孔头沟水库除险加固工程设计

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摘     要
宝鸡市冯家山水库四座渠库结合水库，兼顾库水还渠、养殖、防洪及事故退水的综合性Ⅳ等小型水库枢纽工程。这些工程都不同程度的存在着防洪标准偏低，坝体浸润线偏高，无大坝安全观测设施，放水洞无检修闸门，大坝下游脚排水棱体失效等种种安全隐患，为了彻底解决这些隐患，水库决定实施这几座水库的除险加固项目。
【关键词】水库   除险   加固



第1章  工程概况
1.1 水库工程概况
孔头沟水库位于岐山县益店镇徐家堡村北的张庄沟上，为冯家山灌区北干渠上的渠库结合工程之一，水库土坝所在北干渠实测桩号22+876.67-23+204处。
大坝为均质土坝，坝址以上控制流域面积13.9平方公里，河道平均比降35‰。该水库于1970年元月动工兴建，1973年5月竣工，是一座以调节冯家山灌区北干渠流量为主，兼顾库水还渠、养殖、防洪及事故退水的综合性Ⅳ等小（1）型水库枢纽工程。工程位置图见图1－1。
水库总库容为172万m³，有效库容106.5万m³，滞洪库容88.3m³，死库容13.5万m³，死水位648m，正常蓄水位668.0m，汛限水位663.1m。原50年一遇洪水设计，设计洪水位洪668.0m，峰流量165m³/s，洪量74.3万m³；100年一遇洪水校核，校核洪水位674.0m，洪峰流量200m³/s，洪量88.3万m³。
枢纽建筑物包括：大坝、坝顶渠道、放水洞、进水道、防水卧管等。现分述如下：
1、大坝：大坝为均质土坝，坝顶宽度21.5m，土坝坝顶长205m,最大坝高44.2m，坝顶高程675.88m。大坝上游坡共四级，坡比自下而上分别为1：3、1：2.5、1：2.5、1：2，每级之间各设一道戗台，戗台高程分别为647.5m、665.19m、665.83m，宽度分别为2m、5m、2m。下游坝坡共五级，坡比自下而上分别为1：2.75、1：2.5、1：2.25、1：2、1：1.75，每级之间各设一道戗台，每道戗台均宽1.5m，戗台高程分别为635.88m、645.88m、655.88m、665.88m。下游坝坡设有纵、横向排水，坝脚设有排水棱体。
北干渠从水库坝顶中间通过，渠底宽3米，深3.4米，内坡比1：1.25。干渠口宽11.5m，两侧为坝顶道路，各宽5m。坝址右岸北干渠上设有退水闸，退水入库。水库左岸设有抽水站，可通过抽水站提水向北干渠补水，现抽水站已经报废。
2、放水卧管：放水卧管位于大坝右岸，由卧管、消力池、涵洞及出口明渠和陡坡五部分组成。卧管共43级，最大流量为0.313 m³/s。在高程655.95m以下孔口直径0.47m、台高0.3m;在高程655.95m以上孔口直径0.37m、台高0.25m。卧管末端采用底流式消能与放水涵洞衔接。放水涵洞长192m，断面为圆形，直径0.8m，涵洞出口接长40m的梯形明渠，明渠后接陡坡入沟底。
3、放水洞：水库放水洞位于坝右岸，放水洞轴线与坝轴线交角105°17′，全长171.15m，由渐变段、压力洞段、放水塔、无压洞段、洞后明渠及陡槽六部分组成。
渐变段长7m。压力洞长59.96m，比降1/200，压力洞为预制钢筋砼管，管径D=100cm。放水塔为钢筋混凝土结构，高27.3m，外径3.6m，内径3m，塔内设0.8m×0.8m工作闸门一道，塔顶工作台安装15吨螺杆启闭机一台。放水塔后为无压洞，长107.59m，底坡1/50，横断面为圆拱直墙，断面尺寸1.6m×1.6m， 隧洞出洞后接明渠，明渠为梯形断面，底宽1.6m，明渠大约延伸10m后与放水涵洞出口明渠和二为一，接入陡槽段，将水流泄入下游河道。
4、进水道：水库进水道位于大坝右岸，北干渠22+909.23处，与北干渠成128°斜交，全长213.44m。进水道设进水闸，闸孔宽1m。闸后为平流段，长101.2m，底坡1/2000。后接陡坡段，坡比1：3，长93.44m。末端采用铅丝笼石防冲。

1.2存在的问题

1.2.1  工程原设计、施工以及运行管理中存在和发现的问题
孔头沟水库是冯家山水库灌溉一期工程的一部分，1970年，由陕西省水电设计院设计，同年12月省水电局审查，1971年10月18日水电部以（71）水电综字第195号文件批准了冯家山水利工程的初步设计。
该水库工程于1970年11月开工，先在旧坝下游填筑排水体和清基削坡，到1971年6月开始回填坝体至同年10月完成填方16.5万方，1972年11月二次回填，至1973年5月完成填筑任务。坝顶渠道衬砌、放水洞、进水道以及进水闸等建筑物也于1974年4月完成
该工程是七十年代三边工程的产物，无专业施工队伍，设计和施工都存在问题。原设计坝坡较陡，大坝无泄洪设施体，观测设施不健全，大坝施工采用以民工施工为主的“大会战”方式，施工管理水平低，片面追求施工进度，忽视工程质量，致使工程建成后存在严重质量隐患。
孔头沟水库由冯家山水库管理局孔头沟管理处管理，未按部颁标准定编，仅在孔头沟管理处内增编2名工人，负责管护该水库。由于该水库存在的质量隐患，建成以来一直不能正常蓄水，近年来水库一直空库度汛。

