湖南省怀化市鹤城区四十湾水库除险加固工程设计 毕业设计

'XX水利水电学院毕业设计题目：湖南省怀化市鹤城区四十湾水库除险加固工程设计专业水利水电工程姓名学号指导教师2013年3月25日 摘要：湖南省怀化市鹤城区四十湾水库除险加固工程初步设计。对四十湾水库地理位置、流域、气象、水文等数据进行收集，通过设计洪水复核、设计洪水分析计算、水库调洪计算、水库抗洪能力复核、大坝渗流计算、大坝抗滑稳定计算、溢洪道泄流能力复核、溢洪道消能防冲计算等计算及演算，设计了四十湾水库除险加固方案。包括：1、大坝：坝基、坝肩及大坝坝身进行防渗处理；大坝进行加高培厚，调整上、下游坝坡坡比并护坡，上游防浪刷处理；增设大坝下游排水设施，以降低坝身浸润线。2、溢洪道：整修建溢洪道、泄槽、增设消力池，并采用相应的抗腐蚀性混凝土；对溢洪道两侧山坡进行整理、护砌并作好防渗排水设施。3、输水涵管：对输水涵进行封堵灌浆处理；新建输水建筑物，并采用相应的抗腐蚀性混凝土。4、放水卧管：对放水涵进行封堵灌浆处理；新建放水建筑物。5、大坝监测系统:增设大坝观测设施。6、上坝公路:改造上坝公路、增设通讯设施，以满足防汛要求。最终通过水库除险加固设计方案满足水库安全及灌溉要求。关键词：四十湾水库；除险加固；设计方案 目录四十湾主要工程特性表11．综合说明31.1概述31.1.1工程概况31.1.2工程存在的病险问题41.1.3水库大坝安全鉴定报告的主要结论41.1.4除险加固的必要性51.2水文及调洪演算61.2.1流域概况61.2.2气象61.2.3设计洪水复核61.2.4调洪演算71.2.5抗洪能力复核71.3工程地质71.3.1大坝坝基、坝肩主要工程地质条件71.3.2输水涵管工程地质条件81.3.3溢洪道工程地质条件81.3.4新建放水隧洞工程地质条件81.3.5天然建筑材料91.3.6主要工程地质问题的结论性意见91.4工程任务和规模101.5除险加固设计101.5.1大坝除险加固设计111.5.2输水建筑物除险加固设计121.5.3溢洪道加固设计131.5.4防汛公路加固设计131.5.5安全监测设计131.5.6金属结构141.5.7白蚁整治工程141.6水土保持和环境保护设计141.6.1水土保持设计141.6.2环境保护设计152水文162.1流域概况162.2气象16 2.3基本资料162.4洪水162.4.1暴雨洪水特性162.4.2设计暴雨172.4.3设计洪水分析计算182.4.4施工洪水192.5水库调洪计算192.5.1水库调度原则192.5.2基本资料202.5.3调洪计算222.6水库抗洪能力复核222.6.1水库大坝坝顶高程复核222.6.2溢洪道控制段导墙顶部高程复核243工程地质253.1概述253.2工程区地质概况263.2.1地形地貌263.2.2地层岩性263.2.3地质构造273.2.4物理地质现象273.2.5水文地质273.2.6坝基主要工程地质问题与评价283.3各附属建筑物工程地质条件及评价283.3.1溢洪道工程地质条件及评价283.3.2放水隧洞工程地质条件及评价293.3.3灌溉输水涵管303.4坝体工程地质特性303.4.1坝体填土组成及分区303.4.2填土物理力学特性313.4.3坝体填筑质量评价393.5.4坝体主要问题及评价393.5工程处理措施建议403.6天然建筑材料403.6.1砂砾石料413.6.2块石料413.6.3土料413.7结论及建议42 3.7.1结论423.7.2建议424.除险加固设计444.1工程任务和规模444.2主要加固项目444.3设计依据454.3.1工程等别与建筑物级别454.3.2设计基本资料464.4加固设计494.4.1大坝494.4.2溢洪道除险加固设计664.4.3大坝输水涵管加固设计704.4.4防汛公路加固设计724.4.5安全监测设计724.6金属结构754.6.1概述754.6.2.设计依据及标准754.6.3放水隧洞进口闸门及启闭设备764.6.4本项目金属结构及设备工程量表：77参考文献78致谢79附图：80 四十湾主要工程特性表序号项目单位原设计安全鉴定本次设计备注一水文1控制流域面积km24.44.44.42干流长度km2.942.942.943干流平均坡降‰1313134多年平均降雨量mm1427142714275最大年降雨量mm6多年平均径流量万m3/s二洪水1设计洪水（重现期）年5050502校核洪水（重现期）年5005005003设计洪峰流量m3/s92.192.14校核洪峰流量m3/s56.156.15设计下泄流量m3/s22.422.46校核下泄流量m3/s37.837.8三水库1水库水位正常蓄水位m299.96299.96299.96设计洪水位m300.8301.31301.31校核洪水位m301.02301.45301.45死水位m258.4258.4272.702库容总库容万m3366366366正常库容万m3328.5328.5328.5死库容万m3353537.5四主要建筑物1挡水建筑物坝型土坝坝顶高程m302.91302.91303.48最大坝高m45.445.446.4832 四十湾主要工程特性表序号项目单位原设计安全鉴定本次设计备注坝顶轴线长度m130130128.80坝顶宽度m4.54.55.02泄水建筑物型式侧槽式溢洪道堰顶高程m300.0300.0300.0溢流孔口数量孔111溢流孔口宽度m121210消能方式底流消能无3输水涵管型式砼城门洞型断面尺寸m0.6×1.20.6×1.21.2×1.6宽×高进口底板高程m268.0268.0277.80设计流量m3/s0.50.50.54放水卧管型式钢筋砼圆形涵废弃封堵断面尺寸mφ1.0mφ1.0m闸门型式人工拔插塞五工程效益1设计灌溉面积万亩0.820.820.822防洪效益（保护耕地）万亩0.20.20.23保护人口万人0.960.960.96六工程投资1静态投资万元1922.752工程总投资万元1922.7532 湖南省怀化市鹤城区四十湾水库除险加固工程设计1．综合说明1.1概述1.1.1工程概况四十湾水库位于怀化市鹤城区芦坪乡坪星村，属沅水流域长谭溪二级支流，其枢纽工程距枝柳铁路7km，距209国道16km，交通较为方便。该水库是一座以灌溉为主，兼顾防洪，养殖等综合效益的小（1）型水库水利工程。水库设计灌溉8200亩，有效灌溉6230亩，最大实灌5100亩，供水量460万m3。该水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水涵洞、放水卧管等建筑物组成。该工程属Ⅳ等工程，主要建筑物等级为4级，次要建筑物为5级。水库坝址以上集雨面积4.4km2，干流长度2.94km，干度坡降13‰，多年平均降雨量1427mm，水库设计洪水位标准为50年一遇，设计洪水位为301.31m，校核洪水标准为500年一遇，校核洪水位为301.45m，正常蓄水位299.96m，总库容366万m3，兴利库容328.5万m3，死水位272.7m,为年调节水库。大坝为均质坝，坝顶高程303.48m，最大坝高45.4m，坝顶轴线长128.8m，坝顶宽8.2m，上游坝坡坡比从上至下1:2.23、1:1.355,下游坝坡坡比从上至下1:2.314、1:2.177、1:2.533。溢洪道位于大坝右岸，堰顶高程300.0m，堰顶宽10m，堰型为宽顶堰，自由出流式，泄槽底板为强风化下部岩石，较为破碎，下游无消能设施。输水涵洞位于左岸坝体内，为钢筋砼圆涵，全长250m，断面尺寸Φ=1.0m，进口高程267.15m，出口底板高程264.65m，纵坡i=1/100。卧管位于大坝左岸山坡，为钢筋砼结构，全长85米，断面尺寸Φ=1.0m，共有12个放水孔，孔口尺寸0.4×0.4m，铸铁翻板闸门控制放水。32 该水库枢纽工程始建于1977年9月，1979年12月竣工，设计单位为原怀化市水利水电局，施工单位为芦坪乡组织群众投工投劳修建。目前主要存在安全隐患：①大坝存在渗漏、散浸现象，坝顶高程及宽度不够，坝坡稳定不够，无排水棱体等问题；②溢洪道没有护砌，下游冲淤严重，无消力池；③涵管开裂、存在严重渗漏及启闭设备老损等问题，放水卧管严重漏水、进水口严重损坏。1.1.2工程存在的病险问题（1）大坝内坡坡度过陡且无防浪护坡，浪蚀严重，局部出现冲刷塌陷现象。下游无排水棱体。施工中坝基及岸坡处理未彻底，坝基填筑质量差，坝基、坝肩浅层岩体渗水率较大，存在坝基、坝体渗漏及绕坝渗漏问题，库水位299.96m时，坝基、坝体及坝肩绕坝渗漏量达9L/s，下游坝面有散浸，坝顶高度与宽度不够,严重威胁大坝安全。（2）泄水建筑物溢洪道出口无消能设施，且两岸山坡过陡，常有滑坡现象，影响溢洪道安全运行。（3）输水建筑物输水涵洞漏水较大，库水位299.96m时，其渗漏量达5.2L/S,且断面尺寸较小，运行检查、维修很不方便。放水卧管砼及金属结构老化严重，且多次穿孔漏水。（4）其它大坝坝体无任何观测设施，防汛公路为单行道泥土路面，路口狭窄，无排水沟，路面坑洼，晴通雨阻，对防汛抢险构成安全隐患。防汛仓库严重破损，给防汛抢险带来安全隐患。1.1.3水库大坝安全鉴定报告的主要结论《四十湾水库大坝安全鉴定报告书》对四十湾水库工程的安全鉴定结论为：工程质量不合格，运行管理综合评价差，大坝防洪安全等级为C级，大坝渗流形态评定为C级，结构安全性评定为C级，没有大型金属结构，水库大坝总体安全类别为三类。基于以上安全鉴定结论，安全鉴定报告书最后对四十湾水库的运行管理或除险加固的意见和建议为：1）大坝：针对大坝存在的渗漏、散浸，坝顶高程及宽度不够，坝坡稳定不够，无排水棱体等问题，建议：32 ①对大坝坝基、坝肩及大坝坝身进行防渗处理；②对大坝进行加高培厚，调整上、下游坝坡坡比并护坡，上游防浪刷处理；③增设大坝下游排水设施，以降低坝身浸润线。2）溢洪道：针对溢洪道非正式、下游冲淤严重等问题，建议：①整修建溢洪道、泄槽、增设消力池，并采用相应的抗腐蚀性混凝土；②对溢洪道两侧山坡进行整理、护砌并作好防渗排水设施。3）输水涵管：针对涵管开裂、存在严重渗漏及启闭设备老损等问题，建议：①对输水涵进行封堵灌浆处理；②新建输水建筑物，并采用相应的抗腐蚀性混凝土。4）放水卧管：针对放水卧管严重漏水、进水口严重损坏等问题，建议：①对放水涵进行封堵灌浆处理；②新建放水建筑物。5）大坝监测系统①增设大坝观测设施。6）上坝公路①改造上坝公路、增设通讯设施，以满足防汛要求。1.1.4除险加固的必要性水库有效灌溉6230亩，最大实灌5100亩，供水量460万m3，其位置居高临下，保护下游乡政府、村庄、学校，人口9600余人，枝柳铁路7km，209国道3km的安全，同时对下游15km处的老里碑水库（库容961.7万m3）的正常运行和安全起了很大的调节保障作用。如水库失事将直接威胁下游上万人的生命财产安全。经安全鉴定，水库大坝总体安全类别为三类，存在重大安全隐患，不能正常运行，因此，有必要对该水库进行除险加固处理。鉴于工程上述病险问题，在《湖南省鹤城区四十湾水库大坝安全评价报告》的基础上，针对湖南省怀化市水利局《四十湾水库大坝安全鉴定报告书》建议与意见，受业主委托，我院组织赴现场查勘，收资及补充勘探，为初步设计提供了可靠依据，于32 2011年5月进行了本工程初步设计报告的编制。1.2水文及调洪演算1.2.1流域概况四十湾水库位于怀化市鹤城区芦坪乡坪星村，地处东经110°00′46″，北纬27°37′9″，属沅水流域长谭溪二级支流，其枢纽工程距枝柳铁路7km，距209国道16km。水库坝址以上集雨面积4.4km2，干流长度2.94km，干度坡降13‰。1.2.2气象本区域位于属亚热带季风湿润气候区，四季分明，雨量充沛，温热潮湿，日照长，霜期短。根据怀化市气象站历年实测气象资料统计，气象要素如下：多年平均气温16.6℃，极端最高气温39.6℃（1971年7月27日），极端最低气温-10.7℃（1977年1月30日）；多年平均年降雨量1427mm；多年平均蒸发量1301.5mm。历年平均日照小时1480h；多年平均相对湿度81%；多年平均风速1.8m/s，实测最大风速20.7m/s，风向NE（1976年4月22日）。1.2.3设计洪水复核四十湾水库水库所在支流无水文测站，库区内也没有雨量站，因此，本次设计洪水的复核采用暴雨推求洪水的方法来推算设计洪水。本工程位于湖南省产流分区的第三区，Io=25mm。本次采用《湖南省暴雨洪水查算手册》中的推理公式及经验单位线法计算四十湾水库设计洪水。成果见下表。表1.2.3-1四十湾水库设计洪水成果表计算方法项目各频率设计值（%）0.225推理公式Qm（m3/s）92.156.144.5W总（万m3）152.8102.884.76由于无实测水文资料，本次采用暴雨推算洪水的方法来推算施工期洪水，施工期(11～2月)设计暴雨根据邻近怀化雨量站建站～2007年暴雨资料进行频率计算推求，经计算施工期(11～2月)设计最大流量为3.89m3/s，24小时洪水总量12.7万m3。1.2.4调洪演算本次计算采用无泄量控制的方式，从正常蓄水位300m32 起调，当入库流量大于溢洪道的泄流能力时，库水位上涨，水库滞洪；至入库洪水流量等于溢洪道的泄流能力时，水库水位达到该次洪水的最高水位；随后，入库洪水流量小于溢洪道的泄流能力，库水位下降。表1.2.4-1四十湾水库调洪结果表洪水频率（%）洪峰流量（m3/s）最高坝前水位（m）最大泄量（m3/s）0.292.1301.4537.8256.1301.3122.4544.5300.9217.6原设计洪水位为300.8m，校核洪水位为301.02m，本次计算结果略高，以本次复核计算结果来进行安全评价。1.2.5抗洪能力复核根据《碾压式土石坝设计规范》（SDJ274-2001），水库大坝的坝顶高程等于水库静水位与超高之和。根据水库的实际情况，库水位与超高按以下三种不同运用条件计算，取相应组合的最大值作为水库大坝的设计坝顶高程。