地震峰值加速度为0.05g(相应的地震基本烈度为Ⅵ度)。地震动反应谱特征周期为0.45s。2．依钻孔原状样试验资料，坝体填土的有关指标：粘粒含量(＜0.005mm)22.3%，塑性指数11.8，含水量18.9%，干密度1.54g/cm3(探坑方块样平均1.42g/cm3)。推荐渗透系数4.06×10-4cm/s。标准贯入击数平均值7.2击，坝体填土处中等可塑状态。3．依击实试验资料及钻孔原状样试验资料，坝体填土的最大干密度为1.74g/cm3，坝体填土的干密度1.54g/cm3，坝体填土的压实度为88.5%。若以探坑所测坝体填土干密度1.42g/cm3，则坝体压实度为81.6%，不满足设计要求。53n4．主河槽坝段桩号0+000～0+120段坝基清基比较彻底，坝基基岩为中风化花岗岩。0＋120～0＋336段坝基未进行清基，坝基分布②层壤土(黄土状土)、③层壤土、④层强风化花岗岩及⑤层中风化花岗岩。依钻孔注水试验资料，建议渗透系数：坝基内②层壤土(黄土状土)为1.06×10-5cm/s、③层壤土为3.36×10-5cm/s、④层强风化花岗岩为8.16×10-3cm/s、⑤层中风化花岗岩为2.59×10-5cm/s。5．坝基渗漏量在兴利水位118m的条件下，年渗漏量达7.1万m3，占兴利库容95万m3的7.5%。6．坝基下③层壤土、④层强风化花岗岩之间可能发生接触冲刷。7．放水洞地基土为①层坝体填土、⑤层中风化花岗岩。各地层承载力建议分别采用100KPa、2000KPa。因放水洞座于①层坝体填土及⑤层中风化花岗岩上，两者工程地质性质相差悬殊，易产生不均匀沉陷，不利于洞身稳定，建议该放水洞原址重建。将放水洞基础座于⑤层花岗岩内，以利于洞身的稳定。8．粘性土料场主要地层为壤土，可开采储量达22.5万m3，土料质量满足规范要求，可用于均质土坝的填筑。但料场土的含水量应结合最优含水量进行调整，以利于土的压实。§2-4工程管理张庄水库性质属国有，主管单位为长清区水务局。管理单位为长清区五峰山街道办事处，由长清区五峰山街道办事处水利站负责水库的日常管理，管理制度基本健全。53n§2-5大坝建设及运行情况张庄水库于1978年6月份动工建设，1978年12月建成。自1978年建库以来，由于坝体施工质量差，水库高水位运行时主坝仍然出现裂缝，副坝后渗漏造成20亩土地无法耕种。坝后无排水沟，坝坡在雨季出现冲沟，需建排水沟，坝内护坡不完全，主坝溢洪道以上、副坝无护坡。1990年对放水洞进行了改建，由原来的有压浆砌石涵洞和钢筋砼闸门改建为阀门式有压无缝钢管，因原有启闭机及螺杆锈蚀严重，经常出现故障，后进行了改建。2004年放水洞周围发生沉陷。虽对沉陷部位进行夯实处理，但仍存在安全隐患。2006年对溢洪道及副坝护坡进行了维修处理。53n第三章大坝防洪标准复核§3-1　概况水库坝址以上流域地处山东中北部，泰沂山区北部，属华北暖温带半湿润季风区大陆性气候。降水量年内分配不均，暴雨洪水多发生在夏季7～8月份，降水量年际间变化较大。在实测降水量系列中，流域平均最大年降水量1978年为934.1mm，最小年降水量1968年仅为260.5mm，两者相差673.6mm，丰枯比达3.6。降水量的年内分配极不均匀，降水主要集中在汛期6～9月份，多年平均汛期降水量459.0mm，占多年平均降水量602.8mm的76.1%。而主雨期又多集中在7、8两个月，较大洪水也多出现在这两个月份。由于流域面积较小，降雨在面上的分布也比较均匀。据本次绘制的多年平均最大24小时降水量等值线图可以看出，流域内各点多年平均最大24小时降水量在83～93mm之间，其中流域内唯一的雨量站段家店，其多年平均最大24小时降水量93mm，较等值线图法求得的面雨92mm仅差1mm，说明该站对流域面雨具有较好的代表性。