杨湾水库建筑物报告

4工程任务与规模

4.1工程概况

杨湾水库位于安徽省定远县范岗乡杨湾村境内，库区地处定远县北部低山区，地势平缓。水库发源于该县斋朗、范岗两乡交界处的水牛汪，属半山区，为池河的支流桑涧河的上游，下游以此流经劳武水库，穿合蚌公路进桑涧河，入桑涧水库，再通过池河、女山湖进入淮河。杨湾水库是一座以灌溉为主，结合防洪和水产养殖为一体的重点小（1）型水库。集水面积9.44Km2，水库下游为杨湾村、范岗村数个村民组，以及合蚌公路和几条重要的通信光缆，水库下游保护耕地0.6万亩,人口0.23万人.水库灌溉面积0.4万亩.

水库总库容377万m3，滞洪库容141万m3，兴利库容229万m3，死库容7万 m3；设计洪水位92.04m，校核洪水位92.40m，兴利水位91.20m，死水位86.10m。水库始建于1959年10月，1963年4月完工并发挥效益，以后逐年加高延长，经1977、1998、1999年加固扩建达到现状规模。杨湾水库自建成以来未得到有效管理和养护，致使工程存在放水涵洞破坏、坝身渗漏等安全隐患，近年来在运行过程中多次出现险情。

4.2 工程规模 4.2.1现状规模

安徽省水利厅农田水利处1992年4月编制的《小型水库资料汇编（第二册）》和2005年3月编制的《安徽省小型水库大坝基本资料汇编（第一册）》，杨湾水库防洪标准为：设计洪水标准重现期50年一遇，校核洪水标准重现期500年一遇，兴利蓄水位91.20m，相应库容236万m3；设计洪水位92.30m；校核洪水位92.68m，总库容377万m3；死水位86.10m，死库容7.0万m3。

4.2.2设计规模

本次加固根据《防洪标准》（GB50201-94）和《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）、省水利厅皖水基［2007］142号文下发的《安徽省小型水库除险加固设计指导意见》确定，杨湾水库为小（1）型水库，工程等别为Ⅳ等，永久建筑物级别为4级。设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为

100年一遇。

工程加固后水库正常蓄水位为91.20m，相应库容80万m3；大坝设计洪水标准为20年一遇，设计洪水位92.04m；校核洪水标准为100年一遇，校核洪水位92.40m，总库容377万m3；死水位86.10m，相应库容7.0万m3。

根据《溢洪道设计规范》(SL235—2000) 和2005年3月编制的《安徽省小型水库大坝基本资料汇编（第一册）》，溢洪道为4级建筑物，消能防冲设计洪水标准10年一遇。 工程存在主要问题

水库经过四十年余年的运行，存在很多工程隐患，通过对大坝安全现场检查和地质勘探，综合分析，工程存在以下主要问题：

（1）大坝

（2）溢洪道

杨湾水库泄水建筑物为开敞式溢洪道，进口未设控制堰，且上下游及两岸均无护砌；出口无消能、防冲设施，正常溢洪道断面不足，下泄水流对下游两侧及泄槽陡坡造成严重的冲刷，形成一深1.5 m的冲坑，冲坑规模：15310m2。下游对面为一山坡，溢洪道出口水流回转，与坝轴线一致，冲刷下游坝脚，并造成阻水严重，行洪不畅。溢洪道上部无交通桥，左右岸防汛交通不便。

（3）涵洞

工作闸门和启闭机严重锈蚀，启闭机丝杆已严重弯曲，不能正常运行，关闭时仍漏水严重；出水口翼墙南侧有水流出漏，墙体砌石分化较严重；涵洞进出口浆砌石结构勾缝沙浆脱落，局部块石松动，南涵出口底板砌石被冲翻，全部毁坏；涵洞因渗漏造成洞壁外侧土体流失，形成空洞，导致洞身塌陷；启闭机梁混凝土碳化深度超过钢筋保护层厚度，钢筋处于锈蚀状态；启闭机房砌筑简陋，混凝土预制盖板几乎全部出现裂缝，外墙砂浆勾缝普遍脱落，墙体浸渗，屋面漏雨。

中涵目前进口放水设施损坏，涵洞废弃，进口用混凝土封堵；坝顶和外坡沿涵洞轴线形成的沉降高约0.8m，宽约1.5m的沟槽，下游出口有水流渗出。

4.2水库加固洪水标准

杨湾水库总库容为377万m3，为小（1）型水库。杨湾水库原设计标准按50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。

本次初步设计，根据《防洪标准》(GB20201-94)和《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)，及安徽省水利厅皖水基[2007]142号文《关于下发〈安徽省小型水库除险加固设计指导意见〉的通知》，杨湾水库属小（1）型水库，保护范围为一般乡镇，因此工程等别为Ⅳ等，主要永久建筑物级别为4级，次要建筑物为5级。

由于该水库属于山丘区水库，最大坝高小于15m，且上、下游最大水头差6.3m小于10m，其洪水标准宜按平原区标准确定。现杨湾水库设计标准采用20年一遇洪水设计，100年一遇洪水校核；消能防冲建筑物的洪水标准按10年一遇洪水设计。

根据《中国地震动参数区划图》及《中国地震动反应谱特征周期区划图》（GB18306-2001），工程区地震动峰值加速度0.1g，反应谱特征周期0.35s，对应地震基本烈度为VII度。