1.2.2  孔头沟水库大坝安全鉴定情况
针对存在的诸多问题，冯家山水库管理局按照上级安排，于2007年3月委托陕西省水环境勘测设计院对该坝进行安全鉴定。2007年6月由宝鸡市水利局大坝安全鉴定领导小组组织专家对水库大坝安全进行了安全鉴定，出具了《孔头沟水库大坝安全鉴定报告书》，评定孔头沟水库大坝安全类别为三类坝。
鉴定后发现，孔头沟水库工程主要存在以下几方面问题：
1、防洪标准偏低。水库大坝不满足抗御设计标准洪水；
2、坝体浸润线偏高。水库大坝的浸润线偏高，不能够满足在正常蓄水位稳定渗流期下的渗流稳定的要求。
3、坝体不稳定。大坝下游坝坡抗滑稳定不能够满足规范要求。
4、大坝下游脚排水棱体失效，排水不畅；坝坡不平整，迎水坡干砌石不规整，块石粒径不能够满足规范要求，背水坡坝坡排水沟损毁。
5、放水洞无检修闸门，工作闸门锈蚀、止水老化、漏水严重；启闭机启闭不灵；放水塔塔基沉陷；放水洞出口无消力设施，建议更换启闭设施，完善消力设施。
6、大坝无观测设施。
7、上坝防汛道路破坏严重。


第2章      水文
2.1流域概况
孔头沟水库位于龙尾沟上游的张庄沟上，张庄沟发源于岐山县境内东北部，为渭河水系漆水河的二级支流，坝址以上控制流域面积13.9K㎡,主河道长10km，河道平均比降35‰。流域为渭北山前洪积扇裙，植被较差，水土流失严重。
2.2水文及气象
张庄沟流域地属暖温带半干旱半湿润气候，冬春寒冷干燥少雨；夏季炎热常伴有暴雨或伏旱天气，秋季阴雨连绵，凉爽湿润，一般春夏多东南风，秋后多西北风。据岐山县气象站实测资料统计分析，多年平均气温12.3℃，极端最高气温42.7℃,极端最低气温-21.7℃，多年平均风速1.7m/s，最大风速14.3 m/s；多年平均降雨量630mm，多年平均蒸发量936mm，降水年际变化较大，年内分配极不均匀，多集中在七、八、九三个月，尤其是八月分，往往形成比较大的暴雨，暴雨过程历时短，强度大，容易形成洪水。
流域内地面径流主要为雨水补给，季节性差异悬殊，年内分配极不均匀，洪枯流量相差很大，遇大旱及少雨时节，有时有断流现象，遇暴雨时，常因暴雨产生洪水，流量较大，洪水陡涨陡落，历时短，含沙量大。
2.3水文基本资料
张庄沟流域内无实测的水文及雨量资料，但其干流漆水河设有安头水文站，该站位于永寿县店头镇好峙河村，控制流域面积1007K㎡，有1971~2000年共30年的水文观测资料。













第3章  工程地质
3.1 区域地质概况
3.1.1地形地貌
工程区位于关中盆地的西北部，北山山前断裂带南侧，地貌单元属山前黄土台塬。水库建于渭河水系漆水河二级支流龙尾沟上游的张庄沟上，张庄沟近南北向发育，总地形北高南低。地层为第四系松散堆积层，岩性为Q4al、Q3eol、Q2eol+pl壤土、黄土、古土壤、黄土状壤土等。
地下水为第四系孔隙潜水，地下水位埋深30～50m，河水补给地下水，地下水位季节性变幅为5～10m。
3.1.2地层岩性
区内第四系地层为：全新统（Q4）和上更新统（Q3）以及中更新统风洪积物、冲积物（Q2）。
3.1.3地质构造及地震
工程区位于祁吕贺“山”字型构造体系与陇西构造体系的复合部位；根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）标准，工程区地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期为0.45s，相应的地震烈度为Ⅶ度。工程区地处黄土塬区前缘地带，基底断裂构造离工程较远，构造单元属基本稳定的地块。
3.2水库区工程地质条件及评价
3.2.1库区地质概况
库区属黄土塬区，河谷两岸塬面高程678～682m，沟底高程630～633m，一般切割深度45～49m，主沟道长约10km。河谷底宽度40～47m，两岸塬边小冲沟发育，植被较差。
库岸岸坡多形成黄土陡坎，岸坡坡脚堆积有崩、坡积壤土，厚3～6m。
3.2.2水库渗漏
库区两岸地形封闭，塬面宽阔，近坝地段无平行冲沟发育，两岸均为黄土及黄土状土夹多层古土壤，不存在邻谷渗漏问题。坝基已清除了Q4al+pl壤土，水库经35年来的淤积，坝基下已不存在渗漏问题。左、右坝肩由于施工时没有设计结合槽，坝肩一直存在渗漏问题，勘察期库水位较低，未能测得实际渗漏量，需要进行工程处理。
3.2.3水库塌岸
库区两岸为黄土边坡，地层上部为马兰黄土和一层古土壤（Q3eol），下部为离石组黄土状壤土夹数层古土壤层（Q2eol+pl）。根据实际调查库区两岸边坡为35～50°，经过水库多年运行，两岸边坡已趋于稳定，在正常蓄水位长时间运行时，可能出现边坡零星的小范围塌落，岸边没有村庄及房屋，危害损失较小。
3.2.4水库淤积
建坝时河床高程631.68m，水库运行以来，多年平均来沙量0.48万m³，淤积总量16.32万m³，淤积厚度17.47m，淤积面高程约649.15m。
3.2.5水库淹没和浸没
水库大坝修建于黄土塬沟谷内，两岸塬面较高，地下水位埋藏较深，库岸附近无大的平台和居民点，多为第四系斜坡与黄土陡坎，蓄水后淹没损失小，不存在浸没问题。



















