土石坝除险加固毕业设计.docx
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土石坝除险加固毕业设计
第1章工程概况
八斗洼水库位于信阳市商城县西南部50km的冯店乡九曲河村，坝址处在淮河水系灌河支流九曲河上，是一座集防洪、灌溉为主，结合养殖等综合利用的小
（2）型水库。
流域内为浅山区，植被较好，森林覆盖率较高,水土保持良好。
水库下游有九曲河村，居民0.26万人，因此，水库的地理位置重要。
八斗洼水库于1986年建成，兴建由当地政府负责组织民工进行施工，属于“三边”工程。
据坝体填筑施工人员回忆，在无任何科学依据的前提下，为了抢工程、赶工期，当时调集当地劳动力修筑大坝，高峰期出动民工数百人，土料含水量及干密度大部分来不及检测就上坝。
土体块径大的有20～30cm，填土厚度不一，因碾压设备的限制，有的堆填1m多厚才碾压一次，根本无法满足施工质量要求，坝体填筑质量极差，留下了质量隐患，大坝建成后多次出现坝脚处发生渗漏、集中渗流、坝坡塌陷等险情。
目前水库主要存在的问题：
坝体填筑质量差，心墙高度不满足规范要求，坝体渗透系数不满足要求，坝顶路面坑洼不平，上游坝坡淘刷严重，下游坝坡草皮护坡坡面不平整，下游排水设施不完善，存在白蚁危害，无管理观测设施；溢洪道无控制设施，溢洪道局部宽度较窄；输水洞斜卧管老化、损坏严重。
大坝为心墙砂壳坝，实测坝顶高程298.85～300.81m，坝顶长度75.5m，最大坝高18.7m，坝顶宽2.5m。
粘土心墙高程为295.95m，顶宽2m，上游坡采用干砌石护坡，淘刷严重，下游坡为草皮护坡。
溢洪道位于大坝左侧，为开敞式矩形断面，全长122.2m，进口宽2.5m。
由进口段、控制段、明渠段组成。
现状进口底高程为295.56m，底宽1.9m，两岸边坡1:
1.5，溢洪道底及两岸未护砌。
现状溢洪道最大泄量11.37m3/s。
输水洞位于大坝右侧，斜卧管型式，每台阶长1.20m，宽1.0m，高0.5m，输水洞中部为直径300mm的水泥管，洞身出口为城门洞型式，断面为0.8×0.4m，进口高程290.12m，出口高程为288.84m。
第2章水文
2.1流域概况
八斗洼水库位于信阳市商城县西南部50km的冯店乡九曲河村，坝址处在淮河水系灌河支流九曲河上，是一座集防洪、灌溉为主，结合养殖等综合利用的小
（2）型水库。
水库坝址以上流域面积0.46km2，主河长0.87km，干流平均坡降9.60%。
水库库区为高低起伏的山区地貌，水库岸坡大部分植被良好，森林覆盖率较高。
地形南高北低，水源多系周围群山岗地汇入。
坝址以上地面起伏大，河势陡，水流急。
由于地形及河道特征，每遇汛期洪水陡涨陡落。
水库下游有九曲河村，居民0.26万人，因此，水库的地理位置重要。
2.2气象
水库流域属亚热带季风气候区，兼有暖温带气候特征，气候温和，四季分明，冬春季干燥少雨，夏秋季湿润多雨。
流域内多年平均气温15.5℃，极端最高气温可达39.7℃，极端最低气温－20℃。
该区土壤肥沃，农作物以水稻为主，兼种小麦和其它秋杂经济作物，自然条件得天独厚。
流域内多年平均降雨量1250mm，降雨量分布不均，降雨历时短（约24小时）、强度大，6～9月份降雨较多，常以暴雨形式出现，汛期降水量约占年降水量的60％。
根据《河南省水资源》附图查得水库多年平均水面蒸发量约800mm（E601），流域陆面蒸发量700mm。
2.3水文基本资料
水库坝址以上没有设置任何雨量站、水文测站，水库建成后，也没有设立水库水文站，无法观测水位及出库泄量。
