水庫除險加固工程設(shè)計(jì)（畢業(yè)設(shè)計(jì)）

水庫除險加固工程設(shè)計(jì)（畢業(yè)設(shè)計(jì)）（一）緒言------------------------------------------------------2（二）工程等級和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)---------------------------------------6（三）設(shè)計(jì)依據(jù)--------------------------------------------------6（四）大壩工程現(xiàn)狀------------------------------------------------7（五）大壩填筑質(zhì)量------------------------------------------------7（六）現(xiàn)狀穩(wěn)定安全分析-------------------------------------------7（七）現(xiàn)狀滲流穩(wěn)定分析-------------------------------------------11（八）存在問題----------------------------------------------------14（九）大壩加固工程措施-------------------------------------------15（一）大壩防滲加固處理-------------------------------------------16（二）方案比較---------------------------------------------------16（三）工程設(shè)計(jì)---------------------------------------------------18（四）除險加固后壩體滲流穩(wěn)定驗(yàn)算-----------------------------------181．上游護(hù)坡工程---------------------------------------------212.下游護(hù)坡及排水工程---------------------------------------223.壩頂工程---------------------------------------------------234.白蟻治理工程------------------------------------------------24大壩安全鑒定結(jié)論，對大壩進(jìn)行現(xiàn)狀穩(wěn)定安全分析、現(xiàn)狀滲流穩(wěn)定分析，并依據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行大壩加固設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)方案比選確定加固方案，最后，對加固后的大壩進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算，大壩下游坡不會發(fā)生滲透破壞。關(guān)鍵詞：現(xiàn)狀穩(wěn)定分析滲流分析方案必選加固措施控制流域面積2.25km2，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧水產(chǎn)養(yǎng)殖等有長臺關(guān)中心集鎮(zhèn)，保護(hù)區(qū)內(nèi)有2.4萬人，水庫地理位置十分重要，安全意義重大。水庫地理位置見圖1.1。調(diào)洪成果：20年一遇設(shè)計(jì)水位110.10m，相應(yīng)庫容160.2萬m3；100年一遇校核水位110.35m，相應(yīng)庫容182.4萬m3；水庫起調(diào)水位大壩為均質(zhì)土壩，現(xiàn)狀壩頂高程110.20～110.48m，最大壩高11.0m。壩頂長290m，壩頂寬5.0m。大壩實(shí)測上游坡坡比：1∶2.4~厚0.12m，其下為粗砂墊層，厚0.1m；下游坡為草皮護(hù)坡，無排水設(shè)滬陜溢洪道位于壩體右側(cè)，原為開敞式，但在修建高速公路時封堵，能設(shè)施，尾水渠未護(hù)徹。長21m，進(jìn)口底部高程為105.73m，設(shè)計(jì)流量為1.02m3/s。