根据计算结果，四十湾水库大坝坝顶高程不得低于303.18m，大坝现有坝顶高程为302.91m，未能满足挡洪要求。四十湾水库溢洪道为开敞式无闸门控制，溢洪道控制段导墙顶部高程在泄洪时不得低于校核洪水位加安全超高0.3m，因此四十湾水库溢洪道控制段导墙顶部高程不得低于301.75m，而现有挡墙顶高程为299.5m，不满足行洪要求；在挡水时不低于设计洪水位加波浪计算高度和安全超高301.31，不满足挡洪的要求。1.3工程地质坝址区河谷基本对称的“V”字型，河谷宽20~30m，河床高程257.0m左右，两岸地形基本对称，自然坡角为30～35˚，相对高差较大，基岩大面积出露，风化剥蚀较为强烈，局部第四系残坡积层零星覆盖。1.3.1大坝坝基、坝肩主要工程地质条件河床坝基为泥盆系中统紫灰色中厚～厚层状含砾石英砂岩、泥质粉砂岩夹页岩及碳质页岩，岩层产状N40°～50°E，SE∠60°～65°，坝基浅部岩体为强风化状态，由于节理裂隙的切割，上部岩体相对较破碎，钻孔压水试验其透水率q＝32 15.2～18.0Lu，为中等透水带。另外据当地反应，施工时，只对坝基表部风化岩体进行了简单开挖后既进行填筑，也没有作防渗处理，从而为坝基渗漏留下隐患。坝肩渗漏主要发生在坝体与山体接触带部位，其表现形式为散浸和渗水。根据水库多年运行观测资料，随库水位升高，散浸面积扩大，渗水处流量增大。渗漏产生的原因一是坝基表部的第四系松散堆积物没有彻底清除，直接将坝体填筑在孔隙度偏大，结构较松散的残坡积土层上，从而形成了坝肩接触部位的渗漏带。1.3.2输水涵管工程地质条件灌溉放水涵管位于大坝左岸，为Φ1.0m的现浇钢筋混凝土有压圆形坝下涵，进口底板高程268.00m，无闸门控制，上游处采用放水卧管控制。根据调查和运行观测资料，放水涵管主要存在严重腐蚀、脱落，多处地方钢筋裸露。通过初步分析认为，大坝修筑时材料选料不严，施工质量比较差，在多年运行过程中，由于水流冲刷，造成上述现象。1.3.3溢洪道工程地质条件溢洪道沿线出露地层为泥盆系中统紫红色中厚～厚层状含砾石英砂岩夹页岩及炭质页岩，岩层产状N45°～50°E，SE∠60°～65°，倾向右侧坡内偏小游，未见断层发育。溢洪道边坡岩体比较破碎，强风化深度5~8m。溢洪道边坡岩体经常发生小规模的崩塌、滑坡变形破坏，并使其堵塞。1.3.4新建放水隧洞工程地质条件隧洞进口明挖段地面高程268.5~312.5m，坡高50m，基岩裸露，岩性为为泥盆系中统紫红色中厚～厚层状含砾石英砂岩夹页岩及炭质页岩。强风化带下限埋深5m~7m。洞脸边坡岩体呈强风化状，节理裂隙发育，节理与层面组合将岩体切割成棱形块体，完整性较差，存在洞脸边坡沿结构面组合滑移边坡稳定问题。洞身段上覆围岩为中厚～厚层状含砾石英砂岩夹页岩及炭质页岩，岩层产状N45°～50°E，SE∠60°～65°，走向与洞轴线近于直交。大部分洞段处于强风化带内，围岩类别属Ⅲ类，欠稳定围岩，地下水活跃，自稳能力较差，存在沿结构面组合的掉块现象。其它洞段为弱风化状，岩体完整性较好，围岩类别属Ⅱ类围岩，自稳能力较好，32 1.3.5天然建筑材料1）砂砾石料工程区附近一带无砂砾石料，均需在20km以外的舞水沿河一带的采砂场购买。砂的质量满足设计要求，砾石成分以石英砂砾、砂岩、灰岩为主，磨圆度较好，采砂场有各种不同级配的粗骨料供应，可满足设计要求，采砂场有公路可抵大坝，运距12km。2）块石料大坝两岸附近一带主要分布地层为泥盆系中厚～厚层状含砾石英砂岩夹页岩及炭质页岩，岩性软硬相间，可选择含砾石英砂岩做为块石料。。3）土料大坝左、右岸山坡附近料场一带表部有0.5m左右的耕植土，据现场调查：有用层厚度2~3m，储量在60×104m3。本料场与大坝有简易公路相通，运距较近。土料粘粒含量28.0%~32.0%，塑性指数21.8~26.1，渗透系数＜10-5cm/s，天然含水量20.0~23.5％，最大干容重1.69g/cm3，最优含水量24.6％，该土料场粘粒含量偏高，其它各项质量指标符合要求，土料质量一般。1.3.6主要工程地质问题的结论性意见（1）工程区地处新华夏构造体系雪峰山隆起带南西段，附近无大的区域断层通过，根据1:400万《中国地震动峰值加速度区划图》及《中国地震动反应谱特征周期图区划图》（GB18306-2001），本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，相应地震基本烈度为Ⅵ度，属相对稳定地块。（2）大坝为斜墙土坝，坝体填土均为砾质重粉质壤土、砾质粉质粘土。调查表明，坝体填筑质量较差，碾压疏密不一，结构较松散，干密度大小不一，渗透系数偏大，部分坝段坝身存在渗漏、散浸及变形现象。（3）由于施工清基不彻底，尤其两岸坝肩仍残留有第四系松散堆积的残坡积层，以致存在接触带渗漏，并且随库水位升高，渗漏量相应增加，渗漏量的变化与库水位具有较好的相关关系。（4）坝基地层主要为泥盆系中统紫灰色中厚～厚层状含砾石英砂岩、泥质粉砂岩夹页岩及碳质页岩32 。上部岩体比较破碎，多为强风化，透水率较大，加上前期防渗处理效果差，是坝基渗漏的主要原因。（5）溢洪道左侧边坡表部岩体因节理裂隙切割，完整性较差，加之风化影响，在重力、降雨等因素的作用下，经常发生崩塌，并使其堵塞，危及建筑物的安全。（6）放水卧管因施工质量较差，加之多年运行中水流冲刷等影响，存在严重腐蚀、脱落，多处地方钢筋裸露等，危及大坝安全。（7）拟建引水隧洞进、出口属Ⅲ类围岩，存在有沿结构面与层面组合块体掉块及塌落。出口边坡为顺层边坡，有沿层面与结构面组合体滑移的稳定问题。1.4工程任务和规模水库坝址以上集雨面积4.4km2，干流长度2.94km，干度坡降13‰，多年平均降雨量1427mm，水库设计洪水位标准为50年一遇，设计洪水位为301.31m，校核洪水标准为500年一遇，校核洪水位为301.45m，正常蓄水位299.96m，总库容366万m3，兴利库容328.5万m3，死水位272.7m,为年调节水库。该水库是一座以灌溉为主，兼顾防洪，养殖等综合效益的小（1）型水库水利工程。水库设计灌溉8200亩，有效灌溉6230亩，最大实灌5100亩，供水量460万m3，其位置居高临下，保护下游乡政府、村庄、学校，人口9600余人，枝柳铁路7km，209国道3km的安全，同时对下游15km处的老里碑水库（库容961.7万m3）的正常运行和安全起了很大的调节保障作用。如水库失事将直接威胁下游上万人的生命财产安全。因此，有必要对该水库进行除险加固处理。本次设计主要考虑水库安全，确保水库正常运行,并通过除险加固使水库达到设计的灌溉效益。根据水库设计标准、运行要求及存在的问题，确定水库工程除险加固的主要任务是：加固大坝、溢洪道和输水涵洞等建筑物，完善工程运行、管理及防汛设施，达到原设计的蓄水和防洪能力，确保水库大坝安全，充分发挥本工程的社会和经济效益。1.5除险加固设计根据水库大坝安全评价报告及怀化市水利局对本工程的鉴定意见，结合本工程实际情况，对工程存在的问题和安全隐患进行除险加固设计，除险加固措施如下：32 1）大坝：针对大坝存在的渗漏、散浸，坝顶高程及宽度不够，坝坡稳定不够，无排水棱体等问题，建议：①对大坝坝基、坝肩及大坝坝身进行防渗处理；②对大坝进行加高培厚，调整上、下游坝坡坡比并护坡，上游防浪刷处理；③增设大坝下游排水设施，以降低坝身浸润线。④对大量白蚁进行整治。2）溢洪道：针对溢洪道非正式、下游冲淤严重等问题，建议：①整修建溢洪道、泄槽、增设消力池，并采用相应的抗腐蚀性混凝土；②对溢洪道两侧山坡进行整理、护砌并作好防渗排水设施。3）输水涵管：针对涵管开裂、存在严重渗漏及启闭设备老损等问题，建议：①对输水涵进行封堵灌浆处理；②新建输水建筑物，并采用相应的抗腐蚀性混凝土。4）放水卧管：针对放水卧管严重漏水、进水口严重损坏等问题，建议：①对放水涵进行封堵灌浆处理；②新建放水建筑物。5）大坝监测系统①增设大坝观测设施。6）上坝公路①改造上坝公路、增设通讯设施，以满足防汛要求。1.5.1大坝除险加固设计1）大坝防渗设计大坝防渗设计采用两个方案进行比较：坝体防渗采用粘土斜墙+土工膜方案，坝基防渗采用帷幕灌浆；坝体防渗采用冲抓套井回填+高喷灌浆方案，坝基防渗采用帷幕灌浆。推荐采用粘土斜墙+土工膜方案：对295.35m高程以上坝面铺设土工膜防渗，土工膜参数：HDPE150g+0.5mm+150g。295.35m高程以下采用粘土斜墙防渗，粘土斜墙渗透系数要求不大于10-6cm/s。土工膜四周伸入砼基座内，两侧砼基座以下设帷幕灌浆，使坝体与坝基形成一个封闭的防渗体系。坝基帷幕灌浆按q=10lu线控制，孔距3m。32 2）大坝结构加固设计（1）坝坡加固坝坡加固设计采用两个方案进行比较：坝轴线不变，培厚上、下游坝坡方案和坝轴线向下游移38.735m，迎水坡削坡，背水坡培厚的方案。推荐采用坝轴线不变，培厚上、下游坝坡方案：坝顶高程303.48m,上游边坡培厚至坡比1：2.5、1：2.5、1：2.75，马道高程分别为291.48m、279.48m，273.7m高程以上采用砼预制块护坡；下游边坡培厚至坡比1：2.8、1：3、1：3.5，马道高程分别为291.48m、278.88m，坡面采用草皮护坡。（2）大坝坝坡排水设计下游为草皮护坡，为避免雨水汇流冲刷坝坡，在下游坝坡面上设置纵、横排水沟。横向排水沟设置于马道处，采用矩形断面，底宽0.3m，起点深0.3m，设0.3%排水坡。纵向排水沟垂直坝轴线方向布置，在下游坝面与两岸交线处各设一条纵向排水沟，坝坡面上亦设置两条纵向排水沟，排水沟断面型式为矩形，底宽0.3m，深0.1m，纵、横排水沟相互连通。集水导排至坝脚范围以外，以免影响大坝安全。（3）排水棱体设计大坝下游坝坡排水棱体采取新建处理方法。新建棱体顶部高程为263.5m，顶部宽度为2m，两端伸入两岸山体。棱体上游坡比为1∶1，下游坡比为1∶2。棱体与坝体及坝基接触处分别设0.2m厚的粗砂及砂卵石反滤层和0.4m厚的块石层。1.5.2输水建筑物除险加固设计因原输水涵洞的断面尺寸较小(直径1m)，且漏水严重，不便于进洞进行处理，本次拟对其进行封堵，在大坝坝顶开挖直径2m的竖井，与涵管相接后，再往上下游各开挖尺寸1.5×1.8m的施工平洞，将涵管的浆砌石结构拆除，在上下游两端采用1m长的C20砼塞封堵，对平洞及竖井以粘土进行填筑，形成新的防渗体将底涵进行截断。根据地形及地质条件，新建灌溉引水隧洞布置于主坝左岸山体，隧洞长度为128.44m，为有压洞。隧洞进口用钢闸门控制；因隧洞引用流量不足1m3/s，按水力学计算经济断面过小，难以施工，因此，隧洞净空尺寸考虑施工及日常维护方便取为1.2×1.6m（宽×32 高），断面型式为城门洞形，隧洞全线纵坡为1%，全断面衬砌，衬砌厚度取为250mm。隧洞进口高程为277.80m，出口高程为276.70m，出口接消力池，消力池斜坡段长度为4.8m，坡比为1:3，消力池长度为7.35m，池底高程为275.10m，深度为1.6m，消力池下游接原渠道。1.5.3溢洪道加固设计本次设计对局部损坏的溢洪道底板和挡墙进行修复。新修复段铺设300mm厚C20钢筋砼底板，每隔10m分一道伸缩缝，分缝设止水。底板下设孔径50mm的盲管纵、横排水系统。泄槽两侧岩石不完整边坡采用100mm厚C20混凝土喷护，挂钢丝网。新建消力池，消力池采用两级消能方式，等宽矩形断面下挖式消力池。一级设计消力池池长15.0m，池深1.2m，消力池底板厚度600mm，底板设孔径50mm的PVC排水管，排水管间、排距2.0m，梅花形布置。二级设计消力池池长12.0m，池深1.2m，消力池底板厚度600mm，底板设孔径50mm的PVC排水管，排水管间、排距2.0m，梅花形布置。控制段导墙拆除重建：拆除原浆砌石挡墙，重新修建C15砼挡墙，墙顶高程301.75m，顶宽0.5m，挡土侧坡比1：0.5，挡墙设D50PVC排水管，排水孔间排距2m，梅花型布置。1.5.4防汛公路加固设计考虑在现有基础上进行适当的改善和扩建，路面进行削坡处理，降低路面坡降，重新铺设混凝土路面，控制路面坡降i≤5%；混凝土路面宽3m。改善公路两侧排水问题，在公路两侧开挖排水沟，排水沟为矩形断面，排水沟底宽0.3m，深0.3m。1.5.5安全监测设计本水库为小（一）型水利枢纽工程，根据《土石坝安全监测技术规范》(SL60-94)要求其观测项目为：巡视检查、大坝表面变形、大坝渗流量、坝体渗流压力、上、下游水位、降水量、气温等项目。设计采用全站仪进行水平位移和竖向位移的监测。在大坝左、右岸共设2个工作基点和4个校核基点，水准基点分别设在大坝下游左、右岸距坝轴线约1km处，在大坝共设置了2个观测断面共4个测点观测水平位移和竖向位移。渗流量采用量水堰法，在大坝下游侧240.2m32 的平台上导渗沟（排水沟）内设量水堰2个用以观测其流量，并观测渗水的浑浊度；大坝坝体渗流压力观测共设3个观测横断面，设3条观测铅直线以观测断面上的压力分布和浸润线的位置，并在左右两岸设3个渗流观测点，以观测两岸的绕坝渗流。渗流压力选用测压管，管内设扬压力计观测。在大坝上游设一把水尺，用以观测大坝上游水位。降水量是在坝区设1个雨量器观测坝区降水量。气温观测是设在坝区专用的百页箱内的自记温度计来进行坝址气温的自动记录。1.5.6金属结构放水隧洞进口依次布置检修门和工作门，孔口尺寸均为1.2m×1.6m，底坎高程均为277.80m，设计水头22.16m（至底坎）。考虑到两闸门孔口尺寸相同，布置位置靠近，为方便设计和施工，检修门和工作门采用相同的门页结构，为潜孔式平面定轮钢闸门。检修门平时存放于启闭机房，采用临时启闭设施静水操作（小开度提门平压）；工作门动水启闭，利用部分水柱闭门，采用一台型号为LQ-160的螺杆启闭机进行启闭操作。1.5.7白蚁整治工程四十湾水库白蚁普查发现以下情况。（1）在主坝下游坝脚左端或右端发现土栖黒翅大白蚁活动迹象多处。（2）在大坝两端山坡上发现土栖黒翅大白蚁和散白蚁活动迹象多处。（3）在大坝下游坡中部发现有少数危害迹象多处。