4.3水库洪水调节计算

4.3.1水库库容曲线

杨湾水库1959年10月开始兴建，现没有当时的设计文件。本次采用从地形图量测杨湾水库水位、容积表。杨湾水库水位～库容曲线关系见表4-3-1。 表4-3-1 杨湾水库水位~容积关系表 水位（m） 库容(万m3) 85 86.1 87 0 7 34 88 89 90 91 92 93 94 68 113 167 225 310 480 681 4.3.2水库泄流设施

杨湾水库泄流设施为正常溢洪道，位于水库大坝南端，桩号：0+644~0+664，利用库岸坡地开挖明渠而成，溢洪道进口未设控制堰，出口无消能、防冲设施，正常溢洪道断面不足，坝身附近地势平坦，长85m，宽20m，底高程91.2 m。且未设非常溢洪道。溢洪道泄流按开敞式宽顶堰溢流公式计算，计算成果见表

4-3-2。

Q?B?m2gH0

1.5式中：B——正常溢洪道净宽，取20m； ?——收缩系数,取0.95；

m——正常溢洪道宽顶堰流量系数，表面为砾石,取0.36； H0——正常溢洪道堰顶水深，m。

表4-3-2 杨湾水库溢洪道泄洪能力计算成果表

上游水位(m) 91.20 91.30 91.40 91.50 91.60 91.70 91.80 92.04 流 量（m3/s） 0.00 0.96 2.71 4.98 7.66 10.70 14.07 23.31 上游水位(m) 91.90 92.00 92.10 92.20 92.30 92.40 92.50 92.42 流 量（m3/s） 17.74 21.67 25.85 30.82 34.94 39.8 44.88 40.80

4.3.3水库泄洪运用方式

杨湾水库以农业灌溉为主，兼顾防洪、养殖等综合效益。水库的汛期防洪限制水位采用兴利水位91.20m，即溢洪道堰顶高程。当库水位超过溢洪道堰顶高程91.20m时自由泄洪，起调水位为91.20m。 4.3.4调洪演算成果

水库调洪演算方程式如下，水库瞬时进出水量平衡方程式：

11(Q1?Q2)?(q1?q2)?(S2?S1)??t 22经调整后写成演算方程式：

1SqSq(Q1?Q2)?q1?(1?1)?(2?2) 2?t2?t2q?f(S2q2?) ?t2Q1、Q2为1、2时段入库流量，q1、q2为1、2时段出库流量，S1、S2为1、2时段滞洪库容。

调洪演算成果见表4-3-3。

表4-3-3 调 洪 演 算 成 果 表

重现期 （年） 10 20 100 洪 峰 （m3/s） 51.81 72.64 142.10 最大下泄量 （m3/s） 16.78 最高水位 （m） 91.84 最大库容 （万m3） 532.62 552.54 607.99 相应库容 （万m3） 296.62 24.22 42.23 92.04 92.42 316.54 371.99 由调洪演算成果，确定采用本次计算成果，即起调水位为91.20m，由正常溢洪道泄洪，主坝20年一遇设计洪水位为92.04m，下泄流量为24.22m3/s，100年一遇校核洪水位为92.40m，下泄流量为42.23m3/s，消能防冲设施10年一遇设计洪水位为91.82m，下泄流量为16.78m3/s。

水库除险加固工程措施与建设内容

4.4.1土坝

（1）工程安全评价结果

根据《安徽省天长市东风水库大坝安全评价报告》结论，水库大坝坝体填 筑质量差；上游护坡块石偏小，且存在明显风化、松动、塌陷现象；坝身、坝基严重渗漏；下游坡无排水设施；无观测设施等。土坝工程质量评定为“不合格”。

（2）工程措施与建设内容

①防渗处理：通过经技术经济比较，东风水库老河槽段（桩号0+089～0+785）采用多头小直径水泥土垂直截渗墙方案，防渗墙底部穿过坝基原状土以下3m。

② 坝顶及坝坡结构

坝顶宽度一律增做至5m；坝顶做C25砼路面，宽4m，厚20cm；路面下20cm厚手摆块石；上、下游路肩各设50cm宽缘石。

上游坝坡干砌块石护坡拆除重建，厚30cm；底部增设10cm厚碎石垫层；上游护坡坡脚处（34.20m高程）增设M10浆砌石齿墙。护坡覆盖范围从坝顶高程41.60至高程34.20；全坝段护坡。根据《安徽省天长市东风水库大坝安全评价报告》中计算结果，东风水库大坝上游坝坡在水位骤降情况下抗滑稳定安全系数不能满足规范要求，现采取对大坝老河槽段（桩号0+200～0+650）上游坝坡34.20m高程以下采用抛石护坡增加压重以防止该段滑坡，顶宽3m，坡比为1：4。

为避免雨水漫流冲刷坝坡和坝脚，在下游平台内侧设纵向排水沟；下游坝脚设集水沟，平台与坝脚纵沟间每50m设一道横向排水沟；水库的坝端与岸坡连接处设截水沟。排水沟采用C20素砼现场浇筑，为矩形断面，内断面尺寸为30330cm，壁厚为10cm。为便于工程管理人员对大坝安全监测和防汛需要，下游坝坡自坝顶至坝脚从溢洪道右侧附近开始约每200m设踏步一道，共5道，采用M7.5浆砌石砌筑而成；踏步高15cm，宽高比与坝坡坡比一致。 4.4.2溢洪道及交通桥

（1）工程安全评价结果

杨湾水库泄流设施为正常溢洪道，位于水库大坝南端，利用库岸坡地开挖明渠而成，溢洪道进口未设控制堰，出口无消能、防冲设施，正常溢洪道断面不足，坝身附近地势平坦，长85m，宽20m，底高程91.2m。