建庫時輸水洞進(jìn)口采用斜臥管控制，1987年冬改建為φ500壩后閘閥控制，出2＃輸水洞位于大壩樁號0+042處，洞身為鋼筋砼壓力管，建庫時輸水洞進(jìn)口采用斜臥管控制，1986年冬改建為φ1000斜拉鑄鐵閘門，安裝有50KN手動螺桿式啟閉機(jī)，壩頂建有啟閉機(jī)房，出口#砼消力井，壁厚0.4m。建庫不久，即發(fā)現(xiàn)壩基滲漏現(xiàn)象，現(xiàn)狀輸水洞漏水嚴(yán)重，水庫效益得空洞、坍塌，溢洪道泄流不暢，金屬結(jié)構(gòu)老化失修等問題，雖幾經(jīng)處安全鑒定結(jié)論如下：區(qū)內(nèi)有2.4萬人，水庫地理位置十分重要，安全意義重大。⑵經(jīng)復(fù)核，壩頂高程不滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)要求，且溢洪道不能安全泄⑶工程質(zhì)量大部分未達(dá)到規(guī)定要求，壩基清基不徹底，壩體填筑土料不合格，填筑質(zhì)量差。上游砼護(hù)坡斷裂、空洞、滑塌，下游壩坡響工程安全。因此，綜合判定工程質(zhì)量為不合格。⑷經(jīng)復(fù)核，大壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，但上游砼護(hù)坡斷裂、空洞、滑塌，壩坡風(fēng)浪淘刷嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)存在不穩(wěn)定隱患，危及大壩安全；溢洪道泄流能力不滿足規(guī)范要求，且下游無消能設(shè)施，水流不能安全下泄；1＃輸水洞出口無消能設(shè)施，2＃輸水洞出口消能設(shè)施不滿足規(guī)范要求，金屬結(jié)構(gòu)老化，閘門漏水嚴(yán)重，不能正常運(yùn)用。判(5)經(jīng)復(fù)核，壩坡滲透坡降大于允許滲透坡降，浸潤線逸出點(diǎn)較高，且下游壩坡無排水反濾設(shè)施，壩體有可能發(fā)生滲透破壞。壩體、壩基有滲水現(xiàn)象，大壩北端有4處集中滲漏，滲流出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，已影響到工程的正常運(yùn)用。大壩滲流性態(tài)不安全，安全性為C級。(6)XX水庫金屬結(jié)構(gòu)已超過其折舊年限，啟閉設(shè)備老化陳舊，螺桿彎曲變形，起升機(jī)械部分磨損、銹蝕嚴(yán)重，已不能正常運(yùn)用。判定⑺根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2001）查得，該區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，相當(dāng)于地震基本設(shè)防烈度為Ⅵ度，故不⑻監(jiān)測設(shè)施不齊全，大壩監(jiān)測無法按照規(guī)范操作，長期低水位控制運(yùn)行，判定大壩運(yùn)行管理為差。綜上評定大壩病險嚴(yán)重，屬三類壩。本次除險加固工程設(shè)計(jì)，（1）水庫除險加固防洪標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇洪水設(shè)計(jì)，100年一遇（2）大壩：壩體、壩基滲透穩(wěn)定分析及加固設(shè)計(jì)，上游砼護(hù)坡（二）工程等級和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)XX水庫總庫容為156.80萬m3，對照《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)(SL252-2000)》有關(guān)規(guī)定，屬?。?）型水庫，應(yīng)定為Ⅳ等工程，所屬主要建筑物大壩、溢洪道、輸水洞等應(yīng)定為4級根據(jù)《XX市平橋區(qū)XX水庫大壩安全評價報告》及鑒定意見和本值加速度為0.05g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅵ度。設(shè)計(jì)烈度采用Ⅵ度。護(hù)坡，厚0.12m，其下為粗砂墊層，厚0.1m；下游坡為草皮護(hù)坡，無排水設(shè)施。大壩現(xiàn)狀平面布置圖見圖5.3.1-1。（五）大壩填筑質(zhì)量壩體填筑土料不合格，填筑質(zhì)量差。