水库除险加固工程项目可行性研究报告.docx
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水库除险加固工程项目可行性研究报告
水库除险加固工程项目
可行性研究报告
目录
第一章基本情况1
第一节自然概况1
一、地理位置1
二、水文、气候1
三、地质、土壤1
第二节社会经济2
第三节工程概况2
一、工程规模2
二、主要建筑物情况3
第二章可行性研究的主要任务4
第一节工程存在的主要问题4
第二节工程主要任务4
第三章水库防洪复核计算5
第一节基本资料和依据5
第二节防洪复核计算5
第三节防洪复核计算成果及结论8
第四章整险加固设计8
第一节枢纽布置8
第二节大坝横断面尺寸拟定9
第三节大坝防渗10
第四节坝体排水11
第五节大坝稳定计算11
第六节溢洪道设计14
第七节输水剅、启闭机台、工作桥及灌溉渠设计19
第五章施工组织设及计投资估算21
第一节施工组织设计21
第二节主要工程量23
第三节投资估算24
第六章效益分析26
第一节社会效益26
第二节经济效益27
第三节环境效益27
第一章基本情况
第一节自然概况
一、地理位置
某水库原名小猫儿冲水库，地处三岔河流域上游，位于某市城郊窑湾乡某村。
该村东与某县龙泉镇接壤，西与窑湾乡石板村毗邻，南靠大树湾村和东山开发区。
水库坝址距某城区10公里，水库坝顶公路与朝阳公路相连，与城区和东山经济开发区相通，交通十分便利。
二、水文、气候
流域属亚热带季风气候，四季分明，雨量充沛，主溪三岔河长3.5公里。
流域多年平均降雨量1086毫米，年径流总量295.4万立方米，其降雨的特征是暴雨集中，约占全年降雨的70%，多集中在6~9月；年均气温16.9℃，极端最高温度40.4℃，极端最低温度-7.9℃，年有效活动积温5115℃，无霜期278天，平均日照百分率38%。
三、地质、土壤
流域地势东北高，西南低，由东北向西南倾斜，海拔最高点241.4米，最低点68米，相对高差173.7米，地貌类型为丘陵区。
土壤以紫色土为主，成土母质为红砂岩，其岩体松脆，易于风化，矿质养分较丰富，加之水热条件好，生物活动旺盛，土壤质地较好。
适宜的农作物有水稻、油菜、蔬菜等，经济林树种以柑桔为主。
第二节社会经济
流域辖大树湾、某2个村，面积6.8平方公里，总人口2029人，农业劳动力1054个。
现有耕地2670亩，其中水田1590亩，梯平田375亩，坡耕地705亩。
据2000年国民经济统计资料，全流域工农业总产值541万元，其中农业产值306万元，农业人均纯收入2725元。
第三节、工程概况
受某市西陵区窑湾乡水利站委托，某市水利水电规划设计院承担了某水库除险整治加固任务。
2001年三月十八日至二十日用全站仪对水库大坝测绘了1:
200的地形图，对库区测绘了1:
1000的地形图。
假定村委会路口的朝阳公路路面高程为100.00m，1点坐标X=100.000，Y=239.600；2点坐标X=100.000，Y=148.400。
一、工程规模
某水库坝址承雨面积0.56km2，1957年冬由大树湾、某两村共同修建，1958年春建成。
由于某水库没有保存工程资料，根据实测情况和对在当地调查推算得知：
水库坝址河床高程约84m，坝顶高程在91m左右，坝高约7m。
运行期间，对当地农作物的灌溉用水起到了十分重要作用。
为了进一步提高灌溉效益，于1974年对水库大坝进行续建加高。
即在原坝顶高程91m基础上采用迎水面砌筑直立条石（最大块约1.5吨）挡土墙方式，将大坝加高4.5m至现在的95.5m高程，坝顶宽度增加到12m~14m，最大坝高达到11.5m。
溢洪道桥涵宽4.0m，同时对大坝背水坡进行了填土培厚处理。