在时间分布上，表现出很大的不均匀性。张庄水库年最大24小时降水量的实测最大值为1996年的193.1mm，而实测最小值为1968年的38mm，最大值是最小值的5.08倍。53n§3-2大坝防洪标准复核水库总库容122.9万m3，根据根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》(SL252－2000)，本工程属IV等工程，大坝级别为4级，设计洪水标准50年一遇，校核洪水标准500年一遇。§3-3设计洪水推求成果设计洪水推求采用《山东省小型水库洪水核算办法》进行。一、最大入库洪峰流量Qm的计算1．流域综合特征参数K的确定：根据1：10000的地形图和该水库所在位置的地形情况，得出参数为：流域面积F=3.5km2主河道长度L=2.0km主河道平均坡降J=0.036从辅助图表中查得：F2/5=3.52/5=1.65J1/3=0.0361/3=0.33则流域综合特征参数K=L/J1/3F2/5=3.672．暴雨量H24P的计算：①50年一遇设计暴雨量的计算：根据工程所在地点，查辅助计算图表中的《山东省多年平均24小时暴雨等值线图》得：53n多年平均24小时降雨量H24=93mm：查《山东省最大24小时暴雨变差系数等值线图》得：多年平均最大24小时降雨变差系数CV=0.57采用Cs=3.5CV，查皮尔逊Ⅲ型频率曲线KP值表则：50年一遇时KP=2.66即50年一遇24小时降雨量H24P为：H24P=KPH24=2.66×93=247mm②500年一遇校核暴雨量的计算同①，查皮尔逊Ⅲ型频率曲线KP值表，则：500年一遇时，KP=4.37即500年一遇24小时降雨量H24P为H24P=KPH24=4.37×93=406mm3．单位面积最大洪峰流量qm的计算：该工程流域内山势陡峻，一般在0.036，流域中岩石主要为花岗岩，有风化，土层较薄，土壤保持情况较差，根据该流域的情况，该流域属于山区。根据流域综合特征参数K=3.67，查泰沂山北山区qm-H-K曲线50年一遇24小时降雨量H24P=247mm，则50年一遇时qm=27m3/skm2500年一遇24小时降雨量H24P=406mm，则500年一遇时qm=38m3/skm24．流域最大洪峰流量Qm的计算采用公式Qm=Fqm则53n设计标准50年一遇的最大洪峰流量Qm为Qm=Fqm=3.5×27=94.5m3/s校核标准500年一遇的最大洪峰流量Qm为Qm=Fqm=3.5×38=133m3/s二、洪水总量W和洪水过程线的计算采用公式W=0.1hRF则1．洪水总量W的计算①50年一遇洪水总量W的计算50年一遇的24小时设计暴雨量为H24P=247mm，其中75%为：247×75%=185mm，前期影响雨量Pa=40mm，则P+Pa=185+40=225mm查P+Pa-hR关系曲线得hR=133mm即50年一遇洪水总量W为W=0.1hRF=0.1×133×3.5=46.6万m3②500年一遇洪水总量W的计算：500年一遇的24小时校核暴雨量为H24P=406mm，其中75%为：406×75%=305mm，前期影响雨量Pa=40mm，则P+Pa=305+40=345mm查P+Pa-hR关系曲线得HR=250mm即500年一遇洪水总量W为W=0.1hRF=0.1×250×3.5=87.5万m32．洪水过程线的计算：53n洪水过程线近似为三角形，其最大洪峰Qm出现在tm=1/3T时，则50年一遇洪水历时为:T=W/1800Qm=2.55小时tm=1/3T=0.91小时500年一遇洪水历时为T=W/1800Qm==2.89小时tm=1/3T=1.22小时§3-4调洪计算及坝顶高程的确定一、基本资料该水库溢洪道为开敞无闸式，现状溢洪道宽20m,经水库安全鉴定，现状坝顶高程不满足，经对大坝加高和加宽溢洪道两方案比较，以加宽溢洪道为优，溢流宽度增至40m，溢洪道堰顶为起调水位，根据q泄=1.5BH3/2计算一定水位时相应的泄量q泄，根据该水库的水位、库容关系曲线计算相应水位时的调洪库容V调洪。