第4章   除险加固的任务和规模
4.1 本次除险加固工程的任务
根据宝鸡市水利局《孔头沟水库大坝安全鉴定报告书》的结论和建议，结合冯家山水库管理局对本次孔头沟水库除险加固工程设计委托书的要求：确定本次该水库除险加固工程的具体任务如下：
1、复核水库的洪水与水文成果，改造泄洪设施;
2、整修坝坡,修复改造排水沟及下游排水棱体,对坝体裂缝采取工程措施;
3、更新放水洞起闭设备；
4、对下游坝坡陪厚,满足抗滑稳定要求；
5、改造防汛道路,增建坝顶渠道防汛车辆交通桥,完善供电、通讯设施；
6、健全大坝观测设施；
7、维修放水卧管及涵洞；
8、改善管理办公设施，购置观测仪器。
4.2 除险加固工程的规模
本工程属除险加固工程，基本维持原水库规模不变，本次设计仍采用原设计正常蓄水位668.0m，只对水库大坝存在的病险情况进行针对性处理。
孔头沟水库是一座以灌溉为主，兼顾防洪、养殖等任务的小（一）型水利工程。该水库的主要功能是调节冯家山水库灌区水量，在非灌溉季节引水入库，在下游农田需水时抽水还渠。水库的径流补给除天然径流外主要依靠冯家山水库北干渠输水，故本次除险加固工程设计中，不进行径流调节计算。
第5章  除险加固工程设计

5.1  设计依据及建筑物级别
5.1.1  设计依据和基本资料
1、孔头沟水库原设计文件、三查三定资料；
2、孔头沟水库《大坝安全论证总报告》、《洪水标准及防洪安全复核报告》、《坝体稳定分析报告》、《土工试验报告》、《水库大坝运行管理情况报告》、《大坝运行管理及现场安全检查情况总结报告》；
3、宝鸡市水利局《孔头沟水库大坝安全鉴定报告书》；
4、有关的规范、规程等。
5、工程等别及建筑物级别
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000），孔头沟水库为小（一）型Ⅳ等工程，主要建筑物为4级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级。
5.2  除险加固工程项目
1、大坝加固设计；
2、坝顶输水渠道加固设计水库进水渠道、放水洞及闸室、闸门改造及机电设备修复；
3、两坝肩帷幕及充填灌浆；
4、建立健全大坝安全监测系统，增设流域内水情自动化观测设施；
5、防汛道路改造设计；
6、水库枢纽输电线路改造；
7、修建管理设施；
5.3 大坝加固设计
5.3.1 坝顶高程复核
5.3.1.1 计算工况及公式
依据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）第5.3.3条之规定，坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应按以下运用条件计算，取其最大值：
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；
4、正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高,再加地震安全加高。
地震安全加高，包括地震沉陷和地震壅浪高度。孔头沟水库坝区地震设防烈度为Ⅶ度，按《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-1997），地震安全加高取1.0米。
依据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）第5.3.1条之规定，坝顶超高按下式计算：

式中： y — 坝顶超高，m；
       R — 最大波浪在坝坡上的爬高，m；
       e — 最大风壅水面高度，m；
       A — 安全加高，m；正常情况取0.5m，非常情况取0.3m。
5.3.1.2 参数确定
1、风速及库内水深
库区内多年平均最大风速为14.3m/s，复核时依据规范选用的风速如下：
正常运用条件下，采用多年平均最大风速的1.5倍，即：W=21.5m/s；
非常运用条件下，采用多年平均最大风速值，即：W=14.3m/s。
库内平均水深Hm=23m，最大吹程（风区长度）D=1000m。
风浪要素计算
采用莆田试验站公式进行计算：



式中： hm — 平均波高，m；
       Tm — 平均波浪周期，s；
       Lm — 平均波长，m；
       W — 计算风速，m/s；
       D — 风区长度，m；
       Hm — 库内平均水深，m。
由上式可算得风浪要素如下：
正常运用条件下：hm =0.33m，Lm =10.14m；
非常运用条件下：hm =0.21m，Lm =6.41m。
5.3.1.3 坝顶超高计算
⑴ 风浪爬高计算
选用莆田试验站公式

式中： Rm — 平均波浪爬高，m；
       KΔ — 斜坡的糙率渗透性系数，取0.8；
       KW — 经验系数，取1.02；
       m — 斜坡的坡度系数，m=2.0；
其余符号同前。
计算得出平均波浪爬高值为：正常运用条件下， Rm=0.67m；非常运用条件下，Rm=0.42m。
本坝体属Ⅳ级建筑物，由《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）第A.1.11条得知，设计波浪爬高R值应取累积概率为P=5%的爬高值R5%，按《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）第A.1.13条查得：