为切实做到除险加固工程建设和白蚁防治工作两不误，所以白蚁工作要采取“以防为主，防治结合，综合治理：的原则，以无损修复技术为核心，配合生物防治法、物理机械防治法、化学防治和检疫防治法综合治理的白蚁主防治施工方案，分重、轻、急、缓四个步骤有序进行，确保大坝的安全正常运行。1.6水土保持和环境保护设计1.6.1水土保持设计32 本项目属于除险加固项目，项目区新增水土流失主要发生在项目建设过程中，除险加固施工完成后，生产运行过程中不需扰动地面，不会新增水土流失。本项目水土流失预测时段考虑按项目各分区工程施工期（含施工准备期）和施工结束后自然恢复期。根据枢纽除险加固工程的总体布置，经初步计算，项目施工扰动地面面积3.60万m2，临建占地2700m2，防汛公路和施工道路3300m2。根据工程分布的特点，项目建设区水土保持以工程措施为先导，项目建设施工工作面（或“点”）在施工期的水土流失结合建筑物建设给予以防治，防止暴雨洪水时施工面上的土、渣入河、入沟。在可能新增水土流失得以控制的前提下，通过“面”上草、林植被建设和土地复垦措施，保护新生地表，改善库区生态环境，使建设工程能充分发挥其效益。本工程水土保持投资6.73万元。1.6.2环境保护设计本工程的建设有利于项目区社会、经济、生态环境协调发展，促进项目区资源的持续利用，促进项目区国民经济的可持续发展。该工程在施工期将对地表植被、水土流失多方面造成破坏和影响，运行期对外河水质可能会造成一些污染，对工作人员会产生一定的噪声影响，但这些不利影响都是局部的、暂时的，只要对这些局部的破坏和影响采取必要的防治措施，这些暂时的不利影响即可消除，局部的环境破坏即可得以恢复。从环境保护角度分析，工程建设可行。本次环境保护设计主要为水环保措施、施工噪声防治措施、大气环境保护措施、施工区固体废弃物处理、人群健康保护措施等。对本工程而言，凡为避免工程施工造成的环境影响而采取的环境保护措施、监测手段以及相应的运行费，均列为环保投资。本工程环境保护投资5.38万元，其中专项环保投资0.72万元。32 2水文2.1流域概况四十湾水库位于怀化市鹤城区芦坪乡坪星村，地处东经110°00′46″，北纬27°37′9″，属沅水流域长谭溪二级支流，其枢纽工程距枝柳铁路7km，距209国道16km。水库坝址以上集雨面积4.4km2，干流长度2.94km，干度坡降13‰。该水库是一座以灌溉为主，兼顾防洪，养殖等综合效益的小（1）型水库水利工程。2.2气象本区域位于属亚热带季风湿润气候区，四季分明，雨量充沛，温热潮湿，日照长，霜期短。根据怀化市气象站历年实测气象资料统计，气象要素如下：多年平均气温16.6℃，极端最高气温39.6℃（1971年7月27日），极端最低气温-10.7℃（1977年1月30日）；多年平均年降雨量1427mm；多年平均蒸发量1301.5mm。历年平均日照小时1480h；多年平均相对湿度81%；多年平均风速1.8m/s，实测最大风速20.7m/s，风向NE（1976年4月22日）。2.3基本资料水库无水位流量测验资料，亦无暴雨观测资料。本次收集怀化、黔城雨量站实测暴雨资料，作为设计依据。2.4洪水四十湾水库所在支流没有水文站，库区内也没有雨量站，因此本次设计洪水的计算采用由暴雨推算洪水的方法来推算设计洪水，并以1984年9月湖南省水利水电厅编制出版的《湖南省暴雨洪水查算手册》（以下简称为《手册》）中所介绍的方法为主。2.4.1暴雨洪水特性根据气象资料分析，本流域处于中亚热带季风湿润气候区。流域内暴雨以由气旋所造成的锋面暴雨出现机会最多，范围一般属区域性，出现时间多为5～7月。台风暴雨出现机会不多，间有发生也一般在7月至9月。据统计，怀化以上流域地区多年平均降水量1248mm，4～9月份为汛期，降水量约占全年降水量的81.1%，降雨日数占全年雨日的61.1%。32 且水库集水面积小，河长短，坡降大，地形作用强烈，雨水汇集迅速，洪水峰形高瘦，骤涨陡落，表现典型的山区洪水特征。2.4.2设计暴雨2.4.2.1设计暴雨成果本次采用两种方法计算设计暴雨，一是由《暴雨洪水查算手册》查图求得，二是由怀化、黔城雨量站历年实测年最大24小时暴雨进行频率计算求得。一）《手册》暴雨查湖南省暴雨洪水查算手册，本工程位于湖南省暴雨一致区的第四区，流域中心年最大24小时暴雨均值为100mm，Cv=0.5，Cs/Cv=3.5。根据查得的统计参数，得各频率设计暴雨成果，见表2.4.2。二）实测暴雨本次收集了怀化雨量站（1972～2009年）、黔城雨量站（1951～2007年）历年实测最大24小时暴雨资料，进行频率计算，采用P-Ⅲ曲线适线，成果见表2.4.2。表2.4.2四十湾水库设计暴雨成果表测站或方法系列统计参数频率（%）备注均值CvCs0.20.3323.335怀化站1972～2009116.40.473.5381.7356.0269.5244.2223.9黔城站1951～2007108.80.513.5386358.9266.7239.9218.6采用《手册》成果～1985100.00.53.5348323.8241.8217.8198.8从成果表可以看出，怀化、黔城站实测暴雨成果要大于《手册》成果，由于《手册》为1985年出版成果，其采用各雨量站系列较短；考虑怀化、黔城站实测暴雨成果相差不大，本次推荐采用黔城站实测暴雨成果，与水库安全鉴定成果一致。2.4.2.2短历时设计暴雨各短历时设计暴雨按《查算手册》公式计算推求，即：1～6小时：6～24小时：其中，n2、n3由《查算手册》附图查得。32 2.4.2.3设计净雨过程由设计暴雨过程推求净雨过程，其中初损取I0＝25mm，R上/R总＝0.75～0.90。2.4.3设计洪水分析计算2.4.3.1设计洪水本工程位于湖南省产流分区的第三区，Io=25mm。本次采用《湖南省暴雨洪水查算手册》中的推理公式及经验单位线法计算四十湾水库设计洪水。方法一：推理公式法按《湖南省暴雨洪水查算手册》中的推理公式计算。计算公式如下：根据已知的净雨过程，自最大净雨强度开始向前后相邻时段连续累加，并除以相应的历时，得出时段平均最大净雨强度，点汇～τ相关线。根据已知的流域特征和汇流系数，进行试算。求出各频率设计洪峰流量。方法二：经验单位线法根据坝址以上流域地理特征，选定经验单位线，由前面计算的净雨过程推求设计洪水。成果见下表。表2.4.3-1四十湾水库设计洪水成果表计算方法项目各频率设计值（%）0.225推理公式Qm（m3/s）92.156.144.5W总（万m3）152.8102.884.76经验单位线法Qm（m3/s）79.348.340.9W总（万m3）152.8102.884.72从上表可以看出，推理公式成果要大于经验单位线法成果，由于水库处于无资料地区，其原设计资料亦部分缺失，无对比分析资料，从安全考虑，推荐采用推理公式成果。2.4.3.2设计洪水过程线32 四十湾水库地面设计洪水过程线采用《查算手册》径流分配系数法求得，地下水过程按等腰三角形法求得，地面地下径流过程叠加得各频率设计洪水过程线，成果见表2.4.3-2。表2.4.3-2四十湾水库设计洪水过程线表时段（1h）0.2%2%5%时段（1h）0.2%2%5%00.450.380.31110.37.626.04167.643.434.4128.676.665.28292.156.144.5137.355.934.70356.636.729.1145.854.893.88437.528.422.5155.404.523.59530.219.515.5164.954.143.28624.315.912.6174.503.762.98720.913.911.0184.053.392.69817.411.89.36193.603.012.39914.49.967.90203.152.632.091012.08.576.80212.702.261.792.4.4施工洪水根据施工设计要求，施工期为每年11月～次年2月，由于无实测水文资料，本次采用暴雨推算洪水的方法来推算施工期洪水，施工期(11～2月)设计暴雨根据邻近怀化雨量站建站～2007年暴雨资料进行频率计算推求，P=20%施工期(11～2月)24小时设计暴雨为39.6mm；施工期(11～2月)设计洪水按推理公式法计算，其中初损取I0＝0mm，R上/R总＝0.50，经计算施工期(11～2月)设计最大流量为3.89m3/s，24小时洪水总量12.7万m3。2.5水库调洪计算2.5.1水库调度原则本次计算采用无泄量控制的方式，从正常蓄水位300m起调，当入库流量大于溢洪道的泄流能力时，库水位上涨，水库滞洪；至入库洪水流量等于溢洪道的泄流能力时，水库水位达到该次洪水的最高水位；随后，入库洪水流量小于溢洪道的泄流能力，库水位下降。为安全起见，泄流量中不计灌溉流量。调洪基本方程：32 2.5.2基本资料1）库容曲线采用原设计成果，成果见表2.5.2-1及图2.5.2-1。表2.5.2-1四十湾水库库容曲线表库水位（m）266.0267.0272.0277.0282.0287.0292.0297.0300.0库容（万m3）00.1074.0818.8252.57106.76181.18273.29329.45图2.5.2-12）泄流曲线根据四十湾水库溢洪道的实际情况，按照《溢洪道设计规范》的公式对其泄流能力进行复核。泄流曲线未考虑引水灌溉泄流能力。计算公式如下:式中Q----流量，m3/s；B----溢流堰总净宽，m；b----单孔宽度，m；32 n----闸孔数目；H0----计入行近流速水头的堰上总水头，m；g----重力加速度，m/s2；m----二维水流WES实用堰堰流量系数；c----上游堰坡影响系数；ε----闸墩侧收缩系数；ξk----边墩形状系数；σs----淹没系数。计算结果见表2.5.2-2及图2.5.2-2；表2.5.2-2四十湾水库泄流曲线表Z（m）300.1300.2300.3300.4300.5300.6300.7300.8300.9301301.1301.2301.3301.4301.5301.6301.7Q（m3/s）0.451.422.784.476.488.7611.3014.1017.1420.4123.9027.6031.5135.6339.9444.4449.14图2.5.2-23）洪水过程线见表2.4.3-2。32 2.5.3调洪计算按以上的基本资料和调度原则，以正常蓄水位299.96m起调，调洪结果如下表2.5.3。表2.5.3四十湾水库调洪结果表洪水频率（%）洪峰流量（m3/s）最高坝前水位（m）最大泄量（m3/s）0.292.1301.4537.8256.1301.0622.4544.5300.9217.6原设计洪水位为300.8m，校核洪水位为301.02m，本次计算结果略高，以本次复核计算结果来进行安全评价。2.6水库抗洪能力复核2.6.1水库大坝坝顶高程复核根据《碾压式土石坝设计规范》（SDJ274-2001），以下简称《规范》，水库大坝的坝顶高程等于水库静水位与超高之和。根据水库的实际情况，库水位与超高按以下三种不同运用条件计算，取相应组合的最大值作为水库大坝的设计坝顶高程。1）设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；2）正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高，3）校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高。根据《规范》第5.3.1条之规定，坝顶在水库静水位以上的超高应按下式确定：式中——坝顶超高，m；——最大波浪在坝坡上的爬高，m；——最大风壅水面高度，m；A——安全加高，m；正常运用情况取A=0.5m，非常运用情况取A=0.3m。（1）波浪爬高R计算按蒲田试验站公式计算32 波浪平均爬高式中——斜坡的糙率渗透性系数，根据护坡类型查得——经验系数，由风速W、坡前水深H、重力加速度g所组成的无维量按附表（1.6）确定。根据计算查表得。——平均浪高，利用官厅水库公式计算，——多年最大风速，20.7m/s——吹程，1km——风浪平均波长——坝坡系数，取m=2.2（2）风壅水面高度风沿水域吹过所形式的水面升高即为风壅水面高度，按下式计算：式中——计算点处的风壅水面高度（m）；——综合摩阻系数，取k=3.6×10-6；——水面上10米处的风速，取20.7m/s；——从计算点作水域中线的平行线与对岸的交点到计算点的距离（m）；——水域平均深度（m）；——风向与水域中线的夹角（度）。经计算，正常及非常运用情况下所需坝顶高程如表2.6.1所示。32 表2.6.1大坝坝顶高程复核计算成果表项目计算情况库水位（m）风浪爬高（m）水面壅高（m）安全加高（m）计算坝顶高程（m）设计洪水位301.311.3710.0010.5303.18正常蓄水位299.960.8690.0010.5301.33校核洪水位301.451.3440.0010.3303.10根据计算结果，四十湾水库大坝坝顶高程不得低于303.18m，大坝现有坝顶高程为302.91m，未能满足挡洪要求。2.6.2溢洪道控制段导墙顶部高程复核四十湾水库溢洪道为开敞式无闸门控制，根据《溢洪道设计规范》（SL253—2000）2.3.7规定，溢洪道控制段导墙顶部高程在泄洪时不得低于校核洪水位加安全超高0.3m，因此四十湾水库溢洪道控制段导墙顶部高程不得低于301.75m，而现有挡墙顶高程为299.5m，不满足行洪要求；在挡水时不低于设计洪水位加波浪计算高度和安全超高301.31，不满足挡洪的要求。32 3工程地质3.1概述四十湾水库于1977年9月动工兴建，1979年12月投入运行。限于当时的技术经济条件和施工条件，加之施工质量把关不严，导致工程质量本身先天不足。为此，怀化市鹤城区水利局于2008年12月，委托我院承担了四十湾水库工程地质勘察工作，并于2009年4月出具安全评价报告。