二、调洪演算调洪演算采用简化三角形图解法。经计算结果如下：①50年一遇设计标准洪水时，溢洪道最大下泄流量qm泄为：qm泄=66m3/s调洪库容V调洪为：V调洪=14.1万m353n总库容V总为：V总=115.6万m3相应设计洪水位为118.71m②500年一遇校核标准洪水时，溢洪道最大下泄流量qm泄为：qm泄=101m3/s调洪库容V调洪为：V调洪=21.4万m3总库容V总为：V总=122.9万m3相应校核洪水位为119.00m.水位～库容～下泄流量关系见下表3-1。水位～库容～泄量关系表表3-1水位(m)库容(万m3)下泄流量(m3/s)118101.50118.5112.321119122.960119.5133110120145170三、坝顶超高坝顶超高包括波浪爬高加安全超高。1．波浪爬高HB的计算采用下式计算：HB=3.2K(2h)tga式中:K—0.77；2h=0.0208V5/4L1/3(m)；V—计算风速,采用多年平均最大风速10m；L—吹程,该水库的吹程为L=0.5km；53na—静水位处坝的坡角,tga=1/2=0.5；则:HB=3.2K(2h)tga；=3.2×0.77×0.0208×100.0/4×0.51/3×0.5；=0.36(m)。2．安全超高值的确定根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》规定，正常运用情况取0.5m，非常情况取0.3m。四、坝顶高程复核50年一遇设计洪水情况下坝顶高程Z设=118.71+0.36+0.5=119.57m500年一遇校核标准情况下的坝顶高程Z校=119.00+0.36+0.3=119.66m现坝顶高程为120.2m，大于复核坝顶高程119.66m，坝顶高程能够满足防洪的需求。§3-5防洪标准复核根据以上计算和分析，张庄水库防洪标准复核结论如下：1．根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL525--2000)，张庄水库工程属IV等工程，按50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。通过本次洪水复核得：50年一遇洪水，最大入库流量94.5m353n/s，溢洪道最大下泄流量为66m3/s，相应最高水位为118.71m。500年一遇洪水，最大入库流量133m3/s，溢洪道最大下泄流量为101m3/s，相应最高水位为119.00m。2．复核坝顶高程为119.66m，实测坝顶高程为120.20m，实测坝顶高程高于复核坝顶。目前坝顶高程满足防洪要求。3．通过本次洪水复核，张庄水库的的坝顶高程仍确定为120.20m。53n第四章　安全状况§4-1大坝1．坝体施工质量差、坝体多次出现裂缝，变形严重,坝体压实度差，致使坝体存在多处隐患。根据地勘资料，依钻孔原状土样试验资料，坝体填土干密度推荐值1.54g/cm3。压实度为88.5%。若依探坑所测平均干密度1.42g/cm3，则坝体填土的压实度仅为81.6%。压实度较低，不满足设计压实度为0.96的要求。说明施工中压实标准控制不严，碾压质量较差。坝体多次出现裂缝，变形严重。2．坝坡护坡质量差，坝坡局部坍塌隆起部位较多。土坝坡表层夯实差，坝前坡干砌石护坡反滤层含土量大，厚度不均，级配不良，不能起到应有的反滤作用。