本次除险加固年径流及设计洪水依据2007年河南省水资源编纂委员会编制的《河南省水资源》、1984年河南省水文总站编制的《河南省地表水资源》附图、1984年河南省水利勘测设计院编制的《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》（简称《84图集》）和2005年河南省水文局编制的《河南省暴雨参数图集》（简称《05图集》）计算。
2.4年径流
2.4.1年径流计算
本次采用等值线图法和水文比拟法估算天然年径流。
1）等值线图法
多年平均年径流深R查算《河南省水资源》（2007年）附图。
水库天然年径流量采用下式计算：
式中：
—多年平均年径流量，万m3；
—多年平均年径流深，mm；
—流域面积，km2。
查图得流域面积重心处的多年平均年径流深为610mm，Cv为0.5，Cs/Cv=2.0。
经计算，水库天然年径流为28.06万m3，不同频率设计成果见表2.4-1。
表2.4-1水库设计天然年径流计算成果表单位：
万m3
均值
Cv
Cs/Cv
频率P（%）
10
50
75
90
28.06
0.5
2
46.86
25.82
17.68
12.35
2）水文比拟法
邻近鲇鱼山水库控制流域面积924km2，二者具有相似的下垫面条件，因此选择鲇鱼山水库控制流域作为参证流域。
根据《河南省鲇鱼山水库除险加固工程报告》，鲇鱼山水库多年平均年径流深为643mm。
由此求得水库多年平均径流量W=0.1*643*0.46=29.58万m3。
2.4.2合理性分析
对等值线图法和水文比拟法估算的水库坝址多年平均年径流进行分析，二者相差4.92%，相差不大，同时鲇鱼山水库控制流域内多年平均年降雨量为1300mm，控制流域内多年平均降雨量1250mm＜1300mm，故水库多年平均径流深比鲇鱼山水库小也是合理的。
故采用《河南省水资源》附图资料分析计算的水库坝址年径流成果合理可靠。
2.5设计洪水
水库无实测暴雨及洪水资料，对于小
（2）型水库，本次采用推理公式法推求设计洪水。
采用《84图集》和《05图集》分别计算设计暴雨，推算设计洪水成果，并对两者结果进行对比分析后合理选定。
2.5.1设计暴雨
水库以上流域无短历时暴雨实测资料，设计暴雨推求采用等值线图法。
根据《84图集》和《05图集》分别查算点暴雨和产汇流参数，水库各频率设计面暴雨见表2.5-1和表2.5-2。
表2.5-1水库设计暴雨成果表（84图集）
项目
10分钟
1小时
6小时
24小时
点雨量（mm）
17.5
46.0
85.0
128.0
Cv
0.36
0.43
0.50
0.54
Cs/Cv
3.5
3.5
3.5
3.5
10%面雨量（mm）
26.3
72.2
141.1
218.9
3.33%面雨量（mm）
32.2
91.5
185.3
293.1
0.333%面雨量（mm）
43.5
130.2
275.4
446.7
表2.5-2水库设计暴雨成果表（05图集）
项目
10分钟
1小时
6小时
24小时
点雨量（mm）
16.2
45.0
88.0
140.0
Cv
0.36
0.40
0.45
0.50
Cs/Cv
3.5
3.5
3.5
3.5
10%面雨量（mm）
24.0
68.9
140.8
232.4
3.33%面雨量（mm）
29.3
86.0
179.5
305.2
0.333%面雨量（mm）
39.6
119.7
258.7
453.6
2.5.2设计洪峰流量
洪峰流量采用推理公式按下式计算：
式中：
Qm—设计洪峰流量，m3/s；
ψ—洪峰径流系数；
τ—洪峰汇流时间，h；
μ—平均入渗率，mm/h；
S—设计最大1小时雨量平均强度，即设计频率1小时面雨量，mm；
F—流域面积，km2；
L—坝址以上干流长度，m；
J—干流平均坡降；
n—设计暴雨递减指数；
