土石坝设计与施工 (1)

长江工程职业技术学院

水利工程系

土石坝设计与施工课程论文

班级：水工1106班

姓名：

学号：1110357

专业名称：土石坝设计与施工

指导教师：

二○一四年三月

目录

前言................................................................ I 1、项目背景资料.. (1)

1.1绪言 (1)

2、水库除险加固的必要性 (5)

2.1 工程存在的问题和除险加固的必要性 (5)

2.1.1 水库存在的主要问题 (5)

2.1.2 除险加固的必要性 (5)

3.1 概念理解 (6)

3.1.1、正常蓄水位 (6)

3.1.2、死水位 (6)

3.1.3、防洪限制水位 (6)

3.1.4、防洪高水位 (6)

3.1.5、设计洪水位 (6)

3.1.6、校核洪水位 (6)

3.2特征水位确定 (6)

3.2.1 坝顶高程的确定 (7)

3.2.2水库死水位确定 (7)

3.2.3水库汛限水位和正常蓄水位确定 (7)

3.2.4水库施工洪水位 (7)

4水库坝坡加固工程 (8)

4.1拦河坝现状复核 (8)

4.1.1坝顶高程复核 (8)

4.2坝加固设计 (9)

4.2.1坝顶改建 (9)

4.2.2上游坝坡贴坡培厚、新建干砌石护坡 (9)

4.2.3下游贴坡培厚、新建贴坡排水 (9)

4.3溢洪道改建设计 (14)

4.4溢洪道泄流能力复核 (14)

4.5溢洪道边墙高度复核 (15)

5、施工组织设计 (18)

5.1施工条件 (18)

5.1.1工程条件 (18)

5.1.2自然条件 (18)

5.2施工导流 (18)

5.2.1导流标准 (18)

5.2.2导流方式 (18)

5.2.3导流建筑物设计 (19)

5.2.4导流建筑物施工 (19)

5.3土料及砂石料 (19)

5.4主体工程施工 (19)

5.4.1拦河坝加固工程施工 (19)

5.4.1.1大坝坝顶施工 (19)

5.4.1.2坝坡加固施工 (19)

5.4.2溢洪道加固工程施工 (20)

5.5交通运输 (20)

5.5.1对外交通 (20)

5.5.2场内交通 (20)

5.6施工总布置 (20)

5.7施工总进度安排表 (20)

6、总结 (22)

6.1实训成果 (22)

6.2不足 (22)

参考文献 (23)

前言

论文名称：关于秦皇岛经济技术开发区烟台山水库除险加固工程的实习论文土石坝的设计与施工是水利水电建筑工程专业毕业生必须掌握的专业课程。在这次的顶岗实习中，有幸接触并学习到关于土石坝（小水库）除险加固工程的项目，其中内容涉及广泛、专业性强，囊括水文、气象、地质、水工建筑物、工程力学等许多方面以及工程施工方面内容。个人觉得对自己提高专业知识水平和实践能提有很大帮助。在本次论文中由于该工程涉及知识面广，工程条件复杂，而本人知识量有限，在此仅对水库上下游坝坡加固处理工程、溢洪道改建工程及下游坝坡排水工程的设计与施工做详细论述，结合参考资料，仅对自己在实践中能力所及，所学习到的专业知识做具体论述。如有不妥之处希望老师予以批评指正。

1、项目背景资料

1.1绪言

烟台山水库座落于秦皇岛经济技术开发区境内小汤河西支流上游，坝址位于烟台山村西0.3km，水库下游1km即为京山铁路及计新庄等村庄，距开发区城市区2.5km，距京山铁路1km。水库坝址以上控制流域面积1.43km2，占小汤河流域的2.6%，总库容43.2万m3，是一座以防洪、农田灌溉为主，结合养鱼等综合利用的小（2）型水库。

水库枢纽工程由拦河坝、溢洪道、放水洞等组成。拦河坝坝型为均质坝，坝顶高程为44.5m，坝顶长348m，宽2.2m，最大坝高12.0m，坝体上游坡比1:1.8，下游坡比1:1.8，为草皮护坡。溢洪道位于拦河坝左岸，为河岸开敞式宽顶堰溢洪道，堰顶高程41.00m，堰顶净宽17m。坝内放水洞1条，为DN500mm混凝土坝下埋管，进口底高程为38.5m。

烟台山水库建成运用30年来，在防洪、灌溉及养殖等方面发挥了较为明显的效益，但目前水库运行中存在坝顶宽度小、拦河坝上、下游坝坡抗滑稳定安全系数不满足规范要求、上游坝坡无护砌、溢洪道堵塞严重以及管理设施不完善等问题，严重影响工程自身的防洪安全及水库综合效益的发挥。