护坡表层石料砌筑质量标准不高，立石、丁石少，平石、顺石较多，致使护坡不稳固。护坡砌石有多处坍陷和隆起现象，局部出现块石错动和挤压现象；坝端两岸风化剥蚀现象突出，干砌石破损严重，块石间杂草众多，流土现象明显。坝后未建排水沟，不能保证坝坡有组织的排水，造成较大的冲沟。下游坝趾排水棱体砌石风化较严重，缺损较多，并伴有挤压错动现象。3．坝顶道路差，大坝无观测设备坝顶现为砂石路面，宽度4.0～5.0m，路面坑洼不平，雨后积水较多，影响水库防汛和安全运行。53n§4-2溢洪道溢洪道设在主坝南端，为开敞式。净宽20m，底高程118m，经调洪验算溢洪道现状不满足泄洪。§4-3放水洞1．放水洞为浆砌石箱式涵洞，始建时洞身四周砌石结构未做防渗处理，砌石质量差，渗漏严重。上游洞身向坝体内渗水；闸室前后伸缩缝也未处理，渗径缩短；洞身四周填土流失严重，形成空洞。2．洞身结构老化，砌石风化严重，洞内砌石勾缝全部脱落，局部填腹砂浆脱落流失，整体性差。3．放水洞启闭设备损坏、启闭失灵、闸门漏水严重，坝后闸阀控制，现闸阀锈蚀严重，存在漏水现象，已严重形象大坝的安全。4．由于施工质量差，曾多次发生基础不均匀沉陷，2004年放水洞周围发生沉陷，洞身变形，虽对沉陷部位进行夯实处理，但仍存在安全隐患。5．放水洞启闭机房由于建设标准低，年久失修，多处出现裂缝，启闭机房已岌岌可危。6．放水洞后无消能设施，危及闸体安全。53n§4-4工程管理管理基础设施差，工程管理水平亟待提高。部分观测设施在大坝多次加高培厚过程中损坏。交通设施落后，管理处与大坝均以土路与附近干道连接，水库无任何公用生产、交通工具，水库通讯设施亦十分落后，仅有一部程控电话和一部无线对讲机。加之水库自运行以来，由于存在严重的渗水现象，蓄水无保障，灌溉面积甚少，因而水费收入极不稳定，且所处地区偏僻，交通闭塞，管理人员素质低，未开展其它经营项目，水库正常管理费用不能得到保证。§4-5　其他水库无防汛路，无沉陷位移观测设施，无管理房。水库大坝高程虽然满足国家《防洪标准》抗御洪水复核坝顶高程，但由于坝体、溢洪道存在较严重安全隐患，不能按设计正常运行，根据山东省水利厅鲁水管字〔2007〕6号文《山东省小型水库安全状况排查办法》确定为重点小型水库，综合各专项安全评价，大坝综合评价为三类坝。53n第五章工程设计§5-1　工程等别和标准工程规模：小(1)型建设性质：除险加固工程等别：IV等主要建筑物级别：4级次要建筑物级别：4级§5-2　基本资料死水位：105.0m　　　　死库容：17.0万m3兴利水位：118.0m　　　兴利库容：84.5万m3设计洪水位：118.71m　　相应库容：115.6万m3校核洪水位：119.00m　　相应库容：122.9万m3§5-3　主要工程内容张庄水库除险加固工程由大坝除险加固、溢洪道改建、放水洞改建等部分组成。大坝除险加固工程包括坝顶、坝前及坝后坡翻压、坝上游坡防渗、上游护坡翻修，新建坝后坡排水工程等。53n溢洪道按500年一遇洪水标准重新复核，溢洪道宽度由现状的20m加宽至40m。放水洞拆除重建，新建放水洞为C25钢筋砼方涵，上游设0.7m×0.7m平板钢闸门，上游新建启闭机房、竖井，下游出口设消力池。§5-4　大坝除险加固工程一、坝顶高程确定现状坝顶高程120.20m，根据防洪调算计算，50年一遇设计洪水位118.71m，加坝顶超高值0.86m后得坝顶高程119.57m；500年一遇校核洪水位119.00m，加坝顶超高值0.66m后得坝顶高程119.66m。现状坝顶最大高程满足防洪要求，确定设计坝顶高程为现状最大坝顶高程120.2m。二、坝体横断面设计1．坝顶宽度确定现状坝顶宽度5.0m，最大坝高20.2m。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)规定，对于中低坝，坝顶宽度可选用5~10m。