水库除险加固工程设计（毕业设计）

水库除险加固工程设计（毕业设计）（一）绪言------------------------------------------------------2（二）工程等级和设计标准---------------------------------------6（三）设计依据--------------------------------------------------6（四）大坝工程现状------------------------------------------------7（五）大坝填筑质量------------------------------------------------7（六）现状稳定安全分析-------------------------------------------7（七）现状渗流稳定分析-------------------------------------------11（八）存在问题----------------------------------------------------14（九）大坝加固工程措施-------------------------------------------15（一）大坝防渗加固处理-------------------------------------------16（二）方案比较---------------------------------------------------16（三）工程设计---------------------------------------------------18（四）除险加固后坝体渗流稳定验算-----------------------------------181．上游护坡工程---------------------------------------------212.下游护坡及排水工程---------------------------------------223.坝顶工程---------------------------------------------------234.白蚁治理工程------------------------------------------------24大坝安全鉴定结论，对大坝进行现状稳定安全分析、现状渗流稳定分析，并依据分析结果进行大坝加固设计，通过设计方案比选确定加固方案，最后，对加固后的大坝进行渗流稳定计算，大坝下游坡不会发生渗透破坏。关键词：现状稳定分析渗流分析方案必选加固措施控制流域面积2.25km2，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾水产养殖等有长台关中心集镇，保护区内有2.4万人，水库地理位置十分重要，安全意义重大。水库地理位置见图1.1。调洪成果：20年一遇设计水位110.10m，相应库容160.2万m3；100年一遇校核水位110.35m，相应库容182.4万m3；水库起调水位大坝为均质土坝，现状坝顶高程110.20～110.48m，最大坝高11.0m。坝顶长290m，坝顶宽5.0m。大坝实测上游坡坡比：1∶2.4~厚0.12m，其下为粗砂垫层，厚0.1m；下游坡为草皮护坡，无排水设沪陕溢洪道位于坝体右侧，原为开敞式，但在修建高速公路时封堵，能设施，尾水渠未护彻。长21m，进口底部高程为105.73m，设计流量为1.02m3/s。建库时输水洞进口采用斜卧管控制，1987年冬改建为φ500坝后闸阀控制，出2＃输水洞位于大坝桩号0+042处，洞身为钢筋砼压力管，建库时输水洞进口采用斜卧管控制，1986年冬改建为φ1000斜拉铸铁闸门，安装有50KN手动螺杆式启闭机，坝顶建有启闭机房，出口#砼消力井，壁厚0.4m。建库不久，即发现坝基渗漏现象，现状输水洞漏水严重，水库效益得空洞、坍塌，溢洪道泄流不畅，金属结构老化失修等问题，虽几经处安全鉴定结论如下：区内有2.4万人，水库地理位置十分重要，安全意义重大。