PS水库除险加固初步设计.doc

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1、设 计 总 说 明 PS水库位于河北省沙河市境内，属海河流域滏阳河系沙洺河支流。本工程存在的主要问题如下：(1)大坝基础抗滑不满足要求，坝体高水位时渗漏严重。(2)坝顶高程在不满足规范要求。(3)放水洞闸阀损坏。(4)大坝下游无消能防冲设施。 经鉴定大坝属于三类坝。PS水库除险加固设计是根据实际工程进行初步设计，主要内容包括坝体的抗滑稳定计算，坝基应力复合，溢流坝过流能力及消能计算等几个部分。坝体抗滑稳定计算是重力坝设计的一项重要内容，其目的是验算坝体沿坝基面的抗滑稳定安全度，利用公式判别大坝是否满足抗滑稳定要求。经计算得大坝在某些工况下不满足抗滑稳定要求。应力分析的目的是检验坝体在施工和运用

2、期间是否满足强度要求，利用材料力学的方法检验应力是否满足要求。经计算得大坝在某些工况下不满足要求。溢流坝过流能力验算及消能计算依据溢洪道设计规范SL253-2000计算。经计算得满足要求。最后进行除险加固方案设计，使不满足要求的工况满足设计要求，使大坝得到加固。关 键 词：抗滑稳定、应力复合、过流能力及消能计算。General description of designPS reservoir in Hebei province Shahe city within the boundaries, the Haihe River Valley of Minghe River tributary

3、of Fuyang River sand.The engineering problems as follows (1)The dam foundation against sliding of dam does not meet the requirements, the serious leakage of high water level. (2) The crest elevation does not meet the requirements of the code in the standard. (3) The discharge valve damage. (4)The da

4、m downstream energy dissipation facilities. The identification of the dam belongs to the three kind of dam. PS reservoir reinforcement design is according to the actual project preliminary design, the main contents include the calculation of stability against sliding of dam, dam foundation stress co

5、mposite, spillway discharge capacity and energy dissipation and other parts. Calculation on stability against sliding of gravity dam is an important issue in the design, its purpose is to check dam along the interface between dam and foundation stability against sliding of dam safety, using the form

6、ula for judging whether meet the requirements of stability against sliding.The calculation of dam in some cases do not meet the requirements of stability against sliding. Stress analysis to test the dam in construction and using period whether meet the strength requirements, use of material mechanic

7、s method testing stress whether meet the requirements.The calculation of dam in some cases do not meet the requirements. Spillway flow capacity calculation and energy dissipation calculation based on design code for Spillway SL253-2000 calculation.Through calculation, to meet the requirements. The f

8、inal project reinforcement design, which does not meet the requirements of operation and meet the design requirements, the dam is strengthened.Key words: anti-sliding stability, stress composite, flow capacity and energy dissipation. 目 录1 综合说明11.1工程概况11.2水文11.2.1流域概况11.2.2 气象11.2.3 水文21.2.4 泥沙21.3工程

9、地质条件2结论及建议：21.4工程除险设计32水库大坝现状情况校核42.1正常蓄水位下的坝体抗滑稳定计算与坝基处应力计算42.1.1主坝抗滑稳定计算与坝基应力计算42.1.2副坝抗滑稳定计算与坝基应力计算82.1.3溢流坝抗滑稳定计算与基应力计算102.2 设计洪水位下的抗滑稳定计算与坝基应力计算122.2.1主坝抗滑稳定计算与坝基应力计算122.2.2副坝抗滑稳定计算与坝基应力计算142.2.3溢流坝抗滑稳定计算与坝基应力计算152.3 校核洪水位下的抗滑稳定计算与坝基应力计算182.3.1主坝抗滑稳定计算与坝基应力计算182.3.2副坝抗滑稳定计算与坝基应力计算202.3.3溢流坝抗滑稳定