由上式计算得出：正常运用条件下，最大波浪爬高值R=1.23m；非常运用条件下，最大波浪爬高值R=0.78m。
⑵ 风壅水面高度计算
风壅水面高度可按下式计算：

式中： e — 计算点处的风壅水面高度，m；
       K — 综合摩阻系数，其值取3.6×10-6；
      β — 风向与坝轴线法线的夹角，这里取β＝0°；
其余符号同前。
用上式计算得出：正常运用条件下，风壅水面高度e=0.004m；非常运用条件下，风壅水面高度e=0.002m。
⑶ 坝顶超高
水库静水位以上的坝顶超高按下式计算：

式中： y — 坝顶超高，m；
       A — 安全加高，m；正常情况取0.5m，非常情况取0.3m。
其余符号同前。
计算得出：正常运用条件下，坝顶超高y=1.734m；
非常运用条件下，坝顶超高y =1.082m。

5.3.1.4 坝顶高程复核
由表5-1的计算结果可以看出，在“校核洪水位+非常运用条件” 工况下所计算的坝顶高程674.722m起控制作用，这一结果低于现状坝顶1.15m，在校核洪水+非常运用条件下，防洪安全是有保障的，也符合规范要求。
  表5-1                          坝顶超高复核计算表
运用工况
计算项目                 设计洪水位+
正常运用条件        正常蓄水位+
正常运用条件        校核洪水位+
非常运用条件        正常蓄水位+非常运用
条件+地震安全加高
波浪爬高     R (m)        1.23        1.23        0.78        0.78
风壅水面高度 e (m)        0.004        0.004        0.002        0.002
安全加高     A (m)        0.5        0.5        0.3        0.3
地震安全加高  (m)                                1.0
坝顶超高     y (m)        1.734        1.734        1.082        2.082
水库静水位    (m)        669.25        668.00        673.64        668.00
计算坝顶高程  (m)        670.984        669.734        674.722        670.082
实际坝顶高程  (m)        675.88
是否满足规范要求        满足        满足        满足        满足

5.3.2 大坝稳定计算
5.3.2.1渗流计算分析

进行渗流计算是为了确定设计情况下的坝体浸润线及等势线，计算渗漏量，渗透比降，判断其渗透稳定性，确定坝体自由水面位置，进行坝坡稳定分析。
㈠ 计算工况
依据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）第8.1.2条的规定，渗流计算应包括以下水位组合的情况：
⑴上游正常蓄水位668.00m与下游相应的最低水位；
⑵上游设计洪水位669.25m与下游相应的水位；
⑶上游.00m与下校核洪水位674游相应的水位；
⑷水库由正常蓄水位668.00m降落（放水洞全开）至死水位648.00 m时，上游坝坡稳定最不利的情况。
因孔头沟水库洪水历时很短，水库在校核洪水位和设计洪水位情况下均不能形成稳定渗流，故只计算⑴和⑷两种工况。坝顶北干渠于2005年重新改造完毕，因此渗流计算中不考虑渠道渗漏问题。
㈡ 计算断面
根据《孔头沟水库大坝安全现场检查报告》，水库大坝无严重变形和突变现象，故本次计算考虑到工程安全，选择最大断面进行渗流稳定计算。详见图5-1。
㈢ 渗透参数选择
①由《冯家山灌区孔头沟水库除险加固工程地质勘察报告（初步设计阶段）》提供的各土层渗透系数详见表5-2。
  表5-2                          各土层渗透系数
      指 标
土层名称              水平渗透系数        垂直渗透系数        备     注
        cm/s        cm/s       
坝体填筑土        1.28×10-5        1.23×10-5        平均值。
        1.55×10-5        1.67×10-5        大值平均值。
        8.31×10-6        8.00×10-6        小值平均值。
        1.55×10-5        8.00×10-6        报告建议值。
坝基土        8.49×10-6        9.28×10-6        平均值。
        8.49×10-6        9.28×10-6        报告建议值。
加坝土料        2.34×10-6        5.73×10-6        平均值。
        5.00×10-6        2.80×10-6        报告建议值。

②《冯家山灌区孔头沟水库除险加固工程地质勘察报告（初步设计阶段）》提供的2008年3月15日实测孔头沟水库坝体浸润线成果见图5-2。
㈣ 计算方法
首先，采用南京水利科学研究院编程的《土石坝二向稳定渗流计算程序DQB》拟合实测浸润线。浸润线的拟合结果，详见图5-2。在DQB中各土层渗透系数的取值情况，详见表5-3。
  表5-3                       DQB中各土层渗透系数
      指 标
土层名称              水平渗透系数        垂直渗透系数        备     注
        cm/s        cm/s       
坝体填筑土        7.72×10-5        7.36×10-5        拟合值。
坝基土        1.85×10-6        1.70×10-6        拟合值。
坝前淤积层        7.13×10-4        7.10×10-4        经验值。
排水褥垫        0.1        0.1        经验值。
排水棱体        1.0        1.0        经验值。
   