2009年4月26日，怀化市水利局组织有关专家对本工程进行了安全鉴定，鉴定主要结论为：（1）大坝内、外坝坡上部较陡，内坡无防浪岩坡，浪蚀严重，局部出现冲刷塌陷现;外坡面无排水设施，坡面水土流失严重；大坝无排水棱体。（2）大坝坝基和坝肩存在渗漏问题，坝体局部渗透系数偏大，存在坝体渗漏现象。（3）大坝在正常运行情况下，上、下游坝坡最小抗滑稳定系数不满足规范要求。在非正常运行情况下，上游坝坡最小抗滑稳定安全系数不满足规范要求。（4）涵、卧管管身多处断裂、穿孔，漏水严重。（5）溢洪道进口两岸山坡较陡，常有滑坡，下游未设消能防冲设施。（6）大坝坝体上无任何观测设施，影响大坝安全监测工作。（7）防汛公路为单行道土路，弯多坡陡，路面高低不平，睛通雨阴，防汛抢险困难。（8）无办公楼，防汛仓库破损严重。鉴于本工程存在上述较严重的问题，依据《水库大坝安全评价导则》（SL258-2000），四十湾水库工程质量评价为不合格。建议尽快采取措施，拟定除险加固处理方案。为查清枢纽工程存在的问题，分析险情出现的地质原因。2010年8月，受鹤城区水利局的委托，我院又承担了四十湾水库除险加固工程初步设计阶段的勘察任务。本次勘测工作依据《中小型水利水电工程地质勘测规范》（SL55-2005）等及《勘测任务书》的要求进行，采用测绘、钻探及室内、室外试验等勘察手段，对本项目进行工程地质勘察和评价。地勘工作的主要任务是：（1）根据已有地质资料,进一步查明本工程存在的各类地质问题；（2）查明坝体材料组成、物理力学性质特征与透水特征；32 （3）查明坝基水文、工程地质条件及存在的主要工程地质问题。（4）查明拟建放水隧洞、溢洪道水文、工程地质条件及可能存在的主要工程地质问题；（5）对天然建筑材料产地进行详查。根据工程病险情况、除险加固设计方案及勘测大纲，综合前期地勘工作，适当补充地勘工作，野外工作于2011年3月2日进场，至2011年3月8日结束。完成的工作量见下表1。表1勘探试验主要工作量序号项目名称单位工作量备注11：1000大坝地形测量km20.2421:500大坝地质平面测绘km20.153地质剖面测绘km0.34钻探m/孔125.40/35槽坑探m3805注水试验次86压水试验段67标准贯入试验次356取原状土样组78访问收资工日53.2工程区地质概况3.2.1地形地貌坝址区河谷基本对称的“V”字型，河谷宽20~30m，河床高程257.0m左右，两岸地形基本对称，自然坡角为30～35˚，相对高差较大，基岩大面积出露，风化剥蚀较为强烈，局部第四系残坡积层零星覆盖。3.2.2地层岩性（1）泥盆系中统(D2t)紫灰色中厚～厚层状含砾石英砂岩夹页岩及炭质页岩，顶、底部为紫红色泥质粉砂岩，厚度100~150m，分布于工程区。（2）第四系32 ①残坡积堆积(Qedl)：棕黄色、褐紫红色含碎石粉质粘土，厚度0~2m，分布不均匀，主要见于坝肩两岸山坡及冲沟等部位。②全新统冲积堆积(Q4al)：上部为棕黄色粉质粘土，下部砂砾石层结构松散，砾石磨圆度差，成分以板岩、砂岩为主，厚度2~3m。此外，在水库库底近代沉积了厚度较薄的淤泥质粘土。③人工堆积(Qs)：在大坝区域主要为人工堆积的砾质重粉质壤土、砾质粉质粘土、砾质粘土，为大坝填筑体。局部为浆砌石体，形成大坝的坝体排水沟、溢洪道挡墙等。厚度1~45.5m。3.2.3地质构造坝址区呈单斜构造，岩层走向N40°～50°E，斜切河床，倾向下游偏右岸（SE），倾角60°～65°。据调查，坝区节理裂隙比较发育，主要有以下几组：（1）N50°W，NE∠65°～70°，节理面平直、闭合，地表可见延伸长大于5m，一般2～4条/m。（2）N60°W，NE∠45°～50°，节理面平直光滑，切割深，地表可见延伸长大于10m，比较发育，一般3~5条/m。（3）N75°E，SE∠65°~70°，节理面平直，切割深，延伸长，比较发育，密集处可达5~6条/m。3.2.4物理地质现象大坝区主要不良物理地质现象为岩石风化。坝区岩体为泥盆系中统(D2t)紫灰色中厚～厚层状含砾石英砂岩夹页岩及炭质页岩，顶、底部为紫红色泥质粉砂岩，岩石软硬相间，炭质页岩、泥质粉砂岩抗风化能力较弱，风化较强烈。含砾石英砂岩较坚硬，抗风化能力较强。有风化厚度具有山顶比坡麓厚，坡麓比河床厚的特点。两岸岩体强风化带下限埋深8~18m，河床强风化带下限埋深10~20m（坝顶起算）。3.2.5水文地质坝区地下水类型除第四系松散堆积层孔隙水外，主要为分布在岩体中的裂隙水，接受大气降水及第四系孔隙水补给，地下水埋藏深度，右岸6~12m，左岸8~13m。根据钻孔压水试验成果，坝基岩体透水性从上至下大致分为：32 （1）浅部中等透水带：岩体为强风化，透水率15.2～18.0Lu，本带厚5～13m，分布河床坝基及两岸坝肩。（2）中部弱透水带上带：岩体呈弱风化状态，透水率4.0～8.8Lu，分布河床及左、右两岸坝肩，标高255～300m。3.2.6坝基主要工程地质问题与评价据现场调查和对运行期观察资料的综合分析，四十湾水库坝基（肩）渗漏是其存在的主要工程地质问题。3.2.6.1坝基渗漏问题河床坝基为泥盆系中统紫灰色中厚～厚层状含砾石英砂岩、泥质粉砂岩夹页岩及碳质页岩，岩层产状N40°～50°E，SE∠60°～65°，坝基浅部岩体为强风化状态，由于节理裂隙的切割，上部岩体相对较破碎，钻孔压水试验其透水率q＝15.2～18.0Lu，为中等透水带。另外据当地反应，施工时，只对坝基表部风化岩体进行了简单开挖后既进行填筑，也没有作防渗处理，从而为坝基渗漏留下隐患。3.2.6.2坝肩渗漏问题坝肩渗漏主要发生在坝体与山体接触带部位，其表现形式为散浸和渗水。根据水库多年运行观测资料，随库水位升高，散浸面积扩大，渗水处流量增大。渗漏产生的原因一是坝基表部的第四系松散堆积物没有彻底清除，直接将坝体填筑在孔隙度偏大，结构较松散的残坡积土层上，从而形成了坝肩接触部位的渗漏带。3.3各附属建筑物工程地质条件及评价3.3.1溢洪道工程地质条件及评价溢洪道位于大坝左岸，其型式为岸边侧槽式实用堰。设计堰顶高程300.0m，溢流孔口宽度12m，最大下泄流量43.51m3/s。溢洪道沿线基岩祼露，泄水槽两侧边坡左陡右缓，左侧边坡角35°，坡高15~20m，右侧边坡坡角10°左右，坡高3~5m。溢洪道沿线出露地层为泥盆系中统紫红色中厚～厚层状含砾石英砂岩夹页岩及炭质页岩，岩层产状N45°～50°E，SE∠60°～65°，倾向右侧坡内偏小游。未见断层发育，主要有：（1）N60°W，NE∠45°～50°32 ，节理面平直光滑，切割深，地表可见延伸长大于10m；（2）N75°E，SE∠65°~70°，节理面平直，切割深，延伸长，比较发育，形成高陡边坡。受节理影响，倾向右侧边坡坡外。溢洪道边坡岩体比较破碎，强风化深度5~8m。据调查，溢洪道边坡岩体经常发生小规模的崩塌、滑坡变形破坏，并使其堵塞。究其原因，溢洪道右侧边坡表部岩体因层理发育，加之节理裂隙切割，岩体完整性较差，加之风化影响，在重力、降雨等因素的作用下，而发生结构面组合块体的小规模的崩塌和滑坡。3.3.2放水隧洞工程地质条件及评价拟建放水隧洞布置于左坝端，进口底板底高程276.30m，出口底板底高程276.45m。隧洞为城门洞形，洞宽1.2m，高1.6m，长128.44m。隧洞进口明挖段（0~6.5）脸边坡：坡角27~32°，地面高程268.5~312.5m，坡高50m。基岩裸露，岩性为为泥盆系中统紫红色中厚～厚层状含砾石英砂岩夹页岩及炭质页岩。强风化带下限埋深5m~7m。岩体中发育与坝区相同的二组节理，其节理走向多与洞脸边坡斜交，倾角较陡，岩层产状N45°～50°E，SE∠60°～65°，走向与隧洞轴线近于直交，倾角较陡，倾向出口。洞脸边坡岩体呈强风化状，节理裂隙发育，节理与层面组合将岩体切割成棱形块体，完整性较差，存在洞脸边坡沿结构面组合滑移边坡稳定问题。建议对洞脸边坡进行支护，建议开挖坡比为：永久开挖坡比1：0.5，临时开挖坡比1：0.35。洞身段上覆围岩厚度5m~45m。围岩岩性为中厚～厚层状含砾石英砂岩夹页岩及炭质页岩，岩层产状N45°～50°E，SE∠60°～65°，走向与洞轴线近于直交。除进口洞段（6.5~27m）与出口洞段（155~180）各长20.5、25m洞段，上覆岩体厚度较薄，大部分洞段处于强风化带内，围岩类别属Ⅲ类，欠稳定围岩，地下水活跃，自稳能力较差，存在沿结构面组合的掉块现象，其坚固系数fk=1.5~2.0，弹性抗力系数K0=3~5Mpa/cm。其它洞段为弱风化状，岩体完整性较好，围岩类别属Ⅱ类围岩，自稳能力较好，其坚固系数fk=3.0~4.0，弹性抗力系数K0=10~15Mpa/cm。隧洞出口明挖段（180~190m）坡坡角28~30°，地面高程257.5~312.5m，坡高605m左右，洞脸边坡为顺向边坡，岩层倾角大于坡角。基岩裸露，岩性为中厚～厚层状含砾石英砂岩夹页岩及炭质页岩。强风化带下限埋深8m~10m。岩体中发育与坝区相同的32 二组节理，节理裂隙与洞轴线交角较大，岩层产状N5°～15°E，SE∠30°～40°，走向与隧洞轴线近于直交，倾向出口。洞脸边坡存在层面与结构面组合的崩塌、掉块现象，建议对边坡进行喷砼，建议永久开挖坡比1：0.75，临时开挖坡比1：0.5。3.3.3灌溉输水涵管灌溉放水涵管位于大坝左岸，为Φ1.0m的现浇钢筋混凝土有压圆形坝下涵，进口底板高程268.00m，无闸门控制，上游处采用放水卧管控制。根据调查和运行观测资料，放水涵管主要存在严重腐蚀、脱落，多处地方钢筋裸露。通过初步分析认为，大坝修筑时材料选料不严，施工质量比较差，在多年运行过程中，由于水流冲刷，造成上述现象。3.4坝体工程地质特性3.4.1坝体填土组成及分区通过调查并结合钻孔资料，坝填筑土主要为砾质重粉质壤土、砾质粉质粘土、砾质粘土。根据钻探资料，坝体大致可分为二个区，即：Ⅰ区为坝体区，其材料主要为砾质重粉质壤土、砾质粉质粘土、砾质粘土等，从钻探情况看，该区碾压不密实，标贯击数一般5～8击。现场注水试验渗透系数,且碾压时未进行分层,夯压不密实。现场试坑注水试验，其渗透系数K＝1.2×10－5cm/s～7.2×10－4cm/s，说明该区填筑质量一般。Ⅱ区为坝体与基岩接触带区，基岩岩性主要为D2t中厚～厚层状含砾石英砂岩、泥质粉砂岩夹页岩及炭质页岩，基岩表部呈强风化，且较破碎，透水性较大，透水率为15.2～18Lu，为中等透水区，接触带区渗透系数3×10－4cm/s~6.5×10－4cm/s。坝基为中厚～厚层状含砾石英砂岩、泥质粉砂岩夹页岩及碳质页岩，上部岩石多呈强风化状态，岩石较破碎透水性较大，下部岩石透性较小，多为弱透水层。坝基强风化带,岩性主要为D2t中厚～厚层状含砾石英砂岩、泥质粉砂岩夹页岩及炭质页岩，基岩表部呈强风化，且较破碎，透水性较大，透水率为15.2~18Lu，为中等透水区。下部为坝基岩石不透水区,为弱风化岩石含砾石英砂岩、泥质粉砂岩夹页岩及炭质页岩，岩体较完整，透水性较小，透水率为4~8.8Lu，为弱透水带。32 3.4.2填土物理力学特性为了调查填土的物理力学特性，在坝体有代表性的断面上布置钻孔和现场注水试验。共取原状土样7组，现场注水试验8次，现场标准贯入试验35次，根据试验成果，用数理统计法分别计算出各种物理力学性质指标平均值、大值平均值、小值平均值，然后根据统计值按如下原则确定土的各种物理力学性质指标，四十湾水库大坝岩土物理力学性质指标推荐值见表3.4.2.-1。其物理力学性质指标推荐值具体确定如下：⑴含水量、孔隙比、渗透系数、压缩系数推荐值取试验值的大值平均值；⑵干密度、内摩擦角、内聚力推荐值取小值平均值；⑶湿密度、塑性指数、液性指数取算术平均值；⑷快、慢剪的抗剪强度指标，根据试验资料取小值平均值，当试验数据偏少时，结合工程类比提出；（5）室内、外渗透试验数据有一定的出入，这可能与现场取样不规范，路途运输未采取防震措施有关。因此，渗透系数取值以现场注水试验资料为准。（6）鉴于斜墙区钻孔施工难度大，无法孔内取土样进行试验，因此，只能根据现场试验及调查结合工程地质类比法提出有关物理力学指标建议值。32 表3.4.2-1四十湾水库大坝岩土体物理力学指标推荐值表分区岩性含水量（%）湿密度（g/cm3）饱和密度（g/cm3）干密度（g/cm3）孔隙比渗透系数K（cm/s）固结快剪固结慢剪允许渗透坡降备注垂直水平综合Kφ（°）C（KPa）φ（°）C（KPa）坝体区（Ⅰ）砾质重粉质壤土及砾质粉质粘土291.911.931.470.8985×10-46.9×10-46×10-4131820140.35～0.4Ⅱ区坝体与基岩接触带及强风化带//、6.9×10-4////分区岩性风化程度饱和抗压强度（MPa）抗剪强度抗剪断强度抗冲刷流速备注fC(MPa)f`C`(MPa)（m/s）坝基含砾石英砂岩、泥质粉砂岩等强风化30～350.45～0.50/0.6～0.650.2～0.253～4溢洪道基础弱风化55～650.6～0.7/0.75～0.90.4～0.53～432 3.4.3坝体填筑质量评价3.4.3.1坝基处理质量根据施工资料记载，大坝两岸坝肩与山体接触部位清基未达基岩，仍残留有残坡积松散堆积物，说明当时清基不彻底，在大坝运行中，导致两坝肩沿接触部位渗漏或散浸，并随水位抬升渗漏更加严重。3.4.3.2坝体填筑质量根据钻孔资料及现场调查访问，Ⅰ区为坝体区，其材料主要为砾质重粉质壤土填土,碾压时未进行分层,夯压不密实，干密度1.42～1.5g/cm3，孔隙比0.860～0.919,标贯击数一般5～8击。现场注水试验渗透系数K＝7.2×10－5cm/s～8×10－4cm/s。从试验资料分析，坝体土填筑疏密不均。此外，钻探过程中，钻进速度快慢不一，部分孔段存在垮孔、软泥缩孔现象，特别是水位以下尤为如此。因此，总体上看，坝体填土质量较差，究其原因：（1）大坝填筑材料就近开采，未经严格筛选，各料场土质差异大；（2）施工时为大兵团作战，质量控制不严，加上施工时进土层过厚，导致大坝人工夯压疏密不均，透水性也大小不一。