结合工程现状，本工程坝顶宽选用6.3m。坝顶路面采用泥结碎石结构，宽5.0m。为了排除雨水，路面向下游倾斜，坡度2%，上下游坝肩设0.15×0.5m预制C15砼路缘石。0+030~0+135段上下游坝坡在110.0m高程处设2m宽马道，上游坝坡马道之上坡比为1:2.5，马道之下坡比为1：3，下游坝坡马道之上坡比为1:2.75，马道之下坡比为1:3.25，结合坝坡补土进行整坡。53n在大坝桩号0+050、0+120、0+210、下游坡面设3道浆砌方块石上坝台阶。三、坝体加固现状坝前坡原有干砌石护坡和反滤层拆除，坝前坡、坝顶及坝后坡坝体翻压0.5～1.0m，下游地面清除杂草并整平。上坝土料采用控制干容重下限的方法，设计压实度为96%，根据地勘报告，料场壤土的最大干密度为1.74g/cm3。最优含水量14.5%。根据《碾压式土石坝设计规范》要求，考虑到便于压实，施工期坝坡安全和不致产生大的沉陷变形，粘性土的施工填筑含水率控制在最优含水率的-2%～+3%之间。四、护坡设计1．上游护坡设计原大坝上游护坡干砌乱石护坡，块径小、质量差，且风化、毁坏十分严重，护坡石下反滤层不符合规范要求，为保证大坝安全，设计重做上游护坡。大坝上游采用厚35cm干砌石护坡，向下铺设15cm厚粒径2-4cm碎石垫层。为满足坝体截渗需要，中砂垫层下铺双面复合土工膜一层，膜厚0.5mm，无纺土工布为300g/m2。为增强护坡的稳定性，在坡脚、处设浆砌石防滑齿槽，深10m，宽0.6m。2．下游护坡下游采用草皮护坡。3．坝面排水设计为避免雨水造成下游坝坡冲刷,53n设置坝面排水。排水沟为明沟，浆砌石结构。纵向排水沟设置在坝脚处，其净断面尺寸为0.5×0.3m。坝后坡马道内侧坝脚及坝底坡脚设M7.5浆砌石纵向排水沟，坝后设横向排水沟，断面为矩形。五、防渗工程设计大坝坝体渗漏严重，高水位运行时，有可能出现渗透破坏，为保证大坝安全，对其进行防渗处理。根据类似工程实践经验，拟定两个方案进行比选。方案Ⅰ：坝坡铺设复合土工膜。方案Ⅱ：砼防渗板墙方案。在设计坝轴线上游27m，平行于坝轴线采用液压抓斗施工机械成槽，灌注薄壁砼防渗墙，墙厚0.3m。两方案的经济技术指标见下表。坝体截渗方案比较表表5-1方案项目投资(元/m2)优点缺点方案Ⅰ17.51．结合上游坝坡整治，在护坡下铺设复合土工膜，该方案工程造价低。2．施工工艺简单，进度快。3．省内外有成熟经验和技术。1土工膜强度较低。2．土工膜搭接处易出现问题。方案Ⅱ2801．防渗效果好，能从根本上解决坝体渗漏问题。有效降低浸润线高度。2．不但可以改善坝体防渗能力，还可以加固坝体。3．有效解决了坝基与坝体接触渗漏问题。1．工程造价高。2．施工场地大，需要做导槽，增加制浆系统，工艺相对复杂。3．工期较长。由上表可看出，方案Ⅱ投资远大于方案Ⅰ，故坝体防渗选用复合土工膜，膜厚0.5mm，上下层均为300g/m2的无纺土工布。六、渗流、渗透稳定和大坝稳定计算53n(一)渗流、渗透稳定计算1．筑坝材料及其渗透特性坝体采用复合土工膜防渗，取坝体复合土工膜渗透系数K＝1×10-10cm/s，相当于渗透系数K0＝1×10-7cm/s的粘土厚0.5m，计算时将土工膜视为0.5m厚的粘土。坝体壤土渗透系数为4.1×10-4cm/s，坝基②层壤土渗透系数为1.1×10-5cm/s，坝基③层壤土渗透系数为3.36×10-5cm/s。2．渗流计算边界及计算工况根据勘测资料，本次渗流计算选取0+094断面和0+235断面进行计算。