浏阳市榨叶冲水库除险加固工程设计-毕业设计

'湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计浏阳市榨叶冲水库除险加固工程设计ENGINEERINGDESIGNOFDANGEROUSELIMINATINGANDPROTECTIONREINFORCINGFORLIUYANGZHAYECHONGRESERVOIT学生姓名：学　　号：年级专业及班级：2013级水利水电工程（1）班指导老师及职称：学　　部：理工学部湖南·长沙提交日期：2017年5月 目录摘要1关键词11前言12工程概况12.1水库运行情况22.2存在的主要问题22.3工程等别和防洪标准32.4工程地质32.4.1工程区地质概况32.4.2坝体填筑土与坝基岩土工程地质质量评价42.5其它建筑物区工程地质条件评价53水文计算53.1流域53.2气象特征53.3水文资料53.4设计暴雨53.5设计洪水73.6调洪演算113.6.1调洪演算的基本原则113.6.2防洪标准113.6.3调洪演算的基本方程143.7水库抗洪能力的复核173.7.1水库大坝顶部高程复核173.7.2溢洪道控制段顶部高程复核204除险加固工程设计20 4.1加固工程的主要项目及内容204.2设计依据214.3挡水建筑物（大坝）加固214.4泄水建筑物加固设计324.5引水渠改造设计404.6水文观测设施设计404.6.1水位观测404.6.2观测设施配置及工程量405结论40参考文献41致谢42附录42 浏阳市榨叶冲水库除险加固工程设计摘要：榨叶冲水库位于浏阳市永安镇建新村，属湘江水系，距市区47.0km，交通较便利，是一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合效益的小（2）型水利工程。本次设计主要包括：工程概况、水文计算、除险加固工程设计。此次设计主要为解决水库存在的安全隐患，保证水库周围人民生命财产安全，为周边居民创造更大的效益。关键词：水文；工程地质；除险加固EngineeringDesignofDangerousEliminatingandProtectionEeinforcingforLiuyangZhayechongReserviorStudent:LiYaQiTutor:WangHui(OrientScience&TechnologyCollegeofHunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China)Abstract:ZhaYeChongreservoirislocatedinLiuyangcityYonganTownVillage,isXiangjiangRiver,awayfromdowntown47.0km,moreconvenienttransportation,isamainlyforirrigation,floodcontrol,aquacultureandothercomprehensivebenefitsofsmall(2)typewaterconservancyproject.Thedesignincludes:projectoverview,hydrologicalcalculation,engineeringdesignofreinforcement.Thedesignismainlytosolvethesafetyproblemsexistingreservoir,ensurethereservoiraroundpeople"slifeandpropertysafety,createmorebenefitsforthesurroundingKeywords:hydrology；engineeringgeology；Reinforcement1前言榨叶冲水库位于浏阳市永安镇建新村，属湘江水系，距市区47.0km，交通较便利。修建于1957年，主要由大坝、溢洪道、输水建筑物等部分组成，是一座以灌溉为主，防洪、养殖为辅小型水库。因年代久远，加上当时的施工质量和建筑材料差，现在水库出现了很多安全隐患：大坝上游混凝土护坡破损、沉陷严重；大坝下游杂草丛生，出现局部变形，21 坝面无排水设施。无贴坡排水。坝顶宽度、高度都不满足规范要求，坝体单薄，坝体、坝肩漏水很严重。输水涵放水涵管老化、渗漏老化失修，卧管混凝土脱落、剥蚀严重，存在明显渗水现象。溢洪道泄洪断面不足；底板和边墙溢混凝土护砌，施工质量较差。出口无消能设施，冲刷下游农田。严重的影响了大坝的各项综合性能。大坝一旦失事，将会严重危害到下游人民的生命财产安全。此次设计根据当地的水文气象条件，工程地质概况等因素来针对大坝出现的各个问题进行整改，从而保证大坝的经济效益以及安全性能能够达到标准，为水库流域内的人民创造更好的生活条件。2工程概况2.1水库运行情况榨叶冲水库兴建于1957年。因当时施工采用大兵团作战，主要以人力为主，施工质量差，建筑材料差。经过多年运行，目前水库存在很多隐患：大坝上游砼护坡破损、沉陷严重；下游坝坡杂草丛生，存在局部变形，无坝面排水设施。无贴坡排水。坝顶宽度、高度均不满足规范要求，坝体单薄，坝体、坝肩漏水严重。输水涵放水涵管老化、渗漏老化失修，卧管砼脱落、剥蚀严重，有明显渗水现象。溢洪道泄洪断面不足；底板和边墙溢混凝土护砌，施工质量较差。出口无消能设施，冲刷下游农田。由于水库上游存在较多当地居民分布，洪水淹没造成了当地较大矛盾，近几年当地水管部门对大坝上游坡进行了护砌，并对溢洪道控制段和泄槽局部拓宽挖深，形成了现状溢洪道的矩形断面。2.2存在的主要问题榨叶冲水库于1958年5月建成并投入运行并蓄水至今。通过现场观察、工程勘探和加固设计调查分析，目前存在如下主要病险问题：(1)大坝上游砼护坡破损、沉陷严重；下游坝坡杂草丛生，存在局部变形，无坝面排水设施。无贴坡排水。坝顶宽度、高度均不满足规范要求，坝体单薄，坝体、坝肩漏水严重。（2）输水涵管输水系统：放水涵管老化、渗漏老化失修，卧管砼脱落、剥蚀严重，有明显渗水现象。（3）溢洪道泄洪断面不足；底板和边墙溢混凝土护砌，施工质量较差。出口无消能设施，冲刷下游农田。（4）无观测设施，无防汛仓库及管理用房，大坝部分坝坡有白蚁。21 榨叶冲水库存在上述的问题的原因主要有如下几个方面：（1）设计因素由于上世纪五六十年代水利设计规范不全，设计人员设计时大多凭经验或参照类似工程，加上地质勘探工作不详细，造成设计时，对建基面清基、坝体填筑土料的设计要求未到位，坝体的填筑材料要求不高，致使填筑材料、砼质量及相应的建筑材料均不符合现行的规范标准。（2）施工因素水库修建时正处于“大跃进”时期，在当时大干快上的大气侯条件下，水库是在“边设计，边施工”的条件下进行的，采用“大兵团”的填筑方式进行施工，缺少必要的施工设备，施工技术力量薄弱，碾压密实难以到位，造成很多的工程质量隐患。（3）管理因素榨叶冲水库属小（2）型水库，但限于当时的资金原因，同时因年久，其上坝公路未予修通。管理水库大坝由当地水管站委托大坝附近村民进行管理，其管理水平很低，同时由于管理维护资金的困难，水库运行中出现的问题，都难以得到及时的处理。2.3工程等别和防洪标准榨叶冲水库原总库容13.36万m3，根据国家《防洪标准》（GB50201-94）及《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）规定，该水库为小（2）型水库，属Ⅴ等工程，主要建筑物级别为5级，次要建筑物级别为5级。其设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为200年一遇，溢洪道消能防冲标准为10年一遇。2.4工程地质2.4.1工程区地质概况工程区位于浏阳市永安镇建新村，属丘陵地貌单元。山体呈近东西向分布，山脊较宽，两岸地形呈较对称的“U”型谷。两岸地形坡度较平缓，坡角15°～20°，山顶高程79.98~85.17m，沟底高程64.38~66.01m，属侵蚀构造地貌。勘测期间库水位66.92m。两岸山坡植被覆盖率较好。大坝为均质土坝结构，坝顶高程74.00m，最大坝高8.8m，坝顶宽5.9m，坝顶轴线长145.0m，上、下游坝均为一级坡，上游坝坡坡比为1:1.745、1:2.976，下游坝坡坡比为1:1.658、1:2.677。上游坡面四方块护坡、下游坡面未护坡，杂草丛生。坝区地层岩性较简单，由老至新分述如下：21 （1）白垩系戴家坪组（K2d2）第二段：紫红色中厚层状泥质砂岩，单层厚10~25cm。