m—汇流参数。
其中，暴雨参数及产汇流参数的确定方法如下：
1）设计暴雨
按照图集资料，查得水库流域中心不同历时的暴雨参数，水库流域面积小于50km2，设计面雨量直接采用设计点暴雨成果。
2）平均入渗率
由《84图集》中水文分区的划分，水库位于第Ⅰ分区，其平均入渗率为2mm/h~3mm/h，本次为偏安全考虑，平均入渗率采用取值范围的下限值，本次计算采用μ=2mm/h。
3）设计暴雨递减指数
计算设计暴雨递减指数（n）采用公式如下：
式中
—设计各频率10分钟、1、6、24小时点雨量，mm；
—相应
的点面折减系数，F<50km2时，
取1。
4）汇流参数
汇流参数（m）是按《84图集》分区建立的流域参数（
）与汇流参数（m）相关关系进行推求，各流域特征参数按1:
1万地形图量算。
由设计暴雨及确定的产汇流参数，采用试算法计算水库设计洪峰流量，由《84图集》和《05图集》推算的水库设计洪水成果见表2.5-3和表2.5-4。
2.5.3设计洪量
24小时设计洪量采用设计净雨成果，按流域面积计算确定。
24h设计净雨R24由《84图集》山丘区次降雨径流关系P+Pa~R曲线查得，最大初损Imax取50mm，50年一遇以上前期影响雨量等于Imax，20年一遇以下前期影响雨量按Imax的2/3考虑。
24小时设计洪量采用下式计算：
式中：
—24小时设计洪量，万m3；
—24小时净雨深，mm；
—流域面积，km2。
经查算水库的24小时洪量成果见表2.5-3和2.5-4。
2.5-3水库设计洪水成果表（84图集）
频率P
项目
10%
5%
3.33%
0.5%
0.333%
F（km2）
0.46
L（km）
0.87
J
9.6%
m
0.609
μ（mm/h）
2
τ（h）
0.46
0.44
0.43
0.40
0.39
Qm（m3/s）
12.72
15.05
16.37
22.40
23.67
W24（万m3）
7.22
9.22
10.71
16.56
17.71
表2.5-4水库设计洪水成果表（05图集）
频率P
项目
10%
5%
3.33%
0.5%
0.333%
F（km2）
0.46
L（km）
0.87
J
9.6%
m
0.609
μ（mm/h）
2
τ（h）
0.47
0.45
0.44
0.41
0.40
Qm（m3/s）
11.77
13.86
15.00
20.18
21.42
W24（万m3）
7.83
9.80
11.23
16.86
18.00
2.5.4设计洪水成果合理性分析及选用
1）《84图集》和《05图集》成果对比
采用《84图集》和《05图集》计算的设计洪水成果对比见表2.5-5。
可以看出，后者计算的各频率设计洪峰流量小于前者相应计算值，24小时洪量大于前者相应计算值。
分析原因，《05图集》比《84图集》采用的水文实测资料系列延长，时段暴雨参数有所变化，而引起设计洪水的差值。
表2.5-5水库设计洪水成果比较表
频率P
10%
5%
3.33%
0.5%
0.333%
项目
84图集
Qm（m3/s）
12.72
15.05
16.37
22.40
23.67
W24（万m3）
7.22
9.22
10.71
16.56
17.71
05图集
Qm（m3/s）
11.77
13.86
15.00
20.18
21.42
W24（万m3）
7.83
9.80
11.23
16.86
18.00
考虑工程安全性，《84图集》与《05图集》比较结果推荐采用根据《84图集》计算的设计洪水成果。
2）与临近水库设计洪水洪峰模数对比
根据近几年商城县已加固过的水库情况，距水库最近的为大门楼水库，已于2008年进行除险加固。
