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311概述3111工程概况3112工程存在的病险问题4113水库大坝安全鉴定报告的主要结论4114除险加固的必要性512水文及调洪演算6121流域概况6122气象6123设计洪水复核6124调洪演算7125抗洪能力复核713工程地质7131大坝坝基、坝肩主要工程地质条件7132输水涵管工程地质条件8133溢洪道工程地质条件8134新建放水隧洞工程地质条件8135天然建筑材料9136主要工程地质问题的结论性意见914工程任务和规模1015除险加固设计10151大坝除险加固设计11152输水建筑物除险加固设计12153溢洪道加固设计13154防汛公路加固设计13155安全监测设计13156金属结构14157白蚁整治工程1416水土保持和环境保护设计14161水土保持设计14162环境保护设计152水文1621流域概况1622气象1623基本资料1624洪水16241暴雨洪水特性16242设计暴雨17243设计洪水分析计算18244施工洪水1925水库调洪计算19251水库调度原则19252基本资料20253调洪计算2226水库抗洪能力复核22261水库大坝坝顶高程复核22262溢洪道控制段导墙顶部高程复核243工程地质2531概述2532工程区地质概况26321地形地貌26322地层岩性26323地质构造27324物理地质现象27325水文地质27326坝基主要工程地质问题与评价2833各附属建筑物工程地质条件及评价28331溢洪道工程地质条件及评价28332放水隧洞工程地质条件及评价29333灌溉输水涵管3034坝体工程地质特性30341坝体填土组成及分区30342填土物理力学特性31343坝体填筑质量评价39354坝体主要问题及评价3935工程处理措施建议4036天然建筑材料40361砂砾石料41362块石料41363土料4137结论及建议42371结论42372建议424除险加固设计4441工程任务和规模4442主要加固项目4443设计依据45431工程等别与建筑物级别45432设计基本资料4644加固设计49441大坝49442溢洪道除险加固设计66443大坝输水涵管加固设计70444防汛公路加固设计72445安全监测设计7246金属结构75461概述75462设计依据及标准75463放水隧洞进口闸门及启闭设备76464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801四十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KM24444442干流长度KM2942942943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/S9219214校核洪峰流量M3/S5615615设计下泄流量M3/S2242246校核下泄流量M3/S378378三水库1水库水位正常蓄水位M299962999629996设计洪水位M30083013130131校核洪水位M301023014530145死水位M25842584272702库容总库容万M3366366366正常库容万M3328532853285死库容万M33535375四主要建筑物1挡水建筑物坝型土坝坝顶高程M302913029130348最大坝高M45445446482四十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顶宽度M4545502泄水建筑物型式侧槽式溢洪道堰顶高程M300030003000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M061206121216宽高进口底板高程M2680268027780设计流量M3/S0505054放水卧管型式钢筋砼圆形涵废弃封堵断面尺寸M10M10M闸门型式人工拔插塞五工程效益1设计灌溉面积万亩0820820822防洪效益（保护耕地）万亩0202023保护人口万人096096096六工程投资1静态投资万元1922752工程总投资万元1922753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11概述111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44KM2，干流长度294KM，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30131M，校核洪水标准为500年一遇，校核洪水位为30145M，正常蓄水位29996M，总库容366万M3，兴利库容3285万M3，死水位2727M,为年调节水库。大坝为均质坝，坝顶高程30348M，最大坝高454M，坝顶轴线长1288M，坝顶宽82M，上游坝坡坡比从上至下1223、11355,下游坝坡坡比从上至下12314、12177、12533。溢洪道位于大坝右岸，堰顶高程3000M，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10M，进口高程26715M，出口底板高程26465M，纵坡I1/100。卧管位于大坝左岸山坡，为钢筋砼结构，全长85米，断面尺寸10M，共有12个放水孔，孔口尺寸0404M，铸铁翻板闸门控制放水。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4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；溢洪道没有护砌，下游冲淤严重，无消力池；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。112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29996M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29996M时，其渗漏量达52L/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。113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5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，建议对大坝坝基、坝肩及大坝坝身进行防渗处理；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；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）输水涵管针对涵管开裂、存在严重渗漏及启闭设备老损等问题，建议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）放水卧管针对放水卧管严重漏水、进水口严重损坏等问题，建议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。114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9617万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。6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2011年5月进行了本工程初步设计报告的编制。12水文及调洪演算121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1100046，北纬27379，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44KM2，干流长度294KM，干度坡降13。122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166，极端最高气温396（1971年7月27日），极端最低气温107（1977年1月30日）；多年平均年降雨量1427MM；多年平均蒸发量13015MM。历年平均日照小时1480H；多年平均相对湿度81；多年平均风速18M/S，实测最大风速207M/S，风向NE（1976年4月22日）。123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，IO25MM。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1231四十湾水库设计洪水成果表各频率设计值（）计算方法项目0225QM（M3/S）921561445推理公式W总（万M3）152810288476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112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，7经计算施工期112月设计最大流量为389M3/S，24小时洪水总量127万M3。124调洪演算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。表1241四十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）0292130145378256130131224544530092176原设计洪水位为3008M，校核洪水位为30102M，本次计算结果略高，以本次复核计算结果来进行安全评价。125抗洪能力复核根据碾压式土石坝设计规范（SDJ2742001），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30318M，大坝现有坝顶高程为30291M，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03M，因此四十湾水库溢洪道控制段导墙顶部高程不得低于30175M，而现有挡墙顶高程为2995M，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30131，不满足挡洪的要求。13工程地质坝址区河谷基本对称的“V”字型，河谷宽2030M，河床高程2570M左右，两岸地形基本对称，自然坡角为3035，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。