5 小二型水库设计计算报告书 2解析

5 工程布置及建筑物设计

5.1设计依据

5.1.1 工程等级及建筑物标准

二道水库总库容为13.013104 m3，最大坝高5.2m，依据SL252-2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》，确定本工程为Ⅴ等工程，属小(2)型水库，永久性主要建筑物按和次要建筑物及临时建筑物均按5级建筑物设计。

洪水标准按SL252-2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》3.1.2条，查平源、滨海区确定：设计洪水标准为10年一遇，校核洪水标准为50年一遇。

5.1.2 设计基本资料

（1）水力要素

水力要素表

表5.1-1

各土层物理力学指标表

表5.1-2

5.1.3设计参数

依据《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）规定，坝顶安全加高值A 为：5级建筑物，坝顶安全加高设计情况A=0.5m，校核情况A=0.3m。

坝坡抗滑稳定最小安全系数表

表5.1-3

5.1.4规程、规范标准及技术文件

⑴《防洪标准》(GB50201-94)

⑵《水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000）；

⑶《水利水电工程初步设计报告编制规程》（DL5021—93）；

⑷《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）；

⑸《溢洪道设计规范》(SL253-2000)；

⑹《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211—2006）；

⑺《水力计算手册》武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室

⑻《二道水库大坝安全鉴定报告书》

5.1.5 工程现状及安全鉴定复核结论

5.1.5.1 工程现状及存在的主要问题

二道水库始建于1976年7月，现无原始设计资料，通过现场检查，二道水

库枢纽工程主要由挡水坝、溢洪道及输水洞三部分组成。

土坝工程现状

大坝为均质土坝，主要由低液限黏土组成，坝长212m，最大坝高为5.30m，坝顶标高105.1～105.66m，坝顶宽2.50～3.00m。

坝前坡局部较陡，坡比1：2.15，有少量块石护坡，且部分段已发生拖坡现象，坝体已无防护风浪能力；坝后坡较陡，凸凹不平，杂草丛生。

大坝为均质土坝，坝体由低液限黏土组成，坝体防渗性能较好，未见明显渗漏，坝基存在渗漏现象。

溢洪道工程现状

从现场检查发现，目前溢洪道为土渠。断面尺寸不能满足正常泄洪要求。

输水洞工程现状

输水洞位于大坝桩号0+050.3处，与坝轴线正交。由进口段、洞身、竖井、出口段组成。输水洞为φ800涵管，目前管体错位，管上部坝体塌陷，出口混凝土边墙倒塌，下游海漫段堆石凌乱。竖井无启闭设备，灌溉洞插木板控制放水，封闭不严，启闭控制困难。下游为消力设施。

经现场检查发现，启闭机室破旧简陋，启闭不灵，关闭不严，常年漏水，对水库安全构成严重威胁。

5.1.5.2 安全鉴定复核结论及意见

依据蛟河市水利局《二道水库大坝安全鉴定报告书》(2009年2月)，确定该水库大坝为三类坝。建议进行除险加固，增加必要的工程安全监测设施。

5.1.6 设计内容

依据《二道水库大坝安全鉴定报告书》及安全鉴定成果的核查意见，经现场检查，综合分析确定二道水库除险加固工程设计内容包括：坝体需安全加固，上游坝坡改建，溢洪道、输水洞工程、坝顶道路等进行重建。

5.2设计方案比较

5.2.1 土坝加固设计方案与溢洪道宽度方案比较

根据现场检查及安全鉴定结论，结合工程实际情况，本次设计工作内容主要包括土坝维修加固设计、溢洪道及输水洞工程重建。

根据工程实际，结合溢洪道泄流能力及水库设计水位，通过坝顶高程与溢洪道宽度调节计算，经各方案综合分析比较，分析成果列入下表。

大坝维修加固设计方案比较表

表5.2-1

经上述三个方案的综合分析比较，计算坝顶高程相差不多，当溢洪道宽度为5m时，坝顶只需加高7cm，当溢洪道宽度为6m、7m时，坝顶不需加高。但根据水利计算可知，当溢洪道宽度小于5m时，水库水位出槽，等于5m时，水库水处于临界状态，考虑7m时溢洪道工程量相对增加，为此设计采用溢洪道宽度为6m方案。设计坝顶高程采用105.64m。