大门楼水库位于信阳市商城县东南部25km的苏仙石乡秦河村，水库控制流域面积1.5km2，20年一遇设计洪峰流量38.1m3/s、200年一遇设计洪峰流量58.3m3/s；设计洪峰模数分别为25.4m3/s·km2、38.7m3/s·km2；本次初步设计水库相应频率设计洪峰模数分别为32.7m3/s·km2、48.7m3/s·km2。
从计算结果可以看出两个水库的设计洪水洪峰模数基本一致。
3）设计洪水采用成果
通过以上分析，采用本次《84图集》分析计算的设计洪水成果作为水库坝址设计洪水，采用成果见表2.5-6。
表2.5-6水库设计洪水采用成果表
频率P
项目
10%
3.33%
0.333%
Qm（m3/s）
12.72
16.37
23.67
W24（万m3）
7.22
10.71
17.71
2.6施工期设计洪水
流域暴雨洪水主要集中在每年六月～九月，库区及上游山区雨量充沛，降雨历时短（约24小时），强度大，一遇暴雨即成洪水。
根据地区暴雨洪水特点，本工程工期安排在当年12月初至翌年6月底，故需分析计算分期设计洪水，施工期洪水采用5年一遇非汛期洪水。
卧管进口工程施工安排在当年12月份。
本流域无实测水文资料，故参证邻近流域鲇鱼山水库非汛期实测资料，鲇鱼山水库1953～2008年12月份平均流量见表2.6-1。
表2.6-1鲇鱼山水库1953～2008年12月份平均流量表
年
1953
1954
1955
1956
1957
1958
1959
1960
1961
1962
Q（m
/s）
2.44
6.32
0
0.50
4.86
3.15
9.74
3.15
5.31
9.08
年
1963
1964
1965
1966
1967
1968
1969
1970
1971
1972
Q（m
/s）
1.47
1.13
1.70
0.07
6.15
9.46
0.87
3.19
1.18
3.55
年
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
Q（m
/s）
0.30
2.59
3.46
0.75
3.31
0.59
1.94
0.44
2.42
3.4
年
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
Q（m
/s）
0.13
9.86
3.04
2.09
2.13
0.45
4.11
1.12
0
1.22
年
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
Q（m
/s）
2.09
4.03
0.48
0.25
6.36
25.8
5.56
11.72
8.91
8.29
年
2003
2004
2005
2006
2007
2008
Q（m
/s）
5.69
1.76
1.61
0.37
1.02
0.70
经频率计算，得非汛期流量均值Q=3.60m3/s，Cv=1.19，取Cv=1.20，Cs=2.5Cv，5年一遇12月份平均流量Q=5.39m3/s，即鲇鱼山水库12月份洪水总量为1443.66万m3。
将鲇鱼山水库与本水库面积比拟，得本水库5年一遇12月份洪水总量为：
1443.66*0.46/924=0.72万m3。
2.7泥沙
水库无泥沙观测资料，查算1984年《河南省地表水资源》附图，水库悬移质多年平均年输沙模数约100～200t/km2/a，因水库上游树林覆盖良好，水土流失很小，取100t/km2/a。
综合悬移质、推移质泥沙和岸崩三者需要的淤积库容由下式计算：
式中：
V—淤积库容，m3；
T—淤积年限，水库已运行34年，取T=34a；
G—多年平均悬移质输沙量，G=FS0，S0取100t/km2/a；