根据《安徽省定远县杨湾水库大坝安全评价报告》结论，溢洪道存在如下问题：

①溢洪道上无交通桥，汛期防汛车辆左右岸不能通行。

②溢洪道上无控制堰，上、下游渠底及两岸均无护砌，影响泄洪安全。 ③溢洪道下游无消力池、海漫等消能防冲设施，下泄水流对下游两侧及泄槽陡坡造成严重的冲刷，形成一深1.5 m的冲坑。下游对面为一山坡，溢洪道出口水流回转，与坝轴线一致，冲刷下游坝脚，并造成阻水严重，行洪不畅。

综上所述，溢洪道工程存在的问题是多方面的，对于工程长期安全、稳定

地运行是极为不利的。溢洪道工程质量评定为“不合格”。

（2）工程措施与建设内容

对原溢洪道改建加固，增做控制堰、消能防冲、交通桥等结构设施，出口开挖山坡，使水流平顺。

控制堰采用平底板宽顶堰，位置在坝轴线附近约偏向下游，底高程91.2m，顺水流方向5m，厚700mm，采用C20钢筋砼结构；上游设6m浆砌石护底；泄水槽长25.2m，底坡1:3.5，采用20cm厚C25钢筋砼结构护面；下游设消力池，长11m，深700mm，400mm厚C25钢筋混凝土结构；砌石海漫长14m末端设1m深抛石防冲槽；上下游两岸设浆砌石挡土防冲墙；下游出口开挖山坡形成尾水渠，使出口水流平顺，考虑填挖方的工程量，尾水渠前端底高程84.7m、底宽21m、边坡1:2、底坡1:3000。在控制堰位置上部设防汛交通桥，宽5m，采用450mm厚C25钢筋混凝土连续板试结构。 4.4.3放水涵洞

（1）工程安全评价结果

根据《安徽省定远县杨湾水库大坝安全评价报告》结论，南、中、北放水涵洞均不同程度存在着洞身断裂并漏水、洞身外渗水塌陷、闸门漏水、工作桥砼碳化、出口挡土墙倾斜且局部倒塌、启闭设施损坏已不能正常使用等问题，其中中涵已经废弃，对工程安全运行使用构成威胁。放水涵洞工程质量评定为“不合格”。

（2）工程措施与建设内容

杨湾水库南、北放水涵洞过流能力经复核能满足设计及使用要求，但南涵和中涵因渗漏造成管外围土体流失，在涵管底部和两侧形成接触渗流，且所有涵管进出水口挡土墙、底板及洞身涵管等损坏严重且金属结构变形 、老化，已不能正常使用，运行过程中存在很大的安全隐患，中涵已经废弃。故将中涵废弃并开挖回填；南涵和北涵拆除改建，改建后涵洞位置不变。为了提高洞身强度和便于检修，将南涵原砼涵管均改建为100031500mm钢筋砼箱涵，增加一道检修闸门；启闭机更换为LQ-8型手电两用螺杆式，2台；工作主闸采用尺寸为100031500mm铸铁闸门，检修闸门采用尺寸为132031600mm钢筋砼箱涵，设

计流量0.3m3s?1。原北放水涵是圬工涵洞，现也将其拆除改建为100031500mm钢筋砼箱涵，设计流量0.32m3s?1；启闭机更换为LQ-5型手电两用螺杆式，2台；其他同南涵。

1 建筑物除险加固设计

1.1 设计依据

5.1.1工程设计标准

杨湾水库总库容为377万m3。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252-2000)之规定，本库枢纽工程等别属Ⅳ等，主要建筑物大坝、溢洪道、放水涵洞为4级建筑物。最大坝高 9m，最大挡水高度6.4m，按平塬地区水库标准，采用20年一遇洪水设计，100年一遇洪水校核。溢洪道消能防冲设计标准按10年一遇洪水设计。

根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），大坝坝址地震动峰值加速度为0.1g，相应地震基本烈度7度区。根据本工程性质，设计地震动峰值加速度为0.1g，设计基本烈度为7度。 5.1.2设计基本资料

（1）采用的技术规程和规范 1) 《防洪标准》（GB 50201-94）；

2) 《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2000）； 3) 《水利水电工程初步设计报告编制规程》（DL 5021-93）； 4) 《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）；

5) 《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96） 6) 《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）； 7) 《溢洪道设计规范》（SL 253-2000）；

8) 《水工混凝土结构设计规范》（SL/T 191-96）； 9) 《水工建筑物抗震设计规范》（SL 203-97）； 10) 《水工建筑物荷载设计规范》（DL 5077-1997）； 11) 《水利水电工程施工组织设计规范》（SDJ 338-89）； 12) 《水利水电工程环境影响评价规范》〔SDJ 302-88（试行）〕； 13) 《水利水电工程启闭机设计规范》（SL 41-93）； 14) 《水库工程管理设计规范》（SL 106-96）；

15) 《土石坝安全监测技术规范》（SL 60-94）。 （2）采用的主要文件

1) 关于下发《安徽省小型水库除险加固设计指导意见》的通知（2007年）； 2) 安徽省水利厅农田水利处编制的小型水库资料汇编（1992年）； 3) 定远县杨湾水库大坝安全鉴定评价报告（2007年）； 4) 定远县杨湾水库大坝安全鉴定报告书（2007年）； 5) 定远县杨湾水库安全鉴定工程地质报告（2007年）； 6) 定远县杨湾水库初步设计地质报告（2007年）。