再用拟合浸润线的各土层渗透系数，推算上游正常蓄水位668.00m与下游相应的最低水位工况下的坝体稳定渗流。其浸润线及等势线见图5-3。
㈤ 计算成果及分析
①        坝体允许渗透比降的确定
根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）附录M中关于土的渗透变形判别的规定，大坝可能会发生流土破坏。
该规范规定，流土破坏的临界水力比降 按下式计算：

式中： — 土的颗粒密度与水的密度之比。按土工试验报告取2.70；
    — 土的孔隙率。按土工试验报告取0.432。
经计算， 。
为了保证建筑物的安全，要求坝体渗透出逸比降应小于坝体材料的允许渗透比降，允许渗透比降可按下式计算：

式中： — 安全系数，这里取K=2.0。
经计算， 。












图5-1  孔头沟水库坝体横断面












图5-2  实测浸润线和用DQB软件拟合情况







图5-3  正常蓄水位668.00m与下游相应最低水位工况下的坝体浸润线及等势线

②        计算成果及分析
在水库正常蓄水位668.00m与下游相应最低水位时，采用DQB软件计算坝体稳定渗流。其计算结果见表5-4。
  表5-4                      坝体渗透比降及渗透流量
土层名称        出逸比降        允许渗透比降        单宽渗流量  

坝体填筑土        0.27        0.48        0.716

从计算结果看，坝体不会产生渗透破坏，且坝体渗流是稳定的。但是，浸润线出逸点高出了排水棱体，从背水坡上出逸，且浸润线高，对坝体稳定极为不利，应增加贴坡式排水等工程措施加以解决。
5.3.2.2坝坡稳定分析
㈠ 计算工况
依据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）第8.3.1条的规定，本次坝坡稳定计算包括以下三种工况：
⑴稳定渗流期的上、下游坝坡；
⑵水库水位降落期的上游坝坡；
⑶正常运用遇地震的上、下游坝坡。
㈡ 计算断面
计算断面和渗流稳定分析的断面相同，即大坝最大断面。
㈢ 计算方法
依据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）中规定的简化毕肖普法。具体用北京水科院编程的《土质边坡稳定分析程序STAB》计算。
㈣ 抗震等级
根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）标准，本工程抗震设防烈度为7度。地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期为0.45s。
㈤ 物理力学指标
计算中各层土料的物理力学指标，根据地勘报告成果选用。具体物理力学指标见表5-5。
  表5-5                  计算中采用的土料物理力学参数
      指标

土层名称        湿密度        饱和密度        抗剪强度
                        总应力        有效应力
        (g/cm³)        (g/cm³)        C (kPa)        φ (º)        C′(kPa)        φ′(º)
坝体填筑土        1.85        1.96        28.4        18.6        23.1        25.3
坝前淤积层        1.50        1.50                        5.0        15.0
坝基土        1.88        1.95                        28.0        23.0
排水褥垫        2.00        2.10                        0        34.0
排水棱体        2.00        2.10                        0        34.0
加坝土料        1.98        2.00        28.3        18.0        23.1        25.8

㈥ 计算及分析
计算成果见表5-6和图5-4、图5-5、图5-6、图5-7、图5-8。
  表5-6                     坝体稳定计算安全系数成果表
计    算    工    况        STAB软件计算结果        规范要求最小值
        上游坝坡        下游坝坡       
⑴ 稳定渗流期的上、下游坝坡        2.43        1.08        1.25
⑵ 水库水位降落期的上游坝坡        1.16                1.15
⑶ 正常运用遇地震的上、下游坝坡        2.16 (1.99)        0.98 (0.90)        1.10
说明：括号内的安全系数，是按设计地震烈度为8度，地震动峰值加速度为0.20g时的计算结果。

从表5-6的计算结果可以看出，上游坝坡在各种工况下的最小安全系数均满足规范要求；而下游坝坡的最小安全系数均不满足。因此，下游坝脚应加固培厚，增加抗滑稳定安全系数。
坝体加固后的稳定计算成果见表5-7和图5-9、图5-10。

  表5-7               坝体加固后的稳定计算安全系数成果表
计    算    工    况        STAB软件计算结果        规范要求最小值
        加固前        加固后       
⑴ 稳定渗流期的下游坝坡        1.08        1.254        1.25
⑶ 正常运用遇地震的下游坝坡        0.98 (0.90)        1.158(1.065)        1.10
说明：括号内的安全系数，是按设计地震烈度为8度，地震动峰值加速度为0.20g时的计算结果。


图5-4  正常蓄水位668.00m时，上游坝坡稳定计算简图

图5-5  正常蓄水位668.00m时，下游坝坡稳定计算简图

图5-6  正常运用遇地震时，上游坝坡稳定计算简图

图5-7  正常运用遇地震时，下游坝坡稳定计算简图








图5-8  库水位自正常蓄水位降落至死水位时，上游坝坡稳定计算简图














图5-9  坝体加固后，稳定渗流期的下游坝坡稳定计算简图












图5-10  坝体加固后，正常运用遇地震的下游坝坡稳定计算简图






5.3.3大坝加固设计
5.3.3.1上游坝坡

上游坝坡抗滑稳定满足规范要求。原上游坝坡设有30cm厚干砌石护坡，经多年运行，局部已发生不均匀沉降，导致现在坝体上游坡凹凸不平，干砌石护坡残缺不全，局部亦有风化，也未设反滤层和防渗膜。本次设计对高程647.50m以上的坝坡先拆除原干砌石护坡，整修后依次铺设土工布和20cm厚砂砾石反滤层，然后重新铺设30cm厚干砌石护坡。