⑵经复核，坝顶高程不满足防洪标准要求，且溢洪道不能安全泄⑶工程质量大部分未达到规定要求，坝基清基不彻底，坝体填筑土料不合格，填筑质量差。上游砼护坡断裂、空洞、滑塌，下游坝坡响工程安全。因此，综合判定工程质量为不合格。⑷经复核，大坝坝坡稳定安全系数满足规范要求，但上游砼护坡断裂、空洞、滑塌，坝坡风浪淘刷严重，结构存在不稳定隐患，危及大坝安全；溢洪道泄流能力不满足规范要求，且下游无消能设施，水流不能安全下泄；1＃输水洞出口无消能设施，2＃输水洞出口消能设施不满足规范要求，金属结构老化，闸门漏水严重，不能正常运用。判(5)经复核，坝坡渗透坡降大于允许渗透坡降，浸润线逸出点较高，且下游坝坡无排水反滤设施，坝体有可能发生渗透破坏。坝体、坝基有渗水现象，大坝北端有4处集中渗漏，渗流出现异常现象，已影响到工程的正常运用。大坝渗流性态不安全，安全性为C级。(6)XX水库金属结构已超过其折旧年限，启闭设备老化陈旧，螺杆弯曲变形，起升机械部分磨损、锈蚀严重，已不能正常运用。判定⑺根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）查得，该区地震动峰值加速度为0.05g，相当于地震基本设防烈度为Ⅵ度，故不⑻监测设施不齐全，大坝监测无法按照规范操作，长期低水位控制运行，判定大坝运行管理为差。综上评定大坝病险严重，属三类坝。本次除险加固工程设计，（1）水库除险加固防洪标准按20年一遇洪水设计，100年一遇（2）大坝：坝体、坝基渗透稳定分析及加固设计，上游砼护坡（二）工程等级和设计标准XX水库总库容为156.80万m3，对照《水利水电工程等级划分及洪水标准(SL252-2000)》有关规定，属小（1）型水库，应定为Ⅳ等工程，所属主要建筑物大坝、溢洪道、输水洞等应定为4级根据《XX市平桥区XX水库大坝安全评价报告》及鉴定意见和本值加速度为0.05g，相当于地震基本烈度Ⅵ度。设计烈度采用Ⅵ度。护坡，厚0.12m，其下为粗砂垫层，厚0.1m；下游坡为草皮护坡，无排水设施。大坝现状平面布置图见图5.3.1-1。（五）大坝填筑质量坝体填筑土料不合格，填筑质量差。（六）现状稳定安全分析 V110.40 V110.401:2.5 V105.50 1:2.5 V105.50 设计水位V110.10正常蓄水位V109.40死水位V104.30粘土k=4.24×10-6cm/s 校核水位110.35 2、计算参数选取参照《工程地质勘察报告》，本次分析中使用的计算参数依据大坝填筑土料的物理力学指标结合同类工程经验综合确定。大坝稳定分析各土层物理力学指标表见表5.3.2-2。表5.3.2-2大坝土层物理力学参数统计表%度比剪值根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL189-96)的要求，计算工况如下：坝坡稳定按稳定渗流期和水库水位降落期两种工况进行复核，采用现状调洪水位。⑴大坝河槽段（0+046～0+178）a、上游坝坡：b、下游坝坡：a、上游坝坡：b、下游坝坡：4、规范允许值坝设计导则》(SL189-96)规定，正常运用条件下，坝坡抗滑稳定最小坝坡抗滑稳定最小安全系数应不小于1.05。5、坝坡稳定计算坝坡稳定分析采用瑞典圆弧法分析。计算公式如下：Q、V—分别为水平和垂直地震惯性力；W—作用于土条底面的孔隙压力；b—土条宽度；MC—水平地震惯性力对圆心的力矩；R—圆弧半径；计算图及结果如下：图5.3.2-2大坝典型剖面下游坝坡稳定成果图(正常蓄水位)111.40设计洪水位110.10校核洪水位110.35滑动面图5.3.2-3大坝典型剖面下游坝坡稳定成果图(设计洪水位)图5.3.2-4大坝典型剖面下游坝坡稳定兴利水位109.40m/兴利水位109.40m/浸润线最不利水位滑动面110.53ml110.53ml图5.3.2-5大坝典型剖面上游坝坡稳定成果图(最不利水位)校核洪水位校核洪水位110.35ml兴利水位109.40浸润线滑动面兴利水位109.40浸润线滑动面图5.3.2-6大坝典型剖面上游坝坡稳定成果图(水位骤降)表5.3.2-3坝坡抗滑稳定计算成果表全值（0+046~0+178）坡坡校核水位突降至兴利水位（0+000~0+046）（0+178~坡坡校核水位突降至兴利水位为1.15，非常情况为1.05。