强风化带厚度2.2~3.5m，强风化后呈红色，岩石风化节理裂隙发育，岩石较破碎，完整性较差，钻孔取样呈碎块状。为场地下覆基岩。第四系：（2）残坡积堆积物（Qedl）：以红色粘土为主，孔隙率高，结构较松散，厚度3.5~4.2m，分布于水库左右两岸山坡表部。（3）人工堆积（Qs）：主要为大坝填筑土，成分以红色粘土为主，潮湿，孔隙率高，结构较松散，最大厚度8.80m。2.4.2坝体填筑土与坝基岩土工程地质质量评价(1)坝体抗震稳定问题评价坝区周边地震活动较少，工程区地震动峰值加速度为＜0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s，相对应的地震基本烈度值小于Ⅵ度。按照《水库大坝安全评价导则》（SL258-2000）对Ⅵ度(含Ⅵ度)以下的工程可不进行抗震复核。(2)坝体渗漏水库自蓄水运行至今，大坝一直存在渗漏问题。渗漏主要原因：填筑料不均一，空隙大，施工质量差、分层界面多，夯压不密实、碾压后土的渗透系数达不到土坝的防渗技术要求，导致坝体外坡局部存在渗漏问题。(3)坝体与坝基接触界面渗漏据地勘现场调查：坝体与坝基、坝肩接触部位存在渗漏问题。引起渗漏的主要原因：坝体与坝基(肩)中等透水的强风化岩层直接接触。而强风化的泥质砂岩，结构较松散，中等透水。施工时对建基面表层松散的强风化岩层未进行彻底清除和采取防渗处理措施，导致库水沿坝体与坝基(肩)接触界面产生渗漏。工程自运行至今，坝体与坝基（肩）接触界面存在渗漏问题。汛期渗漏量有呈现明显增大的趋势，对坝体稳定构成潜在危害。(4)坝基渗漏坝基上部为强风化砂泥质砂岩，节理裂隙较发育，裂隙间充满胶结物，结构较密实，压水试验渗透率为8.8Lu，属弱透水层，透水性较弱，施工时坝基作了一定的防渗处理，坝基不存在渗漏问题。综上所述，坝区存在坝体渗漏、坝体与坝基(肩)接触带渗漏等工程地质问题，建议进行防渗处理。21 2.5其它建筑物区工程地质条件评价(1)溢洪道溢洪道位于大坝右端，为开敞式溢流，进口高程73.10m，堰顶宽4.0m，溢洪道总长64.0m。溢洪道基础为第四系全新统(Qedl)残坡积红色粘土，稍湿，中密，抗冲刷能力较弱，洪水冲刷掏空溢洪道两壁易崩塌。溢洪道底板及侧壁已混凝土衬砌，为了减弱洪水对溢洪道冲刷，建议新建消力设施等工程措施。(2)输水涵洞输水涵管位于大坝右坝肩，进口采用卧管放水，涵管纵坡采用1/200。涵管出口断面尺寸为φ0.3m，砼管，出口高程65.45m。基础为强风化红色泥质砂岩，稍湿，结构中密，地基强度满足要求。涵洞卧管因年久失修，进口老化，渗漏严重。建议进口新建闸门及启闭设施，重建出口消能设施。3水文计算3.1流域榨叶冲水库位于浏阳市永安镇建新村，属湘江水系，距市区47.0km，交通较便利。水库集雨面积0.21km2，坝址以上干流长度0.68km，干流平均坡降22.0‰。3.2气象特征榨叶冲水库所在的浏阳河流域处于亚热带季风湿润气侯区，森林覆盖率高，具有气候温和、四季分明、光照充足、无霜期长、湿热多雨、冬冷夏热、雨量充沛等气候特点。根据浏阳市气象站的实测资料统计，多年平均气湿17.3℃，历年极端最高气温40.7℃（出现在1961年7月26日），极端最低气温—8.4℃（出现在1967年1月16日），多年平均降雨量1650mm（1959至2000年），其中3～8月为汛期，降雨占全年71%，最大年降雨量2435mm（1993年），最小年降雨量1258mm（1963年），平均最大风速16.0m/s。3.3水文资料榨叶冲水库没有实测的水文气象资料，本次水库除险加固初步设计的洪水复核采用根据湖南省水利厅1984年编制的《湖南省暴雨洪水查算手册》进行查算。3.4设计暴雨根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）的有关规定，榨叶冲水库工程规模为小（2）型水库，属Ⅴ等工程，其主要建筑物为521 级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级；本次设计洪水标准为：大坝按20年一遇设计，200年一遇校核，消能防冲建筑物按10年一遇。由于水库所在河流无水文测站，无实测水文资料，建库后水库管理所也没有开展入库流量观测，为无资料区。故不能直接采用雨量资料统计推求其设计洪水。本次利用水库所在位置的地理坐标，按无资料地区洪水计算方法，采用我省《暴雨洪水查算手册》（1984年版）设计暴雨的时程分配和净雨过程。以下按《手册》有关图表查算过程：（1）根据榨叶冲水库所在地理位置查图三、图四得流域中心点暴雨量H24点及变差系数Cv，根据设计频率P和偏态系数Cs=3.5Cv，按皮尔逊Ⅲ型曲线查得模比系数Kp，则设计频率下点雨量：H24点=H24点×Kp。（2）查图一知水库所在的暴雨一致区号为第一区，根据集雨面积F，查图22，得雨量折算系数ａ，则设计频率下24小时面暴雨量：H24面=H24点×ａ。（3）求设计暴雨24小时降雨时程分配：按以下公式：1～6小时用：H1=H24面×24n3-1×6n2-n3（1）H3=H24面×24n3-1×6n2-n3×31-n26～24小时用：H6=H24面×24n3-1×61-n3（2）H12=H24面×24n3-1×121-n3H24=H24面按表1概化雨型时程分配表的百分数，即可计算出二十四小时暴雨的时程分配。查图，知水库所在河流属于产流分区一区，得初始雨量I0=30mm，扣除初损，得时段地表径流深：R上=R总×径流系数R总：总径流利用我省“暴雨洪水查算手册”推求24小时设计暴雨，成果见表1。表1水库设计暴雨成果表Table1Resultsofreservoirdesignrainstorm项目统计参数频率备注手册成果XCVCS/CV0.5%5%10%　1050.483.50309.30204.31171.7721 3.5设计洪水洪峰流量及洪水过程线推求由于水库所在河流无水文测站，故不能采用流量资料统计推求其设计洪水。本次按无资料地区洪水计算方法进行洪水计算。（1）以下按《手册》用推理公式求设计频率下的设计洪水(a)求净峰流量及汇流时间：θ=L/（F1/4J1/3）(3)m根据不同公式求解：θ≤25时，m=0.145θ0.48925＜θ≤100时，m=0.0228θ1.067列表计算时段净雨强度。(b)用试算法求净峰流量Qm及汇流时间：Qm=0.278×F×Rt/t(4)τ=0.278L/（m×J1/3Qm1/4）分别取不同汇流时间进行试算，到两次试算Qm相近为止。(c)洪水过程线绘制：用径流分配系数法求地面径流过程：已知地面径流R上，Qm，F，则时段地面径流总量为：Qi总=R上×F/（3.6×△T）(5)△T均采用一小时；Qm/Qi总，对照前表，取时段分配系数。各时段分配系数乘以Qi总，即得相应净雨深R上，地面径流过程线Qi～t。(d)地下径流过程计算R下=R总-R上(6)Qm地=R下×F/（3.6×△T×To）To：由Qi～T过程线，得地面径流过程线底宽。自Qm地开始每增减一个时段，则减少一个ΔQ地（ΔQ地=Qm地/To），得Qo～T过程线。Qi+Qo即得设计频率下洪水过程线图。（2）设计洪水总量的计算：采用W=R总×F×1000计算洪水总量21 查图查表的有关参数见表2，表2中含有该书库的各项数据，包括流域面积，平均坡降，偏态系数，初损雨量，点暴雨量，各小时面暴雨量，地表径流深度等等计算数据，根据该数据依次代入公式计算，为了数据更加清晰明了，观察更加准备，将数据编成表格，将时间与流量绘制成曲线图，直接反应流量与时间段的关系，成果见表3和图1。