（六）現(xiàn)狀穩(wěn)定安全分析 V110.40 V110.401:2.5 V105.50 1:2.5 V105.50 設(shè)計(jì)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、計(jì)算參數(shù)選取參照《工程地質(zhì)勘察報告》，本次分析中使用的計(jì)算參數(shù)依據(jù)大壩填筑土料的物理力學(xué)指標(biāo)結(jié)合同類工程經(jīng)驗(yàn)綜合確定。大壩穩(wěn)定分析各土層物理力學(xué)指標(biāo)表見表5.3.2-2。表5.3.2-2大壩土層物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表%度比剪值根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(SL189-96)的要求，計(jì)算工況如下：壩坡穩(wěn)定按穩(wěn)定滲流期和水庫水位降落期兩種工況進(jìn)行復(fù)核，采用現(xiàn)狀調(diào)洪水位。⑴大壩河槽段（0+046～0+178）a、上游壩坡：b、下游壩坡：a、上游壩坡：b、下游壩坡：4、規(guī)范允許值壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(SL189-96)規(guī)定，正常運(yùn)用條件下，壩坡抗滑穩(wěn)定最小壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)應(yīng)不小于1.05。5、壩坡穩(wěn)定計(jì)算壩坡穩(wěn)定分析采用瑞典圓弧法分析。計(jì)算公式如下：Q、V—分別為水平和垂直地震慣性力；W—作用于土條底面的孔隙壓力；b—土條寬度；MC—水平地震慣性力對圓心的力矩；R—圓弧半徑；計(jì)算圖及結(jié)果如下：圖5.3.2-2大壩典型剖面下游壩坡穩(wěn)定成果圖(正常蓄水位)111.40設(shè)計(jì)洪水位110.10校核洪水位110.35滑動面圖5.3.2-3大壩典型剖面下游壩坡穩(wěn)定成果圖(設(shè)計(jì)洪水位)圖5.3.2-4大壩典型剖面下游壩坡穩(wěn)定興利水位109.40m/興利水位109.40m/浸潤線最不利水位滑動面110.53ml110.53ml圖5.3.2-5大壩典型剖面上游壩坡穩(wěn)定成果圖(最不利水位)校核洪水位校核洪水位110.35ml興利水位109.40浸潤線滑動面興利水位109.40浸潤線滑動面圖5.3.2-6大壩典型剖面上游壩坡穩(wěn)定成果圖(水位驟降)表5.3.2-3壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表全值（0+046~0+178）坡坡校核水位突降至興利水位（0+000~0+046）（0+178~坡坡校核水位突降至興利水位為1.15，非常情況為1.05。由表4-2可見，大壩壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)（七）現(xiàn)狀滲流穩(wěn)定分析綜合地勘資料選取最大壩高處斷面作為大壩滲流分析的典型剖 1:2.5 V110.40 V1:2.5 V110.40 V105.50 設(shè)計(jì)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、計(jì)算工況及方法本次計(jì)算工況取興利水位109.40m、20年一遇的設(shè)計(jì)洪水位（110.10m）和100年一遇校核洪水位（110.35m）三種情況，面為下游無水的不透水地基上均質(zhì)土壩，參照《土壩設(shè)計(jì)》（水利電滲流量q計(jì)算采用以下公式：其中：L=ΔL+lk—壩體滲透系數(shù)（m/s取3.24×10-5cm/s；H—上游水深（m壩體浸潤線方程式為：0.25式中：y—計(jì)算點(diǎn)距下游壩腳的距離3、計(jì)算成果及分析 1 1浸潤線死水位圖5.3.2-8大壩典型剖面穩(wěn)定滲流成果圖(正常蓄水位)5000興利水位V興利水位V 1000圖5.3.2-9大壩典型剖面穩(wěn)定滲流成果圖(設(shè)計(jì)洪水位)5000設(shè)計(jì)洪水位興利水位v設(shè)計(jì)洪水位1000圖5.3.2-10大壩典型剖面穩(wěn)定滲流成果圖(校核洪水位)500050001 1 1000圖5.3.2-11大壩典型剖面非穩(wěn)定滲流成果圖(水位驟降)各特征庫水位下的滲流計(jì)算成果表5.3.2-4大壩典型剖面滲流計(jì)算成果表壩坡J從計(jì)算結(jié)果可以看出，理論計(jì)算的壩坡滲透坡降大于允許滲透坡壩體有可能發(fā)生滲透破壞。