【文章內(nèi)容簡介】 4 加固設(shè)計 工程任務(wù)和規(guī)模**水庫樞紐主要建筑物由大壩、溢洪道及放水涵組成。工程的主要任務(wù)為農(nóng)業(yè)灌溉，其次兼有養(yǎng)殖、防洪等。水庫始建于1980年11月，1981年12月建成并發(fā)揮效益。水庫樞紐工程為Ⅴ等，主要永久性建筑物為5級。，；設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，；。 主要加固項目針對大壩存在的問題，確定加固設(shè)計項目有：（1）大壩防滲處理與壩體增厚；（2）上游護(hù)坡新建；（3）增設(shè)壩頂公路；（5）下游壩面整修； 設(shè)計依據(jù) 工程等別與建筑物級別，根據(jù)《水利水電工程等別及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL2522000）及《防洪標(biāo)準(zhǔn)（GB5020194），確定本工程等別為Ⅴ等，永久建筑物的主要建筑物級別為5級，次要建筑物等別為5級，臨時建筑物為5級。各類建筑物級主洪水標(biāo)準(zhǔn)見下表。、建筑物運用洪水標(biāo)準(zhǔn)表建筑物運行情況級別洪水重現(xiàn)期（年）備 注正常運用（設(shè)計）非常運用（校核）大壩550200溢洪道5 50200灌溉輸水涵管550200臨時建筑物550 設(shè)計基本資料（1）水文氣象流域內(nèi)氣候溫和，雨量充沛，年平均氣溫18℃左右，歷年降雨多集中在4～6三個月，占年降雨量的48%，8月份后降雨逐漸減少。年平均降雨量1660mm，年均徑流深900mm。（2）地基特性及設(shè)計參數(shù)地質(zhì)資料為我院編制提交的**水庫工程地質(zhì)勘察報告及有關(guān)地質(zhì)平、剖面圖，壩體填筑土料及壩基巖石、溢洪道等主要建筑物基巖物理力學(xué)參數(shù)以本階段地勘報告中提供的試驗建議值為依據(jù)，并參考國內(nèi)類似工程有關(guān)參數(shù)確定。（3）壩頂安全超高壩頂安全超高按《水利水電樞紐工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL2522000）有關(guān)規(guī)定：確定壩頂安全超高：。（4）壩坡穩(wěn)定安全參數(shù)大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定采用不計及條塊間作用力的瑞典圓弧法計算，最小安全系數(shù)：。（5）穩(wěn)定安全系數(shù)溢洪道邊墻、消力池底板等穩(wěn)定安全系數(shù)見表41。表41 穩(wěn)定安全系數(shù)運用條件抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)（抗剪） kc抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)kf基本組合～特殊組合（1）（2）（6）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大裂縫寬度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大裂縫寬度的允許值：水上區(qū)允許裂縫寬度[δfmax]=；水下區(qū)[δfmax]=；水位變動區(qū)[δfmax]=。 工程總體布置**水庫出險加固項目有：大壩、輸水涵管金屬結(jié)構(gòu)及啟閉設(shè)備、進(jìn)壩公路等。大壩加固處理在現(xiàn)狀布置基礎(chǔ)上進(jìn)行，，加固后壩頂寬6m，壩頂長110m，在大壩上游壩坡增設(shè)粘土斜墻防滲提，迎水坡面放緩至1:，采用C20砼預(yù)制塊護(hù)坡。下游壩坡進(jìn)行整坡采用草皮護(hù)坡。金屬結(jié)構(gòu)加固設(shè)計：安裝豎井工作閘門、安裝20t啟閉機。