根据工程实际，对现状坝顶高程高于设计坝顶高程处，坝顶以实际坝顶标高进行整平，修建砂石路面，不需开挖。

5.2.2大坝上游护坡方案比较

大坝上游护坡设计选择干砌石护坡、现浇混凝土板护坡和砼模袋护坡三种型式进行方案比较。方案比较列入下表。

大坝上游坝坡护砌方案比较表

5.3 主要建筑物设计

5.3.1 土坝加固工程设计

根据大坝工程现状及稳定安全复核计算综合分析确定，坝体维修加固工程设计内容包括以下几项：

1)、坝体断面维修加固

2)、土料设计

3)、土坝上、下游护坡

4)、大坝细部构造设计

5.3.1.1 大坝除险加固设计

(1) 坝体断面维修加固

经计算设计坝顶高程为105.64m，坝顶宽设计采用3.0m，大坝上、下游边坡设计分别采用1：2.5和1：2.0。

为此，需根据工程实际进行坝坡整形及坝上游坝坡护坡，达到设计标准断面要求。大坝断面加宽培厚，设计在下游坝坡一侧填筑土料。

(2) 土料设计

本着土料与现有坝体岩性保持一致、就地就近的原则，经地表地质调查选定土料场一处，分布于库区下游右岸，距坝址约300m，岩性为低液限粘土，储量5.853104 m3满足设计需要。交通方便，适宜机械开采，需占用耕地。

根据试验成果平均最大干密度为1.60 g/cm3，平均最优含水量为19.4%；压实度按0.96考虑，建议上坝控制干密度1.54m3，控制含水量19.4±1%，抗剪强度C=15KPa，φ=12°。

(3) 土坝上、下游护坡

土坝上游护坡采用25cm厚干砌块石护砌,其下设置20cm厚碎石垫层和无纺布，下层结合坝坡整形填筑夯实土。

土坝下游坝坡设计采用天然草皮护坡。

(4) 大坝细部构造设计

1) 坝顶道路设计

坝顶设计采用砂石路面，总长212m，厚20cm。并设置倾向上游一侧1.5%的横向排水坡。

坝顶两侧设有路缘石，路缘石采用C20砼预制块，规格为50315340cm。路缘石顶面布置与路面齐平。

2）上游坝坡脚设计

大坝上游坝坡脚设计采用抛石结构。顶宽1.0m，边坡为1：3，顶高程取高于水库死水位50cm，为102.34m。高于该水位处设计采用干砌石脚槽。

5.3.2 溢洪道工程设计

溢洪道位于水库大坝桩号0+203处，由进口段、控制堰、陡坡段、消力池及海漫段组成。

1) 控制段

控制段长4.6m，设计采用单孔无闸宽顶堰，单孔净宽设计采用6.0m,堰顶高程设计取与水库正常蓄水位齐平，即为103.70m，两岸边墙顶高程为105.72m。边墩厚各0.5m，墩顶设置现浇钢筋混凝土桥面，桥面高程与坝顶同高为105.72m。桥面板厚0.4m，桥面宽4.6m，桥面板长为6.0m，采用钢筋砼栏杆。设计荷载采用公路Ⅱ级，折减系数采用0.8。

2) 进口段

进口段长5.0m，采用C25F200钢筋混凝土 U型槽结构，底宽为6.0m,墙顶高程从105.72m降至103.50m。两侧边墙顶宽0.3m，墙底宽0.5m，底板厚0.5m。

3)陡坡段布置

控制堰下接陡坡段，陡坡段全长10.9m，采用U型槽断面，底宽6.0m，上游进口高程为103.70m，以1：4的坡比与消力池底高程101.10m连接。

陡坡段设计采用U型槽断面，两侧边墙顶宽为0.3m，底宽为0.7m，U形槽底板厚为0.7m。下设C15素砼垫层厚10cm。墙身设置D50PVC排水孔一排，间距为2.0m。并设置碎石排水体。墙后在冻胀范围内回填砂砾料。