总之，鉴于当时的施工条件、施工设备，加之大兵团作战，现场施工质量控制不严，从而导致填土土层过厚，夯压不实，留下诸多隐患，故水库运行近30年来，先后出现大坝渗漏、卧管严重腐蚀、脱落及钢筋裸露等问题。由于种种原因，水库存在的一些病险情况得不到及时处理，长期处于带病运行状态。3.5.4坝体主要问题及评价3.5.4.1坝体散浸及渗漏水库蓄水后，左、右坝端下游坡均不同程度存在散浸和渗漏现象，且随库水位的增高，其面积和渗水量加大。其产生的原因前已述及，在此不再赘述。3.5.4.2坝体变形大坝从建成到运行至今，由于上、下游坝坡未护坡，施工填土质量差，碾压不均匀，清基未彻底，水库蓄水后，坝体渗漏，导致局部出现塌陷，坝面局部冲蚀，破损比较严重。48 3.5工程处理措施建议鉴于四十湾水库坝基、坝肩及坝体存在较为严重的渗漏问题，溢洪道底板水毁严重，溢洪道边坡存在崩塌现象，输水涵洞严重漏水。上述病险隐患已危及枢纽工程安全。急需采取除险加固工程处理措施，确保大坝安全运行，根据坝基及溢洪道地基工程水文、工程地质条件，特提出如下工程处理措施：⑴、根据坝基钻孔揭露：坝基浅表部岩体透水性为中等至弱透水性，为防止库水沿浅表部透水大的岩石、坝基接触带向下游产生渗透及渗透变形破坏，建议坝基进行防渗帷幕灌浆。左、右岸防渗帷幕接头应接至地面高程309.0m以上使之帷幕封闭。经勘探资料结合地质调查综合分析，左、右两岸防渗帷幕距左、右坝头长度分别为27、26m，防渗帷幕深度分别为：河床坝基24~50m（从坝顶起算），左岸20~24m，右岸为9~10m，防渗帷幕总长度185m.⑵、由于坝体填筑土夯压欠密实、土体孔隙大、结构较松散，建议对大坝进行高喷防渗加固处理或冲抓套回填处理；⑶、对溢洪道底板砼全部拆除并重建，并设置溢洪道两侧导墙，将导墙基础基础深入到完整岩石内0.3~0.5m。用砼回填已被掏蚀的冲刷坑，对溢洪道底板设置钢筋砼，已提高其抗冲刷的能力，增设消力池。并增设泄槽段左侧边坡地表及坡体内排水设施，适当放缓左侧边坡坡度并进行采取必要的喷锚加固措施。⑷、由于放水涵洞砌筑质量差，库水沿涵洞与坝体接触带产生集中渗漏，放水洞长年水流不断，并造成沿涵洞一带坝体内坡多处多次塌陷。建议对输水涵洞进、出口进行全断面浆砌石封堵，并对涵洞进行灌浆，使之与坝体形成一整体。⑸、拟建引水隧洞进、出口位于强风化带内洞段段属Ⅲ类围岩，存在有沿结构面与层面组合块体掉块及塌落，建议对其Ⅲ类围岩洞段进行砼支护。出口边坡为顺层边坡，有沿层面与结构面组合体滑移的稳定问题，建议进行砼支护，出口边坡应喷砼。并加强施工期间的施工地质工作。⑹、添置观测设施，修建防汛公路。3.6天然建筑材料48 本阶段根据除险加固对天然建筑材料需求，对各类建筑材料进行了调查，各类天然建筑材料概况分述如下：3.6.1砂砾石料据现场调查：工程区附近一带无砂砾石料，均需在20km以外的舞水沿河一带的采砂场购买。沿河采场砂为中粗砂，粒径多在1~2mm，含泥量多在1%~2%，砂的细度模数基本满足要求，砂的质量满足设计要求，砾石成分以石英砂砾、砂岩、灰岩为主，磨圆度较好，采砂场有各种不同级配的粗骨料供应，采砂场日采砂砾料供应量多在500m3左右，日供应量可满足设计要求，采砂场有公路可抵大坝，运距12km。3.6.2块石料大坝两岸附近一带主要分布地层为泥盆系中厚～厚层状含砾石英砂岩夹页岩及炭质页岩，岩性软硬相间，其中含砾石英砂呈中厚层到厚层，抗风化能力较强，，强度较高，而页岩及炭质页岩岩性软弱，开采不易成形，剔除率高。可选择含砾石英砂岩做为块石料。。3.6.3土料大坝左、右岸山坡附近一带分布有残坡积粘土夹碎石，碎石含量约14%~17%，碎石成份为含砾石英砂岩夹页岩及炭质页岩，碎石直径约2~4cm，粘粒含量高，质量较好。料场一带地形坡角20°~25°，表部有0.5m左右的耕植土，据现场调查：有用层厚度2~3m，储量在60×104m3。本料场与大坝有简易公路相通，运距较近。据现场取样土料试验资料：土料粘粒含量28.0%~32.0%，塑性指数21.8~26.1，渗透系数＜10-5cm/s，天然含水量20.0~23.5％，最大干容重1.69g/cm3，最优含水量24.6％，该土料场粘粒含量偏高，其它各项质量指标符合要求，土料质量一般。48 3.7结论及建议3.7.1结论（1）工程区地处新华夏构造体系雪峰山隆起带南西段，附近无大的区域断层通过，根据1:400万《中国地震动峰值加速度区划图》及《中国地震动反应谱特征周期图区划图》（GB18306-2001），本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，相应地震基本烈度为Ⅵ度，属相对稳定地块。（2）大坝为均质土坝，坝体填土均为砾质重粉质壤土、砾质粉质粘土。调查表明，坝体填筑质量较差，碾压疏密不一，结构较松散，干密度大小不一，渗透系数偏大，部分坝段坝身存在渗漏、散浸及变形现象。（3）由于施工清基不彻底，尤其两岸坝肩仍残留有第四系松散堆积的残坡积层，以致存在接触带渗漏，并且随库水位升高，渗漏量相应增加，渗漏量的变化与库水位具有较好的相关关系。（4）坝基地层主要为泥盆系中统紫灰色中厚～厚层状含砾石英砂岩、泥质粉砂岩夹页岩及碳质页岩。上部岩体比较破碎，多为强风化，透水率较大，加上前期防渗处理效果差，是坝基渗漏的主要原因。（5）溢洪道左侧边坡表部岩体因节理裂隙切割，完整性较差，加之风化影响，在重力、降雨等因素的作用下，经常发生崩塌，并使其堵塞，危及建筑物的安全。（6）放水卧管因施工质量较差，加之多年运行中水流冲刷等影响，存在严重腐蚀、脱落，多处地方钢筋裸露等，危及大坝安全。（7）拟建引水隧洞进、出口属Ⅲ类围岩，存在有沿结构面与层面组合块体掉块及塌落。出口边坡为顺层边坡，有沿层面与结构面组合体滑移的稳定问题。3.7.2建议⑴、大坝已出现明显坝体渗漏、散浸及变形现象，建议对大坝进行高喷防渗加固处理或冲抓套回填处理，对坝基进行防渗帷幕灌浆。48 ⑵、对溢洪道底板砼全部拆除并重建，并设置溢洪道两侧导墙，将导墙基础基础深入到完整岩石内0.3~0.5m。用砼回填已被掏蚀的冲刷坑，对溢洪道底板设置钢筋砼，增设消力池。并增设泄槽段左侧边坡地表及坡体内排水设施，适当放缓左侧边坡坡度并进行采取必要的喷锚加固措施。⑶、建议对输水涵洞进、出口进行全断面浆砌石封堵，并对涵洞进行灌浆，使之与坝体形成一整体。⑷、建议对放水隧洞Ⅲ类围岩洞段及出口洞脸边坡进行砼喷锚支护。⑸、建议在大坝坝基防渗帷幕灌浆及固结灌浆工作之前，先实施先导孔，进一步查明坝基岩溶发育规律和坝基的水文、工程地质条件，为防渗帷幕灌浆及固结灌浆提供施工设计参数。⑹、加强施工期间的施工地质工作，根据施工开挖所揭露的地质情况及时进行地质预报，并根据开挖的地质情况及时合理修改地质参数，便于优化设计。48 4.除险加固设计4.1工程任务和规模四十湾水库位于怀化市鹤城区芦坪乡坪星村，地处东经110°00′46″，北纬27°37′9″，属沅水流域长谭溪二级支流，其枢纽工程距枝柳铁路7km，距209国道16km。水库坝址以上集雨面积4.4km2，干流长度2.94km，干度坡降13‰，多年平均降雨量1427mm，水库设计洪水位标准为50年一遇，设计洪水位为301.31m，校核洪水标准为500年一遇，校核洪水位为301.45m，正常蓄水位299.96m，总库容366万m3，兴利库容328.5万m3，死水位272.7m,为年调节水库。该水库是一座以灌溉为主，兼顾防洪，养殖等综合效益的小（1）型水库水利工程。水库设计灌溉8200亩，有效灌溉6230亩，最大实灌5100亩，供水量460万m3，其位置居高临下，保护下游乡政府、村庄、学校，人口9600余人，枝柳铁路7km，209国道3km的安全，同时对下游15km处的老里碑水库（库容961.7万m3）的正常运行和安全起了很大的调节保障作用。如水库失事将直接威胁下游上万人的生命财产安全。因此，有必要对该水库进行除险加固处理。本次设计主要考虑水库安全，确保水库正常运行,并通过除险加固使水库达到设计的灌溉效益。根据水库设计标准、运行要求及存在的问题，确定水库工程除险加固的主要任务是：加固大坝、溢洪道和输水涵洞等建筑物，完善工程运行、管理及防汛设施，达到原设计的蓄水和防洪能力，确保水库大坝安全，充分发挥本工程的社会和经济效益。4.2主要加固项目2009年4月由怀化市水利局对四十湾水库进行了安全鉴定，本工程安全评价报告书提出了如下几点结论性意见：安全鉴定对四十湾水库工程的安全鉴定结论为：工程质量不合格，运行管理综合评价差，大坝防洪安全等级为C级，大坝渗流形态评定为C级，结构安全性评定为C级，没有大型金属结构，水库大坝总体安全类别为三类。48 基于以上安全鉴定结论，安全鉴定报告书最后对四十湾水库的运行管理或除险加固的意见和建议为：1）大坝：针对大坝存在的渗漏、散浸，坝顶高程及宽度不够，坝坡稳定不够，无排水棱体等问题，建议：①对大坝坝基、坝肩及大坝坝身进行防渗处理；②对大坝进行加高培厚，调整上、下游坝坡坡比并护坡，上游防浪刷处理；③增设大坝下游排水设施，以降低坝身浸润线。2）溢洪道：针对溢洪道非正式、下游冲淤严重等问题，建议：①整修建溢洪道、泄槽、增设消力池，并采用相应的抗腐蚀性混凝土；②对溢洪道两侧山坡进行整理、护砌并作好防渗排水设施。3）输水涵管：针对涵管开裂、存在严重渗漏及启闭设备老损等问题，建议：①对输水涵进行封堵灌浆处理；②新建输水建筑物，并采用相应的抗腐蚀性混凝土。4）放水卧管：针对放水卧管严重漏水、进水口严重损坏等问题，建议：①对放水涵进行封堵灌浆处理；②新建放水建筑物。5）大坝监测系统①增设大坝观测设施。6）上坝公路①改造上坝公路、增设通讯设施，以满足防汛要求。4.3设计依据4.3.1工程等别与建筑物级别四十湾水库总库容为366万m3，正常库容328.5万m3，水库设计灌溉面积5200亩，根据国家《防洪标准》（GB50201-94）和《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000的规定，该水库为小⑴型水库，其工程等别为Ⅳ等，其主要建筑物级别为4级，次要建筑物级别为5级。工程设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为500年一遇，溢洪道消能防冲标准为20年一遇。48 4.3.2设计基本资料4.3.2.1气象资料本区域位于属亚热带季风湿润气候区，四季分明，雨量充沛，温热潮湿，日照长，霜期短。根据怀化市气象站历年实测气象资料统计，气象要素如下：多年平均气温16.6℃，极端最高气温39.6℃（1971年7月27日），极端最低气温-10.7℃（1977年1月30日）；多年平均年降雨量1427mm；多年平均蒸发量1301.5mm。历年平均日照小时1480h；多年平均相对湿度81%；多年平均风速1.8m/s，实测最大风速20.7m/s，风向NE（1976年4月22日）。4.3.2.2特征水位及流量正常蓄水位：299.96m设计洪水位(p=2%)：301.31m校核洪水位(p=0.2%)：301.45m设计洪峰流量(p=2%)：56.1m3/s设计下泄流量(p=2%)：22.4m3/s校核洪峰流量(p=0.2%)：92.1m3/s校核下泄流量(p=0.2%)：37.8m3/s4.3.2.3地质资料坝址区河谷基本对称的“V”字型，河谷宽20～30m，河床高程257.0m左右，两岸地形基本对称，自然坡角为30～35˚，相对高差较大，基岩大面积出露，风化剥蚀较为强烈，局部第四系残坡积层零星覆盖。坝址区呈单斜构造，岩层走向N40°～50°E，斜切河床，倾向下游偏右岸（SE），倾角60°～65°。坝区地下水类型除第四系松散堆积层孔隙水外，主要为分布在岩体中的基岩裂隙水，接受大气降水及第四系孔隙水补给，地下水埋藏深度，右岸6～12m，左岸8～13m。依据调查：(1)地震烈度工程区地处新华夏构造体系雪峰山隆起带南西段，附近无大的区域断层通过，根据1:400万《中国地震动峰值加速度区划图》及《中国地震动反应谱特征周期区划图》（GB18306-2001），本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48 0.35s，相应地震基本烈度为Ⅵ度，属相对稳定地块。根据《水工建筑物抗震设计规范》要求，不考虑地震设防。(2)岩土物理力学指标根据试验成果，现场标贯试验，结合工程类比，坝址区岩土的物理力学指标采用值见表4.3.2.3-1。48 表4.3.2.3-1四十湾水库大坝岩土体物理力学指标推荐值表分区岩性含水量（%）湿密度（g/cm3）饱和密度（g/cm3）干密度（g/cm3）孔隙比渗透系数K（cm/s）固结快剪固结慢剪允许渗透坡降备注垂直水平综合Kφ（°）C（KPa）φ（°）C（KPa）坝体区（Ⅰ）砾质重粉质壤土及砾质粉质粘土291.911.931.470.8985×10-46.9×10-46×10-4131820140.35～0.4Ⅱ区坝体与基岩接触带及强风化带//、6.9×10-4////分区岩性风化程度饱和抗压强度（MPa）抗剪强度抗剪断强度抗冲刷流速备注fC(MPa)f`C`(MPa)（m/s）坝基含砾石英砂岩、泥质粉砂岩等强风化30～350.45～0.50/0.6～0.650.2～0.253～4溢洪道基础弱风化55～650.6～0.7/0.75～0.90.4～0.53～448 4.3.2.4安全系数本工程为Ⅳ等工程，主要建筑物级别为4级，按《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）中的规定，大坝抗滑稳定最小安全系数为：正常运用条件：1.15非常运用条件Ⅰ：1.05非常运用条件Ⅱ：1.054.3.2.5文件依据及参考资料①湖南省水利水电勘测设计研究总院《湖南省鹤城区四十湾水库大坝安全评价报告》；②湖南省水利水电勘测设计研究总院《重点小型病险水库除险加固工程初步设计指导意见》；③湖南省水利厅《湖南省小型水库除险加固工程初步设计报告编制提纲》；④湖南省怀化市水利局《四十湾水库大坝安全鉴定报告书》2009年4月4.3.2.6主要技术标准及规程规范（1）《防洪标准》（GB5020-94）（2）《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）（3）《水利水电工程初步设计报告编制规程》（DL5021-93）（4）《水工砼结构设计规范》（DL/T5057-1996）（5）《水工建筑物荷载设计规范》（DL5077-1997）（6）《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）（7）《小型碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）（8）《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95）（9）《溢洪道设计规范》（SL253-2000）（10）《水工隧洞设计规范》（SL279-2002）80 4.4加固设计四十湾水库枢纽主要由大坝、溢洪道、灌溉涵洞、卧管等建筑物组成。