，但路況差，路面凹凸不平。現(xiàn)維修硬化上壩防汛公路，并在公路兩側(cè)設(shè)排水溝。 加固設(shè)計 大壩加固設(shè)計 壩頂高程復(fù)核**，根據(jù)庫水位流量曲線，經(jīng)調(diào)洪計算，水庫校核洪水位（p=%），設(shè)計洪水位（p=2%）。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL2522000）及《碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL2742001）的規(guī)定，大壩壩頂超高按下式計算：γ=R+e+y式中：γ—壩頂超過（m）R—最大波浪在壩坡上的爬高（m）e—最大風(fēng)壅水面高度（m）A—安全加高，①最大波浪爬高R計算R=R5%=(V級土石壩取累積頻率5%的爬高值) Rm= [KΔ*Kw/(1+m2)1/2 ](hmLm)1/2平均波長可按Lm=gT2m/2π*th﹛2πH/Lm﹜對于深水波,即當(dāng)H≧，上式可簡化為Lm=gt2m/2π；式中：Rm—平均波浪爬高（m）；KΔ—斜坡糟率滲透系數(shù)Kw—經(jīng)驗系數(shù)，由w/(gh)查表確定W—計算風(fēng)速，m/s。m—單坡的坡度系數(shù)hm—平均坡高，m；Tm=平均波周期，s；D—風(fēng)區(qū)長度，m；Hm—水域平均水深，m；g—重力加速度。風(fēng)壅高度計算e=式中：e—水面高度（m）； K—綜合摩擦系數(shù)，取k=106； B—計算風(fēng)向與壩軸線法線夾角，（度）**水庫壩頂高程復(fù)核計算表項目設(shè)計校核備注靜水位D=500mW（m/s)1212　HM(m）　w/gh　Kw　KΔ　hm　Lm　Rm　R　A　e　Y　壩頂所需高程　 **，根據(jù)計算，，現(xiàn)有壩頂高程滿足規(guī)范要求的抗洪標(biāo)準(zhǔn)。 大壩防滲加固方案大壩清基不徹底，壩基及壩肩岸坡上部巖體透水率偏大，存在滲漏及繞壩滲漏，且當(dāng)?shù)靥钪误w土質(zhì)缺少，壩體土質(zhì)含沙、礫較多，工程存在諸多問題，對大壩進(jìn)行防滲處理，大壩防滲處理的原則主要是“上截、下排”。“上截”就是在上游封堵滲漏入口，截斷滲漏途徑，防止?jié)B入。大壩防滲措施可以采用斜墻防滲、垂直防滲等幾種處理措施。考慮到庫區(qū)已蓄水多年，根據(jù)目前國內(nèi)病險水庫除險加固處理技術(shù)及本工程實際，大壩防滲方案選擇粘土斜墻防滲。墻體厚度確定：根據(jù)規(guī)范規(guī)定，底部厚度按允許滲透坡降確定。防滲方案布置：水庫放空后，在大壩上游全斷面修筑圍堰，將庫區(qū)淤泥清理干凈，1壩將上游現(xiàn)狀壩坡削坡整平后，填筑斜墻迎水面坡比放緩至1：，，兩壩均截穿壩基粉土質(zhì)砂層。粘土斜墻設(shè)計指標(biāo)：滲透系數(shù)k≤1105cm/s ，允許滲透坡降為5～7。斜墻的土料要求：水溶鹽含量不大于3%，有機質(zhì)含量不大于2%。有較好的塑性和滲透穩(wěn)定性；浸水與失水時體積變化小；不能采用沼澤土、膨脹土、開挖壓實困難的干硬粘土、分散性粘土，塑性指數(shù)大于20和液限大于40%的沖積粘土?；靥钿佂烈鶆蚱秸謱犹钪?，~。填土的含水量按最優(yōu)含水量控制，允許偏差為177。3%。 大壩加固設(shè)計（1）上游護(hù)坡加固 大壩加固設(shè)計（1）上游護(hù)坡加固大壩上游壩坡現(xiàn)狀無護(hù)坡，坡面高低不平，雜草叢生。考慮到壩面的整體美觀、運行管理，以及塊石護(hù)坡易風(fēng)化的特點，經(jīng)綜合考慮，本次加固設(shè)計選取砼預(yù)制塊護(hù)坡方案。粘土斜墻完工后，再鋪設(shè)C15砼預(yù)制塊護(hù)坡，，下設(shè)砂卵石墊層，；每15m設(shè)一伸縮縫，縫寬20mm，內(nèi)充填瀝青砂；預(yù)制塊上預(yù)留φ50排水孔，，排水孔下設(shè)置350g/m2土工織布，；砼預(yù)制板之間采用M10水泥砂漿勾平縫。