由表4-2可见，大坝坝坡稳定安全系数（七）现状渗流稳定分析综合地勘资料选取最大坝高处断面作为大坝渗流分析的典型剖 1:2.5 V110.40 V1:2.5 V110.40 V105.50 设计水位V110.10正常蓄水位V109.40死水位V104.30粘土k=4.24×10cm/s 校核水位V110.35 2、计算工况及方法本次计算工况取兴利水位109.40m、20年一遇的设计洪水位（110.10m）和100年一遇校核洪水位（110.35m）三种情况，面为下游无水的不透水地基上均质土坝，参照《土坝设计》（水利电渗流量q计算采用以下公式：其中：L=ΔL+lk—坝体渗透系数（m/s取3.24×10-5cm/s；H—上游水深（m坝体浸润线方程式为：0.25式中：y—计算点距下游坝脚的距离3、计算成果及分析 1 1浸润线死水位图5.3.2-8大坝典型剖面稳定渗流成果图(正常蓄水位)5000兴利水位V兴利水位V 1000图5.3.2-9大坝典型剖面稳定渗流成果图(设计洪水位)5000设计洪水位兴利水位v设计洪水位1000图5.3.2-10大坝典型剖面稳定渗流成果图(校核洪水位)500050001 1 1000图5.3.2-11大坝典型剖面非稳定渗流成果图(水位骤降)各特征库水位下的渗流计算成果表5.3.2-4大坝典型剖面渗流计算成果表坝坡J从计算结果可以看出，理论计算的坝坡渗透坡降大于允许渗透坡坝体有可能发生渗透破坏。1、防洪能力不满足规范要求现状坝顶高程核算见下表：ymH0mHm现状大坝坝顶高程为110.20～110.48m，不满足规范要求，大坝2、坝体及坝基渗漏经复核，坝坡渗透坡降大于允许渗透坡降，浸润线逸出点较高，且下游坝坡无排水反滤设施，坝体有可能发生渗透破坏。坝体、坝基有渗水现象，大坝北端有4处集中渗漏，渗流出现异常现象，已影响到工程的正常运用。3、迎水坡护砌坍塌、损毁严重大坝迎水坡原为砼护坡，护砌范围为全坝段，未护砌至坝顶。坝坝坡风浪淘刷严重，结构存在不稳定隐患，危及大坝安全。4、下游坡无排水设施大坝下游坝坡为草皮护坡，无排水设施，浸润线逸出点较高，坝体有可能发生渗透破坏。5、坝顶路面为土路面，凸凹不平，雨天难以通行。6、坝体存在白蚁活动迹象，宜尽快处理7、未设置渗流及沉降等观测设施、管理设施不完善。（九）大坝加固工程措施1．根据勘探资料进行理论分析可知，由于填筑土料及填筑质量不满足规范要求，大坝局部坝段渗透系数不满足规范要求，本次设计采用垂直防渗的方式解决坝体渗漏和坝基接触渗漏问题。2．大坝上游护坡碳化、塌陷，应进行拆除重新护坡，范围从坝顶至死水位高程全坝段。3．坝顶道路整修硬化，增设路缘石。4．完善下游排水设施。二、大坝加固工程设计（一）防渗加固处理工程大坝坝体渗漏，坝基清基不彻底，常年渗漏，坝体填筑土料不合格，填筑质量差，需对大坝进行防渗加固。根据坝体渗漏情况，结合工程客观条件，采取水平防渗加固方案实施困难，本次除险加固拟采取垂直防渗措施进行加固。拟选三种方案进行比较：①劈裂粘土灌浆；②深层搅拌桩；③浇注塑性混凝土防渗墙。方案①土坝劈裂灌浆是运用坝体应力分布规律，用一定的灌浆压力，将坝体沿坝轴线方向劈裂，同时灌注合适的泥浆，形成铅直连续的防渗帷幕，堵塞与劈裂缝连通的洞穴、裂缝或切断软弱层，以提高坝体的防渗能力；同时，通过浆坝互压和湿陷使坝体内部应力得到调整，提高坝体变形稳定性。劈裂灌浆具有机理明确、工艺合理、防渗灌浆技术主要适合于处理存在压实质量差、有裂缝、洞穴、水平夹砂层等隐患的土坝及结构性较强的粉细砂及土砂夹为国家节约了大量投资，取得了显著的经济效益和社会效益。但它也有一定的局限性：a)对于粗砂及卵砾石坝基，因其土层结构性差，形不成连续劈裂，岩基无法劈裂；b)在高水头情况下进行灌浆，效果较方案②深层搅拌水泥土防渗墙一般采用单轴、多轴深搅桩机施工。其原理是用深搅桩机钻孔至预定深度，向孔中注入水泥浆液，用螺旋型钻头进行搅拌，尽量使土体和水泥浆强制拌合均匀而凝结，形成水泥土柱，互相搭接成墙，起到防渗作用。