F—集水面积，0.46km2；
γ—泥沙的容重，一般用1.3t/m3；
E—为推移质和岸崩二者占悬移质泥沙的百分比，一般用15%~30%，本水库位于山区，可用较大数值，取30%。
各参数代入后求得已淤积库容V为0.16万m3，小于原规划死库容2.2万m3。
第3章工程地质
3.1工程地质概况
3.1.1自然地理
八斗洼水库地处亚热带向暖温带过渡区，兼有亚热带和暖温带的气候特征。
年平均气温15.5℃，年平均日照1990小时，无霜期220天，多年平均降水量1250mm，年雨量分布不均，多集中在6～9月。
该区土壤肥沃，农作物以水稻为主，兼种小麦和其它秋杂和经济作物，自然条件优越。
水库下游有九曲河村，居民0.26万人，因此，水库的地理位置重要。
3.1.2地形地貌
水库位于大别山北麓低山丘陵区，山坡自然坡度多在50°～60°，山顶多呈浑圆状，植被覆盖较好。
3.1.3地层岩性
库区地层主要为燕山期花岗岩（γ5）和第四纪地层（Q4）。
（1）花岗岩（γ5）
灰白色、斑状结构、块状构造；矿物成份以正长石、斜长石、石英等浅色矿物为主，含少量角闪石、黑云母等暗色矿物。
岩体内穿插有石英脉，地表出露的岩石多为强风化，主要分布于库区及坝址区。
（2）第四系（Q4）
本区第四系地层不发育，仅分布于冲沟及河谷，此外，山麓坡脚亦有残坡积零星出现。
岩性为重粉质壤土、中粉质壤土、重壤土。
3.1.4地质构造
水库位于秦岭－昆仑纬向复杂构造带之南亚带与新华夏系第二沉降带的交接复合部位。
属于构造稳定性较好区域。
库区内节理裂隙较为发育外，未发现大的断裂及新构造运动的迹象。
根据《中国地震动参数区划图》（GB18306－2001），工程区地震动峰值加速度为0.05g，相当于地震基本烈度Ⅵ度。
3.1.5水文地质条件
库区水文地质条件较为简单，地下水类型主要为广泛分布于山区的基岩裂隙水和分布于沟谷中的孔隙潜水，主要接受大气降水入渗补给，向库区排泄。
两岸地下分水岭分布较高，在两岸山坡高程310m以上均有泉水出露，并沿山谷汇入库中。
3.1.6不良地质现象
通过对库区地质调查，未发现大的滑坡、崩塌等不良地质现象。
3.2坝基工程地质条件及评价
3.2.1坝基工程地质条件
地形地貌：
坝址区为平缓起伏的低山地形，山顶高程310.48～310.11m，两岸头及分水岭均雄厚，冲沟不发育。
河床宽约20～30m，两岸阶地不发育。
不良地质现象：
通过坝址区地质调查，除坝址区花岗岩风化严重外，未发现大的滑坡、崩塌等不良地质现象。
地层岩性：
坝址区地层岩性主要为燕山期花岗岩（γ5）和第四系地层（Q4）。
（1）花岗岩（γ5）
灰白色、斑状结构、块状构造；矿物成份以正长石、斜长石、石英等浅色矿物为主，含少量角闪石、黑云母等暗色矿物，岩体内穿插有石英脉，地表出露的岩石多为强风化，主要分布于大坝坝基及两坝肩。
（2）第四系（Q4）
本区第四系地层不发育，仅分布于冲沟及河谷，此外，山麓坡脚亦有残坡积零星出现，岩性为重粉质壤土、中粉质壤土、重壤土。
地质构造：
坝址区地质构造简单，未见有大的断裂构造，节理裂隙比较发育，多呈闭合状。
坝址区水文地质条件：
坝址区地下水类型为基岩裂隙水，受裂隙发育程度控制，主要接受库水及大气降水入渗补给，消耗于向下游排泄。
水质分析成果表明：
库水水化学类型属“SO4-HCO3-Mg-Ca-Na”型，矿化度M=0.179g/L，为淡水；总硬度115.3mg/L，为极软水；pH值7.3，呈中性；侵蚀性CO2含量为0.00mg/L。
根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录L判定，场区地下水对混凝土无腐蚀性。
3.2.2坝基工程地质条件评价