根据某市水资源调查评价及水利化区划，84年实测水库总库容为10.0万立方米，死库容为0.3万立方米，有效库容9.7万立方米，防洪安全标准：
130mm/h。
按水利水电枢纽工程等级划分及SDJ12—78设计标准，属五等工程小
（二）型水库，主要建筑物为五级。
小
（二）型水库洪水标准：
正常运用洪水重现期为20年，非常运用（土石坝型）洪水重现期为200年。
二、主要建筑物情况
水库枢纽工程主要由大坝、溢洪道和输水管等组成，其平面位置见“水库大坝现状地形图”。
1、大坝
水库大坝系均质土坝，土料为坝址右岸山上的红砂土，坝顶轴线长度从1：
200地形图量得总长为116m，坝顶宽12m~14m，泥结石主路面宽约3.2m，溢洪道两桥涵处路面宽4.0m。
实测水面距坝顶5.78m~6.28m，平均6.0m，即水面高程为89.50m，坝顶高程95.28m~95.78m，坝顶高程平均为95.5m。
上游面高程94.5m至93.5m为斜坡面，93.5m至91.4m为直立浆砌条石挡土墙，高程91.4m~90.5m为两阶浆砌条石大方脚，90.5m以下约为1:
3干砌石护坡镇脚。
下游坝坡平均坡率为1:
2，坡脚高程85.3m，整个坡面长满杂草，坡脚紧邻两处鱼池，两坝肩部分种植柑桔。
2、溢洪道
溢洪道位于大坝左岸，型式为开敞式，底板没有护砌，堰顶高程约为94.1m。
建设初期为宽3.2m的单孔浆砌拱涵（拱矢高1.6m，拱圈厚1.0m），后来扩建成两孔拱涵，使溢洪道过水净宽达到6.2m。
溢洪道出口两侧挡水墙干砌处理长度10m，陡坡段泄槽基本利用岸坡地形未作工程处理，没有设置消能设施，行洪沟为土渠，断面小且不规则，土渠两侧均种植了柑桔。
3、输水管
输水、放空管位于大坝右岸、左岸各一处，右岸输水管为低剅，取水型式为斜坡笛管式，为砼方形断面（50×50cm），最低取水高程约为86.5m，出水口高程为85.5m，渠首高程为86.1m，为淹没出流。
灌溉引水渠渠床大多为土渠，部分为石渠，均未采取衬砌措施；左岸设有一处高剅，剅口高程为93.0m左右，为φ200mm的砼圆管，用于控制水库蓄水位，两处均未设启闭设备。
第二章可行性研究的主要任务
第一节工程存在的主要问题
某水库1974年续建加高至今，最高库水位距溢洪道堰顶50cm左右，从未到达溢洪道堰顶高程，即溢洪道从未使用过。
最近7~8年以来，蓄水位一直维持在91m左右，距离溢洪道堰顶高程94.1m差3m。
据某村委会介绍，该水库半库运行的主要原因是蓄水位抬高后大坝背水坡出现严重的散浸现象，不敢蓄水；再加上迎水面条石砌筑的直立堡坎受风浪掏刷严重，最大掏深达1.2m，后将淘刷部位进行了临时处理，随着蓄水位抬高会随时出现内堤坍塌，危及大坝安全。
另外，溢洪道堰顶后段陡坡泄槽和消力池均未采取工程措施，行洪沟断面不足且不畅通，不能满足泄洪要求，因此要限制蓄水；输水剅管破损造成水库漏水，且启闭不灵，不仅给管理带来不便，而且危及工程安全，严重影响工程效益。
第二节整治主要任务
针对工程存在的主要问题，根据业主的要求，此次某水库除险整治加固设计的主要任务是：
1、大坝迎水面防渗处理；2、坝面外形整治；3、坝体排水设备设置；4、输水剅管更换、修建启闭机房和交通桥；5、溢洪道和陡坡段泄槽及消能设计；6、右岸灌溉渠和左岸行洪渠改造设计。
第三章水库防洪复核计算
某水库属小
（二）型水库，五级建筑物，水库洪水标准：
正常运用洪水重现期为20年（即设计洪水频率P=5%），非常运用（土石坝型）洪水重现期为200年（即校核洪水频率P=0.5%）。
第一节、基本资料和依据
一、坝址承雨面积F=0.56km2
设计风力为6级，风速V=12.3m/s