表2水库流域参数及洪水计算成果表（m3/s）Table2Reservoirbasinparametersandfloodcalculationresultstable()设计频率PP=0.5%P=5%P=10%坝址以上流域面积（km2）0.210.210.21坝址至干流分水岭距离即河长（km）0.680.680.68干流平均坡降（‰）222222查图一，地理位置所在区号第一区第一区第一区查图三，流域中心点暴雨量是：H24点105105105查图四，变差系数是：Cv0.480.480.48偏态系数：CS3.53.53.5查图四十，初损雨量所在区号第Ⅰ区第Ⅰ区第Ⅰ区初损雨量（mm）303030查表（二），皮尔逊Ⅲ型曲线，模比系数KP2.951.951.636查图22，雨量折算系数α1.0001.0001.000点暴雨量（mm）309.30204.31171.77流域中心面暴雨量（mm）309.30204.31171.77查表，地表径流与总径流比例系数0.70.70.7查图36，1--6小时暴雨衰减指数0.5540.6070.628查图37，6--24小时暴雨衰减指数0.7830.7920.7941小时面暴雨量（mm）102.9475.7466.343小时面暴雨量（mm）168.09116.5899.786小时面暴雨量（mm）229.04153.05129.1012小时面暴雨量（mm）266.16176.83148.9224小时面暴雨量（mm）309.30204.31171.77地表径流深R上（mm）195.50122.0099.20推理公式中，流域地理参数：θ3.593.593.5921 续表1设计频率PP=0.5%P=5%P=10%洪峰流量为：Qm（m3/s）2.851.871.56汇流时间为：τ（h）1.92.12.2时段地面径流总量ΣQ上11.417.125.79/ΣQ上0.2500.2630.269地下峰值（m3/s）0.290.200.01洪峰流量为：Qmp（m3/s）2.921.911.60洪水总量（万）5.873.662.98表3水库设计洪水过程线（含外引流量）（m3/s）Table3Reservoirdesignfloodhydrograph(includingoutflow)(/s)时段t（h）频率（P%）备注P=0.5%P=5%P=10%00.020.010.013　10.391.371.125　22.171.911.597　32.921.130.934　41.760.780.631　51.200.640.522　60.950.520.436　70.790.460.385　80.670.390.334　90.580.340.289　100.510.290.255　110.430.260.233　120.390.230.188　130.340.210.177　140.310.200.165　150.290.190.152　160.290.180.139　21 续表2时段t（h）频率（P%）备注170.270.160.127　180.250.150.114　190.240.140.101　200.220.120.089　210.200.110.076　220.190.100.063　230.170.080.051　240.150.070.038　250.140.050.025　260.120.040.013　270.100.030.000　280.090.010.000　290.070.000.000　300.050.000.000　310.030.000.000　320.020.000.000　图1水库设计洪水过程线Fig.1Hydrographofreservoirdesignflood21 3.6调洪演算3.6.1调洪演算的基本原则（1）基本情况：由于水库集雨面积较小，水量主要依靠长沙县乌川水库的一条灌溉渠提供水量，根据水库管理人员介绍以及榨叶冲水库的运行管理方式，在进入汛期时，该条引水渠有关闸控制，但由于乡镇水管站技术人员甚少，水库运行时难免会有疏忽，为安全起见并结合专家的审查意见，本次计入外引流量；根据已知引水渠断面尺寸和水力参数，采用明渠均匀流公式计算引水渠设计过流量，详见水力计算成果表4：明渠均匀流公式：(7)式中：Q——设计流量；C——谢才系数；R——水力半径；A——过水断面，n——糙率n=0.017；——渠道底坡i=0.025，表4引水渠水力计算表Table4Hydrauliccalculationchartofwaterdiversionchannel引水流量(m³/s)水深h(m)过水断面A(m²)湿周(m)水力半径R谢才系数C渠堤高h(m)渠底宽b(m)0.1720.1450.0870.8900.09839.890.500.60（2）基本原则：根据榨叶冲水库的具体情况，调洪演算遵循以下两条原则：第一，溢洪道以外，其它输水设施（如灌溉涵）均不参与泄洪；第二，起调水位（正常蓄水位73.10m）以上，以上来多少泄多少。采用水量平衡方程，求得不同设计入库洪水过程的最高库水位以及相应的库容和下泄流量。3.6.2防洪标准本次水库大坝防洪标准采用20年一遇洪水标准设计，200年一遇洪水标准校核。榨叶冲水库工程包括大坝、溢洪道、输水系统工程。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）的有关规定，榨叶冲水库枢纽工程为Ⅴ等工程，大坝、溢洪道、输水系统等建筑物为5级建筑物。21 （1）防洪调度方式榨叶冲水库溢洪道为开敞式宽顶堰，以堰顶实际高程（即正常高水位）73.10m为起调水位。本次复核采用以下调度方式：库区降雨洪水入库，库水位超过73.10m时溢洪道开始按泄洪能力自由泄洪。（2）库水位～下泄流量关系榨叶冲水库溢洪道加固后为环形堰竖井溢洪道，堰顶高程68.75m，溢洪道进口段采用环形溢流堰，喇叭口体形采用《水力计算手册》（第二版）所载无平顶段竖井式溢洪道喇叭口体形，堰面线形采用抛物线形，喇叭口半径按R=3H与堰上水头、下泄流量进行试算，溢洪道环形半径计算后取值R=1.0m；泄流曲线则根据环形堰溢洪道下泄流量按下式计算。环形堰溢洪道下泄流量按下式计算：(8)式中：Q——流量，（m3/s）；ε——侧收缩系数；m——流量系数；R——溢洪道环形半径，R=1.0m；H0——堰上水头，m。将数据依次带入公式，得水库水位与溢洪道下泄流量关系见图2及表5。表5榨叶冲水库溢洪道水位～泄流量关系表Table5Tableofrelationbetweenwaterlevelanddischargeofspillwaytunnelofpressblade水位堰上总水头H堰顶水头=0.75H进水喇叭口半径R流量系数m侧收缩系数ζ过栅损失ΔZ净总水头H下泄流量Q73.10010.381100073.20.10.07510.3710.9980.0020.0980.33073.30.20.15010.3610.9950.0040.1960.87073.40.30.22510.3510.9930.0060.2941.55073.50.40.30010.3410.990.0080.3922.30073.60.50.37510.3310.9880.0090.4913.13021 续表3水位堰上总水头H堰顶水头=0.75H进水喇叭口半径R流量系数m侧收缩系数ζ过栅损失ΔZ净总水头H下泄流量Q73.70.60.45010.3210.9850.0100.593.99073.80.70.52510.3110.9830.0110.6894.86073.90.80.60010.3010.9810.0120.7885.74074.00.90.67510.2910.9780.0120.8886.62074.110.75010.2810.9750.0130.9877.470图2溢洪道水位～泄流量关系曲线Fig.2Relationcurveofspillwaywaterlevelanddischarge（3）水位~库容曲线榨叶冲水库库容曲线，经复核与原成果较接近仍用原成果。水库水位~面积、库容曲线见表6。表6榨叶冲水库水位库容关系Table6Telationbetweenwaterstoragecapacityandwaterlevel水位（m）库容（万m3）水位（m）库容（万m3）水位（m）库容（万m3）64.70068.081.2771.465.8865.120.1268.501.5871.896.965.550.2368.931.9572.318.0465.970.3569.352.3872.739.3266.390.4869.772.9073.1510.7421 续表4水位（m）库容（万m3）水位（m）库容（万m3）水位（m）库容（万m3）66.810.6370.203.5073.5812.3167.240.870.624.1974.0014.0467.661.0171.044.98图3水位～库容关系曲线Fig.3Relationcurvebetweenwaterlevelandstoragecapacity3.6.3调洪演算的基本方程（1）调洪演算方法洪水在水库中行进时，其流态属明渠非恒定流，可用圣维南方程组来表达，方程组包括连续性方程和运动方程，一般难以得出精确的解析解。