8131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N4050E，SE6065，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Q152180LU，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。132输水涵管工程地质条件灌溉放水涵管位于大坝左岸，为10M的现浇钢筋混凝土有压圆形坝下涵，进口底板高程26800M，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。133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N4550E，SE6065，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58M。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。134新建放水隧洞工程地质条件隧洞进口明挖段地面高程26853125M，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5M7M。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N45509E，SE6065，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，围岩类别属类围岩，自稳能力较好，135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05M左右的耕植土，据现场调查有用层厚度23M，储量在60104M3。本料场与大坝有简易公路相通，运距较近。土料粘粒含量280320，塑性指数218261，渗透系数105CM/S，天然含水量200235，最大干容重169G/CM3，最优含水量246，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。136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1400万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（GB183062001），本工程区地震动峰值加速度为005G，地震动反应谱特征周期为035S，相应地震基本烈度为度，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，10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。14工程任务和规模水库坝址以上集雨面积44KM2，干流长度294KM，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30131M，校核洪水标准为500年一遇，校核洪水位为30145M，正常蓄水位29996M，总库容366万M3，兴利库容3285万M3，死水位2727M,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9617万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。1115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，建议对大坝坝基、坝肩及大坝坝身进行防渗处理；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；增设大坝下游排水设施，以降低坝身浸润线。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）输水涵管针对涵管开裂、存在严重渗漏及启闭设备老损等问题，建议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）放水卧管针对放水卧管严重漏水、进水口严重损坏等问题，建议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。151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12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29535M高程以上坝面铺设土工膜防渗，土工膜参数HDPE150G05MM150G。29535M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106CM/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Q10LU线控制，孔距3M。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38735M，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30348M,上游边坡培厚至坡比125、125、1275，马道高程分别为29148M、27948M，2737M高程以上采用砼预制块护坡；下游边坡培厚至坡比128、13、135，马道高程分别为29148M、27888M，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03M，起点深03M，设03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03M，深01M，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2635M，顶部宽度为2M，两端伸入两岸山体。棱体上游坡比为11，下游坡比为12。棱体与坝体及坝基接触处分别设02M厚的粗砂及砂卵石反滤层和04M厚的块石层。152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13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1518M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12844M，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1216M（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27780M，出口高程为27670M，出口接消力池，消力池斜坡段长度为48M，坡比为13，消力池长度为735M，池底高程为27510M，深度为16M，消力池下游接原渠道。153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150M，池深12M，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20M，梅花形布置。二级设计消力池池长120M，池深12M，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20M，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30175M，顶宽05M，挡土侧坡比105，挡墙设D50PVC排水管，排水孔间排距2M，梅花型布置。154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I5；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03M，深03M。14155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SL6094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2402M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。156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12M16M，底坎高程均为27780M，设计水头2216M（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LQ160的螺杆启闭机进行启闭操作。157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。15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。16水土保持和环境保护设计161水土保持设计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360万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673万元。162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、16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538万元，其中专项环保投资072万元。2水文21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1100046，北纬27379，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44KM2，干流长度294KM，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。22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166，极端最高气温396（1971年7月27日），极端最低气温107（1977年1月30日）；多年平均年降雨量1427MM；多年平均蒸发量13015MM。历年平均日照小时1480H；多年平均相对湿度81；多年平均风速18M/S，实测最大风速207M/S，风向NE（1976年4月22日）。