本次除险加固具体设计项目及方案见表4.4-1。表4.4-1序号项目名称主要存在的问题加固方案1大坝除险加固1）坝肩、坝体、坝基渗漏2）下游坝坡稳定存在问题3）坝身高度不够1）坝体采用土工膜+粘土斜墙防渗，坝基进行帷幕灌浆2）上、下游坝坡修整，护坡，下游坝坡加做排水设施、新增排水棱体3）加高坝顶，坝顶铺设泥结石路面2溢洪道除险加固1）进口山坡较陡、常有滑坡2）溢洪道进口兼做公路2）无消力池1）重建进口导墙、侧墙、新建底板并设排水盲管2）泄槽两侧边坡挂网喷护3）新增消力池，3灌溉涵洞、卧管加固1）灌溉涵洞漏水严重2）卧管漏水严重1）对灌溉涵管进行封堵2）重建灌溉涵洞和放水启闭设备4观测设施加固改造大坝无任何观测设施新增大坝安全监测设施5防汛公路加固改造防汛公路路况差新增2km防汛公路4.4.1大坝4.4.1.1工程险情（1）坝体渗漏水库蓄水后，左、右坝端下游坡均不同程度存在散浸和渗漏现象，且随库水位的增高，其面积和渗水量加大。其产生的原因多系施工或填土质量不符合要求。（2）坝体变形大坝从建成到运行至今，由于上、下游坝坡未护坡，施工填土质量差，碾压不均匀，清基未彻底，水库蓄水后，坝体渗漏，导致局部出现塌陷，坝面局部冲蚀，破损比较严重。4.4.1.2大坝稳定渗流、坝顶高程复核根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）的有关规定，安全鉴定对大坝稳定渗流、坝顶高程进行复核，复核结果见表4.4-2、3。80 表4.4-2大坝稳定渗流复核计算成果表项目计算情况最大渗透坡降（Jmax）允许渗透坡降（J）备注大坝0.480.40根据计算结果，大坝渗流形态属不安全。表4.4-3大坝坝顶高程复核计算成果表项目计算情况库水位（m）风浪爬高（m）水面壅高（m）安全加高（m）计算坝顶高程（m）设计洪水位301.311.3710.0010.5303.18正常蓄水位299.960.8690.0010.5301.33校核洪水位301.451.3440.0010.3303.10根据计算结果，设计洪水工况下要求坝顶高程303.18m，校核洪水工况下要求坝顶高程303.10m。大坝现状高程为302.91m，不满足规范要求，本次设计拟定坝顶高程为303.48m（考虑30cm高预留沉降）。4.4.1.3大坝防渗处理设计1、防渗处理方案根据大坝渗漏现象和成因分析，大坝坝基、坝基与坝体接触面、坝肩、坝体均存在不同程度的渗漏情况，因此，大坝防渗处理设计项目包括坝身、坝基及坝肩，其防渗型式及布置均作统一考虑。防渗处理方案根据大坝现状，本工程坝基及坝肩的防渗均采用水泥灌浆帷幕的方案；坝身防渗处理通常有以下几种方法：锥探灌浆、砼防渗墙、冲抓套井回填、多头小直径搅拌桩、劈裂灌浆、高喷灌浆、摆喷灌浆、土工膜防渗等。本工程大坝最大坝高达46.48m，根据类似工程经验，采用锥探灌浆、冲抓套井回填、多头小直径搅拌桩、劈裂灌浆及摆喷灌浆等单一的防渗处理方法均难以保证防渗效果，且施工技术上也存在一定困难。根据本工程实际情况，选取了以下三种方案进行比较：方案一：土工膜+粘土斜墙方案对295.35m高程以上坝面铺设土工膜防渗。295.35m高程以下采用粘土斜墙防渗，粘土斜墙渗透系数要求不大于10-6cm80 /s。土工膜四周伸入砼基座内，两侧砼基座以下设帷幕灌浆，使坝体与坝基形成一个封闭的防渗体系。坝基帷幕灌浆按q=10lu线控制，孔距3m。方案二：冲抓套井回填+高喷灌浆方案高喷灌浆孔布置于坝顶轴线上，设计为单排孔，孔距1.0m，孔深至坝基以下1.0m，下与帷幕灌浆孔相连，高喷灌浆与帷幕灌浆搭接长度1.0m。高喷灌浆上高程为283.48m。283.48m高程以上至坝顶为冲抓套井回填，孔距0.85m。表4.4-4大坝防渗方案比较表比较项目方案工程量投资(万元)主要优缺点土工膜+粘土斜墙方案土工膜5970m2，冲抓套井回填1315m，帷幕灌浆1609m,1281.投资省；2.施工技术成熟、质量可保证冲抓套井回填+高喷灌浆方案旋喷灌浆6320m，帷幕灌浆1120m,3981.投资较大2.技术可靠，质量可保证经综合比较，大坝坝身采用土工膜+粘土斜墙相结合的防渗方案。2、坝体防渗设计1）土工膜+粘土斜墙方案防渗处理设计对295.35m高程以上坝面铺设土工膜防渗。295.35m高程以下采用粘土斜墙防渗，粘土斜墙渗透系数要求不大于10-6cm/s。土工膜四周伸入砼基座内，两侧砼基座以下设帷幕灌浆，使坝体与坝基形成一个封闭的防渗体系。坝基帷幕灌浆按q=10lu线控制，孔距3m。土工膜防渗设计（1）复合土工膜的选定经多种材料比选，决定采用两层土工织物中间夹一层PE膜的复合土工膜，这种复合土工膜主要优点在于：第一，上下垫层均用土工织物，可以利用土工织物排除膜下水、气，不受膜下水、气的顶托；第二，土工织物强度较大，并具有一定的厚度（可达5mm以上），可以很好地防止塑膜被尖石刺破；80 第三，复合土工织物因有一定厚度和重量，在铺设方面比单层土工膜方便，又易保证质量，土工织物与坝体摩擦系数较大，不需设防滑槽。复合土工膜应尽量采用宽幅，以减少拼接。本工程铺设面大，采用宽幅6.2m土工膜进行焊接，焊缝宽0.1m。（2）复合土工膜厚度计算膜厚采用《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》（SL/T225-98）推荐的计算公式：式中：T——单宽土工膜所受拉力，KN/m；P——膜上作用水压力，kPa；B——预计膜下地基可能产生的裂缝宽度，m；ε——膜的拉应变，%。根据单宽土工膜所受拉力T选取δ=0.5mm的土工膜。土工织物厚度按张启岳主编《土石坝加固技术》一书推荐的公式计算：δ0=Km(h/sinβ)2/2δKρ式中：δ0──土工织物计算厚度（mm）；Km──PVC膜渗透系数10-11cm/s；Kρ──土工织物渗透系数10-2cm/s；δ──PVC膜厚度0.5mm；h──水深；β──铺设角度将上述各数据代入上式得δ0=3.1mm，为了安全起见土工织物厚度取4mm。复合土工膜各项技术指标应满足《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》（SL/T225-98）的要求。80 （3）复合土工膜保护层结构设计复合土工膜防渗体结构，一般自下而上，由基面、复合土工膜、上垫层、防护层共四层组成，各层设计要求如下：基面（即坝壳表面）：首先应将坝壳表面草根树根等清除干净，将基面平整，采用斜坡滚动碾压实，作好排渗设施，挖好固定沟。上垫层：是复合土工膜的第一道保护层，采用中细砂，砂粒最大粒径一般不大于2mm。在预制砼块体与复合土工膜之间，铺设厚10cm砂卵石垫层，以保证保护层的稳定。保护层：结合坝面抗风浪要求，保护层采用预制砼六角形板块。3、坝基及两岸坝肩防渗设计针对大坝坝基、坝基接触面及两岸坝肩存在的渗漏，根据本工程的实际情况，确定在坝基、坝基接触面及两岸坝肩进行水泥帷幕灌浆，对整个坝基、坝肩进行垂直防渗处理，以形成防渗帷幕体。两岸延伸的长度：为截断左右两岸岸坡的绕渗，根据地质资料，大坝左、右两岸灌至正常蓄水位与相对不透水层相交的位置。主坝帷幕向大坝左岸坝肩延伸21.15m、右岸坝肩延伸11.50m。⑴帷幕灌浆深度由于坝址区相对不透水层（透水率q=5～10Lu）埋深在建基面以下大约6m，埋藏不是很深，因此，帷幕灌浆孔直接深入相对不透水层。根据本工程等级和土坝的工程特点以及坝基渗漏不均匀的特点，将防渗帷幕基础深入相对不透水层岩体内5m左右。⑵帷幕线位置结合大坝坝身防渗处理，帷幕灌浆轴线为直线型，沿坝轴线方向向两侧山体延伸，左侧约延伸21.15m，右侧约11.50m。⑶灌浆孔布置根据类似工程的经验，灌浆孔布置为单排，孔距为3m，钻孔深入相对不透水层（透水率q=10Lu）以下5m左右。⑷灌浆技术要求①80 灌浆段长度：灌浆段的长度是根据岩石的裂隙发育程度、破碎情况、渗透性以及设备能力条件而定，参考其它工程的经验，结合本工程的具体情况，灌浆长应控制在5～6m。根据钻孔情况，帷幕灌浆孔分段灌注。②灌浆压力：设计要求以回浆压力为准，压力大小随孔深而逐渐增大，其灌浆最大压力如表4.4—5（孔深从基岩面算起）。表4.4-5灌浆压力参数表孔深（m）0～55～1010～15灌浆最大压力（Mpa）0.20.40.6最小灌浆压力为水头的2倍。③浆液稠度：应根据基岩透水率不同而改变，一般当q＞1时，起始水灰比采用5∶1，q=0.5～1时，起始水灰比采用8∶1，以后采用3∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1，个别灌浆段可视具体情况采用0.5∶1。浆液稠度的变换原则：当注入量400～600L，吸浆量仍很大，即改浓一级灌注，或注入量大于30L/min时，也应根据具体情况越级变浓。④结束灌浆标准：符合下列条件之一者，即可结束灌浆，在设计规定压力下，灌浆段已停止吸浆或吸浆量小于0.4L/min，并持续30min；在规定的压力下，当吸浆量徘徊于1.0L/min内，时间达1h以上。⑤灌浆材料：要求灌浆材料为普通硅酸盐水泥，其标号不得低于32.5级，且要求水泥质量稳定，对因受潮而结块的水泥应清除不用，以免影响灌浆质量。⑥灌浆次序：分三序孔施灌，一序孔孔距为8m，二序孔孔距为4m，三序孔孔距为8m。灌浆一般采用自下而上分段灌注法施灌，段长不超过5m，与大坝基础接触附近段长2m。⑦接触面灌浆a、灌浆孔布置：接触面灌浆孔同帷幕孔，待帷幕灌浆终孔时再进行接触面灌浆。b、灌浆段长度：将抵压在基岩面上的套管上拔0.5～1.0m左右，露出岩土接触面，止浆胶塞封在距管脚以上0.5m处，采用孔底循环法一段性进行接触面灌浆。c、80 孔口设计压力：为了谨防接触面附近坝体劈开，一般孔口灌浆压力控制在0.05Mpa，如部分孔口吸浆量不大时，其孔口压力也控制在0.08Mpa以内。d、浆液浓度：浆液采用掺量30%水泥的粘土水泥混合浆，灌浆液浓度为0.8∶1，如果水泥用量超过1.0吨，将浆液浓度比例提高到0.6∶1或0.5∶1，同时采用注入3～5%的水玻璃外加剂。e、终灌标准：在规定压力下，接触面已基本停止吸浆或吸浆量小于1.0L/min时，持续30min；在规定压力下吸浆量在1.5L/min内持续时间1.0小时以上。⑧根据规范要求，帷幕灌浆应设检查孔，检查孔孔数按总孔数的10%控制，在防渗帷幕施工完成后布置检查孔进行检查，要求检查孔岩石的透水率达到设计要求。4.4.1.4大坝结构加固设计（1）结构加固设计方案2009年4月大坝安全鉴定时，论证报告对大坝的渗流和坝坡抗滑稳定分别进行了分析计算，计算成果得到了鉴定专家们的认可，鉴定结论为：大坝在正常运用条件下上、下游坝坡最小抗滑稳定安全系数不满足规范要求，非常运用条件下上游坝坡最小抗滑稳定安全系数不满足规范要求。因在对坝体进行防渗处理后，坝体浸润线降低，下游坝坡稳定性有一定提高,但仍不满足规范要求；培厚和削坡均能提高坝坡稳定性。所以，上、下游坝坡加固拟定以下两方案进行稳定计算：方案一：上下游培厚方案上游:上游采用粘土斜墙培厚，在279.48、291.48mm高程设平台,平台宽3m，上游边坡分别放缓至1：2.5、1：2.5、1：2.75。先将原坡面开挖成台阶形，清除表层杂草、根系，后分层铺料平仓，机械压实。下游:下游坝坡采用碎石粘土培厚，为满足稳定和施工要求，在下游291.48m、278.88m高程设平台，平台宽分别为3m和3.8m，下游边坡分别放缓至1:2.8、1:3.0、1：3.5。先将原坡面开挖成台阶形，清除表层杂草、根系，后分层铺料平仓，机械压实。方案二：上游削坡下游培厚方案80 上游:上游在269.83m以下采用粘土培厚，培厚平台顶宽3m,坡比1：3。在279.48、291.48mm高程设平台,平台宽3m，上游边坡分别削坡至1：2.5、1：2.5、1：2.8。下游:下游坝坡采用碎石粘土培厚，为满足稳定和施工要求，在下游291.48m、279.48m高程设平台，平台宽3m，下游边坡分别放缓至1:2.8、1:3.0、1：3.5。先将原坡面开挖成台阶形，清除表层杂草、根系，后分层铺料平仓，机械压实。经计算各方案均可满足规范要求,两方案施工条件差不多，但方案二投资巨大，故推荐方案一。即确定的坝体加固设计方案为：采用坝轴线不变，培厚上、下游坝坡方案：坝顶高程303.48m,上游边坡培厚至坡比1：2.5、1：2.8、1：3，马道高程分别为291.48m、279.48m，273.7m高程以上采用砼预制块护坡；下游边坡培厚至坡比1：2.8、1：3、1：3.5，马道高程分别为291.48m、278.88m，坡面采用草皮护坡。