校核风力为5级，风速V=9.35m/s
二、流域类型判别
1、流域分类：
J=H/L
式中：
H——坝址河床与分水岭的高差
L——坝址河床到分水岭的距离
从1：
5000地形图上量得：
H=236.0－121.1=114.9m，L=1400m
J=H/L=114.9/1400=0.082=8.2%=5~15%，属山丘区。
2、流域形状分类：
f=
f=
=
=0.28，属一般。
流域类型属五级标准的第三种——山丘区一般。
第二节防洪复核计算
由暴雨资料推求洪峰流量
采用原“湖北省某地区行政公署水利电力局文件，宜署水电（85）63号《关于水库防洪复核计算中若干具体问题的通知》，对我区小流域大多无实测水文资料建议：
小型水库采用经验公式计算。
一、按小流域洪峰流量经验公式计算
Qm=KHtβ
式中：
Qm——洪峰流量m3/s
Ht——造峰暴雨，为造峰历时t内的相应于洪水标准
的暴雨量mm
K——随流域面积大小与地形变化的综合系数
β——造峰暴雨指数
1、计算造峰雨量Ht
Ht=HF24×
×
式中：
HF24——面雨量
n——暴雨递减指数。
除远安用0.7外其他各县均用0.65
d——暴雨参数。
一律采用0.2
t——造峰历时。
采用山区扇形：
t=0.35F0.52=0.35×0.560.52=0.26
采用丘区长形：
t=0.5F0.52=0.5×0.560.52=0.37
采用山丘区一般：
内插t=0.33
2、计算综合系数K
采用山区扇形：
K=0.026F0.75=0.026×0.560.76=0.0167
采用丘区长形：
K=0.024F0.73=0.024×0.560.73=0.0157
采用山丘区一般：
内插K=0.0163
3、计算造峰暴雨指数β
采用山区扇形β=1.63×（F+0.5）－0.036=1.63×（0.56+0.5）－0.036=1.63
采用丘区长形β=1.55×（F+0.5）－0.034=1.55×（0.56+0.5）－0.034=1.54
采用山丘区一般：
内插β=1.59
4、暴雨点面系数α24
α24=（1+b×F）-a式中：
F——承雨面积（km2）
a、b为常数，某市水文分区属第Ⅷ区
a=0.168b=0.0054
α24=（1+0.0054×0.56）-0.168=0.999=1
面雨量HF24=α24H24=H24
查湖北省《水文手册》“最大24小时点暴雨重现期表”：
某站20年重现期最大降水量为229.6mm，200年重现期最大降水量为386.1mm。
P=5%情况：
Ht=HF24×
×
=229.6×
×
=37.8
Qm=KHtβ=0.0163×37.81.59=5.26m3/s
P=0.5%情况：
Ht=HF24×
×
=386.1×
×
=63.6
Qm=KHtβ=0.0163×63.61.59=12.01m3/s
二、按小
（二）型水库的洪水复核标准计算
考虑到我区已出现过时暴雨120mm的实际情况，仍按过去复核标准，即一小时暴雨120~140mm，一小时泄完，其径流系数取1.0，水库上游来多少，溢洪道泄多少，作为非常运用标准，并考虑安全超高，其洪峰流量Qm公式：
Qm=0.278×（120~140）×F式中：
F为承雨面积（km2）
某站一小时暴雨130mm代入：
Qm=0.278×130×F=0.278×130×0.56=20.24m3/s
三、防洪复核计算成果及结论
根据上述两种经验公式计算的洪峰流量Qm比较后得出：
非常运用标准采用“小
（二）型水库的洪水复核标准”值（即Qm=20.24m3/s），正常运用标准采用“按小流域洪峰流量经验公式计算”值（即Qm=5.26m3/s）。