護(hù)坡范圍：1壩、2壩上游壩坡壩腳至壩頂均采用C15砼預(yù)制塊護(hù)坡。①砼預(yù)制板護(hù)坡厚度按《規(guī)范》（SL2742001）附錄A推薦的公式計算：式中：η—系數(shù)，；hp—波高，m；—平均波長，m；b—沿壩坡方向板長；ρc—板的密度，；ρw—水的密度，；m—坡度系數(shù)。經(jīng)計算t=，取10cm。（2） 下游壩坡加固大壩加設(shè)粘土防滲斜墻后，浸潤線明顯降低，現(xiàn)狀下游壩坡在各種工況下均滿足規(guī)范要求，故下游壩坡不需要培坡放緩。大壩現(xiàn)狀下游以上雜草從生，無壩面排水系統(tǒng)，壩面沖刷嚴(yán)重，貼坡排水較完整,本次加固僅為清除平臺以上灌木叢后采用草皮護(hù)坡。（3）壩頂細(xì)部構(gòu)造本次設(shè)計在防滲斜墻施工完成后對壩頂進(jìn)行硬化加固，壩頂采用C25砼路面硬化，砼厚20cm，下設(shè)20cm厚10%水穩(wěn)層，并考慮施工影響，路面排水橫坡2%，排向下游。（4）大壩排水系統(tǒng)設(shè)計大壩現(xiàn)狀壩頂、下游壩坡及周邊均未設(shè)排水溝，為確保大壩安全運行，設(shè)計增設(shè)排水溝：上、下游壩坡與岸坡連接處排水溝采用矩形斷面，斷面尺寸為300400mm（寬高）；下游壩坡排水體頂部內(nèi)側(cè)設(shè)置一道縱向排水溝與下游排水邊溝互相連通，縱向排水溝及邊溝斷面均采用矩形，斷面尺寸為400400mm（寬高）。排水溝采用C15砼。 加固后大壩設(shè)計計算（1）滲流計算大壩滲流分析計算采用南京水利科學(xué)研究院編制的土石壩二維滲流計算程序UNSST2，該程序針對飽和多孔介質(zhì)滲流而編制，適用于不規(guī)則邊界的各向異性滲流場，能有效地解決各種類型土石壩、閘壩地基等復(fù)雜滲流狀況的滲流分析問題，還可用于研究庫水位上升、下降情況下的非穩(wěn)定滲流狀態(tài)。程序求解方法是基于三角形單元的有限元法，用改進(jìn)平方根法的直接解法求解線性代數(shù)方程組。a） 計算斷面根據(jù)地勘資料及大壩以往運行情況，本次滲流計算大壩選取本次地質(zhì)勘探查明的大壩河床段最大壩高橫剖面圖進(jìn)行滲流計算，分析認(rèn)為以采用的斷面進(jìn)行計算可較全面的反映整個大壩的實際滲流狀況。大壩加固后滲流計算典型斷面見圖41。b） 滲透系數(shù)根據(jù)本次地質(zhì)勘探成果，結(jié)合大壩加固及原壩體填筑情況及壩基土層結(jié)構(gòu)，計算斷面的分區(qū)如下：大壩粘土斜墻為1個區(qū)，原壩體填土為1個區(qū)；壩基覆蓋層粉土質(zhì)砂（礫）層為1個區(qū)；壩基基巖為1個區(qū)，共4個滲透分區(qū)。壩體土、壩基粘土層的滲透系數(shù)取值以室內(nèi)土工試驗成果為主，滲流量計算采用土層滲透系數(shù)的大值平均值。大壩各填筑區(qū)的滲透系數(shù)見表43。表43 大壩各滲透分區(qū)滲透系數(shù)取值表部位分區(qū)滲透系數(shù)給水度粘土斜墻K1105壩體填土K2104壩基粉土質(zhì)砂（礫）K385104壩基基巖K4104—（c）計算工況根據(jù)規(guī)范規(guī)定，滲流計算應(yīng)考慮水庫運行中出現(xiàn)的各種不利條件，主要工況組合情況如下：上游正常蓄水位與下游相應(yīng)最低水位；上游設(shè)計洪水位與下游相應(yīng)水位；上游校核洪水位與下游相應(yīng)水位。由于輸水涵管放水及溢洪道下泄洪水均對大壩下游水位無影響，則各工況下其相應(yīng)下游水位均取壩腳地面高程，滲流及穩(wěn)定計算水位均為本次初設(shè)調(diào)洪演算結(jié)果。（d） 計算成果及分析大壩加固后正常蓄水位、設(shè)計洪水位、校核洪水位三種工況典型斷面的浸潤線和滲流等勢線見附圖，滲流計算主要成果見表44~45。