2007年秦皇岛市水利勘测设计处完成了《烟台山水库大坝安全评价报告》，并通过省水利厅大坝安全鉴定专家组核定，烟台山水库大坝评定为三类坝。“报告书（附后）”主要结论为：

（1）上、下游坝坡亏坡严重，抗滑稳定安全系数不满足规范要求。

（2）溢洪道坍塌堵塞严重，无护砌，影响正常泄洪。

（3）阀门及启闭设备锈蚀严重，不能正常使用。

（4）安全监测及管理设施简陋不完善，不能正常运行。

受秦皇岛经济技术开发区水务局委托，秦皇岛市水利勘测设计有限公司承担了烟台山水库除险加固工程初步设计工作。按照初步设计的内容和深度，中冶地勘岩土工程有限责任公司进行了地形图测绘、地质勘察和室内外试验等工作。2012年4月18日，河北省水利厅在石家庄市组织召开了《秦皇岛市山海关区下沟水库除险加固工程初步设计报告》审查会，并形成了“审查意见”。根据“审查意见”并结合审查会专家建议，我公司又对初步设计报告进行了必要的补充和

完善，2012年9月完成修改后的初步设计报告。

本次水库除险加固项目主要包括拦河坝上、下游坝坡贴坡培厚、坝顶改建、上游护坡护砌、补建完善下游排水系统、溢洪道加固、放水洞加固等，工程概算总投资202.68万元，其中建筑工程133.42万元，施工临时工程20.31万元，独立费用24.69万元，水土保持费8.56万元，环境保护费5万元，基本预备9.01万元。

为彻底消除影响水库工程安全的隐患，尽快实施烟台山水库除险加固工程，对水库存在的危及防洪安全的问题进行处理，充分发挥其在防洪、灌溉和养殖等方面的综合效益，不仅是必要的，而且是紧迫的。

烟台山水库工程特性见表1-1。

表1-1 水库工程特征表

续表1-1 水库工程特征表

2、水库除险加固的必要性

2.1 工程存在的问题和除险加固的必要性

2.1.1 水库存在的主要问题

水库建成运用30余年来，在防洪、灌溉及库区养殖等方面发挥了较为明显的效益，但目前水库运行中存在一系列问题，不但危及工程自身及下游的防洪安全，而且也严重影响了水库综合效益的发挥。

（1）拦河坝

①上、下游坝坡抗滑稳定安全系数不满足规范要求

本次初步设计采用本次勘探试验的坝体、坝基土物理力学性质指标对拦河坝坝坡抗滑稳定重新进行了复核，上、下游坝坡抗滑稳定安全系数均小于规范要求的最小安全系数，不满足规范要求。

②坝顶路面

根据本次现场查勘，拦河坝坝顶路面宽仅为 2.2m，目前坝顶凸凹不平，遇雨季泥泞不堪，通行困难，不满足防汛抢险要求。

③上、下游坝坡

拦河坝上游坝坡受水流淘刷，亏坡严重，无护砌；下游坝坡亏坡严重，坝坡较陡。

（2）溢洪道

溢洪道为土基，未护砌，两侧部分坍塌，断面缩窄，出口正对坝脚，泄洪时威胁坝体安全,且溢洪道位于左岸，而下游河道位于拦河坝右岸，需修建的出水渠很长，长度约为300m。

（3）观测设施

无安全监测设施，无法掌握拦河坝的工作状态。

2.1.2 除险加固的必要性

烟台山水库存在的问题严重威胁工程自身安全和水库下游保护区的防洪安全，为彻底消除水库工程安全隐患，充分发挥其在防洪、灌溉及水产养殖等方面的综合效益，需尽快实施水库除险加固工程.

3.1 概念理解

水库的特征水位是指水库工程为完成不同时期不同任务和各种水文情况下,需控制达到或允许消落的各种库水位称为水库特征水位。通常有下列几种：3.1.1、正常蓄水位

水库在正常运用情况下,为满足兴利要求在开始供水时应蓄到的水位，称正常蓄水位，又称正常高水位、兴利水位，或设计蓄水位。

3.1.2、死水位

水库在正常运用情况下，允许消落到的最低水位，称死水位，又称设计低水位.

3.1.3、防洪限制水位

水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位,也是水库在汛期防洪运用时的起调水位，称防洪限制水位。防洪限制水位的拟定，关系到防洪和兴利的结合问题，要兼顾两方面的需要.