按《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL189-96)规定，应对以下水位组合的工况进行计算：(1)上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；(2)库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。计算时上游水位分别为：50年一遇设计洪水位118.71m；500年一遇校核洪水位119.00m；正常蓄水位118.0m；水位降落情况考虑2.89小时内从校核洪水位119.00m降至正常蓄水位118.00m。下游潜水埋藏较浅，近似取与地面同高。3．计算方法与结论分析采用武汉大学水工渗流计算程序(SEEP，V2.0)，计算如下：53n0+090、0+235断渗透坡降和渗流量计算表(加固后)表5-2计算断面计算工况水位(m)下游坝坡渗流情况下游坝基垂直坡降单宽渗流量(m3/d·m)上游下游0+090校核洪水位119.00100.0渗流稳定0.50设计洪水位118.71100.0渗流稳定0.48正常蓄水位118.00100.0渗流稳定0.420.470+235校核洪水位119.00100.0渗流稳定0.51设计洪水位118.71100.0渗流稳定0.47正常蓄水位118.00100.0渗流稳定0.410.52由上述成果可以看出：0+090、0+235断面在上述工况下，浸润线及下游出逸点明显降低，渗漏量比防渗前明显减少。大坝坝基可能出现的渗透变形型式均为流土，坝基壤土的允许水力坡降分别为0.56。经计算，大坝加固后渗流出逸坡降小于容许渗透坡降，满足渗流稳定要求。(二)大坝稳定分析1．计算情况(1)正常蓄水位118.0m时形成稳定渗流期，下游坝坡稳定计算；(2)校核洪水位119.00m时形成稳定渗流期，下游坝坡稳定计算；因大坝坝体做土工膜防渗后，浸润线较低，不再做水位骤降时稳定计算。2．断面选择：根据大坝地质情况和大坝最危险断面，选用0+090计算。53n3.计算参数取值：坝基各土层物理力学指标及上坝土料的物理力学指标，采用地质勘察报告试验成果建议值，各指标选取见表6-8。　张庄水库大坝稳定分析参数表(加固后)表5-3材料类别直接固结快剪Cq直接慢剪湿容重γ(KN/m3)饱和容重γ(KN/m3)内摩擦角φ(°)凝聚力C(KPa)内摩擦角φ(°)凝聚力C(KPa)坝体壤土10.215.814.725.819.820.6坝基壤土10.816.214.828.019.520.24．计算方法：稳定计算方法拟采用计及条块间作用力的简化毕肖普法。各种工况下，土体的抗剪强度采用有效应力法。5．计算结果经计算，各断面坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求，计算成果见下表。大坝横断面0+090抗滑稳定分析计算成果表表5-4断面坝坡运行工况最小安全系数毕肖普法瑞典圆弧法计算结果规范允许值计算结果规范允许值0+090下游坡正常蓄水位118.00m稳定渗流1.5971.251.4721.15校核洪水位119.00m稳定渗流1.3811.151.2541.060+235下游坡正常蓄水位118.00m稳定渗流1.5411.251.3941.15校核洪水位119.00m稳定渗流1.2961.151.2011.06张庄水库为小(一)型水库，大坝为4级建筑物，采用计及条块作用力的毕肖普法(Bishop)的抗滑稳定安全系数为1.25和1.15；不计条块间作用力的方法即瑞典圆弧法的安全系数，分别为1.15和1.06。53n由稳定计算结果，坝坡抗滑稳定安全系数在正常运用情况下和非常运用情况下均大于规范允许值，因而大坝抗滑稳定是安全的。　§5-5放水洞工程一、放水洞现状现放水洞始建于1978年，为砌石箱涵，由于年久失修，坝体土质疏松，在洞四周拱顶及侧墙形成渗流通道，土层脱空塌落，影响大坝安全。