10、计算与坝基应力计算222.4地震情况下正常蓄水位时的坝体抗滑稳定计算与坝基处应力计算242.4.1主坝抗滑稳定计算与坝基应力计算242.4.2副坝抗滑稳定计算与坝基应力计算272.4.3溢流坝抗滑稳定计算与基应力计算292.5溢流面过流能力验算312.6消能防冲设计323 除险加固工程设计343.1 大坝防洪复合设计343.1.1大坝防洪加固方案343.1.2坝顶高程计算343.2大坝防渗设343.2.1存在的问题343.2.2防渗方案343.2.3主坝、副坝、溢流坝坝体上游防渗353.2.4坝基防渗353.3主坝加固后抗滑稳定计算与应力复合计算353.3.1正常蓄水时主坝抗滑稳定计算和应力复

11、合363.3.2 设计洪水位时主坝抗滑稳定计算和应力复合383.3.3 校核洪水位时主坝抗滑稳定计算和应力复合403.3.4地震情况下正常蓄水时主坝抗滑稳定计算和应力复合423.4溢流坝加固后抗滑稳定计算与应力复合计算453.4.1正常蓄水位时溢流坝抗滑稳定计算与应力复合463.4.2 设计洪水位时溢流坝抗滑稳定计算和应力复合493.4.3 校核洪水位时溢流坝抗滑稳定计算和应力复合513.4.4地震情况下正常蓄水时溢流坝抗滑稳定计算和应力复合533.5溢流面加固设计563.5.1溢流面加固方案563.5.2溢流坝过流能力验算及消能防冲验算573.6放水洞维修加固573.6.1加固方案设计573

12、.7防浪墙及坝顶设计57外文文摘58谢 辞67参考文献681 综合说明1.1工程概况 PS水库位于河北省沙河市境内，属海河流域滏阳河系沙洺河支流，水库控制流域面积42,总库容61.2万m3，是一座以防洪、灌溉和供人畜饮水的小型水库。水库枢纽主要包括：主坝、副坝、溢流坝和放水洞等建筑物。水库大坝为浆砌石重力坝，主坝最大坝高27.5m，坝顶高程23.5m，坝顶长119m，坝顶宽4.5m，迎水面坝坡直立，背水面坝坡1:0.51,。副坝最大坝高5.5m，坝顶长70m,坝顶宽2.9m。溢流坝在主坝中央，采用克-奥菲真空实用堰，堰面为钢筋混凝土结构，堰顶高程20.5m，堰深3m,宽22m，设计最大泄流量1

13、61.77m3/s,采用挑流鼻坎消能，鼻坎高程9m，挑射角25，反弧半径4m。放水洞位于溢流坝左侧，洞口高程5.1m，出口采用碟阀控制。水库防洪标准为20年一遇设计，200年一遇校核。水库枢纽为五等工程，主要建筑物为5级建筑物。经调洪演算，不同设计标准的洪水位及相应的最大泄流量如下：20年一遇的最高洪水位为21.85m，最大泄量为63.38m3/s；200年一遇的最高洪水位为23.04m，最大泄量为161.77m3/s。2007年6月，华北水利水电勘测设计有限公司完成PS水库大坝安全鉴定，并通过河北省大坝安全管理中心核查，综合评价该水库大坝为三类坝。1.2水文1.2.1流域概况PS水库位于沙河

14、市册井乡，属沙洺河支流。该河流位于沙河市西部，太行山东麓，为季节性河流，除汛期洪水径流较大外，其他月份径流量很小。水库控制流域面积4km2，坝址以上河床平均坡降28。流域地形复杂，地面起伏大，地形坡度较陡。1.2.2 气象工程地处太行山风坡，受太平洋东南季风的影响，降雨偏丰，平均年雨量560mm，年际间变化很大，年最大降雨1088mm；年最小降雨227mm，最大、最小相差近5倍。年雨量在年内分配也很不均匀。多年平均汛期降雨占年雨量的75%以上。多年平均气温13.013.7；年极端最高气温42；年极端最低气温-19.6。冬季受西伯利亚高压大陆性气团控制，风向偏北，强劲西北风盛行，夏季偏南风，春、