堤身土料设计：上游坡斜墙填筑土料为粘土，下游坡堤身填筑料为碎石粘土，要求不得含耕植层的腐质土及建筑垃圾、植物根茎、砖瓦垃圾等杂质。新填土的设计物理力学指标如下：上游粘土填筑要求：要求渗透系数Kc≤1×10-6cm/s。下游土石填筑要求：设计最优含水量22～27％，设计干容重16.4kN/m3,渗透系数Kc≤1×10-5cm/s，设计内摩擦角φ≥12°。堤身土料填筑前应进行现场碾压试验，以选择合理的碾压参数和选择合理的碾压机械。（2）护坡设计为了满足抗风浪要求,上游坝坡需护坡，因上游坝坡较陡，块石护坡施工困难，且运距较远，经经济比较设计采用预制砼六方块护坡。护坡范围：上游坝面底部死水位以上1m至坝顶。预制砼六角形板块厚度计算80 预制砼六角形板块要抗风浪作用，其厚度按《堤防工程设计规范》（GB50286-98）推荐公式计算：式中：t──砼护面板厚度（m）；η──系数，开缝板取0.075；H──计算浪高取H1%；rb──砼板容重，取25kN/m3r──水容重，取10kN/m3；L──波长（m）；B──护面板长（m）；m──坝坡，取m=2.5经计算得大坝t=0.107m，考虑一定安全余量，均取砼预制块厚度为120mm。下设100mm砂石垫层。预制砼六角形板块边长取0.3m。坡面采用水泥砂浆勾凸缝,每4m设伸缩缝,缝宽20mm,可在水库水位下降时起排水作用。大坝下游采用草皮护坡。（3）坝顶构造设计依据大坝坝顶高程复核，现有大坝高程302.91m不满足挡洪要求，需加高至303.18m，在坝顶上做泥结石路面，坝顶泥结石路面顶高程为303.48。加培后大坝坝顶宽5.0m，宽度满足规范要求，但没有硬化，为满足防汛要求，坝顶设置4.0m宽泥结石路面，厚度0.3m的泥结碎石中土的含量控制在15%以下（重量比），块石做基层，基层厚0.2m，级配碎石做面层，面层厚0.1m。双面排水，坡度2%，泥结石路面上下游两侧分别设0.3m厚、0.5m宽的砼路肩。（4）大坝坝坡排水设计下游为草皮护坡，为避免雨水汇流冲刷坝坡，在下游坝坡面上设置纵、横排水沟。横向排水沟设置于马道处，采用矩形断面，底宽0.3m，起点深0.3m80 ，设0.3%排水坡。纵向排水沟垂直坝轴线方向布置，在下游坝面与两岸交线处各设一条纵向排水沟，坝坡面上亦设置两条纵向排水沟，排水沟断面型式为矩形，底宽0.3m，深0.1m，纵、横排水沟相互连通。集水导排至坝脚范围以外，以免影响大坝安全。（5）排水棱体棱体由抗风化能力极差的砂砾岩块石堆积而成，块石强烈风化破碎；风化碎石及坝体流土堵塞块石间的孔隙，导致棱体导水、排渗功能丧失，致使坝体浸润线抬高，造成大坝外坡出现大面积的散浸，甚至沼泽化，严重影响大坝的正常运行，为降低大坝浸润线，需对其进行处理，以确保其排水效果。参照我省其他类似工程的经验，大坝下游坝坡排水棱体采取新建处理方法。新建棱体顶部高程为263.5m，顶部宽度为2m，两端伸入两岸山体。棱体上游坡比为1∶1，下游坡比为1∶2。棱体与坝体及坝基接触处分别设0.2m厚的细砂及砂卵石反滤层。4.4.1.4大坝除险加固后坝体稳定、渗流计算2009年4月大坝安全鉴定时，论证报告对大坝的渗流和坝坡抗滑稳定分别进行了复核，计算成果得到了鉴定专家们的认可，鉴定结论为：大坝渗流性态属不安全。大坝在正常运用条件下上、下游坝坡最小抗滑稳定安全系数不满足规范要求，非常运用条件下上游坝坡最小抗滑稳定安全系数不满足规范要求；故本设计阶段只对大坝计算断面在正常运行条件下上、下游坝坡和非常运行情况下上游坝坡稳定、渗流进行复核，不再对大坝其他工况的坝坡稳定作分析计算。4.4.1.4.1大坝渗流计算⑴计算参数坝体材料的渗透系数见表5.2.1-3,大坝基础为岩石基础，坝基接触带的渗透系数为k=7×10-4cm/s。大坝进行防渗处理后，上、下游培厚，坝基进行帷幕灌浆，帷幕孔为单排布置，帷幕厚计算取值3m，帷幕深6m，渗透系数5×10-6cm/s。⑵计算工况本阶段设计只考虑水库在正常运行及非常运行情况下的下列水位组合情况：正常运行情况下的水位组合80 ①上游正常蓄水位299.96m时，下游无水；②上游设计洪水位301.31时，下游无水；非常运行情况下的水位组合③上游校核洪水位301.45m时，下游无水；④库水位从正常蓄水位299.96m骤降至死水位272.70m，下游无水。⑶计算结果本次技施设计大坝渗流分析使用北京理正渗流有限元计算分析程序进行计算，大坝计算断面选择为最大坝高断面。根据大坝加固后的渗流计算分析结果可知，在大坝上游侧布置的粘土斜墙和土工膜可以有效地降低坝体浸润线位置。渗流计算成果详见表4.4-6表4.4-6四十湾水库主坝最大渗透坡降计算成果表计算工况渗流量q（m3/t天）最大渗透坡降Jmax允许渗透坡降①2.938570.360.5~0.55②3.306360.39③3.340430.40④0.154040.38从计算成果可知,最大渗透坡降小于允许坡降,不会发生渗透破坏。且各工况下渗流出逸点高程均低于排水棱体顶高程。4.4.1.4.2大坝抗滑稳定计算大坝坝坡稳定分析计算断面同渗流分析计算断面.计算工况:本阶段设计只考虑水库在正常运行及非常运行情况下的下列水位组合情况：正常运行情况下的水位组合①上游正常蓄水位299.96m，下游无水时的上游边坡；②上游设计洪水位301.31m，下游无水时的上游边坡80 非常运行情况下的水位组合③上游校核洪水位301.45m，下游无水时的上游边坡；④库水位从正常蓄水位299.96m骤降至死水位272.7m，下游无水时的下游边坡大坝稳定计算所需的土体的物理力学参数C、φ值计算成果见表4.4-7。表4.4-7四十湾水库大坝C、φ值参数分区干密度（kN/m3）饱和容重（KN/m3）渗透系数（cm/s）凝聚力（kPa）内磨擦角φ(°)上游填筑材料16.421.11×10-621.5/19.220/16复合土工膜19.221.11×10-614/11.220/16大坝坝壳区16.420.55×10-421.8/1915.8/14.7下游填筑材料16.420.55×10-421.8/1915.8/14.7排水棱体19241×10-2035/30坝基接触带18217×10-420030基岩24241×10-520030注明：老坝体土料的C、φ值斜线上方为固结快剪，下方为固结慢剪指标。本次初步设计大坝抗滑稳定计算使用北京理正边坡稳定计算程序，计算方法为瑞典圆弧法。计算公式如下：式中：W—土条重量；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压力；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；--土条底面的有效应力抗剪强度指标；80 Mc—水平地震惯性力对圆心的力矩；R—圆弧半径。大坝选择计算断面为渗流计算断面。大坝上、下游坝坡抗滑稳定成果详见表4.4-8及图4.4-1～图4.4-12。表4.4-8四十湾水库大坝上、下游坝坡稳定计算成果计算工况下游坝坡k上游坝坡k规范规定k备注①1.1701.1721.15满足要求②1.1621.1651.15满足要求③1.1401.1551.05满足要求④1.0551.05满足要求根据大坝加固后的抗滑稳定计算成果分析，大坝上、下游坝坡在各种工况时的坝坡稳定最小安全系数均满足规范要求。大坝分区图，图4.4.1-180 ①上游正常蓄水位299.96m下游无水时坝体稳定渗流运行状况主坝渗流，图4.4.1-2①上游正常蓄水位299.96m时，下游无水，上游坝坡抗滑稳定，图4.4.1-380 ①上游正常蓄水位299.96m时，下游无水，下游坝坡抗滑稳定，图4.4.1-4②上游设计洪水位301.31m时，下游无水，坝体稳定渗流运行状况主坝渗流，图4.4.1-580 ②上游设计洪水位301.31m时，下游无水，上游坝坡抗滑稳定，图4.4.1-6②上游设计洪水位301.31m时，下游无水，下游坝坡抗滑稳定，图4.4.1-7③上游校核洪水位301.45m时，下游无水，坝体稳定渗流运行状况主坝渗流，图4.4.1-880 ③上游校核洪水位301.45m时，下游无水，上游坝坡抗滑稳定，图4.4.1-9③上游校核洪水位301.45m时，下游无水，下游坝坡抗滑稳定，图4.4.1-1080 ④库水位从正常蓄水位299.96m骤降至死水位272.70m，坝体非稳定渗流运行状况主坝最不利渗流计算附图，图4.4.1-11④库水位从正常蓄水位299.96m骤降至死水位272.70m，上游坝坡抗滑稳定，图4.4.1-124.4.2溢洪道除险加固设计溢洪道位于大坝右岸位置。开敞式自由溢流，堰顶宽10.0m，堰顶高程300.0m。溢洪道泄槽段为人工开凿约3.0m深强风化岩沟壑而成；砼底板基础为强风化岩石。溢洪道砼底板及两岸挡墙有局部破损，两岸山坡有局部滑坡。出口未建消力池，泄洪时对出口农田、渠道、公路毁坏严重，故不能正常行洪。针对以上问题，本次加固设计的内容主要包括：1.对溢洪道底板破损段进行拆除，重新护砌；80 1.对两侧边坡滑坡岩石进行喷护；2.新建消力池；3.两岸挡墙破坏部分拆除重建；4.控制段导墙拆除重建。4.4.2.1溢洪道除险加固设计本次设计拆除原已破坏的砼底板，新铺设300mm厚C20钢筋砼底板，每隔10m分一道伸缩缝，分缝设止水。底板下设孔径50mm的盲管纵、横排水系统。溢洪道进口两岸山坡较陡，常有滑坡，对两侧边坡岩石进行喷护。泄槽两侧边坡边坡采用100mm厚C20混凝土喷护，挂钢丝网。混凝土喷护前须对边坡进行清理,清除表面附着物,零碎岩石,使边坡表面整洁、完整，在表部适量洒水，再进行护坡处理。新建消力池：原设计无消力池，本次设计新建消力池。新建消力池采用两级消能方式，等宽矩形断面下挖式消力池。根据《溢洪道设计规范》（SL253-2000）计算后，一级设计消力池池长15.0m，池深1.2m，消力池底板厚度600mm，底板设孔径50mm的PVC排水管，排水管间、排距2.0m，梅花形布置。二级设计消力池池长12.0m，池深1.2m，消力池底板厚度600mm，底板设孔径50mm的PVC排水管，排水管间、排距2.0m，梅花形布置。两岸已破坏挡墙拆除重建：拆除已破坏的原浆砌石挡墙，重新修建C15混凝土挡墙，顶宽0.5m，挡土侧坡比1：0.5，分缝间距同底板。挡墙设孔径50mm的PVC排水管，排水孔孔距2.0m，梅花形布置。控制段导墙拆除重建：拆除原浆砌石挡墙，重新修建C15砼挡墙，墙顶高程301.75m，顶宽0.5m，挡土侧坡比1：0.5，挡墙设D50PVC排水管，排水孔间排距2m，梅花型布置。4.4.2.2溢洪道泄流能力复核四十湾水库溢洪道为开敞式宽顶堰，堰顶高程300.0m，堰宽10m，按照《溢洪道设计规范》的宽顶堰泄流量公式对其泄流能力进行复核。计算公式如下:80 式中Q----流量，m3/s；B----总净宽，m；H0----计入流速水头的堰上总水头，m3；m----二元水流宽顶堰流量系数，进口为直坎，按如下公式计算：ε----闸墩侧收缩系数。计算结果见表4.4.2-1，泄流曲线未考虑灌溉隧洞的泄流能力。表4.4.2-1四十湾水库泄流曲线表Z（m）300.1300.2300.3300.4300.5300.6300.7300.8300.9301301.1301.2301.3301.4301.5301.6301.7Q（m3/s）0.451.422.784.476.488.7611.3014.1017.1420.4123.9027.6031.5135.6339.9444.4449.144.4.2.3溢洪道泄槽水面线推求为了确定泄槽边墙的高度，需计算沿程水面高度。本阶段按能量方程分段求和法推求各断面的水深，并按《溢洪道设计规范》（SL253-2000）所推荐的公式估算波动及掺气水深。掺气水深计算公式为：hb=(1+ζV/100)h式中：h—不计入波动及掺气水深hb—计入波动及掺气水深V—不计入波动及掺气的计算断面上平均流速ζ—修正系数，一般为1.0～1.4，视流速和断面收缩情况而定，在此取1.2遇校核洪水时，溢洪道最大下泄流量为49.14m3/s，计算溢洪道泄槽各断面的水力要素见表4.4.2-2：表4.4.2-2泄槽各断面的水力要素80 桩号计算水深(m)流速(m/s)掺气水深(m)备注0+0000.325.780.34注：0+000为泄槽起始桩号。0+0040.325.810.340+0090.325.840.340+0140.325.860.340+0200.315.890.340+0270.315.920.330+0360.315.950.33根据上表的计算结果，泄槽最大掺气水深为0.34m，考虑到泄槽收缩较为厉害，边墙高度按考虑波动和掺气水深后加1.2m的超高并结合地形条件确定，高度变化范围为1.53～1.54m.。四十湾现有泄槽高度满足要求。4.4.2.4溢洪道消能防冲计算1）自由水跃共轭水深h2可按下列公式计算：(4.2.5.6-1)(4.2.5.6-2)式中：Fr1——收缩断面弗劳德数；h1——收缩断面水深(m);v1——收缩断面流速(m/s)。2）自由水跃长度L按下列公式计算：L=6.9（h2-h1）(4.2.5.6-3)上式适用范围：Fr1=5.5～9.0。3）等宽矩形断面下挖式消力池的水跃形态如图4.2.5.6所示，池深、池长可按下列公式计算：80 图4.2.5.6d=σh2－ht－△Z(4.2.5.6-4)(4.2.5.6-5)Lk=0.8L(4.2.5.6-6)式中：d——池深(m)；σ——水跃淹没度，可取σ=1.05;h2——池中发生临界水跃时的跃后水深(m)；ht——消力池出口下游水深(m)；△Z——消力池尾部出口水面跌落(m)；Q——流量(m3/s)；b——消力池宽度(m)；φ——消力池出口段流速系数，可取φ=0.95;L——自由水跃的长度(m)。经计算得出在校核工况下消力池长度为10m，深度为1.2m。4.4.3大坝输水涵管加固设计4.4.3.1大坝输水涵管存在的问题四十湾水库大坝输水涵洞位于左岸坝体内，为钢筋砼圆涵，全长250m，断面尺寸Φ=1.0m，进口高程267.15m，出口底板高程264.65m，纵坡i=1/100。