5.3.3.2下游坝坡

下游坝坡抗滑稳定不符合规范要求，需进行培厚处理，总的设计原则是在稳定计算最危险滑坡体的前缘加重压坡，由原来的陡坡改为缓坡，以增加抗滑力，满足稳定要求。设计中采用多个培厚方案，进行稳定计算，最终选用了既满足新规范规定的安全系数要求，又是工程量最小的方案。选用的加固工程方案如下：
把高程655.88m的戗台由1.5m加宽至7.75m，以1:2.75的坡一直到645.88m高程，在645.88m高程处设宽3m的戗台，以下按1:3.0的坡一直到637.68m。在坝脚加高原有棱柱体排水，由原来的3m加高至6m，即由634.68m高程加高至637.68m高程。沿排水体外侧修建一条浆砌石排水渠，使坝体渗流能顺利通过坝脚棱柱体排出并汇集大坝背水坡纵横向排水沟水流，导入下游左岸主河槽，根据下游地形，对下游河道因势利导，进行疏浚处理，使下游河道流水畅通。
拆除、清理大坝背水坡原纵横向排水沟及下游排水渠损坏处，并按设计砌筑新的排水沟及排水渠。大坝背水坡设纵向浆砌石排水沟，尺寸为40×40cm，设横向排水沟，尺寸为30×30cm，纵、横向岸排水渠相互衔接，汇入下游排水渠。对左岸村庄的排放污水，适当导入排水渠，以防冲蚀坝体。
下游坝坡先清理表面腐土层（厚0.5m以上），然后按规范要求填土夯实，并植以草皮，本次改造为砼花格内植草皮。
大坝坝顶每隔30m处设置路灯，共设8座。
5.4  灌浆工程
根据大坝安全鉴定报告书和现场勘察，该水库大坝坝体带病运行，两坝肩存在渗漏问题。本次坝体加固灌浆拟采用帷幕及充填方式。灌浆幕线总长73米，桩号分别为0+029～0+071、0+114～0+140（由坝左至坝右）。沿大坝轴线方向布置双排灌浆孔，孔距2米，最大孔深24米，排距由试验确定，采用3:7的水泥粘土浆液，灌浆总进尺1898米。
根据地质勘察报告，由于该坝坝体填筑质量（填土干密度抽样21组，其中，14组小于1.65g/cm3）不符合设计要求，因此，在坝体迎水坡处理时暂按铺设土工布考虑。





































第6章  施工组织和工程设计
6.1主体工程施工
6.1.1 两坝肩加固灌浆
两坝肩和坝体加固灌浆采用100型电动钻机进行施工，按设计孔位和灌浆压力实施。灌浆用土料在上坝土料场取土。
6.1.2 大坝加固工程
6.1.2.1 大坝上游坡整修
在汛前完成。拆除原坝坡干砌石，清理坝坡杂草，拆除的块石可就地堆放，以备重新利用。
6.1.2.2 大坝下游坡加固
大坝下游坡培厚采用机械、人工相配合的方法进行。
大坝培厚前采用人工或机械清坡，去除表面草皮，腐植土。背水坡下游棱柱体排水体施工前，先清除淤泥，淤泥清理采用推土机、挖掘机机械清理，人工铺设反滤体。
大坝培厚在清表基础上，将背水坡错成1m台阶进行大坝回填。填筑施工前通过试验确定土料压实系数和土料天然含水量，当天然含水量超过规定时，采用凉晒或掺入干土方法降低含水量。回填土方采用挖掘机挖装， 5T自卸汽车运输，120TY推土机摊铺，16T拖式静力碾碾压，局部死角采用人工电夯夯实。

6.1.3 进水道改建
将原进水道浆砌石拆除掉，对淘刷部位进行回填夯实，并进行修整，然后浇筑砼。砼浇筑采用人工浇筑，机械震捣。对进水道闸门和启闭机进行更换。
6.1.4 放水卧管
对放水卧管口进行修整，并按修整好的口径预制砼堵头；出口开挖消力池，并用浆砌砌筑消力池。
6.1.5 放水洞
更换闸门及启闭机，配电设施，出口新修消力池，闸房屋面防渗处理。
6.1.6、大坝观测系统
坝体观测设施包括坝体变形观测墩和坝体水位观测管，在坝体加固施工完成后进行施工；变形观测墩共四排，上游坡一排，坝顶一排，下游坡二排；水位观测管在大坝最大横断面设一排4孔。坝后量水堰一座。
6.1.7 防汛道路
从孔头沟大坝左岸至孔头沟水库大坝左岸新修防汛道路2000m，采用人工和机械结合的施工方法进行施工。路基和路面应符合有关公路施工规范。
6.1．8 输电线路改造
在施工准备阶段就进行输电线路施工，以方便主体施工时的用电。
6.1．9管理设施改造
管理设施施工与主体工程施工不发生交叉，可在工程开工后即行施工，房屋主体完成后，等内外抹灰干后，再刷 涂料。
6.2 施工总体布置
孔头沟水库除险加固工程的施工集中在坝址区，且加固工程量小，工期短，而可以用的施工场地较多，故本工程可因地制宜，尽量利用现有设施和场地来进行施工布置（见平面布置图）。
6.3施工进度
工程所在地气候温和，月均有效施工天数按25天计，以机械施工为主，人工为辅，根据本工程的施工特点及实际情况，统筹安排各施工项目的强度，确定本工程工期为12个月，其中施工准备1个月，主体工程施工工期10个月，清理场地准备验收1个月（见进度横道图）。
冯家山水库灌区孔头沟水库除险加固工程计划进度横道图