因此常采用简化的近似解法，对水库来说，运动方程可近似以堰流公式或有压管流公式计算，连续性方程可简化为水库水量平衡方程式如下：（Q1+Q2）×Δt/2-（q1+q2）×Δt/2=V2-V1(9)式中：Q1、q1——时段初入库、出库流量，m3/s；Q2、q2——时段末入库、出库流量，m3/s；V1、V2——时段初、末水库蓄水量，m3/s；Δt——计算时段，s，其长短的选择，应以能较准确地反映洪水过程的形状为原则，Δt=1.0h。21 水库调洪计算的具体方法有很多种，如试算法、图解法、计算尺法、简化三角形法等。其中试算法概念明确，但计算工作量大，有时要多次试算才能得出一个时段的结果。图解法和半图解法则可避免试算，对一个水库进行多种方案和多种频率的设计洪水调洪计算时，更显其优越性。本次调洪演算采用半图解法。半图解法调洪演算方程为：(10)在进行调解计算时，可根据确定的溢洪建筑物的类型、尺寸和库容曲线、计算时段△t，绘出的辅助曲线。从第一时段，由入库洪水过程和起始条件就可以知道Q1、Q2、q1、V1，从而可以计算出水量平衡衍生式子的右侧数值，以此值查曲线，便可得出第一时段末q2值。第一时段末各项的数值为第二时段初始的各项数值。重复第一时段的解算方法，得第二时段末的q2值。逐段进行下去，得下泄流量过程线。（2）调洪成果按照计算的洪水过程线，根据水库的水位～库容关系曲线、水位～下泄流量关系曲线，对P=0.5%、5%、10%的设计洪水按上述方法进行调洪演算，调洪演算成果汇总见表7及图4~图6。表7调洪演算成果汇总表Table7Summaryoffloodroutingresults频率起调水位（m）最高水位（m）库容（万m3）入库最大洪峰（m3/s）出库最大泄量（m3/s）P=0.5%73.1073.4511.852.921.90P=5%73.1073.3411.441.911.10P=10%73.1073.3011.311.600.8921 图4200年一遇洪水调洪计算曲线Fig.4200Floodfloodcalculationcurve图520年一遇洪水调洪计算曲线Fig.520Floodfloodcalculationcurve21 图610年一遇洪水调洪计算曲线Fig.610Floodfloodcalculationcurve3.7水库抗洪能力的复核根据《水库大坝安全评价导则》（SL258-2000）的有关规定，抗洪能力复核主要是对水库大坝坝顶高程等挡水建筑物进行复核。3.7.1水库大坝顶部高程复核根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001（以下简称《规范》），水库大坝的顶部高程等于水库不同运用情况下的静水位与相应的超高之和，静水位以上的超高参照《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）执行，具体计算式如下：（一）大坝防洪设计（1）坝顶高程复核对库区地形图进行复核，坝址以上控制流域面积0.21km2，坝址以上主河道长0.68km，平均比降22.0‰，风区长度0.213km，大坝原坝顶高程为74.00m。多年平均最大风速为16.0m/s。（2）大坝安全超高根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）和《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001第5.3.1条的规定，坝顶在水库静水位以上的超高由下式确定：y=R+e+A(11)式中：y——坝顶超高，m；21 R——最大波浪在坝坡上的爬高，m；e——最大风壅水面高度，m；A——安全加高，m。水库大坝安全加高A值根据大坝的等级和运用条件确定，榨叶冲水库大坝为Ⅴ等5级工程，安全加高A值在设计条件下为0.5m，校核条件下为0.3m。（二）风浪爬高计算（1）风浪要素计算根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）附录A“波浪和护坡计算”，浪高计算采用莆田试验站公式。(12)Tm=4.438hm0.5(13)(14)式中：hm——平均波高，m；Tm——平均波周期，s；W——风速，水面上10m高度处10min的平均风速，m/s。按照规范要求，5级建筑物，正常运用条件下，采用多年平均最大风速的1.5倍，经算为24.0m/s；校核情况下采用多年平均最大风速16m/s；D——风区长度，m；Hm——水域平均水深，m；g——重力加速度，取9.81m/s2；Lm——平均波长，m；经计算，风浪要风浪要素计算成果见表8。表8风浪要素计算成果表Table8Calculationresultsofwindandwaveelements工况多年平均最大风W（m/s）gD/W2平均波高hm（m）平均波周期（s）平均波长Lm（m）正常运用24.003.630.191.925.7621 续表5工况多年平均最大风W（m/s）gD/W2平均波高hm（m）平均波周期（s）平均波长（m）非常运用16.008.160.121.543.70（2）风壅水面高度计算计算公式：(15)式中：e——风壅水面高度，m；K——综合摩阻系数，K=3.6×10-6；β——风向与水域中线夹角，°；H——水域的平均水深，m；C平均波浪爬高平均波浪爬高计算采用下式：(16)式中：Rm——风浪爬高，m，KΔ——斜坡糙率渗透性系数，取KΔ=0.9；Kw——经验系数，与风速和坝前水深有关，须查表插值；m——斜坡坡度系数；设计波浪爬高值根据工程等级确定，本工程为5级粘土坝，采用累计频率为10%的爬高值R10%。（三）坝顶高程计算成果按现行《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应该分别按以下运用条件计算，取其最大值。即：设计洪水位加正常运用情况下的坝顶超高；校核洪水位加非常运用情况下的坝顶超高。在设计算结果见表9；21 表9大坝坝顶高程计算成果表Table9Damcrestelevationcalculationresults工况设计水位（m）坝顶超高（m）波浪爬高（m）风壅高度（m）安全加高（m）计算坝顶高程（m）正常运用73.3401.2390.7360.0030.50074.580非常运用73.4500.7730.4720.0010.30074.220榨叶冲水库大坝计算坝顶高程74.58m，现有大坝坝顶高程74.00m，实际坝顶高程低于设计值，故不满足规范要求。为了保证大坝安全，并结合专家的审查意见，综合考虑将坝顶高程加高至74.60m。3.7.2溢洪道控制段顶部高程复核榨叶冲水库溢洪道为开敞式环形堰，故不需考虑导墙高程。4除险加固工程设计4.1加固工程的主要项目及内容针对榨叶冲水库目前存在的问题，按照大坝安全鉴定意见和有关规范对大坝等水工建筑物进行除险加固，其主要加固内容有：（1）大坝加固(a）大坝坝体防渗采用冲抓回填，冲抓回填孔在坝顶沿坝轴线布置；伸入相对不透水层深度1m。(b）大坝坝顶整理至宽为5.0m，将坝顶高程加高至74.6m。(c）大坝上、下游坝坡整治：上游坝坡砼面板拆除，并采用C20砼预制六方块护坡，厚10cm；下游坝坡用粘土陪厚放缓，并采用草皮护坡，下游坝坡新建坝坡排水沟；新建贴坡排水。（2）新开竖井式溢洪道兼输水涵洞原输水涵管挖除，在原输水涵基础上新开竖井溢洪道兼做放水涵洞，新建启闭机房及启闭设施。新开竖井式溢洪道兼输水涵洞位于右坝肩，溢洪道采用半径1m环形实用堰，堰面曲线为抛物线形，以半径0.5m圆形竖井与退水涵洞相接，跌水消能。输水涵洞采用无压过水隧洞形式，断面为矩形，底宽1.2m，高1.6m，考虑进出口开挖要求，以及使进出口近于垂直等高线走向，涵洞洞身段全长54.0m。进口启闭形式采用斜拉式手电两用螺杆启闭设备一套，并在右侧山坡上新建启闭机房。洞身采用40cmC25钢筋砼全段衬砌。21 （3）由于水库集雨面积较小，水量主要依靠长沙县乌川水库的一条灌溉渠提供水量，根据设计人员现场踏勘，目前，现状渠道大部分都已损毁严重，本次设计主要在原有渠道上进行加固，本次引水渠改造共计长度为320m。（4）对在大坝右坝肩山体平整增设防汛物资仓库。新建水位尺、雨量计等观测设施。4.2设计依据榨叶冲水库原总库容13.36万m3，根据《防洪标准》（GB50201-94）和《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）规定，该水库为小（2）型水库，属Ⅴ等工程，主要建筑物级别为5级，次要建筑物级别为5级。