1、防洪能力不滿足規(guī)范要求現(xiàn)狀壩頂高程核算見下表：ymH0mHm現(xiàn)狀大壩壩頂高程為110.20～110.48m，不滿足規(guī)范要求，大壩2、壩體及壩基滲漏經(jīng)復(fù)核，壩坡滲透坡降大于允許滲透坡降，浸潤線逸出點(diǎn)較高，且下游壩坡無排水反濾設(shè)施，壩體有可能發(fā)生滲透破壞。壩體、壩基有滲水現(xiàn)象，大壩北端有4處集中滲漏，滲流出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，已影響到工程的正常運(yùn)用。3、迎水坡護(hù)砌坍塌、損毀嚴(yán)重大壩迎水坡原為砼護(hù)坡，護(hù)砌范圍為全壩段，未護(hù)砌至壩頂。壩壩坡風(fēng)浪淘刷嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)存在不穩(wěn)定隱患，危及大壩安全。4、下游坡無排水設(shè)施大壩下游壩坡為草皮護(hù)坡，無排水設(shè)施，浸潤線逸出點(diǎn)較高，壩體有可能發(fā)生滲透破壞。5、壩頂路面為土路面，凸凹不平，雨天難以通行。6、壩體存在白蟻活動跡象，宜盡快處理7、未設(shè)置滲流及沉降等觀測設(shè)施、管理設(shè)施不完善。（九）大壩加固工程措施1．根據(jù)勘探資料進(jìn)行理論分析可知，由于填筑土料及填筑質(zhì)量不滿足規(guī)范要求，大壩局部壩段滲透系數(shù)不滿足規(guī)范要求，本次設(shè)計(jì)采用垂直防滲的方式解決壩體滲漏和壩基接觸滲漏問題。2．大壩上游護(hù)坡碳化、塌陷，應(yīng)進(jìn)行拆除重新護(hù)坡，范圍從壩頂至死水位高程全壩段。3．壩頂?shù)缆氛抻不?，增設(shè)路緣石。4．完善下游排水設(shè)施。二、大壩加固工程設(shè)計(jì)（一）防滲加固處理工程大壩壩體滲漏，壩基清基不徹底，常年滲漏，壩體填筑土料不合格，填筑質(zhì)量差，需對大壩進(jìn)行防滲加固。根據(jù)壩體滲漏情況，結(jié)合工程客觀條件，采取水平防滲加固方案實(shí)施困難，本次除險加固擬采取垂直防滲措施進(jìn)行加固。擬選三種方案進(jìn)行比較：①劈裂粘土灌漿；②深層攪拌樁；③澆注塑性混凝土防滲墻。方案①土壩劈裂灌漿是運(yùn)用壩體應(yīng)力分布規(guī)律，用一定的灌漿壓力，將壩體沿壩軸線方向劈裂，同時灌注合適的泥漿，形成鉛直連續(xù)的防滲帷幕，堵塞與劈裂縫連通的洞穴、裂縫或切斷軟弱層，以提高壩體的防滲能力；同時，通過漿壩互壓和濕陷使壩體內(nèi)部應(yīng)力得到調(diào)整，提高壩體變形穩(wěn)定性。劈裂灌漿具有機(jī)理明確、工藝合理、防滲灌漿技術(shù)主要適合于處理存在壓實(shí)質(zhì)量差、有裂縫、洞穴、水平夾砂層等隱患的土壩及結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)的粉細(xì)砂及土砂夾為國家節(jié)約了大量投資，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。但它也有一定的局限性：a)對于粗砂及卵礫石壩基，因其土層結(jié)構(gòu)性差，形不成連續(xù)劈裂，巖基無法劈裂；b)在高水頭情況下進(jìn)行灌漿，效果較方案②深層攪拌水泥土防滲墻一般采用單軸、多軸深攪樁機(jī)施工。其原理是用深攪樁機(jī)鉆孔至預(yù)定深度，向孔中注入水泥漿液，用螺旋型鉆頭進(jìn)行攪拌，盡量使土體和水泥漿強(qiáng)制拌合均勻而凝結(jié)，形成水泥土柱，互相搭接成墻，起到防滲作用。技術(shù)特點(diǎn)：a）施工工效高：施工工效平均可達(dá)13.2m2/臺時；b）成墻造價稍高：約108元/m2；c）施工工藝較簡單：不需開槽，無塌孔、護(hù)壁、回填、夯實(shí)等問題；d）成墻效果好：墻體厚度均勻連續(xù)，墻體厚度滿足防滲要求（樁機(jī)機(jī)頭直徑為400～500mm墻體深度可達(dá)30m。常用于淤泥、淤泥質(zhì)土、粘土、亞粘土等土層中。方案③澆筑塑性混凝土防滲墻?