         时间  
内容        二  〇  〇  九  年
        一月        二月        三月        四月        五月        六月        七月        八月        九月        十月        十一月        十二月
施工准备
                                                                                       
大坝上游坡整修               
                                                                       
大坝下游坡培厚               
                                                                       
大坝观测设施改建                                               
                                       
放水洞闸门及启闭机改造、放水洞加固               
                                                                       
进水道 及进水闸和启闭改造                       
                                                               
放水卧管改造                       
                                                               
大坝加固灌浆                       
                                                               
防汛道路改造                       
                                                               
输电线路改造
                                                                                       
管理设施改造                       
                                                               

第7章  环境保护设计
7.1 环境现状
孔头沟水库建成运行35年来，为当地的灌溉用水提供了可靠的水源保证，促进了当地农业生产和经济，改善了局部小范围水环境，对水库下游起到了防洪保安作用，综合效益显著。

7.2 环境影响

孔头沟水库除险加固工程的修建，对区内环境将产生以下影响：
（1）有利影响：除险加固工程的修建，解除了高水位运行的后顾之忧，相对可加大库区水面面积，增加库容，可起到适当改善库区小气候的作用，对库区和库边的植物生长繁衍起到促进作用，同时，有利于库周林业、养殖业的发展，对当地的经济发展起到推动作用，必将提高周围人民的生活质量。
（2）不利影响：除险加固工程实施时，由于施工干扰，对上游的交通，以及灌区的灌溉造成一定的影响，但该影响是暂时的。另外，施工中的废气、废渣、废水也将对环境产生临时影响，但通过适当的保护措施，可将其降低到最低程度。

















第8章 工程管理
8.1  管理机构现状
   孔头沟水库工程已建成近30年，与孔头沟水库管理机构合并一处，水库管理处具体负责水库工程设施的维护、运行、观测和管理工作。目前的管理机构不符合《水利工程单位编制人员施行标准》（SLJ705—81）的要求。难以满足工程管理、技术观测、机电操作、后勤财务管理的人员编制要求。根据管理任务和国家有关人员编制标准，孔头沟水库需要12名工作人员。
8.2  管理范围与任务
工程加固后管理范围不变，在此范围内严禁外单位进行开山等生产性活动，并在管理范围内树立明显的标志，枢纽区的各种交通运输、供电、用电设施为管理单位所拥有。
在工程的保护范围内，外单位进行生产性活动需要报请管理单位批准，以防污染水源，影响水利设施正常运行。
管理单位的任务是：确保工程安全，充分发挥工程效益，开展综合经营，不断提高管理水平。
主要工作内容是：
㈠、贯彻执行有关方针、政策和上级部门的指示，制定、完善工程管理办法及有关规定；
㈡、分析掌握本工程设计、施工和管理运行资料，改进工作，建立健全各项档案，编写大事记；
㈢、定期进行检查、观测、维护、修理，随时掌握工程动态，消除工程隐患；
㈣、做好水文、气象预报，掌握雨情水情，做好工程的调度运行和工程防汛工作；
㈤、因地制宜地利用水土资源，搞好库区绿化及水土保持；
㈥、加强宣传教育，发动群众共同管好水利工程。

第9章 工程概算
9.1  工程概算
工程总投资580.96万元。其中建筑工程383.19万元、机电设备及安装工程31.52万元、金属结构及安装工程3.68万元、临时工程32.65万元、费用102.26万元、预备费27.66万元（详见工程概算书）




















第10章 经济评价
10.1国民经济评价
10.1.1费用估算
本项目的费用包括工程的固定资产投资、流动资金和年运行费。
a）固定资产投资：
依据《水利建设项目经济评价规范》（SL72—94）中附录E，“水利建设项目国民经济评价投资简化调整办法”对工程投资进行调整计算。该工程静态总投资为580.96万元，调整后固定资产投资为553.29万元。
b)流动资金
流动资金包括维持正常运行所需购置材料、备品备件和支付给职工工资等周转资金，本工程为除险加固工程，不是新建工程，不计流动资金。
c)年运行费
工程的年运行费应包括项目初期和正常运行期每年所需支出的全部运行费用。见表10-1。
工程年运行费用表
表10—1
序号        名      称        费率        金额
1        工资及福利费        5人×1.5万元/人.年        7.5
2        材料费和燃料动力费                3
3        维护修理费        固定资产投资的1.0%计列        5.53
4        其他费用        ∑（1~3）的10%        1.60
        合计        　        17.63