1.2 挡水建筑物除险加固设计

5.2.1坝顶高程与宽度

根据《中国地震动参数区划图》（GB18306—2001），杨湾水库坝址地震动峰值加速度值为0.1g，相应地震基本烈度为VII度，按《水工建筑物抗震设计规范》（SL203—97），须考虑地震条件下的坝顶超高，取地震涌浪高度0.5m。

（1）坝顶高程计算

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL 189-96)6.1，坝顶超高按下式计算： Y=R + A。

式中：Y——坝顶在静水位以上的超高（m）；

R——风浪沿着坝坡的最大爬高；

A——安全加高，4级建筑物正常运行情况和非常运行情况分别为

0.50m和0.30m。

1）波高和波长计算

根据有关资料，计算大坝波浪高度时，所采用设计风速；正常运用条件下为多年平均最大风速的1.5倍，非常运用条件下，采用多年平均最大风速，杨湾水库多年平均最大风速为11.0m/s，根据库区地形，风区长度D=1500m。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)之规定，经天长市水利局批准确定挡水土坝为4级水工建筑物，即杨湾水库设计洪水标准为20年，校核洪水标准为100年。根据现状调洪演算成果：

正常蓄水工况水库水位91.20 m，多年平均设计最大风速的1.5倍， W

设

=16.5m/s。

20年一遇设计洪水位92.04m，多年平均设计最大风速的1.5倍，W=16.5m/s。

100年一遇校核洪水位92.40m，多年平均校核最大风速W校=11.0m/s。 地震期水库水位91.20 m，多年平均设计最大风速W设=11.0m/s。

按规范附录A.1.6规定，对于丘陵、平原区水库，当W＜26.5m/s，D＜7500m时可采用鹤地公式计算：

波高：

ghgD1/32%?0.00625 W1/6()22WW设

波长：gLm?0.0386(gD)1/2

W2W2式中：

W——风速（m /S）；

D——风区长度（m），D= 1500m； h 2%——累积频率为2%的波高（m）。

正常蓄水情况：平均波高hm＝0.47m； 波长Lm=7.88m。 设计情况(P=5%)：平均波高hm＝0.47m； 波长Lm=7.88m。 校核情况(P=1%)：平均波高hm＝0.26m； 波长Lm=5.25m。 地震情况： 平均波高hm＝0.26m； 波长Lm=5.25m。

2）平均波浪爬高Rm按规范附录A.1.12计算，采用公式：

Rm?K?K?1?m2hmlm

式中：K?——斜坡糙率及渗透性系数，护面加固后选用块石护面，K?=0.8。

K?——经验系数，可根据

WgH值查附录表A.1.12-2取得。

杨湾水库近坝库底平均高程约为85.0m，正常蓄水位为91.20m，平

均水深为6.2m，设计洪水位92.04m时平均水深为7.04m，校核水位92.40m时，平均水深为7.40m。相应的K?取值：正常蓄水、设计、校核和地震工况分别为1.11、1.08、1.01、和1.02。

正常蓄水条件：

WgHWgHWgH=2.12，K?=1.11；Rm=0.63m。

设计条件：

=2.12，K?=1.08；Rm=0.62m。

校核条件：

W=1.29，K?=1.01；Rm=0.31m。

地震期：

gH=1.41，K?=1.02；Rm=0.35m。

3）设计爬高R值计算

设计波浪爬高值按规范A.1.11条，4级坝采用累积频率应为5%的爬高值R5%，查附录表A.1.3取得，各工况下

RpRm?1.84。正常蓄水、设计、校核和地震

工况R5%分别为1.20m、1.16m、0.65m、和0.66m。

4）坝顶超高Y值

正常蓄水条件下坝顶超高：Y=1.20+0.5=1.70m； 设计工况条件下坝顶超高：Y=1.16+0.5=1.66m； 校核工况条件下坝顶超高：Y=0.65+0.3=0.95m； 地震期下坝顶超高：Y=0.66+0.3+0.5=1.46m。 杨湾水库坝顶超高计算成果见表5-2-1。

表5-2-1 坝顶超高计算结果表

工 况 正常蓄水 水位(m) 91.20 设计风速(m/s) 16.5 16.5 11.0 11.0 计算 波高 (m) 1.05 1.05 0.47 0.57 计算 波长 (m) 7.88 7.88 5.25 5.25 平均 平均波(m) 0.47 0.47 0.26 0.26 (m) 0.63 0.61 0.31 0.35 设计 (m) 1.20 1.16 0.65 0.66 安全 加高 (m) 0.5 0.5 0.3 0.3+0.5(地震涌浪高度) 计算坝顶高程(m) 92.90 93.70 93.35 92.66 波高 浪爬高 爬高 设计(P=5%) 92.04 校核(P=1%) 92.40 地震期 91.20 （2）坝顶高程复核

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL 189-96)规定，坝顶高程分别按以下运用情况计算，取其最大值：

1) 正常蓄水位加正常运用情况的坝顶超高：Y=91.20+1.70=92.90m； 2) 设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高：Y=92.04+1.66=93.70m； 3)校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高：Y=92.40+0.95=93.35m。 4)地震时洪水位加非常运用情况的坝顶超高：Y=91.20+1.46=92.66m。 杨湾水库坝顶高程由设计情况控制，要求最小坝顶高程为93.70m，水库现有坝顶高程为92.60m～92.80m，现有坝顶高程不满足规范要求，现设计坝顶高程为93.70m。但大坝坝顶高程不一，现将坝顶高程统一加高至93.70m，比原设计坝顶高程高0.4m。