表44 大壩加固后穩(wěn)定滲流期浸潤線位置表浸潤線坐標(biāo)位勢%滲透坡降浸潤線坐標(biāo)位勢%滲透坡降浸潤線坐標(biāo)位勢%滲透坡降XYXYXY進(jìn)斜墻進(jìn)斜墻進(jìn)斜墻出斜墻出斜墻出斜墻505050404040303030202020壩坡出逸壩坡出逸101010壩坡出逸表45 大壩加固后滲流計算成果表上游水位（m）下游水位（m）水頭（m）最大水平坡降值計算單寬滲漏量（m3/dm）粘土斜墻壩體填土壩基土根據(jù)滲流計算成果可以得出以下結(jié)論：；；在各種工況下浸潤線均在排水體出逸，滲流出口有保障.（2）穩(wěn)定計算（a）計算剖面及計算參數(shù)為了進(jìn)一步分析大壩穩(wěn)定情況，我們在滲流分析的基礎(chǔ)上對大壩進(jìn)行穩(wěn)定計算。根據(jù)本階段地勘資料和物理力學(xué)試驗成果，并參考國內(nèi)已建類似土石壩經(jīng)驗，大壩總應(yīng)力強度指標(biāo)C、ψ值按小值平均值選取，有效應(yīng)力值強度指標(biāo)，參考建議值選取，采用的有關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表46。表46 大壩填筑土料的力學(xué)指標(biāo)表指標(biāo)分區(qū)濕密度(g/cm3)飽和密度(g/cm3)抗剪強度有效應(yīng)力指標(biāo)總應(yīng)力指標(biāo)凝聚力（Kpa）內(nèi)摩擦角（176。）凝聚力（Kpa）內(nèi)摩擦角（176。）粘土斜墻壩體填土壩基粉土質(zhì)砂（礫）00壩基基巖層（b）計算工況壩坡穩(wěn)定計算是在防洪標(biāo)準(zhǔn)安全復(fù)核和滲流安全評價成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。具體的計算工況如下：①；②；③；④。偏安全考慮，按照庫水位開始下降前穩(wěn)定滲流的浸潤線位置進(jìn)行上游壩坡穩(wěn)定分析。⑤。利用斜臥管取水，涵管放水，降落速度較慢，偏安全考慮，按照庫水位開始下降前穩(wěn)定滲流的浸潤線位置進(jìn)行上游壩坡穩(wěn)定分析。（c）計算方法和程序根據(jù)《規(guī)范》SL18996，壩坡靜力穩(wěn)定計算采用剛體極限平衡法，對于均質(zhì)壩采用不計及條塊間作用力的瑞典圓弧法計算。計算程序采用中國水電部新疆水利水電勘察設(shè)計院編制的土石壩邊坡穩(wěn)定分析程序，該程序為水利水電規(guī)劃總院批準(zhǔn)的設(shè)計程序，可以進(jìn)行土石壩和壩坡的施工竣工期、正常蓄水期、庫水降落等工況的有效應(yīng)力分析或總應(yīng)力分析及水位驟降時的總應(yīng)力分析。對于穩(wěn)定滲流期和庫水位降落期，采用瑞典圓弧法進(jìn)行穩(wěn)定分析時，有效應(yīng)力法抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式為：對于庫水位降落期，采用瑞典圓弧法進(jìn)行穩(wěn)定分析時，總應(yīng)力法抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式為：以上各公式中：c′、φ′—有效強度指標(biāo)；b—條塊寬度；W1—壩坡外水位以上條塊實重；W2—壩坡外水位以下條塊浮重；β—條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；Ccu、φcu—固結(jié)不排水剪總強度指標(biāo)； W—土條實重；Z— 壩坡外水位高出條塊底面中點的距離；Ui—水庫水位降落前壩體中的孔隙水壓力；U—穩(wěn)定滲流期和庫水位降落期壩體中的孔隙水壓力； γω—水的容重。（d）孔隙水壓力的確定對于穩(wěn)定滲流期的壩體及壩基，其孔隙水壓力的計算可以根據(jù)滲流分析計算所得的流網(wǎng)來確定，即流網(wǎng)圖