经分析计算，本项目年运行费用17.63万元。

10.1.2 效益估算
a) 灌溉效益
除险加固是病危水库正常运行、充分发挥其效益的前提条件。近年来，由于入库水量减少，渗漏严重，水库水位逐年下降，个别年份几乎形成空库，直接影响了3350亩耕地的抗旱灌溉，水库正常效益难以发挥。而且水库一旦失事，冯家山灌区40万亩农田将无法灌溉。除险加固后，大坝渗漏减小，蓄水量增大，灌区农业生产用水得到保证，为灌区农业结构调整起到促进作用，特别是灌区辣椒、水果等作物种植面积逐年增加，目前已发展到1250亩，粮食作物可由过去的300kg/亩增加到500kg/亩。根据调查灌区粮食作物灌前灌后平均增加产值240元/亩，经济作物灌前灌后平均增加产值620元/亩，灌溉效益分摊效益取0.4，则年平均效益为51.16万元。
（3350-1250）亩*240元/亩*0.4+1250亩*620元/亩*0.4＝201600+310000＝511600元
b) 水产养殖效益
除险加固后，蓄水量增加，每亩水面可增加250kg鱼虾等水产品，养殖面积可由220亩增加到270亩，鱼虾平均售价按4元/kg计算，水产养殖效益按260亩计算，则养殖效益为26万元，即260*250*4＝260000元。
c) 防洪效益
孔头沟水库承担着西宝公路北线道路及众多村庄的防洪任务，水库一旦失事，会造成8个村庄1.8万人的生命财产安全，还将会冲毁2.5万亩农田西宝北线公路被迫中断等，由于这部分防洪效益难以量化，按重置费用考虑暂定为35万元。

10.1.3回收固定资产余值

该工程实施运行40年以后，根据工程管理状况预测，按固定资产投资的10%计算，为55.3万元，并计入工程效益中。

10.1.4国民经济评价
10.1.5.1评价指标
根据上述费用与效益计算成果，并根据《评价规范》的有关规定，进行国民经济评价指标分析计算，计算过程见效益费用流量表（表10—2），计算成果见表10—2。

工程国民经济评价指标表
表10—2
序号        项    目        单位        指 标        备注
1        效益现值        万元        826.6
       
2        费用现值        万元        652.29       
3        经济内部收益率EIRR        %        16.24       
4        经济净现值ENPV        万元        174.32
       
5        经济效益费用比EBCR                1.27       

从工程国民经济的评价指标看,其经济内部收益率为16.24%，大于社会折现率12%；经济净现值为174.32万元，大于零；经济效益费用比为1.27，大于1.0，均符合《评价规范》的要求。

10.1.6敏感性分析
由于本工程在经济评价计算中所采用的费用和效益计算值,大部分来自预测和估算,有一定的不准确性,为了分析其对项目经济评价的影响程度,按《评价规范》的要求，对工程的费用增加10%，工程效益减少10%的不利情况进行计算，计算过程见效益费用流量表10—3、表10—4、表10—5、表10—6，其结果见表10—7。
再从工程的敏感性分析成果看，当工程费用增大10%和效益减少10%两项因素变化时，其经济内部收益率在14.5%～16.24%之间变化,经济净现值在91.69—174.322万元之间变化,效益费用比在1.15～1.27之间变化,仍大于1，均符合《评价规范》的规定要求。因此，本工程建设在经济上是合理的，而且具有一定的抗风险能力，并且社会效益显著，建议抓紧建设，早日发挥效益。
工程敏感性分析成果表
表10—7
序号        方   案        经济内部收益率
(%)        经济净现值
(万元)        经济效益费用比
1        基本方案        16.31        175.82        1.27
2        费用增加10%        14.7        110.74        1.15
3        效益减少10%        14.6        93.21        1.19










参考文献
1  吴素华《中国水库大坝安全法规框架研究》[D]; 中国农业大学 2005年
2        白永年 《中国堤坝防渗加固新技术》, 北京:  中国水利水电出版社  2002.1
3        牛运光  试论土石坝除险加固技术》,  杭州:  大坝与安全  1995.6
4        罗强,吕建兵 《压力灌浆加固边坡的设计与施工》;新疆：西部探矿工程2004年02期
5        陈守煜《水库调洪数值－解析解法》[J]  大连： 大连理工大学学报 1996年06期
6        陈守煜《水库调洪数值解法的理论、模式与程序》(TI-58C、58、59)[J]   重庆：重庆交通学院学报;1983年01期
7        黎军锋《病险库大坝加固理论及技术研究》[D];  河海大学  2002年
8        《中小型水库设计（参考材料）》（上） 辽宁省水利勘测设计院编  1975.8
9        《陕西省水利水电工程施工机械台班费定额》  1996年









结束语

终于完成了毕业设计，它标志着两年多的学习即将结束，在毕业设计中得到郑老师的大力支持、帮助，在此深表感谢；在设计中还会存在大量的不足之处，我将会继续努力学习，提高自己的设计能力，最终把所学到的知识运用到社会实践当中去，为冯家山水利建设事业添砖加瓦。



































致   谢
通过这次毕业设计，我基本上掌握了工程设计的基本思路和编制步骤。在设计和论文写作的整个过程中，指导教师郑老师在各方面都给予了指导和帮助。在此我对老师表示由衷的感谢！
在校期间，得到网络教育学院各级领导和老师的亲切关怀和无私的培养，使我学到很多知识。在此我向他们道声：谢谢您们！
另外，互联网上一些朋友和同事也给我完成设计提出了很多宝贵意见和无私的帮助。这对于我以后的学习和工作都有很大的帮助，在此对他们表示由衷的感谢！