4) 消力池

陡坡段下游设置消力池，池深为1.0m，池长为10m。消力池采用U型槽断面型式，底高程为101.10m。两侧边墙顶宽为0.3m，底宽为0.7m，底板厚为0.7m。下设C15素砼垫层厚10cm。墙身设置D50PVC排水孔一排，间距为2.0m。并设置碎石排水体。墙后在冻胀范围内回填砂砾料。

5) 海漫段

海漫段长20m，采用梯形断面，底宽为6.0m，边坡采用1：2。海漫末端作成防冲槽，槽深2.0m。海漫采用25cm厚干砌石护砌，下设10cm厚碎石垫层和无纺布(300g/m2)一层。

防冲槽采用抛石填筑，底宽为2.0m，边坡采用1：1。

工程标号：混凝土采用C25F200钢筋砼结构。止水材料采用651型橡皮止水带。

5.3.3 输水洞工程设计

本次除险加固设计将原输水洞拆除重建。洞身全长16m ,采用φ800承插式预制钢筋混凝土管结构。管壁厚100mm，设计采用采用120°包角，厚20cm平底的钢筋砼底座，为防止管身伸缩，管座与管身之间用刷沥青及铺油毡分隔。另外，为防止库水沿管体处侧渗流，设计沿管身每隔6m做一道止水环，止水环高60cm ,厚20--30 cm，采用钢筋砼结构，砼标号采用C20F200。

输水洞进口设计采用八字墙进口，进口段长2.0m，采用U形槽结构，砼标号采用C25F200。边墙高1.2m，顶宽为0.3m，底宽为0.3m，底板厚为0.4m，下设C15素砼垫层厚10cm。

洞出口设置控制闸室段长2.0m，闸室净宽1.0m，闸底板高程为101.80m，

底板厚0.5m 。采用PZFY-φ800铸铁闸门，QLC-50A 手动侧摇式螺杆启闭机。启闭台顶高程为104.30m 。

闸室段出口接陡坡段，陡坡段全长8.25m ， 采用U 型槽断面，底宽1.0m ，槽深1.6m ，以1：2.5的坡比与消力池底高程98.9m 连接。边墙顶宽为0.3m ，底宽为0.5m ，U 形槽底板厚为0.5m 。下设C15素砼垫层厚10cm 。

消力池长为5m 池深0.8m ，采用U 型槽断面型式，底高程为98.90m 。边墙顶宽为0.3m ，底宽为0.5m ，底板厚为0.5m 。下设C15素砼垫层厚10cm 。

海漫段长13m ，采用梯形断面，底宽为1.0m ，边坡采用1：2。设计采用30cm 厚高镀锌铅丝石笼护砌，下设20cm 厚碎石垫层和无纺布(300g/m 2

)一层。

5.4 设计计算

5.4.1 坝顶高程复核

按《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定并结合工程实际情况，坝顶高程计算，应按以下几种情况进行计算。

（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。 Y = R + e +A （5.3.1） 式中：Y--- 坝顶超高（m ）；

A--- 安全加高（m ）；对于4级坝按表5.3.1; （正常运用情况为0.5 m ；非常运用情况为0.3m; e----最大风雍水面高度（m ）; R----最大波浪在坝坡上的爬高（m ）。

《碾压式土石坝设计规范》（S L274---2001）附录A ：

β

COS gH D KW e m

22= （A.1.10） m m W m L h m

K K R 2

1+=

? （A.1.12-1）

???

?

???

???

??????

?????????