23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。24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。17241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57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，49月份为汛期，降水量约占全年降水量的811，降雨日数占全年雨日的611。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。242设计暴雨2421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，CV05，CS/CV35。根据查得的统计参数，得各频率设计暴雨成果，见表242。二）实测暴雨本次收集了怀化雨量站（19722009年）、黔城雨量站（19512007年）历年实测最大24小时暴雨资料，进行频率计算，采用P曲线适线，成果见表242。表242四十湾水库设计暴雨成果表统计参数频率（）备注测站或方法系列均值CVCS0203323335怀化站1972200911640473538173560269524422239黔城站195120071088051353863589266723992186采用手册成果1985100005353483238241821781988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。182422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16小时112423236NNNTPTH（面624小时323TT（面其中，N2、N3由查算手册附图查得。2423设计净雨过程由设计暴雨过程推求净雨过程，其中初损取I025MM，R上/R总075090。243设计洪水分析计算2431设计洪水本工程位于湖南省产流分区的第三区，IO25MM。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FRQTM2780/4/13/MQJL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，点汇相关线。TR/T/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2431四十湾水库设计洪水成果表各频率设计值（）计算方法项目0225QM（M3/S）921561445推理公式W总（万M3）15281028847619QM（M3/S）793483409经验单位线法W总（万M3）152810288472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。2432设计洪水过程线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2432。表2432四十湾水库设计洪水过程线表时段（1H）0225时段（1H）0225004503803111037626041676434344128676665282921561445137355934703566367291145854893884375284225155404523595302195155164954143286243159126174503762987209139110184053392698174118936193603012399144996790203152632091012085768021270226179244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112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，P20施工期112月24小时设计暴雨为396MM；施工期112月设计洪水按推理公式法计算，其中初损取I00MM，R上/R总050，经计算施工期112月设计最大流量为389M3/S，24小时洪水总量127万M3。25水库调洪计算251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20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252基本资料1）库容曲线采用原设计成果，成果见表2521及图2521。表2521四十湾水库库容曲线表库水位（M）266026702720277028202870292029703000库容（万M3）001074081882525710676181182732932945四十湾水库库容曲线2652702752802852902953030502040608010120140160180202024026028030320340360380库容万M3库水位M图25212）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212121VTQTQ2/3OSHGBCMQ21式中Q流量，M3/S；B溢流堰总净宽，M；B单孔宽度，M；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；闸墩侧收缩系数；K边墩形状系数；S淹没系数。计算结果见表2522及图2522；表2522四十湾水库泄流曲线表Z（M）3001300230033004300530063007300830093013011301230133014301530163017Q（M3/S）04514227844764887611301410171420412390276031513563399444444914NBHK0120122四十湾水库泄流曲线300300230043006300830130123014301605101520253035404550Q（M3/S）Z（M）图25223）洪水过程线见表2432。253调洪计算按以上的基本资料和调度原则，以正常蓄水位29996M起调，调洪结果如下表253。表253四十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）0292130145378256130106224544530092176原设计洪水位为3008M，校核洪水位为30102M，本次计算结果略高，以本次复核计算结果来进行安全评价。26水库抗洪能力复核261水库大坝坝顶高程复核根据碾压式土石坝设计规范（SDJ2742001），以下简称规范，水库大23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531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；Y最大波浪在坝坡上的爬高，M；R最大风壅水面高度，M；EA安全加高，M；正常运用情况取A05M，非常运用情况取A03M。（1）波浪爬高R计算按蒲田试验站公式计算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K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W按附表（16）确定。根据计算查表得。01WK平均浪高，利用官厅水库公式计算，H多年最大风速，207M/S吹程，1KMD风浪平均波长AEPPKHRMKW21GHW750K3/14/56DH24坝坡系数，取M22M（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）；E综合摩阻系数，取K36106；K水面上10米处的风速，取207M/S；W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）；F水域平均深度（M）；H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261所示。表261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30131137100010530318正常蓄水位29996086900010530133校核洪水位30145134400010330310根据计算结果，四十湾水库大坝坝顶高程不得低于30318M，大坝现有坝顶高程为30291M，未能满足挡洪要求。262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（SL2532000）237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03M，因此四十湾水库溢洪道控制段导墙顶部高程不得低于30175M，而现有挡墙顶高程为2995M，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COS2GHDK25安全超高30131，不满足挡洪的要求。263工程地质31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（SL2582000），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（SL552005）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27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；（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111000大坝地形测量KM202421500大坝地质平面测绘KM20153地质剖面测绘KM034钻探M/孔12540/35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532工程区地质概况321地形地貌坝址区河谷基本对称的“V”字型，河谷宽2030M，河床高程2570M左右，两岸地形基本对称，自然坡角为3035，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。322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100150M，分布于工程区。28（2）第四系残坡积堆积QEDL棕黄色、褐紫红色含碎石粉质粘土，厚度02M，分布