其设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为200年一遇，溢洪道消能防冲标准为10年一遇。根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）和《中国地震烈度区划图（1990版）》（1：400万），榨叶冲水库位于地震动峰值加速度小于0.05g的地区，相应地震基本烈度小于Ⅵ度，可不作抗震复核。4.3挡水建筑物（大坝）加固（1）大坝(a）上游坝坡培厚后坡比为1:2.20，高程65.20m至高程74.60m处进行厚10cm预制六方块护坡，新建上坝踏步、绕坝护脚墙。(b）下游坝坡坝坡培厚后坡比为1：2.75、1：2.0（贴坡排水）；下游坝坡新建坝坡排水沟；大坝坝坡培厚前先将覆盖层清除，再在原坝坡上从下至上分层填土夯实，填筑要求：每层填土厚度不大于30cm，压实度不小于0.95。(c）大坝坝顶整理宽至5.0m，将坝顶高程加高至74.60m；坝顶加高前先将覆盖层清除，再在原坝坝顶上从下至上分层填土夯实，填筑要求：每层填土厚度不大于30cm，压实度不小于0.95，未尽事宜，施工单位应严格按照《碾压式土石坝设计规范》执行。(d）大坝下游进行草皮护坡，在68.70m以下新建贴坡排水，设三层反滤料，新建上坝踏步。根据现场勘察及水库管理人员描述，大坝坝身存在轻微渗漏问题，参照以往工程经验，针对该工程现状情况，采取冲抓回填。在大坝坝顶轴线（高程74.4m）布置单排冲抓孔，孔径1.1m，孔距0.78m，主孔85孔，套井84孔，共计169孔。冲抓回填套井防渗墙在平面上按主、套井相间布置，一主一套相接连成井墙，套井为整圆，主井被套井切割，呈对称蚀圆。21 冲抓回填范围为坝顶(高程74.4m)至大坝建基面，具体冲抓孔深见冲抓回填设计图纸。（2）冲抓套井回填主要参数及工艺要求孔距及有效设计厚度本设计防渗墙由一排井孔组成，井孔直径1.1m，参照《湖南省病险土石坝工程治理研究》及有关文献，确定最优孔距及有效厚度按如下公式计算：L=2Rcosα，T=2Rsinα（17）式中：L—孔距（主井和套井中心距）m；T—防渗墙有效设计厚度m；α—为主井、套井最优切割角度，а＝45º；R—井孔半径，即R=0.55m；经计算L=0.78m，T＝0.78m。防渗墙的有效厚度根据渗流稳定计算求得的渗透坡降确定，要求其渗透坡降应小于允许渗透坡降。根据以上公式计算得的防渗墙有效厚度T=0.78m，另由渗流计算分析得防渗墙承受的最大水头为△Hmax=7.4m，防渗墙渗透坡降为J=7.4/0.78=9.48＜[J]=10(粘土允许渗透坡降)，满足规范要求。（3）回填土料回填土料为粘土，粘粒含量在35%～50%，小粒径石子含量不超过10%，天然含水量控制在20%～25%，若天然含水量超过25%，必须进行翻晒，若小于19%，则应洒水达到设计值；渗透系数k≤1×10-5cm/s，回填粘土干密度为=1.55～1.58g/cm3，压实度≥95%。（4）施工工艺要求应在库水位最低（死水位66.45m）时施工。钻孔：钻孔要铅直，钻孔的偏斜率应不大于1/50，造孔顺序为先主井，后套井。回填：钻孔达设计深度后应立即回填，按先主井后套井的原则，填土分层进行，回填一层，夯实一层，不得边填边夯，每层松土厚度为0.5m至0.7m。夯实：夯实方式应通过现场试验确定，在夯击过程中，一定要尽量保持夯锤稳定，不左右摇摆，不碰井壁，以提高夯压效果。当夯实10m以下的井段时，可适当加大夯锤的冲击作用，扩大对周围土地的挤压影响。当接近井口部位时，则减少夯锤落距，以防坝面开裂或孔周土体隆起。42 （5）质量检查为确保施工质量，施工时应及时进行检测。检测内容为钻孔的深度与孔的偏斜率、土料的含水量、夯实后土料的干容重以及渗透系数，以保证其符合设计及相关规范要求。（6）工程量坝体冲抓回填主井1760.45m。榨叶冲大坝上游坝坡为砼护坡，经过多年的运用，坝坡开裂、破损现象十分普遍，影响大坝的安全运行。因此，需对上游坝坡进行整治加固。大坝上游坝坡修整后形成1：2.2的坝坡。本次设计对上游坝坡原砼护坡进行拆除，采用预制六方块护坡。预制六方块护坡具有结构形式简单、造价相对较低、施工容易、且适应不均匀变形能力强、耐久性好、表面粗糙有助于消浪而且容易维修等特点，在长沙地区水库除险加固工程中得到大量应用。混凝土六方块护坡厚度根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）附录A公式计算：(18)式中：——系数，对整体式大块护面板取1.0；——累积频率1%的波高，m；——沿坝坡向板长，b=0.6m；——水的密度10KN/m3；——护坡材料的密度24KN/m3；——上有坝坡平均坡度，m=2.2。经计算设计工况情况下t=0.091m，取t=0.1m。根据计算，结合工程实践经验土坝上游坡采用10cm预制六方块护坡，下设混合料垫层，厚度0.1m。根据榨叶冲水库实际运用情况，以及考虑大坝高度等情况，此次整治范围从大坝坝上游坝坡65.20m高程至74.7m。大坝坝顶路面采用泥结碎石路面，厚20cm，坝顶高程为74.60m，宽5.0m，上游设0.8m安全防护栏，下游边缘设0.3m×0.4m的混凝土路缘石。坝顶路面向下游设2%的坡度，以利于排水。榨叶冲水库经过多年的运用，大坝下游坝坡受雨水冲刷，坑洼不平，杂草丛42 生，不利于大坝安全观测，也影响美观，为此本设计对下游坝坡进行整治。（7）下游坝坡培厚设计大坝下游坝坡自坝顶（高程74.60m）至贴坡排水顶部（高程68.7m）进行坝坡培厚，坡比从上至下依次改为1:2.2、1:2.0（贴坡排水）。下游坡培厚时先将表层松散浮土清除后，再在坝坡开挖0.5m高的防滑台阶，然后填土夯实，从下至上分层填土夯实，要求每层填土厚度不大于30cm，培厚材料为土石混合料，填筑土料应满足下列要求：土石混合料的最大粒径在75～100mm之间，用于填筑的土石混合料粒径大于5mm的颗粒含量不宜超过50%，最大粒径不宜大于150mm或铺土厚度的2/3，0.075mm以下颗粒含量不应大于15%，且＜0.005mm颗粒含量不宜小于8%，填筑时应避免发生粗料集中架空现象，渗透系数不大于1×10-4cm/s，水容性盐含量不大于3%，有机质含量不大于5%，土料有较好的塑性和渗透稳定性，浸水和失水是体积变化小，填土压实度小于0.95。本次初设对下游坝坡进行坝坡培厚、平整后再进行草皮护坡。大坝草皮护坡范围：从贴坡排水顶部（高程68.70m）至坝顶（高程74.60m）。为方便管理，大坝上、下游坝坡新建上坝踏步，上坝踏步高度为0.15m，宽1.3m，现浇C20砼。具体见设计详图。（8）坝面排水系统设计为防止下游坝坡雨水集中冲刷而形成雨淋沟，需设置纵、横排水沟，汇集径流，排到滤水坝趾或坝脚。设计纵向排水沟布置在各级平台内侧，采用明沟，以利清淤，沟底为i=0.02的坡度向坝两端倾斜，沟断面尺寸为b×h=30cm×30cm；顺着坝坡的横向排水沟沿坝坡与山体交界布置，并要求与纵向排水沟相连接，断面与纵向沟相同。纵向和顺坡横向排水沟均采用C15砼进行衬砌，衬砌厚度为10cm。排水沟断面详见设计图。（9）下游坝坡贴坡排水本次设计拟对大坝下游坝坡高程68.70m以下新建贴坡排水，下游排水体反滤料根据规范要求设置为四层，采用从里往外分别为200mm厚的砂垫层，200mm厚的5～20mm小砾石垫层，200mm厚的5～20mm砾石垫层，500mm厚的干砌石；顶宽1.5m，高3.0m（结合实际情况布置），外坡坡比1:2.0，内坡坡比1:2.0，贴坡排水底部与坡脚0.5m×0.6m矩形排水沟连接详见设计图纸。（10）按推荐方案对大坝加固前后进行渗流及稳定分析(a）渗流计算42 计算断面及参数的选取榨叶冲水库除险加固计算参数见表10，根据专家的审查意见以及地质报告提供的资料，经综合考虑地形、地质及坝高等因素，选取最大坝高断面作为渗流计算的典型断面。表10榨叶冲水库大坝加固前土料渗透系数取值表Table10Coefficientofpermeabilityofsoilbeforereinforcementofreservoir部位土层编号土层名称渗透系数(cm/s)备注坝体1上游填土7.12×10-42下游填土7.12×10-43堆石棱体排水体1.45×10-26冲抓回填防渗1×10-5坝基4中风化粉砂质板岩1.2×10-45强风化粉砂质板岩1.2×10-4大坝加固前后渗流计算断面见图7。