（3）坝顶宽度

杨湾水库现有坝顶宽度4～5m，由于最大坝高9.4m，小于30m，符合《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）6.2.1条中规定坝顶宽度为3～6m的要求。但大坝坝顶多处宽度不一，形状极不规则，现将坝顶宽度统一加宽至5m。

5.2.2大坝防渗加固设计

（1）防渗加固范围

根据《安徽省天长市东风水库大坝安全评价报告》和《安徽省天长市东风

水库大坝现场检查报告》中结果，大坝下游坡散侵渗水点主要集中在老河槽区域0+120～0+730段，渗水点主要分布在31.50～34.00m高程之间坝体上，且渗漏较为严重，其中部分坝段常年积水，已形成沼泽地。现选定大坝0+089～0+785段（北涵至南涵）作为防渗加固坝段。

Ⅰ.计算断面及地层简化

根据东风水库工程地质报告提供的地质资料，结合地形和坝高，选取桩号0+375段面作为渗流复核计算断面。计算断面示意图见图5-2-1。

41.70校核水位39.88正常水位38.00设计水位39.311:2.536.001:332.028.7526.0023.40粉质粘性土粉质粘土中粉质壤土中粉壤性土1:331.601:2.526.60图5-2-1 渗流复核计算断面示意图

Ⅱ.计算参数选取

本工程计算断面各土层渗透系数依照地质报告，地质资料选取(采用建议值)，对地质报告中未提供渗透系数的土层，则按该土层的地质特性，根据工程类比选定。计算采用的各土层渗透系数取值见表5-2-2。

表5-2-2 渗流计算参数表

土层 ①层中粉质壤土 ②层粉质粘土 ③层粉质粘土 ④层粉质粘土 ⑤中粉质壤土 水平渗透系数(cm/s) 7.06310-4 1.08310-4 1.52310-5 2.58310-4 3.2310-5 垂直渗透系数(cm/s) 7.06310-4 1.08310-4 1.52310-5 2.58310-4 3.2310-5 Ⅲ.计算工况

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝土石坝设计导则》(SL189-96)的有关规定，东风水库渗流计算应主要分析上游正常蓄水位与下游不利水位组合的情况。但为预测在未来高水位情况下坝体的渗流稳定和为坝身结构稳定复核提供基础数据，计算还选择了设计及校核水位的工况。相应水位组合见表5-2-3。 表5-2-3 计算工况及相应水位组合表

工 况 正常水位 设计水位 校核水位 上游水位(m) 38.00 39.31 39.88 下游水位(m) 26.60 26.60 26.60 下游水位取坝后 地面高程 备注 Ⅳ.计算内容及计算程序

计算按《小型水利水电工程碾压式土石坝土石坝设计导则》(SL189-96)的有关规定，大坝渗流计算主要内容为：确定坝体浸润线有其出逸点位置，绘制坝体及坝基的流网图；确定坝体及坝基的渗流量；确定坝体及坝基的渗透坡降和出逸坡降，并判断其渗透稳定性。所以本计算首先根据地质报告和有关规范计算出坝身浸润线、渗流等压线，然后计算出大坝渗流量，最后确定坝基土层的水平渗透比降、下游渗流出逸段的出逸比降，并论证坝基土层及坝后渗流出逸段的渗透稳定性。

主坝渗流计算采用二维稳定渗流有限元法，计算分析软件采用河海大学土木工程学院开发的“AutoBANK-水工结构有限元分析系统”。

Ⅴ.计算成果及成果分析 ①计算成果

东风水库坝身及坝坡下游表层土为粉质粘土，属凝聚性土。根据类似工程的渗透变形判定结果，确定出逸渗透破坏型式为流土型破坏；各相邻土层之间均不会产生接触冲刷和接触流失现象。渗流计算成果见表5-2-4；各种水位组合下大坝流网图及水力坡降数值图见图5-2-2。

表5-2-4 大坝渗流计算主要成果表

工 况 渗透比降 出逸高程 单宽渗流量

坝基水平比降 正常水位 设计水位 校核水位 0.113 0.136 0.142 最大出逸比降 0.706 0.72 0.737 (m) 28.56 31.71 32.11 (m3/m2d) 0.57 0.91 1.03

41.7041.7038.0总水力坡降,1.34E-01 to 6.92E-01总水力坡降,3.21E-01 to 7.06E-0128.5626.2x方向水力坡降,1.00E-01 to 1.13E-01正常水位渗流计算39.3141.70总水力坡降,1.88E-01 to 7.35E-01总水力坡降,2.34E-01 to 2.78E-0131.71总水力坡降,3.16E-01 to 7.20E-01单宽渗流量：9.1E-06 26.2x方向水力坡降,1.21E-01 to 1.36E-01设计水位渗流计算总水力坡降,8.99E-02 to 5.84E-0141.70总水力坡降,2.20E-01 to 7.22E-01总水力坡降,2.89E-01 to 3.25E-0132.11总水力坡降,3.31E-01 to 7.37E-0126.2单宽渗流量：1.03E-05 39.88x方向水力坡降,1.23E-01 to 1.42E-01校核水位渗流计算图5-2-2 渗流复核计算成果图