????? ?????????????? ??=7

.0245

.027

.0227.013.00018.07.013.0W gH th W gD th W gH th W gh m m m （A.1.5-1）

m m h T 438.4=

(A.1.5-2)

π

22m

m gT L = (A.1.5-4)

式中：K —综合摩阻系数，采用K=3.6310-6；

D —风区长度（m ），见基本资料表； β—计算风向与坝轴线法线的夹角13° Hm —水域平均水深（m ），见基本资料表； K △—斜坡的糙率渗透性系数； K W —经验系数；

m -单坡的坡度系数，5.2=m m h —平均波高（m ）

； m T —平均波周期(s)； m L —平均波长（m ）

； W —计算风速（m/s ），正常运用条件下，采用多年平均年最大风速的 1.5

倍，为24m/s ；非常运用情况下，采用多年平均年最大风速为16m/s 。

坝顶超高计算成果列入下表

坝顶超高计算成果表

表5.4-1

经计算，各种工况下的坝顶高程均为校核水位情况控制，计算各方案的坝顶高程列入下表。

各方案坝顶高程计算成果表

表5.4-2

设计采用坝顶高程为105.64m 。

5.4.2 渗流计算

（1）坝体及坝基渗漏量计算

a.计算断面：选定大坝桩号0+117做为计算断面。

b.计算方法：采用北京理正公司软件设计研究所编制的《渗流分析程序》进行电算。采用有限单元法。

c.各土层渗透系数

表5.4-3 各土层渗透系数表

桩号0+117计算简图

e. 计算成果表

表5.4-4 0+117断面土坝渗漏量计算成果表

桩号0+117断面渗透流网图

（2）坝体及坝基渗流稳定分析

通过理正软件计算查流网图可知坝体实际渗透比降0.36，小于容许水力坡

=2，计降2，故坝体不存在渗透破坏问题。坝基低液限粘土层允许渗透比降J

允=0.243小于允许值，故坝基存不在渗透破坏问题。

算值J

出溢

5.4.3 坝坡稳定验算

根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001规定，控制土石坝稳定的有施工期、稳定渗流期、水库水位降落期和正常运用遇地震四种工况。

1)、施工期的上、下游坝坡；

2)、稳定渗流期的上、下游坝坡；

3)、水库水位降落期的上游坝坡；

4)、正常运用遇地震的上、下游坝坡。

二道水库为已建成水库，大坝坝体稳定验算可以不考虑施工期，因水库库区地震基本烈度为Ⅵ度，设防烈度采用Ⅵ度，根据规范规定，坝体不需进行抗震计算，故计算工况只计算正常稳定渗流期的上、下游坝坡和水库水位降落期的上游坝坡；

选取最不利断面0+117进行大坝上、下游坝坡稳定计算

大坝结构稳定分析的有关岩土参数见下表：

表5.3-5 土坝稳定分析岩土特征值设计参数表

版）”。采用瑞典圆弧法。

计算成果见下表：

表5.3-6 坝坡抗滑稳定分析计算成果表

计算断面见计算简图

正常蓄水位稳定渗流迎水坡稳定分析

5-14

正常蓄水位稳定渗流期背水坡稳定分析

5-15

库水位骤降期迎水坡稳定分析

5-16

5.4.4 护坡计算

根据工程实际，结合实践经验，本工程设计大坝上、下游边坡分别采用1：2.5和1：2.0。护坡型式根据推荐方案，大坝上游边坡采用干砌石护坡。

(1) 上游护坡设计

1) 石块粒径及护坡厚度计算

依据《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）附录A.2进行护坡砌石石块直径及护坡厚度计算。

计算公式

()

p K w

t h m m m K D D 21018.185.02

50++-=?=ωρρρ （A.2.1—1）

350525.085.0D Q Q K ρ== （A.2.1—2）

当p m h L /＞15时，D K t t

82

.1= （A.2.1—4）

式中: D ——石块的换算球形直径，m ；

Q ——石块的质量，t ； D 50——石块的平均粒径，m ；

50Q ——石块的平均质量，t ；

t ——护坡厚度，m ；

t K ——随坡率变化的系数，按表A.2.1查得；

k ρ——块石密度，2.4t/m 3；

w ρ——水的密度，1.0/m 3；

m ——坡度系数，2.5

p h ——累积频率为5%的波高，0.63m 。

经计算求得：石块平均粒径为D=0.13 m ，护坡厚度为t=0.18m ；初步设计采用干砌石护坡厚度为0.25m 。

因此本次设计大坝上游护坡块石厚度只考虑风浪作用，不考虑冰推力作用，防冰冻破坏设计采取破冰等防冻措施。以减少冰推力的破坏。

2) 护坡垫层设计

由《水工建筑物抗冰冻设计规范》附录Β，计算出当地设计冻深为1.0m 。 护坡垫层设计按几何尺寸上以不通过性为原则，即每层的球形颗粒不得穿过另一层的孔隙；每一层内的颗粒不应发生移动；被保护的土层颗粒不应被通过