；炷练罎B墻是水工建設(shè)中較普遍采用的一種地下連續(xù)墻，是透水體防滲處理的一種有效措施，混凝土防滲墻是利用專用的造槽機(jī)械設(shè)備營造槽孔，并在槽內(nèi)注滿泥漿，以防孔壁坍塌，最后用導(dǎo)管在注滿泥漿的槽孔中澆筑混凝土并置換出泥漿，筑成墻體。塑性混凝土是用膨潤土取代普通混凝土中的部分水泥而形成的一種柔性墻體材料，它比普通混凝土的彈性模量小得多，與周圍的土體變形模量相近，有較好的變形適應(yīng)性，大大減少了墻體內(nèi)的應(yīng)力，避免了開裂。適宜于各種地質(zhì)條件，且能在基巖上成墻。這種方案，處理壩體及壩基接觸滲漏徹底，防滲效果好，但造價較高表5.3.3-1三種方案優(yōu)缺點(diǎn)比較表資(元1)通過漿壩互壓和壩體的濕陷部的應(yīng)力狀態(tài);1)對于粗砂及砂卵劈裂，巖基無法劈2)高水頭情況下灌2)施工簡便，工藝簡單拌樁)3)防滲效果好。(澆筑塑防滲墻)3)施工條件要求高根據(jù)本工程大壩存在問題，經(jīng)以上綜合比較分析（三種方案優(yōu)缺地區(qū)對土壩滲漏處理中應(yīng)用較多，有成熟的理論做指導(dǎo)，又有熟練的施工經(jīng)驗(yàn)，質(zhì)量容易控制，施工工期短，處理效果好，且工程造價較低，能將工程險情處理徹底，故本設(shè)計(jì)予以采用。壩體滲漏處理采用深層水泥土攪拌樁防滲墻，處理范圍樁號0+010~0+284，全長274m，沿壩軸線布置，攪拌樁防滲墻頂部高程為110.00m，底部深入壩基低液限粘土頂部以下1.0m，攪拌樁直徑為水泥摻入比為12%。防滲墻技術(shù)參數(shù)：①成墻最小厚度：0.3m；②滲透系數(shù)k＜i×10-6cm/s(1<i<10);③90天齡期單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不（四）除險加固后壩體滲流穩(wěn)定驗(yàn)算綜合地勘資料選取除險加固后最大壩高處斷面作為大壩滲流分析的典型剖面，見圖5.3.3-1。111.401校核洪水位設(shè)計(jì)洪水位興利水位死水位深層攪拌樁109.851校核洪水位設(shè)計(jì)洪水位興利水位死水位深層攪拌樁109.85V110.05109.20104.30圖5.3.3-1除險加固后大壩典型剖面滲流分析2、滲透系數(shù)選取計(jì)算斷面各區(qū)土層的滲透系數(shù)均采用本次初步設(shè)計(jì)工程地質(zhì)勘察報告的建議值。深層攪拌樁防滲墻滲透系數(shù)取1.0×10-6cm/s3、計(jì)算方法及工況本次計(jì)算工況取興利水位109.20m、20年一遇的設(shè)計(jì)洪水位（109.85m）和100年一遇校核洪水位（110.05m）三種情況，典型斷面為下游有水的不透水地基上均質(zhì)土壩，參照《土壩設(shè)計(jì)》（水利電力出版社）。計(jì)算公式及方法與除險加固前相同，計(jì)算結(jié)果見表1515圖5.3.3-2除險加固后大壩典型剖面穩(wěn)定滲流成果圖(正常蓄水位) 11圖5.3.3-3除險加固后大壩典型剖面穩(wěn)定滲流成果圖(設(shè)計(jì)洪水位)111.40111.40校核洪水位校核洪水位設(shè)計(jì)洪水位109.85設(shè)計(jì)洪水位109.85110.05興利水位109.20111深層攪拌樁浸潤線1深層攪拌樁浸潤線圖5.3.3-4除險加固后大壩典型剖面穩(wěn)定滲流成果圖(校核洪水位)111.401校核洪水位設(shè)計(jì)洪水位興利水位死水位深層攪拌樁浸潤線109.85V1校核洪水位設(shè)計(jì)洪水位興利水位死水位深層攪拌樁浸潤線109.85V110.05109.20104.30圖5.3.3-5除險加固后大壩典型剖面非穩(wěn)定滲流成果圖(水位驟降)表5.3.3-2除險加固后大壩典型剖面滲流計(jì)算成果表壩坡J透坡降小于允許滲透坡降。說明處理效果明顯，大壩滲流性態(tài)安全。本次除險加固擬對大壩上游坡原砼護(hù)坡予以拆除重修，護(hù)坡類型，擬選兩種方案進(jìn)行比較：方案①：采用砼護(hù)坡，厚0.15m，下鋪筑0.15m厚砂石墊層，計(jì)砼護(hù)坡厚度計(jì)算：b——沿壩坡向板長，m，b=3m；Lm——平均波長，m，Lm=11.2經(jīng)計(jì)算，t=0.148m，取砼護(hù)坡厚度為0.15m。方案②：采用干砌石護(hù)坡，厚0.30m，下鋪0.10m厚碎石墊層，塊石護(hù)坡厚度計(jì)算：D=1.018K式中：D——石塊的換算球形直徑，m；kt——隨坡率