15、秋两季风向变化较大，沙河市汛期多年平均最大风速16.7m/s。非汛期多年平均最大风速为15.0m/s，无霜期220240天左右。1.2.3 水文流域范围内无水文气象站分布，水库于1978年开始运行至今，已有三十多年的时间，因水库的管理不够规范，对水位、流量等资料均未按水库管理要求进行观测，故没有实测大洪水资料。1.2.4 泥沙PS水库流域仅为4km2，流域内缺乏泥沙实测资料。通过水库几十年的运行证明：由于该流域面积小，流域内地形、地质、植被等条件较好，入库沙量很少，目前实测泥沙淤积高程仅0.8m。1.3工程地质条件勘察场地属太行山东麓冲低山丘陵地带，勘察揭露之地层除第1层外均为三叠纪岩石，本场

16、区勘察深度范围内，地基土自上而下分为如下2层，现将各土层的工程地质特征分述如下： 1 层 杂填土（ml）：灰褐色，坝体，为块状岩石和水泥砂浆人工堆砌含少量杂质。场区普遍分布，厚度:0.80-11.20m,平均5.30m;层底标高:12.28-22.70m,平均18.20m;层底埋深:0.80-11.20m,平均5.30m。2 层 细砂岩：肉红色，灰白色，微风化，可见较清晰的平行层理，细层厚度不一，细粒砂状结构，主要矿物成分为石英，长石少量，分选好，磨圆度高，胶结好，整个岩石固结紧密坚硬，中厚层状，裂隙发育中等到微小，岩芯长柱状。该层未穿透。结论及建议：(1)按建筑抗震设计规范GB5001120

17、10本场地的抗震设防烈度为7度，本场地为第二组，设计基本地震加速度值为0.10g。(2)库区主要出露地层为细砂岩，不存在库岸失稳，库底渗漏等问题。(3)坝基岩性简单，岩石裂隙发育程度不高，无断层通过，裂隙连通性较差，为弱透水层。坝基不存在渗漏破坏的可能性。 (4)坝基岩土力学性质较好，透水性较弱，不存在渗透破坏的可能性，地基承载力满足。1.4工程除险设计 PS水库运行多年水库发挥了重要的作用，但同时出现了诸多问题，主要有：(1)大坝基础抗滑不满足要求，坝体高水位时渗漏严重。(2)坝顶高程不满足要求。(3)放水洞闸阀损坏，影响水库正常运行。(4)大坝下游无消能防冲设施。根据水库大坝安全鉴定结论和

18、建议，针对工程存在的问题，结合本次设计调整后水库工程特性，对大坝结构进行处理，增加其抗滑稳定性。拟定本次PS水库除险加固的主要内容：(1)大坝防渗设计。(2)大坝结构复合。(3)溢流坝加固设计。(4)放水洞维修加固。(5)防浪墙及坝顶设计。(6)其它工程处理。2水库大坝现状情况校核由AutoCAD计算得到各坝段的单宽体积如下：主坝单宽体积V=325m3副坝单宽体积V=27.5 m3溢流坝单宽体积V=362.8 m3根据砌石坝设计规范SL25-2006查得砌石体容重d=22.0kN/ m3。依次计算得到各坝段的单宽自重如下:主坝单宽自重W=d V=7150kN副坝单宽自重W=d V=605kN溢