确定坝顶高程后用非常运用标准的洪峰流量Qm=20.24m3/s计算溢洪道宽顶堰高程，以确保大坝安全。
用正常运用标准的洪峰流量Qm=5.26m3/s计算溢洪道行洪沟的断面尺寸。
第四章整险加固设计
第一节枢纽布置
如前所述，某水库工程大坝上游边坡存在不稳定隐患，下游边坡散浸严重，需对大坝进行坝坡调整和防渗排水处理；坝坡调整时在满足坝体稳定的前提下要考虑以下三方面：
一是应尽量少占下游鱼池，二是减少挖填方量，三是上游坡脚不宜向水中伸入太多，以利施工。
根据上述原则，通过比较，将原坝轴线向下游平移4.4m。
新坝轴线由点KD1（X=101.410，Y=228.860）和点KD2（X=103.840，Y=114.940）控制，轴线长133.942m。
溢洪道改造为开敞式正堰，溢流堰轴线与坝轴线正交，交点坐标为JD1（X=101.600，Y=222.700），经陡坡段和消能池与排洪沟相连。
为满足右岸交通要求，在溢流堰顶设置钢筋混凝土双T形梁结构的公路桥。
输水管为坝下涵管，考虑到原输水管放水设施落后，启闭不便，为防止因涵管漏水而影响大坝安全及操作运行方便，此次设计将原高剅和低剅封堵，并在原低剅右侧1m处布置新的输水管线，管线轴线与坝轴线正交，交点坐标为JD2（X=103.010，Y=154.410）。
输水管由闸门控制，通过工作桥在闸室内进行启闭，输水管出口在下游KD4（X=69.350，Y=152.720）处与渠道相连。
考虑到水库的运行管理，利用大坝上游坝坡取土回填的机会，在库内右岸修建水库管理用房100m2，高程96.0m，距坝轴线80m。
第二节大坝横断面尺寸拟定
大坝横断面尺寸应满足坝体稳定要求，对一级均质坝，碾压容重为1.7~1.8t，取上游坝坡1:
2.0~1:
2.5，下游坝坡1:
2.0。
某水库大坝最大坝高11.5m，为一级均质坝，加固设计确定上游坝坡为1:
2.25，下游坝坡1:
2.0。
上游采用10cm厚C15砼预制块护坡，下铺20cm厚砂垫层；下游坝壳用草皮护坡，草皮应选择爬地矮草，也可采用植草护坡，在坝坡上先铺腐植土，加肥料后再撒草籽。
确定坝顶高程时，考虑现状坝顶左岸高，右岸低，并结合溢洪道公路桥的布置和坝顶公路与朝阳公路的平顺连接，将坝顶高程划分为四段：
溢洪道处坝顶公路桥面高程为96.5m，桩号为0+000（KD1点）——0+010，路面纵坡i=0；0+010——0+040段坝顶公路面高程从96.5m渐变到94.7m坝顶高程，路面纵坡i=2.7%；0+040——0+133.94段坝顶公路面高程为94.7m；现状坝顶公路到左坝头朝阳公路由于纵坡太大需进行改线，在KD1与KD3（X=77.220，Y=257.700，高程97.0m）处作圆弧相连。
转角
=75°，圆弧半径R=30m，圆弧长39.3m，圆弧段路面纵坡i=1.3%。
圆心点坐标为X=228.300，Y=71.200，折线交点JD3坐标为X=100.700，Y=252.100。
坝顶宽度按构造对中低坝选用5~10m，确定坝顶宽度为6m，其中坝顶公路宽4.5m。
在坝顶上游侧设90cm高的防浪墙，防浪墙可防止浪花溅到坝顶并保障行人安全，用钢筋混凝土修建。
坝顶路面浇筑15cm厚C20砼，下铺10cm厚碎石垫层，路面向下游侧倾斜2~3%的坡度，以便排除雨水，下游侧埋设混凝土边石。
考虑从下游背坡到鱼池、排洪沟和灌溉渠的交通要求，在下游背坡中部设置宽200cm的踏步，沿大坝横断面顺踏步设置排水沟，将坝面雨水汇入下游坡脚纵向排水沟，最后排入灌溉引水渠。
踏步和排水沟用浆砌石砌筑，用水泥砂浆抹面。
第三节大坝防渗
防渗方案：
土坝防渗的目的一是减少坝体渗漏量，二是降低下游坝坡浸润线高度，保持大坝渗流水出流稳定。