卧管位于大坝左岸山坡，为钢筋砼结构，全长85米，断面尺寸Φ=1.0m，共有12个放水孔，孔口尺寸0.4×0.4m80 ，铸铁翻板闸门控制放水。涵卧严重漏水，且不规范，输放水涵管经过已30年的运行，受大坝坝体重压及基础土层不均匀沉陷变形影响，及含硫水体腐蚀,涵管砂浆老化脱落、多处产生裂缝、变形；库水沿其中的裂缝产生严重渗漏，渗水直接冲刷并带走坝体填筑土，严重影响大坝安全稳定。输水涵结构本身出现开裂、漏水等异常现象，同时经本次复核计算，放水涵洞断面偏小，现有输放水涵的结构强度及抗裂不满足现行规范要求。根据安全评价建议，对原涵管进行封堵，新建灌溉引水隧洞。4.4.3.2灌溉引水隧洞设计（1）洞线比选输水隧洞拟定了两个洞线方案进行比选：方案一将引水隧洞布置于大坝左侧山体中，下游直接接灌溉渠道，隧洞洞线总长128.44m；方案二将引水隧洞布置于大坝右侧山体中，下游经长150m的新建引渠与原下游渠道相连，隧洞洞线总长245m。两方案在洞线长度上相差近2倍，方案一所在左侧侧山体相较左侧山体更为雄厚，沿线为板溪群厚层至巨厚层状泥质粉砂岩夹薄层至中厚层状砂质板岩，成洞条件更好；而方案二与现有布置在右侧坝肩的溢洪道互相干扰较大，此外，由于原灌溉渠道布置在大坝下游左侧，该方案除修建隧洞外尚需新建一条150m长的渠道与原下游灌溉引水渠相连，涉及一定数量的农田征用。综合比较，本次设计选用方案一作为推荐方案，即隧洞洞线从左岸山体直接接下游引渠。（2）隧洞总体布置根据地形及地质条件，灌溉引水隧洞布置于主坝左岸山体，隧洞总长度为128.44m，为有压洞。隧洞进口为控制闸室，设计2扇钢闸门，工作门和检修门；闸室上设有排架以支撑启闭机房，启闭机房地面高程为302.46m。因隧洞引用流量不足1m3/s，按水力学计算经济断面过小，难以施工，因此，隧洞净空尺寸考虑施工及日常维护方便取为1.2×1.6m（宽×高），断面型式为城门洞形，隧洞全线纵坡为1%，全断面衬砌，衬砌厚度取为250mm。隧洞进口高程为277.80m，出口高程为276.70m，出口接消力池，消力池斜坡段长度为4.8m，坡比为1:3，消力池长度为7.35m，池底高程为275.10m，深度为1.6m，消力池下游接原渠道。（3）隧洞回填灌浆隧洞采用钢筋混凝土衬砌，拱顶120°80 范围内必须进行回填灌浆。回填灌浆的目的主要是填满衬砌结构的顶部与岩面之间形成的空隙和空腔，首先在衬砌结构的顶部预埋灌浆管和排气管，衬砌完成后，再进行钻孔灌浆，分两序孔施工，钻孔深度为穿透管壁后伸入岩石20cm，然后再通过钻孔向外灌注水泥浆。钻孔沿管顶布置，灌浆孔排距为2m，孔深深入岩石不小于10cm,灌浆水泥标号不低于425号，灌浆孔之间为排气孔。灌浆技术参数根据施工情况调整。（4）原设计涵管封堵处理因原输水涵洞的断面尺寸均较小，且漏水严重，不便于进洞进行处理，本次拟对其进行封堵，在大坝坝顶开挖直径2m的竖井，与涵管相接后，再往上下游各开挖尺寸1.5×1.8m的施工平洞，将涵管的浆砌石结构拆除，在上下游两端采用1m长的C20砼塞封堵，对平洞及竖井以粘土进行填筑，形成新的防渗体将底涵进行截断。平洞长度根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）中的心墙防渗体宽度不小于水头的1/4确定，本次设计取8m，即往竖井上下游各4m。4.4.4防汛公路加固设计四十湾水库位于怀化市鹤城区芦坪乡坪星村，地处东经110°00′46″，北纬27°37′9″，属沅水流域长谭溪二级支流，其枢纽工程距枝柳铁路7km，距209国道16km。防汛公路为单行道泥土路面，无排水沟，路面坑洼，晴通雨阻，对防汛抢险构成安全隐患。为方便进库的防汛交通和进厂交通，需对现有公路进行改善和扩建。改善和扩建路段全长2.0km，从大坝左坝肩至现有乡村公路。为节约工程投资，本次设计不考虑对现有公路进行较高标准的改建，仅考虑在现有基础上进行适当的改善和扩建，改扩建项目主要有：①路面进行削坡处理，降低路面坡降，重新铺设混凝土路面，对于路面坡度较大的地段，进行削坡和回填处理，控制路面坡降i≤5%；混凝土路面宽3m，共分三层，底部为150mm厚砂卵石垫层，中间为150mm厚1:4水泥稳定砂卵石层，上部为150mm厚C20混凝土路面。②改善公路两侧排水问题：在公路两侧开挖排水沟，排水沟为矩形断面，排水沟底宽0.3m，深0.3m，原排水沟可利用地段进行疏挖，以利排水畅通。4.4.5安全监测设计本工程大坝坝体上无任何观测设施，影响大坝安全监测工作。根据观测设计有关规范，需对工程进行观测设计。80 四十湾水库属Ⅳ等工程，大坝属4级建筑物，根据《土石坝安全监测技术规范》（SL60-94）要求其观测项目为：巡视检查、大坝表面变形、大坝渗流量、坝体渗流压力、上、下游水位、降水量、气温等。4.4.5.1大坝变形观测设计采用全站仪进行水平位移和竖向位移的监测。在大坝左、右岸共设2个工作基点和2个校核基点，观测墩采用钢筋砼观测墩，建立在新鲜的基岩上，观测墩高度为1.27m。要求其通视性能满足全站仪的观测要求，能对各测点进行观测。水准基点分别设在大坝下游左、右岸距坝轴线约1km处，要求埋设在基岩上并设保护装置。在大坝共设置了2个观测断面共4个测点观测水平位移和竖向位移，位置见大坝观测布置图。4.4.5.2大坝渗流监测四十湾水库主坝为粘土均质坝，须对其渗流量及渗压进行观测，包括渗漏水的流量及其水质观测。渗流量采用量水堰法，在大坝下游侧新排水棱体的末端设量水堰2个用以观测其流量，并观测渗水的浑浊度；大坝坝体渗流压力观测共设3个观测横断面，设3条观测铅直线以观测断面上的压力分布和浸润线的位置。渗流压力选用测压管，管内设扬压力计观测。4.4.5.3大坝水文、气象观测在大坝上游设一把水尺，用以观测大坝上游水位。降水量是在坝区设1个雨量器观测坝区降水量。气温观测是设在坝区专用的百页箱内的自记温度计来进行坝址气温的自动记录。4.4.5.4监测系统施工监测系统施工主要包括渗压计埋设钻孔，位移基点的基础砼等土建项目；各种测量仪器安装等仪埋项目。仪器设备的安装有较高的专业技术要求，应由有经验的单位和专业技术人员承担安装任务或提供现场指导，确保仪器正确安装，不致损坏或降低观测精度。安装完成后应进行调试，并取得初始值。80 工程验收按《水电站基本建设工程验收规程》进行。验收后应将所有资料移交业主。监测系统的施工宜在枯水期到来时动工，争取在年底完成调试和试测工作。在枯水期取得初始值，保证下一年度有完整的观测资料。4.4.5.5观测成果通过以上观测项目和自动监测系统的建立，可以及时、准确地获得以下成果：通过变形观测，可以了解大坝水平、竖向位移。通过渗流监测可以了解大坝的渗流量及坝体的渗流压力。通过建立大坝安全监测系统，可以监测大坝运行期间的工作状态，充分发挥工程效益，设立自动监测系统，可减少观测工作量，提高精度和效率。应加强巡视检查，并及时处理和分析观测资料，以确保大坝安全运行。4.4.5-1各观测项目观测频率表观测项目加固后第一次蓄水期正常运行期大坝位移观测1次/天～1次/旬1次/旬～1次/月渗流压力观测1次/天1次/旬～1次/月渗流量观测1次/天1次/旬～1次/月水位观测2次/天2次/天降雨量观测连续自记连续自记气温观测连续自记连续自记注：1.蓄水前应进行基准值观测；2.遇大洪水和异常情况时应增加观测次数。4.4.5.6观测工程量观测项目工程量见表4.4.5-280 表4.4.5-2大坝安全监测设备表观测项目设备名称单位数量备注大坝水平、垂直位移水准基点个2水平、垂直位移观测共用校核基点个2水平、垂直位移观测共用工作基点个2水平、垂直位移观测共用大坝位移位移标点个3水平、垂直位移观测共用经纬仪台1水平移观测用水准仪台1垂直位移观测用坝体渗流压力测压管个9钻孔孔径φ110～150mm扬压力计支9　大坝水位水尺把1　降雨量雨量器个1　气温百叶箱个1　渗流量量水堰个14.6金属结构4.6.1概述根据四十弯水库大坝安全鉴定报告及工程除险加固处理总体方案布置，本工程金属结构改造实施项目为放水隧洞进口检修门、工作门及相应启闭设备。根据水工布置，放水隧洞进口依次布置有检修门和工作门，两闸门拟采用相同的门页结构。检修门采用临时启闭设施静水操作；工作门采用螺杆启闭机动水启闭。该项目金属结构总工程量约7.86t，其中结构件（主要材料为Q235B）约6.86t，机械设备共1套，约为1t。为提高设备安全性、经济可靠性及延长设备的检修周期，设计中适当采用先进技术和新材料；所有闸门及埋件外露面均采用喷锌及涂料封闭防腐，所有埋件与水封接触面均贴焊不锈钢板。4.6.2.设计依据及标准《四十弯水库大坝安全鉴定报告》《水利水电工程钢闸门设计规范》SL74《水利水电工程启闭机设计规范》SL41《水利水电工程钢闸门制造、安装及验收规范》　　DL/T501880 《水利水电工程启闭机制造、安装及验收规范》DL/T5019《水工金属结构防腐蚀规范》SL1054.6.3放水隧洞进口闸门及启闭设备放水隧洞进口依次布置检修门和工作门，孔口尺寸均为1.2m×1.6m，底坎高程均为277.80m，设计水头22.16m（至底坎）。考虑到两闸门孔口尺寸相同，布置位置靠近，为方便设计和施工，检修门和工作门采用相同的门页结构，为潜孔式平面定轮钢闸门。检修门平时存放于启闭机房，采用临时启闭设施静水操作（小开度提门平压）；工作门动水启闭，利用部分水柱闭门，采用一台型号为LQ-160的螺杆启闭机进行启闭操作。检修门、工作门主要技术参数：型式潜孔定轮平面闸门孔口尺寸1.2m×1.6m设计水头22.16m总水压力948.75kN操作条件检修门为静水（小开度提门平压）工作门为动水（部分水柱闭门）启闭设备检修门采用临时设施工作门为LQ-160螺杆启闭机，容量160kN孔口数量各1孔闸门数量各1扇启闭机数量1台80 4.6.4本项目金属结构及设备工程量表：四十湾水库除险加固工程金属结构初设设备清单序号项目闸门启闭设备备注型式启闭方式孔口尺寸(宽×高)设计水头孔口数量门页数量门页重量（t）埋件重量（t）型式启闭容量（KN）扬程（m）台数重量（t）单重小计单重小计单重小计1放水隧洞进口检修门潜孔定轮闸门静水启闭1.2×1.622.16111.61.61.831.83临时启闭设备2放水隧洞进口工作门潜孔定轮闸门动水启闭1.2×1.622.16111.61.61.831.83QL－160螺杆机1602.1111　焊接钢闸门工程量6.86t,启闭设备工程量1t,总工程量7.86t80 参考文献[1]李国才《湖南省暴雨洪水查算手册》湖南省水利水电厅编1984.9[2]黄河水利委员会勘测规划设计研究院《碾压式土石坝设计规范》（SDJ274-2001）中国水利水电出版社2002.3[3]水利部水利管理司《土石坝安全监测技术规范》(SL60-94)中国水利水电出版社1995.2[4]水利部天津水利水电勘测设计研究院《溢洪道设计规范》中国水利水电出版社2000.8[5]湖南省水利水电勘测设计院《中小型水利水电工程地质勘测规范》（SL55-2005）水利水电出版社2005.8[6]水利部长江水利委员会长江勘测规划设计研究院《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000中国水利水电出版社2000.8[7]中国水利水电科学研究院《水工建筑物抗震设计规范》中国电力出版社2001.3[8]水利水电规划设计总院《防洪标准》（GB5020-94）水利水电出版社1995.1[9]水利水电规划设计总院《水利水电工程初步设计报告编制规程》（DL5021-93）水利水电出版社1994.6[10]长江勘测规划设计研究院《水工砼结构设计规范》（DL/T5057-1996）水利水电出版社1997.1[11]中南勘测设计研究《水工建筑物荷载设计规范》（DL5077-1997）水利水电出版社1998.6[12]水利部天津水利水电勘测设计研究院《小型碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）中国水利水电出版社1997.5[13]中水东北勘测设计研究有限责任公司《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95）中国水利水电出版社1996.1[14]水利部水电规划设计局《水工隧洞设计规范》（SL279-2002）中国水利水电出版社2003.6[15]华北水利水电学院北京研究生部《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》（SL/T225-98）中国水利水电出版社1998.11[16]水利部水利水电规划设计总院《堤防工程设计规范》（GB50286-98）中国水利水电出版社1998.1080 致谢作为一个本科生，由于经验的缺乏，有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个实验是难以想象的。在这里首先要感谢我的导师汪文萍教授，她循循善诱的教导和严谨的治学态度给予我无尽的启迪。还有曾文刚和肖少怀、伍林本科生对我毕业论文的方案设计、开题材料和终稿的修改和确定都给予了我悉心的指导和帮助。同时要感谢大学期间所有的老师，为我们打下水利水电工程专业知识的基础。最后感谢华北水利水电学院对我的大力栽培。80 附图：1、四十湾水库大坝现状平面图2、大坝现状横剖面图3、大坝除险加固平面布置图(推荐方案)4、大坝除险加固横剖面图（推荐方案）5、坝体、坝基防渗设计图（推荐方案）（1/3）6、坝体、坝基防渗设计图（推荐方案）（2/3）7、坝体、坝基防渗设计图（推荐方案）（3/3）8、溢洪道改造平面布置图9、溢洪道改造剖面布置图10、大坝观测设计图（1/2）11、大坝观测设计图（2/2）12、旧涵管封堵设计图13、放水隧洞平面布置图80'