3.1.4、防洪高水位

水库遇到下游防护对象的设计标准洪水时,在坝前达到的最高水位,称防洪高水位。只有当水库承担下游防洪任务时,才需确定这一水位。此水位可采用相应下游防洪标准的各种典型洪水,按拟定的防洪调度方式,自防洪限制水位开始进行水库调洪计算求得。防洪高水位至防洪限制水位之间的水库容积称为防洪库容。它用以控制洪水，满足水库下游防护对象的防洪要求。

3.1.5、设计洪水位

水库遇到大坝的设计洪水时，在坝前达到的最高水位,称设计洪水位。它是水库在正常运用情况下允许达到的最高洪水位。也是挡水建筑物稳定计算的主要依据，可采用相应大坝设计标准的各种典型洪水,按拟定的调度方式,自防洪限制水位开始进行调洪计算求得.

3.1.6、校核洪水位

水库遇到大坝的校核洪水时,经水库调洪后，在坝前达到的最高水位，称校核洪水位。它是水库在非常运用情况下，允许临时达到的最高洪水位，是确定大坝顶高及进行大坝安全校核的主要依据。

3.2特征水位确定

3.2.1 坝顶高程的确定

坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应按以下运用条件计算，取其最大值：

正常蓄水位+正常运用条件的坝顶超高

设计洪水位+正常运用条件的坝顶超高

校核洪水位+非常运用条件的坝顶超高

正常蓄水位+地震运用条件的坝顶超高

3.2.2水库死水位确定

本水库淤积量较少，仍维持原成果，死水位确定为38.50m。

3.2.3水库汛限水位和正常蓄水位确定

水库的汛限水位和正常蓄水位由溢洪道的堰顶高程确定。经与地方沟通，水库的汛限水位不同意改变，故本次不对汛限水位和正常蓄水位进行重新确定，仍维持原有的成果。汛限水位和正常蓄水位均为41.00m。

3.2.4水库施工洪水位

水库经多年运行，由于冬、春季农田灌溉需要，水库水位汛前常水位约为39.0m左右，上游围堰填筑至高程40.00m能够满足汛前上游坝坡施工要求。

4水库坝坡加固工程

4.1拦河坝现状复核

4.1.1坝顶高程复核

（1）坝顶超高计算

根据水文资料统计，水库多年平均最大风速17m/s，正常蓄水位时的水库吹程为300m，设计洪水位和校核洪水位时吹程为350m，计算风速如下：

=1.5×17=25.5m/s

正常蓄水位情况 W

正常

设计洪水位情况 W

=1.5×17=25.5m/s

设计

=1.0×17=17m/s

校核洪水位情况 W

校核

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），坝顶在水库静水位以上的超高按下列公式计算：

y=R+e+A

式中：y—坝顶超高（m）；

R—最大波浪在坝坡上的爬高（m），按《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）附录A公式计算；

e—最大风壅水面高度（m），按《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）附录一公式计算；

A—安全加高（m），根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），正常运用情况A=0.5m，非常运用情况A=0.3m，正

常蓄水位情况地震安全加高根据《水工建筑物抗震设计规范》

(SL5073-2000)取为1m。

不同运用情况下的坝顶超高计算结果见表4-1。

表4-1 坝顶超高及坝顶高程计算成果表

（2）坝顶高程复核

按下列运用情况计算，取其最大值：

①正常蓄水位+正常运用条件的坝顶超高

②设计洪水位+正常运用条件的坝顶超高

③校核洪水位+非常运用条件的坝顶超高

④正常蓄水位+地震运用条件的坝顶超高

由表4-1可知，设计洪水位时需要的坝顶高程最大为43.31m，低于现状坝顶高程44.50m，满足规范要求。

4.2坝加固设计

针对拦河坝工程存在的主要问题，拦河坝加固项目主要包括拦河坝上、下游坝坡贴坡培厚、坝顶改建、完善下游排水系统。

4.2.1坝顶改建

根据本次现场查勘，目前坝顶凸凹不平，遇雨季泥泞不堪，通行困难，坝顶路面现状宽仅为2.2m，不满足防汛抢险要求。因此对拦河坝坝顶进行改建。

坝顶改建首先将现状坝顶路面清除杂土，然后将坑洼处及表土清理部分填筑土料压实，再修建坝顶路面。改建后坝顶宽3.0m，坝顶路面采用C25混凝土路面，厚20cm，下设10cm厚石粉垫层。下游侧设混凝土路缘石，厚10cm，高30cm，顶面与坝顶路面齐平，坝顶路面采用单侧向下游排水，坡度1.5%。（根据河北省中小水库出险加固要求，小水库坝顶改建不建议采用混凝土路面，一般采用凝结碎石路。）

4.2.2上游坝坡贴坡培厚、新建干砌石护坡

由于上游坝坡不能满足抗滑稳定要求，本次加固采用对上游坝坡贴坡培厚进行解决，上游坝坡由原来的1:1.8放缓至1:2.75。贴坡土料采用粘性土，填筑前需将现状坝坡上的杂草杂物及腐植土清除干净，坡面清除厚度为30cm，基础清除深度为50cm并达到原状土层。