根据本坝坝型及渗漏情况可考虑三种防渗方案。
1、水泥浆或水泥粘土浆灌浆：
这一方案由于坝体填筑材料的D15和渗透系数K未取样做物理力学试验，因此它的可灌性和灌浆材料也无法确定。
但从我市堤防堤身灌浆的实践看，结合本坝实际，采用水泥粘土浆灌浆应该是可能的，灌浆时可采用单排孔，孔距1—2m，总进尺大约1100m。
2、砼刚性防渗墙：
在坝顶上游侧向下挖一深槽，成型槽底宽1.0m，然后浇筑厚1.0m、S4、C10砼，该方案需砼1500m3左右。
3、土工膜防渗：
按照设计横断面预留出上游护坡（约10cm）和砂垫层厚度（20cm）后，将上游坝坡按1:
2.25削坡修整，然后铺设一布一膜土工布。
其上铺20cm厚粗中砂，表面为10cm厚C15预制砼块护坡，该方案需土工布3500m2。
方案比较：
上述三个方案中，方案二所需砼方量较大，投资大，且深槽开挖对坝体损伤大，不可取；方案一按其总进尺，投资最少，但由于缺乏试验资料，可灌性和灌浆材料难以确定；方案三即土工膜防渗，其防渗可靠，施工技术成熟、简单，缺点是投资高于第一方案。
根据上述各方案优缺点比较，本阶段推荐第三方案即土工膜防渗方案。
采用土工膜防渗防渗在施工中应注意以下问题：
土工膜的物理力学指标必须符合设计要求；在上游坝坡中部应设一道防滑槽，槽的截面尺寸为50×50cm；土工膜的上部铺至校核洪水位以上，下部和两岸应铺设至基岩或粘土层；要保证土工膜的搭接长度和焊接质量。
第四节坝体排水
排水设备应设置在坝的下游部靠近坝体和坝基相接的地方。
排水设备应在任何时候都具有充分的排水能力，以保证排走全部渗水。
表面式排水设备的用途是防止在渗流逸出表面时发生流土，同时还起着保护坝坡的作用。
本坝采用土工膜防渗效果较好，坝体排水采用表面式排水设备。
因为表面式排水设备是最简单的排水设备，尤其是当缺乏足够数量的石料时更为适宜。
表面式排水设备易于观察和检修，当坝体中浸润线位置不高，没有必要降低下游坝体中的浸润线时，应采用这种排水设备。
为了防止下游坝坡雨水冲刷而形成雨淋沟，应设置纵横排水沟，汇集径流，排到坝脚。
顺着踏步在坝坡的横向设置两条排水沟，与纵向排水沟连接。
沿着坝坡与岸坡的连接线，必须设置排水沟，沟的最小宽度不应小于30cm，以利清淤。
第五节大坝稳定计算
一、稳定计算的目的
稳定计算的目的是保证坝体在自重、各种情况的空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地基的整体剪切破坏。
由于土坝体积很大，没有倾复的问题，也没有受水压力、浪压力而发生滑动的问题，因此不必对这些作用力加以计算。
但是渗透压力能降低坝坡的稳定性。
土坝中的渗透压力主要有以下两种渗透形式：
在正常运行情况下，当渗流自上游流向下游时所产生的稳定渗流；当水库水位下降时，上游坝体产生不稳定渗流，坝体孔隙中所含的水自坡面上流出，同时坝体中水位随着逐渐下降。
某水库大坝为均质坝，本次除险加固上游面坡率为1：
2.25，迎水面采用一布一膜土工布防渗处理，坝体浸润线位置低，加上水库消落水位小，因此稳定计算只复核在正常运行情况的稳定渗流所产生渗透压力下的坝坡抗滑稳定最小安全系数，以此复核确定的下游坝坡是否满足要求。
二、计算坝体浸润线
虽然迎水面采用一布一膜土工布防渗处理后坝体浸润线位置低，但是在计算坝体浸润线时，不考虑土工布的作用，按在不透水地基上土坝渗流水力学解法中的均质坝下游无排水设备情况进行复核。
1、基本资料
设计溢洪道堰顶高程为94.0m，正常水位94.0m，河床高程约为84.0m，上游坡率m1=2.25，下游坡率m2=2.0。
2、坝体浸润线确定
一个下游无水也无排水设备的均质土坝由于上游三角形坝体的阻渗作用，使浸润线进入坝体的一段向上游弯曲，见下图。