图7大坝计算断面图（加固后）Fig.7Calculationsectionofdam(afterreinforcement)其中，1、2区为大坝填土，3区为砌石体，4、5区为坝基中风化粉砂质板岩，6区为冲抓回填。(b）计算方法渗流复核分析计算采用二维有限元法，计算软件采用《理正渗流分析计算软件》。渗流有限元分析基本方程为：(19)其中：[K]——透水系数矩阵；{H}——总水头向量；[M]——单元储水量矩阵；{Q}——流量向量；t——时间。42 (c）计算工况根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274－2001）相关要求，渗流计算考虑下列水位组合情况：正常运用情况正常蓄水位73.10m，相应下游无水；设计洪水位73.34m，相应下游无水；非常运用情况校核洪水位73.45m，相应下游无水；水位降落期——考虑水库遭遇校核洪水，2天由校核洪水位73.45m降至正常蓄水位73.10m，下游水位保持不变，设计水位降落过程见表11。表11非稳定渗流期设计水位降落过程Table11Drawdownprocessofdesignwaterlevelinunsteadyseepageperiod库水位（m）水位变化（m）时间（天）累计时间（天）73.450.000.000.0073.10-0.352.002.00(d）计算成果大坝加固前、后渗流计算成果见表12、表13及图8~图11。根据计算成果可知，加固前坝体渗漏量较大，坝基覆盖层渗透比降超过其允许值0.45、0.3的要求，采取冲抓回填加固后坝体渗漏量明显减少，坝基覆盖层渗透比降也显著减小至允许范围内。表12大坝渗流计算成果表(加固前)Table12Calculationresultsofdamseepage(beforereinforcement)计算工况计算组次上游水位（m）下游水位（m）填土最大渗透比降出溢点高程（m）计算单宽流量m3/d.m正常运用1正常蓄水位73.10m---0.8180.4752设计洪水位73.34m---0.9130.572非常运用3校核洪水位73.45m---1.0120.74142 表13大坝渗流计算成果表(加固后)Table13Calculationresultsofdamseepage(afterreinforcement)计算工况计算组次上游水位（m）下游水位（m）填土最大渗透比降出溢点高程（m）计算单宽流量m3/d.m正常运用4正常蓄水位73.10--0.24165.9100.2335设计洪水位73.34--0.28566.7500.267非常运用6校核洪水位73.45--0.29566.6700.3487非稳定渗流73.45~73.10--0.299//图8加固后大坝渗流浸润线及等势线示意图（正常蓄水位73.10m）Fig.8Schematicdiagramofseepage,seepagelineandequipotentiallineofdamafterstrengthening(normalwaterstoragelevel73.10m)图9加固后大坝渗流浸润线及等势线示意图（设计洪水位73.34m）Fig.9Schematicdiagramofseepage,seepagelineandequipotentiallineafterdamreinforcement(designfloodlevel73.34m)图10加固后大坝渗流浸润线及等势线示意图（校核洪水位73.45m）Fig.10Schematicdiagramofseepage,seepagelineandequipotentiallineofdamafterstrengthening(checkfloodlevel73.45m)42 图11加固后大坝渗流浸润线及等势线示意图（水位：73.45～73.10m）Fig.11Schematicdiagramofseepage,seepagelineandequipotentiallineofdamafterstrengthening(waterlevel:73.45~73.10m)（10）稳定计算(a)计算剖面坝坡稳定计算剖面与渗流计算剖面相同。(b)计算参数根据地质勘探成果，各个材料区材料稳定性参数见表14。表14大坝稳定计算材料参数表Table14Materialparametersofdamstabilitycalculation项目土的类别天然密度（g/cm3）饱和密度（g/cm3）C′（KPa）φ′（°）大坝上游填土15.619.11520下游填土15.619.11520贴坡排水20.521.85028坝基岩层19.120.025035(c)计算工况根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001），土坝坝坡稳定计算除应考虑渗流计算中4种水位组合情况外，还需考虑上游坝坡最不利水位情况（正常蓄水位骤至死水位）的情况，主要包括：Ⅰ正常运用情况正常蓄水位73.10m，相应下游无水；设计洪水位73.34m，相应下游无水；正常高水位73.10m降到死水位66.45m，相应下游无水；Ⅱ非常运用情况校核洪水位73.45m，相应下游无水；水位降落期——考虑的情况与渗流情况相同，即水库遭遇校核洪水，2天由校核洪水位73.45m骤降至正常蓄水位73.10m，下游水位保持不变。42 根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），土石坝稳定分析采用刚体极限平衡法，计及土体条间作用力（简化毕肖普法）。计算软件采用北京理正设计研究院的边坡稳定分析软件。按规范（SL274-2001），水库稳定渗流期按有效应力法。其抗滑稳定安全系数采用简化毕肖普法计算，公式如下：(20)式中：W——土条重量；Q、V——分别为水平和垂直地震惯性力（向上为负，向下为正）；μ——作用于土条底面的孔隙无压；α——条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b——土条宽度；c′、φ′——土条底面的有效应力抗剪强度指标；Mc——水平地震惯性力对圆心的力矩；R——圆弧半径。大坝加固前、后坝坡抗滑稳定计算成果见表15、表16及图12～图16。表15大坝坝坡抗滑稳定计算成果表(加固前)Table15Calculationresultsofstabilityagainstslidingofdamslope(beforereinforcement)计算工况上游水位（m）下游水位（m）安全系数上游坝坡下游坝坡正常正常蓄水位73.10--/1.206设计洪水位73.34--/1.160正常蓄水位骤至死水位73.10~66.45--1.3011.293非常校核洪水位73.45--/1.148校核洪水位骤降正常蓄水位73.45～73.10--1.190/42 表16大坝坝坡稳定计算成果表(加固后)Table16Calculationresultsofdamslopestability(afterreinforcement)计算工况上游水位（m）下游水位（m）安全系数上游坝坡下游坝坡正常正常蓄水位73.10--2.1411.842设计洪水位73.34--2.1981.642正常蓄水位骤至死水位73.10~66.45--1.594/非常校核洪水位73.45--2.2171.542校核洪水位骤降正常蓄水位73.45～73.10--1.549/图12加固后大坝坝坡稳定计算成果图（正常蓄水位73.10m）Fig.12calculationresultsofdamslopestabilityafterconsolidation(normalwaterstoragelevel73.10m)42 图13加固后大坝坝坡稳定计算成果图（设计洪水位73.34m）Fig.13Calculationresultsofdamslopestabilityafterreinforcement(designfloodlevel73.34m)图14加固后大坝坝坡稳定计算成果图（校核洪水位73.45m）Fig.14Calculationresultsofdamslopestabilityafterconsolidation(checkfloodlevel73.45m)图15加固后大坝坝坡稳定计算成果图（水位：73.45~73.10m）FIG.15Calculationresultsofdamslopestabilityafterreinforcement(waterlevel:73.45~73.10m)42 图16加固后大坝坝坡稳定计算成果图（水位：73.10~66.45m）FIG.16Calculationresultsofdamslopestabilityafterreinforcement(waterlevel:73.10~66.45m)根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的规定，对于5级坝，采用简化毕肖普法进行稳定计算时，正常运用条件下，坝坡抗滑稳定最小安全系数kf应不小于1.25；非常运用条件Ⅱ下(水位骤降及校核洪水位等)，坝坡抗滑稳定最小安全系数kf应不小于1.15。