为保证坝坡安全，对拦河坝上游进行干砌石护砌，护坡厚度0.4m。干砌石下部铺设粗砂碎石反滤层。新砌筑石料要求采用质地坚硬，无裂纹的新鲜岩石，饱和抗压强度大于40Mpa，容重大于24KN/m3，块石厚度不小于200mm；施工时砌筑紧密，护坡表面砌筑平整。

4.2.3下游贴坡培厚、新建贴坡排水

由于下游坝坡不能满足抗滑稳定要求，本次加固采用对下游坝坡贴坡培厚进行解决，下游坝坡由原来的1:1.8放缓至1:2.5，贴坡土料采用粘性土，渗透系

数不大于1×10-4cm/s，填筑前需将现状坝坡上的杂草杂物及腐植土清除干净，坡面清除厚度为30cm。

下游坝坡新建贴坡排水，排水体自内而外为粗砂150厚、d=5～20mm碎石150mm，d=20～40mm碎石150mm，排水体顶高程为36.5m，外部干砌块石300mm 厚砌筑平整。

大坝加固前后典型横断面示意图如下。

4.3溢洪道改建设计

方案一：对现状溢洪道进行改线新建，改建后的溢洪道位于拦河坝右岸，分为进口段、控制段，泄槽段、消力池段和出水渠段。溢洪道正对下游河道，洪水能顺利下泄，溢洪道总长112m。

方案二：对现状溢洪道进行加固，溢洪道位于拦河坝左岸，分为进口段、控制段，泄槽段、消力池段和出水渠段。现状拦河坝下游已建成混凝土道路距离下游坝脚很近，溢洪道只能平行坝脚布置，下泄水流将对坝脚造成很大的威胁，此外下游河道位于拦河坝右岸，需修建的出水渠很长，长度约为300m，溢洪道总长400m。

方案一溢洪道长度短，工程投资小，便于管理，方案二溢洪道长度很长，投资大，且对下游坝脚及已建混凝土道路造成很大威胁，经技术经济比选，推荐方案一为溢洪道加固方案。

改建后的溢洪道为新开挖而成，0+000～0+010段为八字墙进口段，宽11～7m，护底顶高程41.00m；0+010～0+022段为控制段，为宽顶堰式，堰顶高程41.00m，宽7m；0+022～0+080段为泄槽段，宽7m，其中0+022～0+067段纵坡1/20,0+067～0+080段纵坡1/3；0+080～0+085.5段为消力池段，池长5m，宽7m，池深0.5m；0+085.5～0+112段为出水渠段，宽7m。

新开挖的溢洪道土质为全强风化岩，两岸采用浆砌石护坡防护形式，坡比1:0.75，顶部为0.2m厚C25混凝土压顶，护坡迎水面均采用1:2水泥砂浆抹面厚20mm。溢洪道护底均采用C25

混凝土护底，厚0.3m。

4.4溢洪道泄流能力复核

水库现有泄洪建筑物包括溢洪道和放水洞，由于放水洞泄水流量较小，因此水库泄流能力仅考虑溢洪道。

溢洪道泄流能力复核根据《溢洪道设计规范》（SL253-2000）按宽顶堰溢洪道进行计算，公式如下：

3/2

Qε

B

g2

m H

式中：Q－流量（m3/s）；

H—堰上水头（m）；

B—净宽（m）；

m —流量系数； ε—侧收缩系数。

溢洪道水位～泄量关系计算成果见表4-2。

表4-2 水库库水位与泄量关系表

本次除险加固设计采用本次溢洪道泄流能力计算成果作为调洪计算的依据。

4.5溢洪道边墙高度复核

①水面线推求

溢洪道20年一遇设计流量8.86m 3/s ，200年一遇校核流量18.46m 3/s 。根据溢洪道布置，在泄槽段选取断面采用逐段试算法对溢洪道不同标准泄量水面线进行推算，计算公式如下：

sd su E E E

S i J i J ?-???=

=--

式中：△S －每个流段的长度(m)；

Esd 、Esu －分别表示△S 流段的下游和上游断面的断面比能

2

2s v E h g =+

；

J －△S 流段上下游水力坡度的平均值，水力坡度

2

2

v J C R = ； 通过校核流量时溢洪道泄槽最大水深为0.55m 。 ②计算波动及掺气水深

根据《溢洪道设计规范》（SL253-2000），波动及掺气水深hb 按下式计算：

h

v h ???? ???+=10001b ζ

式中：h 、

b

h －泄槽水深及掺气后的水深（m ）；

v-不掺气情况计算断面的流速（m/s ）；

ζ－修正系数，一般为1.0～1.4，当流速大于20m/s 时，采用较大值。