上游正常水位到河床高差H=94.0－84.0=10.0m
土坝的渗径
=（95.7－94.0）×2.25+6.0+（95.7－84.0）×2.0=33.225m
查β值表：
=
=3.32m1=2.25得β=0.244
向上游弯曲长度
=βH=0.244×10.0=2.44m
L=
+
=33.225+2.44=35.67m
查表确定浸润线在下游坝坡的出逸点高度
：
m2=2.0，
=3.567，得
=0.473，
=4.73m
按达塞定律q=kJA，则单位坝长的渗流量为：
=
坝体内浸润线各点的高度
，根据该点与出逸点的水平距离x由下式算得：
浸润线如下图所示
三、稳定计算结果
稳定计算采用水电部天津勘测设计院编制的“K—1土石坝边坡稳定分析程序”，程序在计算方法方面采用了瑞典条分法和考虑土条水平侧向力的简化毕肖甫法。
程序适用于均质坝、心（斜）墙坝和土石混合坝的坝坡稳定计算。
采用混合法连续计算方式，即计算一个指定的滑弧，就是先用网格法以给定滑弧圆心为中心，以大步长向四周布设49个点逐一计算，找出安全系数最小的点，转入优选法计算，向最小安全系数逼近，找出该滑弧深度的最小安全系数。
按程序建立坐标系、节点编号、线条编号、编区域号，将原始数据编写数据文件输入程序进行计算，结果如下：
见浸润线图，最危险滑弧的滑弧深度Dp=13.80m，最危险滑弧的圆心坐标X0=15.90m，Y0=-10.30m，最大滑弧深度的最小安全系数为A1=1.285大于规范允许的最小安全系数K=1.05，满足要求，下游坝坡设计合理。
第六节溢洪道设计
本次改造设计仍采用河岸式溢洪道，由进口段、陡坡段和出口消能段组成。
一、宽顶堰设计
现状溢洪道进口段两桥涵拱脚之间宽8.2m，拱涵净宽6.2m，溢洪道进口段底板距涵洞拱顶2.6m（拱矢高1.6m，拱圈厚1.0m），底板未做衬砌处理。
1、堰顶高程确定
设计进口段采用宽顶堰型，过堰流量采用Qm=20.24m3/s，以此计算过堰流量所对应的堰上水头。
Q=
式中：
ε—侧收缩系数
m—流量系数
b—溢流前缘长度
H0—堰上水头，水库流速水头取为0
取P/H≥3时，m=0.36
不同长度的堰顶溢流前缘所对应的堰顶水头如下：
溢流前缘长度
Q=5.26m3/s
Q=20.24m3/s
b=8.0m
H0=0.554m
H0=1.361m
b=7.0m
H0=0.606m
H0=1.488m
b=6.0m
H0=0.671m
H0=1.649m
b=5.0m
H0=0.758m
H0=1.862m
非溢流坝顶安全超高下限值按以下标准确定：
正常（设计洪峰流量）情况：
△h=0.5m
非常（校核洪峰流量）情况：
△h=0.3m
根据上述计算可以得出：
溢洪道结构形式应由双孔拱涵改为单孔箱形涵，上部为双梁式钢筋混凝土结构公路桥，公路桥截面高拟定为
，此次设计以溢洪道顶部过坝公路桥面高程96.5m（溢洪道以右坝顶路面高程为95.7m）来控制宽顶堰顶部高程。
不同长度堰顶溢流前缘所对应的宽顶堰顶部高程如下：
溢流前缘长度
公路桥
截面高
桥高+安全超高
宽顶堰顶部高程上限
b=8.0m
0.8m
1.1m
94.039m
b=7.0m
0.7m
1.0m
94.012m
b=6.0m
0.6m
0.9m
93.951m
b=5.0m
0.5m
0.8m
93.838m
现状溢洪道进口段堰顶高程为94.1m，从上述表中比较后看出，当溢流前缘长度b=8.0m，堰顶高程为94.039m时，公路桥面高程为96.5m
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