大坝坝基由左坝肩、河槽段及右坝肩组成。
（1）左坝肩
左坝肩山坡自然坡度30°～40°，岩性为花岗岩，强风化厚度7.1m，岩石破碎，RQD值为0，岩石透水率28.56Lu，中等透水，下部为弱风化花岗岩，RQD值为60%～75%，岩石透水率6.57Lu，弱透水，因强风化花岗岩属中等透水，左坝肩存在绕坝渗漏问题。
（2）右坝肩
右坝肩山坡坡度较陡，山坡自然坡度50°～60°，岩性为花岗岩，强风化厚度4.8m，岩石破碎，RQD值为0，岩石透水率为23.42Lu，为中等透水性，下部为弱风化花岗岩，RQD值为70%～85%，岩石透水率7.59Lu，弱透水，因强风化花岗岩属中等透水，右坝肩存在绕坝渗漏问题，工程地质条件较差。
（3）河槽段
河槽两端直接与山坡接触，坝基河槽宽20～30m。
坝基地层结构为岩体单一结构，岩性为花岗岩，强风化厚度1.6m，岩石破碎，岩芯呈松散状或碎块状，RQD值为0，岩石透水率18.27Lu，下部为弱风化花岗岩，RQD值为75%～80%，岩石透水率5.69～8.54Lu，弱透水，当年施工时，仅对心墙范围内表层强风化花岗岩进行了部分清除，由于施工质量不高，清基不彻底，水库蓄水后，在主河槽下游坡脚部位，有渗水明流，通过对坝体与坝基接触带进行钻孔注水试验，渗透系数为7.43×10-4cm/s，说明坝体与坝基接触部位存在接触渗漏问题。
3.3坝体质量
3.3.1坝体存在的险情
（1）坝体填筑质量较差，土体块径大的有20～30cm，填土厚度不一，因碾压设备的限制，有的堆填1m多厚才碾压一次，根本无法满足施工质量要求。
（2）上游坡采用干砌石护坡，块径小，淘刷严重。
大坝下游坡为草皮护坡，坡面不平整。
（3）下游坡为风化砂代替料，渗透性能不满足规范要求。
3.3.2坝体质量
3.3.2.1心墙质量控制设计指标
该水库大坝为粘土心墙坝，通过对坝体心墙填土取样进行击实试验，最优含水量平均值为17.4%，最大干密度为1.67g/cm3。
根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）粘性土压实度可取0.95～0.97，因此本次坝体质量评价采用压实度0.96、干密度1.60g/cm3进行评价。
3.3.2.2心墙质量检查
坝体心墙填料主要为大坝附近的残积物，岩性较杂，主要为重粉质壤土、其次为中粉质壤土，并夹有风化砂，土质较杂。
根据土工试验，干密度11组，范围值1.54～1.63g/cm3，平均1.59g/cm3，干密度大于1.60g/cm3占36.4%；根据心墙4组现场注水试验，渗透系数K范围值3.95×10-5～7.16×10-5cm/s，平均值5.65×10-5cm/s，8组室内渗透试验K范围值6.49×10-6～5.53×10-5cm/s，平均值3.30×10-5cm/s，通过对河槽段坝体与坝基接触带钻孔注水试验，渗透系数为7.43×10-4cm/s，防渗性能不满足心墙防渗体渗透系数小于1×10-5cm/s的要求。
3.3.2.3坝壳质量控制设计指标
根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96），非粘性土的相对密度不低于0.70，因此坝壳相对密度按0.70进行评价。
3.3.2.4坝壳质量评价
坝壳填料主要为大坝附近山坡上的风化岩块和风化砂，碎石含量1.0%～30.5%，结构中密。
据室内土工试验：
干密度平均值1.65g/cm3，最大值1.68g/cm3，最小值1.63g/cm3；相对密度平均值0.68，最大值0.74，最小值0.64，相对密度大于0.7
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