技术特点：a）施工工效高：施工工效平均可达13.2m2/台时；b）成墙造价稍高：约108元/m2；c）施工工艺较简单：不需开槽，无塌孔、护壁、回填、夯实等问题；d）成墙效果好：墙体厚度均匀连续，墙体厚度满足防渗要求（桩机机头直径为400～500mm墙体深度可达30m。常用于淤泥、淤泥质土、粘土、亚粘土等土层中。方案③浇筑塑性混凝土防渗墙。混凝土防渗墙是水工建设中较普遍采用的一种地下连续墙，是透水体防渗处理的一种有效措施，混凝土防渗墙是利用专用的造槽机械设备营造槽孔，并在槽内注满泥浆，以防孔壁坍塌，最后用导管在注满泥浆的槽孔中浇筑混凝土并置换出泥浆，筑成墙体。塑性混凝土是用膨润土取代普通混凝土中的部分水泥而形成的一种柔性墙体材料，它比普通混凝土的弹性模量小得多，与周围的土体变形模量相近，有较好的变形适应性，大大减少了墙体内的应力，避免了开裂。适宜于各种地质条件，且能在基岩上成墙。这种方案，处理坝体及坝基接触渗漏彻底，防渗效果好，但造价较高表5.3.3-1三种方案优缺点比较表资(元1)通过浆坝互压和坝体的湿陷部的应力状态;1)对于粗砂及砂卵劈裂，岩基无法劈2)高水头情况下灌2)施工简便，工艺简单拌桩)3)防渗效果好。(浇筑塑防渗墙)3)施工条件要求高根据本工程大坝存在问题，经以上综合比较分析（三种方案优缺地区对土坝渗漏处理中应用较多，有成熟的理论做指导，又有熟练的施工经验，质量容易控制，施工工期短，处理效果好，且工程造价较低，能将工程险情处理彻底，故本设计予以采用。坝体渗漏处理采用深层水泥土搅拌桩防渗墙，处理范围桩号0+010~0+284，全长274m，沿坝轴线布置，搅拌桩防渗墙顶部高程为110.00m，底部深入坝基低液限粘土顶部以下1.0m，搅拌桩直径为水泥掺入比为12%。防渗墙技术参数：①成墙最小厚度：0.3m；②渗透系数k＜i×10-6cm/s(1<i<10);③90天龄期单轴无侧限抗压强度不（四）除险加固后坝体渗流稳定验算综合地勘资料选取除险加固后最大坝高处断面作为大坝渗流分析的典型剖面，见图5.3.3-1。111.401校核洪水位设计洪水位兴利水位死水位深层搅拌桩109.851校核洪水位设计洪水位兴利水位死水位深层搅拌桩109.85V110.05109.20104.30图5.3.3-1除险加固后大坝典型剖面渗流分析2、渗透系数选取计算断面各区土层的渗透系数均采用本次初步设计工程地质勘察报告的建议值。深层搅拌桩防渗墙渗透系数取1.0×10-6cm/s3、计算方法及工况本次计算工况取兴利水位109.20m、20年一遇的设计洪水位（109.85m）和100年一遇校核洪水位（110.05m）三种情况，典型断面为下游有水的不透水地基上均质土坝，参照《土坝设计》（水利电力出版社）。计算公式及方法与除险加固前相同，计算结果见表1515图5.3.3-2除险加固后大坝典型剖面稳定渗流成果图(正常蓄水位) 11图5.3.3-3除险加固后大坝典型剖面稳定渗流成果图(设计洪水位)111.40111.40校核洪水位校核洪水位设计洪水位109.85设计洪水位109.85110.05兴利水位109.20111深层搅拌桩浸润线1深层搅拌桩浸润线图5.3.3-4除险加固后大坝典型剖面稳定渗流成果图(校核洪水位)111.401校核洪水位设计洪水位兴利水位死水位深层搅拌桩浸润线109.85V1校核洪水位设计洪水位兴利水位死水位深层搅拌桩浸润线109.85V110.05109.20104.30图5.3.3-5除险加固后大坝典型剖面非稳定渗流成果图(水位骤降)表5.3.3-2除险加固后大坝典型剖面渗流计算成果表坝坡J透坡降小于允许渗透坡降。说明处理效果明显，大坝渗流性态安全。本次除险加固拟对大坝上游坡原砼护坡予以拆除重修，护坡类型，拟选两种方案进行比较：方案①：采用砼护坡，厚0.15m，下铺筑0.15m厚砂石垫层，计砼护坡厚度计算：b——沿坝坡向板长，m，b=3m；Lm——平均波长，m，Lm=11.2经计算，t=0.148m，取砼护坡厚度为0.15m。方案②：采用干砌石护坡，厚0.30m，下铺0.10m厚碎石垫层，块石护坡厚度计算：D=1.018K式中：D——石块的换算球形直径，m；kt——随坡率