计算表明，加固处理后上下游坝坡稳定满足规范要求。4.4泄水建筑物加固设计溢洪道位于大坝右端，为开敞式溢流，进口高程73.10m，堰顶宽4.0m，溢洪道总长64.0m。原输水涵管挖除，在原输水涵基础上新开竖井溢洪道兼做放水涵洞，新建启闭机房及启闭设施。新开竖井式溢洪道兼输水涵洞位于右坝肩，溢洪道采用半径1m环形实用堰，堰面曲线为抛物线形，以半径0.5m圆形竖井与退水涵洞相接，跌水消能。输水涵洞采用无压过水隧洞形式，断面为矩形，底宽1.2m，高1.6m，考虑进出口开挖要求，以及使进出口近于垂直等高线走向，涵洞洞身段全长54.0m。进口启闭形式采用斜拉式手电两用螺杆启闭设备一套，并在右侧山坡上新建启闭机房。洞身采用40cmC25钢筋砼全段衬砌。榨叶冲水库原溢洪道位于大坝右岸上游侧，因现有溢洪道进水底板较高，出口位置较高，底坡较缓，且狭长（近1km长）。根据水库多年的运行情况，需降低溢洪道。结合水库大坝右岸山体地质情况，本次设计在大坝右岸山体内建造环形堰竖井式溢洪道，并采用泄洪洞与输水涵相结合的方式，满足水库的输水及泄洪要求，做到一洞多用。环形堰竖井式溢洪道主要由喇叭口进口段、渐变段、竖井段、竖井消力池段、退水隧洞洞身段、出口消力池段组成。42 （一）环形堰溢洪道进口段调洪演算（1）入库流量过程线与加固前入库流量过程线一致，见设计文本第二章。（2）水位-库容曲线与加固前水位-库容曲线一致，见设计文本第二章。（3）起调水位结合榨叶冲水库多年来的运行情况，起调水位为溢洪道进口底板高程（正常蓄水位）73.1m。（4）泄流曲线溢洪道进口段采用环形溢流堰，喇叭口体形采用《水力计算手册》（第二版）所载无平顶段竖井式溢洪道喇叭口体形，堰面线形采用抛物线形，喇叭口半径按R=3H与堰上水头、下泄流量进行试算，计算后取值R=1m。环形堰下泄流量可用下式进行计算：(21)式中：ζ——侧收缩系数Q——流量（m3/s）——堰上水头（m）m——流量系数依次计算，得出Q，代入轨迹方程。水库水位泄流曲线关系见表5。榨叶冲水库环形堰竖井溢洪道堰顶水位（起调水位）73.10m，相应库容为10.6万m3，则调洪复核结果为：20年一遇的设计洪水位为73.34m，相应下泄流量为1.10m3/s，相应库容为11.44万m3；200年一遇校核洪水位为73.45m，相应下泄流量为1.9m3/s，相应库容11.85万m3。（二）环形堰溢洪道设计（1）喇叭口段为了进水平稳，进水喇叭口采用自由溢流环堰，溢流水舌交汇点处为喇叭口终点，以下用渐变段与竖井相接。溢洪道进口喇叭口采用《水力计算手册》所载无平顶段竖井式溢洪道堰面曲线，即抛物线线形。喇叭口半径选取为作用水头的3倍，计算过程如上。42 水舌中心点轨迹方程为：(22)其中：——堰顶处断面平均流速，；Q——校核洪水下泄流量；H——校核洪水时堰顶水头沿水舌中心线各点的流速vn水舌厚度hn为：(23)(24)同理经计算，环形堰宣泄校核洪水时，其水舌中心点轨迹坐标、水舌厚度和水舌中心线各点流速如下表17。表17环形堰喇叭口轮廓线计算表Table17calculationformofringweirlipcontourxyVn/20.00.00001.47440.54000.27000.20.09031.98610.50110.25050.40.36103.04250.43610.21810.60.81234.25570.46770.23390.81.44415.52330.72080.3604根据已求出的水舌中心线和水舌厚度hn，即可求出喇叭口轮廓线，坐标如下：x00.20.40.60.8y00.09030.36100.81231.444142 （2）渐变段该竖井溢洪道不设渐变段。（3）竖井段竖井段按照有压管流设计，作用水头为渐变段起始断面全水头，水流自由跌入消力池。按照自由出流计算竖井管道泄流量，计算公式为：(25)(26)(27)式中：——管道系统流量系数；A——管道断面面积；d——管道内径；l——管道计算段长度；H0、H——包括行近流速水头和不包括行近流速水头的作用水头；l——沿程水头损失系数；∑x——管道计算段中各局部水头损失系数之和。计算结果如下表：表18竖井水力计算成果表Table18Hydrauliccalculationresultsofshafts设计流量竖井半径进口流速井长水力半径水头过流面积糙率谢才系数沿程损失系数局部损失系数管道系统流量系数泄流量QrLRAnClSx1.900.506.702.600.250.430.790.01738.690.040.410.781.791.900.456.702.600.230.350.640.01737.880.040.410.791.32综合竖井安全等因素考虑，选取竖井管道内径d=1.0m。42 （4）竖井出口消力池竖井泄洪管道沿隧洞洞线斜靠山坡布设，在隧洞顶板开口泄流，水流直接跌入消力池中，形成自由跌水，其消能池尺寸按照垂直墙式跌水，按下列经验公式计算：跌落水舌长度(28)水舌后水深(29)收缩水深(30)跃后水深(31)水跃长度(32)池深(33)池长(34)式中：q——单宽流量；ht——消力池下游水深。计算得竖井管道出口消力池尺寸如下表19。表19竖井水力计算（按跌水）Table19Shafthydrauliccalculation(inwater)设计流量Q竖井半径r跌水深度P单宽流量qD　跌落水舌长ld水舌后水深hp收缩水深hc跃后水深h"c水跃长度lj池深s池长ls1.9000.53.51.900.0336.2701.8260.3502.4183.9602.04.0因放水箱涵宽度为1.2m，较竖井管道直径1.0m大，但消力池还需考虑安装放水闸门，故选取消力池宽度为4.0m，长度为4m，池深2.0m，消力井壁为60cm厚，均采用C25钢筋砼结构。消力池底板厚度计算：消力池底板厚度根据抗冲和抗浮的要求，分别按以下公式进行计算，并取大值42 抗冲(35)抗浮：(36)式中t——消力池底板始端厚度（m）；△H＇——泄水时的上、下游水位差（m）；——消力池底板计算系数采用0.15～0.20；——消力池底板安全系数采用1.1～1.3；u——作用在消力池底板底面的扬压力（Kpa）；W——作用在消力池底板顶高的水重（Kpa）；pm——作用在消力池底板上的脉动压力。（Kpa）；rb——消力池底板的饱和重度（KN/m3）；经计算：t抗冲=0.58m，t抗浮=0.33m。综合考虑，取消力池底板厚度为1.0m。底板设置200mm厚反滤层及D=50mm的PVC排水管排水。泄洪涵洞设计（1）箱涵过流能力计算箱涵为钢筋砼，尺寸为净宽1.2m、净高1.6m，放水坡降i=0.005，，糙率n=0.017。经过计算，在无压状况下最大过水流量Q=1.0m³/s，Q大于设计灌溉流量Q设=0.1m³/s，故满足要求。（2）箱涵结构计算(a）示意图：(b）基本设计资料42 几何信息：箱涵孔数n=1孔净宽B=1.200m孔净高H=1.600m底板厚d1=0.400m顶板厚d2=0.400m侧墙厚d3=0.400m加腋尺寸t=0.200m(c)荷载标准值计算：垂直压力计算：垂直土压力计算公式如下：计算得到作用于顶板上的垂直土压力：qv1=158.948kN/m顶板自重：qv2=d2×25=10.000kN/m作用于顶板上的垂直压力：qt=qv1+qv2=168.948kN/m侧墙和隔墙自重作用于底板：qv3=16.000kN/mqv1=Ks×γ×Hd作用于底板上的垂直压力：qd=qv1+qv2+qv3=184.948kN/m侧向水平土压力计算：水平土压力计算公式如下：qh=γ×H×tan2(45°－φ/2)(37)计算得到侧墙顶部水平土压力：qh1=84.099kN/m计算得到侧墙底部水平土压力：qh2=101.240kN/m外水压力计算：侧墙底部外水压力：qw1=9.81×3.500=34.335kN/m侧墙顶部外水平压力：qw2=9.81×1.500=14.715kN/m作用于底板的外水压力：qw3=9.81×3.500=34.335kN/m作用于顶板的外水压力：qw4=9.81×1.500=14.715kN/m汽车荷载：由《通规》第4.3.1条规定并考虑车辆荷载的相互作用得到：qq=1.746kN/m，顶部、底板均承受汽车荷载汽车荷载产生的作用于侧墙水平土压力为：qqh=qq×tan2(45°－φ/2)=0.94kN/m(d)附加均布荷载产生的水平土压力：附加均布活荷载产生的作用于侧墙水平土压力为：42 qfh=Pf×tan2(45°－φ/2)=10.18kN/m附加均布活荷载产生的作用于侧墙水平土压力为：qfh"=qf×tan2(45°－φ/2)=2.68kN/m经计算，各项都满足规范要求。