反滤层；垫层不应被淤塞。

d 2最大=0.35D m d 2最小=0.13D m

式中： D m —石块的平均粒径；

d 2最大—较细一层颗粒的最大直径； d 2最小—较细一层颗粒的最小直径；

根据护坡盖面石的设计成果，护坡盖面石粒径Dm 1=25cm ；

其下（第二层）的碎石垫层经计算d 2最大=0.35D m1=8.75cm ，d 2最小=0.13D m1=3.25 cm ，选定该垫层层厚确定为20cm 。

第三层设计采用无纺布（400g/m 2)一层。

大坝上游护坡结构尺寸表

表5.4-5

该结构设计只考虑风浪作用,不考虑抗冻及冰压力的作用。 5.4.5 溢洪道宽度计算

溢洪道堰顶高程为103.7m 。 泄流能力验算公式

2

32Q H

g mnb ε＝

式中 ： Q ——泄流量(m 3/s)m ；

m ——流量系数，H

P

H

P

m 75

.046.0301

.032.0+-

+=

P ——上游堰高(m)，P=0.5m ；

ε——侧收缩系数,()0012.01H nb K n K ??

?

???-+-=ε n —— 闸孔数，n =1；

b ——每孔净宽(m)，b=6.0m ；

0H ——堰顶作用水头（m ）

；取0H ≈H K ——边墩系数，K =0.7； 0H ——堰顶作用水头（m ）

； 溢洪道泄流能力计算成果表

表5.4-6

5.4.6 陡槽水力计算

水库在设计洪水位104.49m ，相应泄量7.13m 3/s 。陡槽底宽 B1＝6.0m ，单宽流量q=Q/B=7.13/6=1.19 (m 3/s/ m)

陡槽的临界水深h k ：

h k =32

g

q =0.52m

临界底坡

i k =

k

k B C gx k 2

=0.003

所采用的陡槽底坡坡度i=0.25>i k ，属于陡坡。故水面线为b Ⅱ型降水曲线。 ①、 陡槽长度计算 陡槽的总落差为P=2.6m 陡槽长度为：L S =10.4m ②、陡槽水深及水面曲线的绘制

首先按明渠均匀流公式，利用试算法求出槽内正常水深h o ，经计算陡槽正常水深h o =0.14m 。

溢流堰后紧接陡槽，取陡槽首端断面的水深h H =h k =0.56m (h k 为临界水深) 利用分段求和法，经计算陡槽末端的水深为0.283m 。

结合槽内水面线及两岸地形情况，布置陡坡段槽壁高度为2.02～4.0m 。 5.4.7 消能防冲计算

本工程设计采用底流式消能，需进行消力池池深、池长及海漫长度和防冲槽深度计算。

按《水闸设计规范》公式计算

1)、消力池计算

)2(2

'22

'

0c

c h g q h E ?+

=

???

? ??-+="1 81232'c

c h g q h hc α

Z t c h S ?--''=σ

2

'2

22'222gt

q t g q Z -=??

)(9.6c h c h L j '-''=

式中： 0E ——以下游河床为起点的下游总能头，m ；

'c h ——收缩断面水深，m ；

"

c

h ——共轭水深，m ； q ——单宽流量，m 3

/.m ；

?——流速系数

S ——消力池深，m ；

t ——下游水深， m ；

't ——池末端水深，"' c h t σ= m ；

Z ?——出池落差，m ； j L ——水跃长度，m ；

2)、 消力池底板厚度计算公式

根据抗冲要求，消力池底板始端厚度可按下式计算

)2111(H H q k t -=