②计算成果分析

由以上计算成果可以看出，大坝横剖面上的计算等势线分布符合一般均质坝的渗流规律。根据对东风水库现场检查结果，大坝渗漏主要集中在桩号0+089～0+785范围老河槽段，长696m。1994及2005年曾两次对老河槽局部地段进行粘土灌浆，但由于经费不足均不彻底。渗流计算断面在0+375处，结果表明，坝内浸润线位置及渗流出逸点较高，在校核水位时，下游坝坡出逸高程为32.11m，高出地面5.51m。造成此现象的原因主要是，大坝在32.00m平台以上断面薄弱，土层压实度过低，防渗能力较差。另外，该层内粗粒集中易造成在未来高水位时，出逸点基本在32.00m平台以上坝坡。同时计算得出下游坡出逸坡降较大，主要是因为32.00m平台以下坝坡坡比过陡造成的。经计算比较，在同等条件下若将32.00m高程平台（二平台）加高至34.20m并将其坝坡放缓至1:3时，其出逸坡降可降至0.6即可满足规范要求。

（3）大坝加固方案

根据《安徽省天长市东风水库大坝安全评价报告》中坝坡稳定计算表明，东风水库大坝老河槽段上游坝坡（范围在0+200～0+650）在库水位骤降时最小安全系数为0.9211（总应力法）、0.9026（有效应力法），小于规范允许值1.05。

东风水库上游坝坡老河槽段在水位骤降情况下发生稳定破坏，下游坝坡能满足抗滑稳定要求。东风水库大坝上游坝坡加固有三种方案较为适宜，即对上游坝坡采用抛石以增加坝脚处压重、将坝坡削缓以降低其重心和增加一道平台来提高坝坡抗滑稳定性。但由于该水库现有上游坝坡较缓（坡比为1：3），削坡或增加平台后该段坝轴线移位，与其它坝段不能有效连接，其结果将导致大坝加固整体土方及其他工程量很大，造价远超过前一种方案。现对上游坝坡全段翻修，底部增设M10浆砌石齿墙。现在对大坝老河槽段上游坝坡（桩号0+200～0+650）34.20m高程以下采用抛石增加压重来提高其抗滑、抗渗稳定性；将下游二平台（高程约32.00m）顶宽一律调整为6m，顶面加高至34.20m高程，以下坝坡放缓至1：3，以增加该段抗渗稳定性。

（4）大坝防渗方案 方案一：混凝土防渗墙

混凝土防渗墙是利用专用的造孔机械设备营造槽孔，泥浆护壁，用导管在

注满泥浆的槽孔中浇注混凝土并置换出泥浆，筑成墙体。其特点为：①实用性广：砂土、粉土及直径小于10mm的卵砾石层都可以采用；②适用性强：深度可达100m左右；③安全、可靠；④施工条件要求低；⑤速度较慢、成本较高。

混凝土防渗墙平均厚度计算公式：T??H/?J? 式中：?H——上、下游最大水位差(m)；

?J?——混凝土防渗墙允许水力坡降，参考有关资料，?J?=60。

大坝上游最高洪水位为39.88m，下游水位采用下游地面高程26.60m，则上、下游水位差最大值?H=13.28m，计算结果：T=0.22m，据此防渗墙平均厚度取0.4m。

混凝土防渗墙布置在坝轴线上，墙身在0+089～0+785范围内，墙顶考虑到坝顶做路面和路基，顶高程为41.00m；墙底伸入该段坝基（原状土）以下3m。经计算，混凝土防渗墙总方量为4680m3。

方案二：多头小直径水泥土垂直截渗墙

多头小直径深层搅拌喷灌浆造墙技术是运用特制的多头小直径深层搅拌桩机把水泥浆喷土体，同时钻头旋转搅拌，使喷入土体的水泥浆液与原土充分拌制在一起，形成抗压强度比天然土强度高得多、渗透系数较小，并具有整体性、水稳定性的桩柱体。将桩柱体互相搭接成一列，形成连续墙体以起到截渗作用。

防渗墙施工初步采用ZCJ-25型深层搅拌机喷浆造墙，该机钻头间带有刚 性连锁装置可实现一次成墙，一机共有3～6个钻头。本次设计采用5个钻头，钻杆间中心距32cm。防渗墙厚度按下式计算：

T=△H/[J]

式中：T——最小防渗墙厚度，m；

△ H——最大上、下游水位差，m；

[J]——高喷防渗墙允许水力坡降，参考相关资料在此取60。

上、下游最大水位差13.28m，经计算得T=0.22m，考虑到施工可能带来的 垂直偏差，选用桩径为39cm，搭接处理最小成墙厚度24cm，桩间最大搭接长7cm，可满足防渗墙厚度的要求。