经钻探，放水洞上部，坝前坡两侧，坝后坡两侧内，土层疏松，空洞裂隙分布较多。洞身结构老化，砌石风化严重，洞内砌石勾缝全部脱落，局部填腹砂浆脱落流失，整体性差。放水洞虽经多次处理，但在水库高水位下，下游依然存在冒水现象，形成明流；放水洞启闭设备损坏、启闭失灵、由于闸门漏水严重，1992年在洞内设直径300mm的钢管，坝后闸阀控制，现洞内钢管锈蚀严重，存在漏水现象，该放水洞已严重形象大坝的安全。由于施工质量差，曾多次发生基础不均匀沉陷，2004年放水洞周围发生沉陷，洞身变形，虽对沉陷部位进行夯实处理，但仍存在安全隐患。放水洞启闭机房由于建设标准低，年久失修，多处出现裂缝，启闭机房已岌岌可危。放水洞后无消能设施，危及闸体安全。为消除水库隐患，拆除原放水洞，新建放水洞。原放水洞位于原大坝桩号0＋099处，进口底高程105.0m，出口高程为104.14m。闸前为27m浆砌石箱涵，宽1.0m，洞高1.3m；闸后为66m浆砌石箱涵，宽0.8m，洞高1.3m。53n二、放水洞工程布置1．总体布置本次加固工程将原放水洞全部拆除，在原放水洞位置新建放水洞。由于大坝加固后坝体折角修圆，新建放水洞垂直于坝轴线，位于坝体加固后大坝桩号0+094处。由于此处地基为岩石层，基础较好，经计算通过加大放水洞闸室底板，可满足地基允许应力及不均匀系数要求，加之坝前设砼防渗墙结合坝上游坡铺设复合土工膜防渗后，坝基渗漏量将大大减少，将减少渗水流带走坝基土而产生的渗透破坏的可能，确保放水洞安全。放水洞闸室前采用钢筋砼方涵，长19.8m。闸室采用钢筋砼竖井式闸室，长3.4m。闸后采用钢筋砼方涵，长86m。涵洞出口接原渠道底。2．放水洞闸室上游段放水洞上游进口段底高程105.0m,进口八字型翼墙为M7.5浆砌石挡土墙，挡土墙表面砌M7.5浆砌方块石镶面，M7.5浆砌块石填腹。进口段护底为M7.5浆砌石，厚0.3m。进口段总长5m，进口段护底净宽上游为7.3m,下游为1.7m，进口处设φ10@100拦污栅。后接0.7×0.7mC25钢筋砼方涵，长19.8m，方涵每隔10m设一道分缝，设止水，箱涵之间用1.9×1.9mC25砼套框连接。宽0.5m，涵洞壁厚0.2m。管底设C15砼垫层，厚0.1m。3.放水洞闸室段放水洞闸室段长3.4m，闸底板宽3.0m,墩宽1.15m,墩高2.1m,设控制闸门，C25钢筋砼结构。闸后接C25钢筋砼方涵，净尺寸0.7×0.7m。竖井为圆环形钢筋砼结构，外径DN3.0m,内径2.4m,壁厚0.3m高13m,高程106.4～120.2间。高程120.2m处设启闭机房，机房53n为圆形，外部尺寸为直径2.8m，高6.4m。放水洞启闭机房与坝顶之间设2m宽C25钢筋砼板工作桥，桥长15m，工作桥两侧设钢管栏杆。机房屋顶为绿英瓦屋面，外墙白色方砖装饰。4.放水洞闸室下游段放水洞箱涵与竖井连接处设伸缩节,每隔10m设一道分缝止水，箱涵之间用1.9×1.9mC25砼套框连接。5．放水洞出口段放水洞下游出口段底高程104.14m，设7×2m消力池，高2.5m的M7.5浆砌石挡土墙，挡土墙表面砌M7.5浆砌方块石镶面。池底为M7.5浆砌石，厚0.5m。下游接原输水渠。§5-6放水洞水力计算基本数据：兴利水位118..0，放水洞进口底高程105.0m，放水洞总长86m，出口底高程104.14m。放水洞采用0.7×0.7m钢筋砼方涵。设计流量为0.5m3/s。根据武汉水利电力学院编《水力计算手册》，计算各水位相应的放水洞流量。1．流态判别，放水洞运用时，洞内流态是变化的。当H/a＞1.5时，为有压流；当1.2

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