(3)洞身段加固设计沿原输水涵管的设计轴线进行挖除，新建输水箱涵长54m，采用C25钢筋砼结构，采用净尺寸为（宽×高）1.2m×1.6m，并分别增设三道C25砼截渗墙，出口新建消力池。大坝坝体由坝顶74.0m开挖，底部施工面开挖宽度为3.0m。右岸开挖至坝肩岩层，开挖坡比视施工实地情况确定；坝体开挖坡比1:1.5，开挖边坡高于3.0m需要设置平台，平台宽2.0m。进出口开挖坡比均为1:1，根据施工工艺及坡坡稳定，回填断面坡比应大于等于1:3.0。新建箱涵长度为54m，洞身段采用C25钢筋砼结构，净尺寸为（宽×高）1.2m×1.6m，并分别增设三道C25砼截渗墙，输水箱涵纵坡为i=1/270。新建箱涵每隔10m需设置分缝，分缝间采用为铜片止水；再用粘土人工夯实回填，有效的防止洞身与坝基的接触渗流。(4)出口新建消力池出口新建消力池，消能方式为底流消能。消力池长3m，池深0.5m，底板及尾槛为钢筋砼结构，侧墙采用M7.5浆砌石砌筑挡墙，边墙顶宽为0.4m，临水面垂直，背水面坡比为1：0.4。(5)启闭坡设计考虑进出口开挖要求，以及使进出口近于垂直等高线走向，由于隧洞为无压隧洞，为控制隧洞的泄流与安全，在竖井进口消力池处设置控制闸门，利用闸门的开启度控制隧洞的过水流量。闸门为φ0.4m的斜拉式圆形平板铸铁闸门，闸门底端高程为113.0m。根据下游灌溉面积的需水量计算流量为1.0m3/s可满足下游灌溉要求。为满足使用要求，设计引用流量1.0m3/s，洞底板高程初定如下：进口高程113.00m，底板高程与竖井进口消力池底板一致，高程为109.25m。本次设计在输水涵洞进水口设置平板铸铁闸门一扇，尺寸为D400，闸门型式为PGZ整体平板铸铁闸门，采用1台5tQL型手电两用螺杆式启闭机启闭，启门力50KN，闭门力25KN，拉杆采用滚轮式联动支架固定，隧洞所需的启闭机、闸42 门等金结设施均向专业厂家订购，厂家根据闸门的主要参数（闸门尺寸、启闭力大小）进行制作安装。输水涵洞启闭房座落在大坝左端上游山坡上，房内高程为73.65m，进口消力池与启闭机房铺设30cm厚C20钢筋砼拉杆基础面板，底部每隔2m设置一处防滑齿，斜拉门拉杆基座固定在基础上。启闭拉杆左侧设置1.0m宽踏步。4.5引水渠改造设计由于水库集雨面积较小，水量主要依靠长沙县乌川水库的一条灌溉渠提供水量，根据设计人员现场踏勘，目前，现状渠道大部分都已损毁严重，本次设计主要在原有渠道上进行加固设计，长度320m：根据已知引水渠断面尺寸和水力参数，采用明渠均匀流公式计算引水渠设计过流量，详见水力计算成果表4。4.6水文观测设施设计由于水库原来没有任何观测设施，为方便水库管理调度，本次设计增设大坝水库水位等观测设施。根据《水库大坝安全管理条例》和大坝观测设计有关规范，对工程观测设施进行设计。水库属Ⅴ等工程，大坝属5级建筑物，其观测项目为：巡视检查，水文观测（上、下游水位）等项目。4.6.1水位观测根据工程实际，环境量观测包括库水位观测、下游水位观测：库水位观测设在上游坡，安装库水位尺，以死水位作安设高程，一米一根。4.6.2观测设施配置及工程量为上述观测项目配置的观测设施见下表20。表20观测设备配置表Table20Configurationofobservationequipment序号观测设备单位数量1踏步水位尺个12.002翻斗式雨量计台1.005结论本次设计师根据榨叶冲水库的实际情况，结合当地的水文气象条件与工程地质状况，针对榨叶冲水库出现的上游坝体破损严重、下游局部変形、坝体、坝肩漏水严重、输水涵放水涵管老化、溢洪道泄洪断面不足、底板和边墙溢混凝土护砌，施工质量较差、出口无消能设施等情况进行整改，解决这些危害周边居民生42 命财产安全隐患，保障周边居民的人身安全及社会利益。经过这次设计，我体验了这个设计的过程，在自己的专业知识和专业意识方面都得到了极大的提高，讲在大学期间学到的内容进一步巩固加深，提高了自己的综合素养。这次设计使我受益匪浅，也让我认识到了自己不足之处，还有很多东西需要去学习，还要更加努力踢提高自己。参考文献[1]防洪标准[S].GB50201─94.北京：中国水利水电出版社，1999.[2]碾压式土石坝设计规范[S].SL274─2001.北京：中国水利水电出版社，2002.[3]水利工程水利计算规范[S].SL104─45.北京：中国水利水电出版社，1995.[4]水利水电工程洪水设计规范[S].SL44─1993.北京：中国水利水电出版社，1994.[5]水利水电工程等级划分及洪水标准[S].SL252─2000.北京：水利水电出版社，2000.[6]水利水电工程初步设计报告编制规程[S].DL5021─93.北京：水利水电出版社，2013.[7]溢洪道设计规范[S].SL253─2000.北京：中国水利水电出版社，2002.[8]水利水电工程钢闸门设计规范[S].SL74─95.北京：中国水利水电出版社，1995.[9]土石坝安全监测技术规范[S].SL60─94.北京：中国电力出版社，1995.[10]土坝坝体灌浆技术规范[S].DL/T5238-2010.北京：水利电力出版社，2010.[11]水利水电工程制图标准[S].SL73─95.北京：中国水利水电出版社，1984.[12]詹道江,叶守泽.工程水文学.[M].第三版.北京：中国水利水电出版社，2007.[13]水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（DL/T5148-2012）.[S].北京：中国电力出版社，2012.[14]吴持恭.水力学[M].第四版.北京：高等教育出版社，2008:36-52.[15]麦家煊.水工建筑物[M].第四版.北京：清华大学出版社，2004:112-156.[16]钮新强.水库病害特点及除险加固技术[J].岩土工程学报,2010:7(15)20-32.[17]刘启钊.水电站[M]第四版北京：中国水利水电出版社，1997:22-54.[18]叶守泽.水文水利计算[M]．北京：中国水利电力出版社，1995:138-164.[19]SherardJL,GizienskiSFandClevengerWAEarth-RockDams[M].JohnWileyandSons,2000,[20]NashDAComparativeReviewofLimitEquilibriumMethodsofStabilityAnalysis.In:AndersonMGandRichardsKSslopeStability[M].JohnWileyandSons,2004.42 致谢本设计是在王辉老师的悉心指导和热情关怀下完成的。王辉老师热情负责，非常热心的帮助我们完成此次设计，大大提高了我们完成设计的进度，帮助我们解决了很多遇到的困难。同时王辉老师对于学术的严谨、认真负责的态度，帮助我们改正了很多设计中不严谨的部分。没有王辉老师的帮助和指导，此次设计无法圆满完成，在此诚挚的感谢王辉老师的指导。同时在此感谢学校，学校尽心培养了我们，让我们在此度过了美好的四年时光。这四年里我们大大的提高了自身的综合素质，从一个懵懂的少年开始过渡到一个将要迈入社会的青年，这都离不开学校对我们的培养。再次感谢学校与老师！附录附录1榨叶冲地理位置图附录2新建泄洪洞进口及启闭坡剖视图附录3大坝加固后典型剖视图附录4竖井溢洪道及消力井结构图附录5消力池平面布置图附录6启闭机房平面结构图附录7新建泄洪洞进口消力井及启闭坡平面及剖视图附录8竖井泄洪道及消力池结构图附录9上游坝坡大样图附录10进水口大样图附录11输水涵洞结构图附录12箱涵出口消力池平面图42'