方案三：套井冲抓回填粘土心墙

坝体防渗体采用冲抓套井回填粘土防渗体，施工时采用冲抓锥成孔，孔内回填粘性土形成防渗墙。坝体防渗体顶面高程与大坝坝顶相同。

根据本工程的实际情况，坝体上部采用冲抓套井回填粘土防渗墙，套井直径为1.4m，井距1.0m，采用单排套井，坝体防渗墙底高程为坝基以下3m，顶高至坝顶。

（5）大坝防渗方案比较

根据选定的大坝防渗方案，以下对上述三个方案进行技术经济比较。大坝防渗墙各方案投资见表5-2-5。

表5-2-5 大坝防渗墙方案投资比较表

坝 段 方 案 混凝土 防渗墙 （方案一） 工程量 经济比较 （m3） 3960 老河槽段（0+089～0+785） 多头小直径水 套井冲抓回 泥土垂直截渗墙 填粘土心墙 （方案二） （方案三） 造价 (万元) 178.2 工程量 （m2） 11253 造价 (万元) 155.45 工程量 （m） 7140 造价 (万元) 142.8 三种方案在技术上都是可行的，并且在我市近期都有成功施工的经验。混凝土防渗墙在施工中质量容易控制且施工过程中不用降低库水位至死水位以下，减少当地灌溉损失；但由于其所用材料较多，工程量大，造价高，不够经济。套孔冲抓粘土井柱防渗墙工程造价较低，但在施工过程必须将库水位放空才能保证安全施工。另外由于土坝坝身土以中粉质壤土与粘土为主，强度以软～中等强度为主，其平均干密度一般在ρd=1.40～1.59g/cm3之间，填土标贯N=1～5击之间居多，填土很不密实，现场踏勘大坝下游坝坡有明显渗漏现象，局部土体塌陷，说明坝身土填筑质量差，土体自重固结效果也不理想，对于这样的填土在施工中，容易造成塌陷，特别是老河槽段将给施工安全带来隐患。多头小直径深层搅拌喷灌浆造墙，该技术成墙价低，取材方便，施工速度快，施工工序少，工效高，成墙耐久性好，且不受库水位的影响。该技术在长江大堤和淮河大堤上得到广泛应用，有较成熟的经验，取得了较好的经济效益和社会效益。但在我市境内截渗工程中还未曾采用，可作为一种新型截渗措施在我市加

以推广。

②大坝防渗方案选定

根据以上分析，最终选定多头小直径水泥土垂直截渗墙设计方案作为本次东风水库土坝防渗措施。

（6）大坝防渗设计 ①墙体位置及墙深

截渗墙布置于坝顶中轴线上，由于墙体强度较大，考虑到坝顶要修建路基和路面，为防止不均匀沉陷，防渗防渗墙顶高程定为41.00m。根据地质勘探资料，坝基为粉质粘土和中粉质壤土，未见岩基。其中中粉质壤土主要分布在老河槽段，为中等强度，渗透系数达i310-5(0

②施工机械的选用

根据大坝纵剖面图，水库防渗造墙最大深度达18m，据此选用转盘式ZCJ-25型多头深层搅拌桩机。该机有335个头，根据已完工程经验，选用5个钻头，一个工艺流程可形成一个单元防渗墙。钻杆间距为320mm，钻杆之间带有连锁装置。机械设备主要技术参数见表5-2-6。

表5-2-6 CZJ-25型深层搅拌机械技术参数表

机 型 搅拌轴规格(mm) 搅拌轴数量（个） 搅拌 装置 搅拌叶片外径(mm) 搅拌轴转数(r/min)(正反) 最大扭矩(kN2m) 电机功率(kW) 提升能力(kN) 起吊 设备 提升高度(m) 升降速度(m/min) 接地压力(kPa) 制浆 系统 制浆机容量(L) 储浆罐容量(L) ZCJ-25 1203120 3～5 350～470 22、44、75 44 150 200 30 0.3～0.5 67 800 1600

BW150灰浆泵量(L/min) 灰浆泵工作压力(kPa) 生产 能力 加固一单元墙长(m) 最大加固深度(m) 效率(m/台班) 重 量（t） 222～100 1000～2000 0.96～1.6 25 150～200 42 ③防渗墙厚度及孔径

防渗墙厚度根据其允许渗透坡降[J]=60，经计算， T =0.192m，结合施工可能带来的垂直偏差，选用桩径为390mm，搭接处理论最小成墙厚度223 mm，单元内桩间最大搭接70 mm，若施工造成的桩体倾斜度控制在0.4%以内，单元间桩最大搭接(70±0.4%H) mm（H—防渗墙深度），可满足防渗墙厚度的要求。

④造孔方法及施工参数

根据所选机型特点，施工时先完成1单元5孔造墙，然后在进行下一单元5孔造墙，以此类推实现全坝段防渗造墙，单元与单元之间搭接厚度要满足施工造成的桩体倾斜度要求。根据本工程实际情况初步设计选定施工参数见表5-2-7，该表参考《水利水电工程施工手册》（第一卷），《深层搅拌法的设计施工与应用》（2001年第一版）。具体实施时应通过现场试验和室内试验进一步认证参数的合理性，质量检查时通过开挖检查、取芯试验、注水实验、地质雷达检测等方法来检验防渗墙的防渗效果是否达到设计要求。 表5-2-7 多头小直径深层搅拌防渗墙施工参数表

项 目 水灰比 水泥掺入量 供浆压力(Mpa) 供浆量（L/min） 钻进速度（m/min） 提升速度（m/min） 搅拌轴转速（r/min） 垂直度偏差(%) 桩位对中偏差(m) 参数 1.5 12% 0.3～1.0 10～60 0.3～0.8 0.6～1.2 30～60 ＜0.3 ＜0.02 备注 根据供浆量及施工深度确定 与提升搅拌速度及每m所需浆量协协调 根据地层情况确定 与搅拌速度及供浆量协调 与提升速度协调 指施工时机架垂直度偏差 指施工时桩机对中的偏差 5.2.3加固后渗流计算

Ⅰ.计算断面及地层简化

根据东风水库工程地质报告提供的地质资料，结合地形和坝高，加固后同样选取桩号0+375断面作为渗流复核计算断面。计算断面示意图见图5-2-3。

41.60校核水位39.88正常水位38.00设计水位39.311:2.536.201:332.0028.7526.0023.40粉质粘性土粉质粘土中粉质壤土中粉壤性土1:334.201:330.00

图5-2-3 加固后渗流复核计算断面示意图

Ⅱ.计算参数选取

本工程计算断面各土层渗透系数依照地质报告，地质资料选取(采用建议值)，对地质报告中未提供渗透系数的土层，则按该土层的地质特性，根据工程类比选定。计算采用的各土层渗透系数取值见表5-2-8。 表5-2-8 渗流计算参数表

土层 ①层中粉质壤土 ②层粉质粘土 ③层粉质粘土 ④层粉质粘土 ⑤中粉质壤土 水平渗透系数(cm/s) 7.06310-4 1.08310-4 1.52310-5 2.58310-4 3.2310-5 垂直渗透系数(cm/s) 7.06310-4 1.08310-4 1.52310-5 2.58310-4 3.2310-5 Ⅲ.计算工况

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝土石坝设计导则》(SL189-96)的有关规定，东风水库渗流计算应主要分析上游正常蓄水位与下游不利水位组合的情况。但为预测在未来高水位情况下坝体的渗流稳定和为坝身结构稳定复核提供基础数据，计算还选择了设计及校核水位的工况。相应水位组合见表5-2-9。 表5-2-9 计算工况及相应水位组合表

工 况 正常水位 设计水位 校核水位 上游水位(m) 38.00 39.31 39.88 下游水位(m) 30.00 30.00 30.00 备注 下游水位取坝后 地面高程 Ⅳ.计算内容及计算程序

计算按《小型水利水电工程碾压式土石坝土石坝设计导则》(SL189-96)的有关规定，大坝渗流计算主要内容为：确定坝体浸润线有其出逸点位置，绘制坝体及坝基的流网图；确定坝体及坝基的渗流量；确定坝体及坝基的渗透坡降和出逸坡降，并判断其渗透稳定性。所以本计算首先根据地质报告和有关规范计算出坝身浸润线、渗流等压线，然后计算出大坝渗流量，最后确定坝基土层的水平渗透比降、下游渗流出逸段的出逸比降，并论证坝基土层及坝后渗流出逸段的渗透稳定性。

主坝渗流计算采用二维稳定渗流有限元法，计算分析软件采用河海大学土木工程学院开发的“AutoBANK-水工结构有限元分析系统”。

Ⅴ.计算成果及成果分析 ①计算成果

东风水库坝身及坝坡下游表层土为粉质粘土，属凝聚性土。根据类似工程的渗透变形判定结果，确定出逸渗透破坏型式为流土型破坏；各相邻土层之间均不会产生接触冲刷和接触流失现象。加固后渗流计算成果见表5-2-10；各种水位组合下大坝流网图及水力坡降数值图见图5-2-4。 表5-2-10 大坝加固后渗流计算主要成果表

渗透比降 工 况 坝基水平比降 正常水位 设计水位 校核水位 0.102 0.126 0.135 最大出逸比降 0.112 0.185 0.218 (m) 29.12 29.36 29.78 出逸高程 单宽渗流量 (m3/m2d) 0.32 0.68 0.83 ②计算成果分析

由以上计算成果可以看出，大坝横剖面上的计算等势线分布符合一般均质坝

的渗流规律。防渗加固后渗流计算断面同样选在桩号0+375处，结果表明，坝内浸润线位置及渗流出逸点均有所下降，说明采取多头小直径垂直截渗墙防渗加固能够满足大坝防渗要求。

出逸点高程29.12m总水力坡降,5.38E-02 to 1.12E-01正常水位条件下渗流等势线分布图出逸点高程29.36m总水力坡降,8.62E-02 to 1.85E-01设计水位条件下渗流等势线分布图出逸点高程29.78m总水力坡降,1.06E-01 to 2.18E-01校核水位条件下渗流等势线分布图图5-2-4 防渗加固后渗流计算成果图

5.2.4加固后稳定计算

（1）计算断面及分区

选择大坝加固后0+375断面进行结构稳定计算。根据地质报告，断面土层

分为：①层粉质壤土，③、④层粉质粘土，⑤层中粉质壤土。

（2） 计算工况选定

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）的有关规定， 东风水库大坝抗滑稳定计算包括如下内容：

① 上游坡

非常运用条件：库水位自校核洪水位39.88m非常骤降至死水位32.70m的 工况。

② 下游坡

A．正常运用条件：库水位为正常蓄水位38.00m、下游水位（取地面高程， 下同）30.00m坝体形成稳定渗流下的工况；库水位为设计水位39.31m、下游水位30.00m坝体形成稳定渗流下的工况。

B．非常运用条件：库水位为校核洪水位39.88m、下游水位30.00m，坝体形成稳定渗流下的工况。

（3）计算参数的确定

本次设计为了查明坝体填筑质量，验证岩土物理力学参数和工程地质条件，进行了勘探钻孔取样，并做了各项参数的土工试验。根据土工试验资料，结合坝身填筑工程质量评价，确定各材料的计算参数。坝身土料的物理力学指标直接采用地勘报告提供的成果，有效应力强度指标采用慢剪试验值，总应力强度指标采用直接快剪试验值。稳定计算所采用析参数见表5-2-8。 表5-2-8 大坝稳定分析选用物理力学指标表

物理指标kN/m3 土料分区 湿容重 γ ①层中粉质壤土 ③层粉质粘土 ④层粉质粘土 ⑤层中粉质壤土 19.35 19.89 19.96 19.77 浮容重 γsat 抗剪强度指标kPa / ( °) 总应力指标 C /φ 12/12 48/18 45/21 36.6/21 有效应力指标 C’/φ’ 10/16 27/21 35/22.7 31/21.5 9.78 10 10.1 10 （4）计算方法及计算成果

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