19、流坝单宽自重W=d V=7981.6kN2.1正常蓄水位下的坝体抗滑稳定计算与坝基处应力计算 正常蓄水位下上游水位20.5m，下游水位0m。2.1.1主坝抗滑稳定计算与坝基应力计算 荷载计算(1)坝体自重(2)水平静水压力上游水平静水压力P1 (2-1)下游水平静水压力P2 (2-2)(3)坝基处扬压力U图2-1 主坝坝基处扬压力 上游水面至坝基距离H1=24.5m，下游水面至坝基距离H2=4.0m， 坝基长度T=18.5m。 (2-3)(4)泥沙压力Psk (2-4)式中：n 泥沙浮容重，取n =7 KN/ m3hn 计算点以上的淤积高度，取hn =0.8m, n 泥沙内摩擦角，取 n =2

20、5o (5)浪压力Pwk浪高波长按官厅水库公式计算波高和平均波长 (2-5) (2-6) 式中：hb波高（当时，为累计频率为5%的波高；当为累计频率为10%的波高），m；Lm平均波长，m；V0计算最大风速（基本组合可采用重现期50年的最大风速，特殊组合可采用多年最大风速），m/s；有资料可知V0=16.7 m/s。D风区长度，m；可近似取D=1000m。g重力加速度，9.81m/s2。计算得hb =0.56m，Lm =6.49m。浪压力可近似按直墙式挡水建筑物的情况计算单位宽度上的浪压力可按下式计算： (2-7) (2-8) (2-9) 式中：Pwk单位宽度坝面上的浪压力，kN/m；h5%累计

21、频率为5%的波高，m；hz 波浪中心线至计算水位的高度，m；Hcr 使波浪破碎的临界水深，m。经计算得：hz =0.15m Hcr =0.62m Pwk =11.3kN(6)土压力坝底高程-4m，上下游填土高程均为0m,土的粘聚力为0，内摩擦角为25o。上游为主动土压力，下游为被动土压力称为主动土压力系数，计算得0.31称为被动土压力系数，计算得1.61取土的容重=21 kN/ m3主动土压力 (2-10)被动土压力 (2-11)图2-2主坝荷载简图表2-1 作用于主坝的各力和力矩大小方向表荷载垂直力（kN）水平力（kN）力臂(m)力矩（kNm）(+)(-)(+)(-)(+)(-)W71502

22、.34516766.75P129418.1724018.17P278.41.33104.53U1725.20U21858.33.15760.31Psk0.70.270.18Pwk11.324.5276.85Ea52.11.3369.47Ep270.51.33360.5771502583.53005.1348.917231.9530125.4总4566.52656.212893.55 坝体抗滑稳定计算 (2-12)式中：f抗剪强度计算公式中的摩擦系数；作用于坝体上全部荷载（包括扬压力，下同）对滑动平面的法向分值；作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值；依据砌石坝设计规范（SL25-2006）3

23、.2.6规定，在初步设计阶段，砌石体抗滑稳定计算所需的抗剪强度参数，查附录A表A.0.5和附录A表A.0.6。根据地质勘测资料，坝基岩石为坚硬、有微裂隙的岩体，砌石体饱和强度较高，取摩擦系数=0.65。计算=因此在正常蓄水位下，主坝满足抗滑稳定要求。 应力计算根据水工建筑物教材中公式2-25进行坝基截面应力分析。 (2-13) (2-14)式中：用于坝踵垂直应力，kPa；用于坝趾垂直应力，kPa； 用于坝体上全部荷载（包括扬压力，下同）对滑动平面的法向分值； 作用在计算截面以上的全部荷载对坝基截面形心O的力矩总和，kNm； 计算截面沿上下游方向的长度，m。 坝基允许压应力=2.83.0MPa。

24、因0，。未出现拉应力，满足要求。2.1.2副坝抗滑稳定计算与坝基应力计算 荷载计算(1)坝体自重(2)水平静水压力上游水平静水压力P1 下游水平静水压力P2(3)扬压力U图2-3 副坝坝基处扬压力上游水面至坝基距离H=2.5m， 坝基长度T=5.5m。 (4)浪压力 表2-2 作用于副坝的各力和力矩大小及方向表荷载垂直力（kN）水平力（kN）力臂(m)力矩（kNm）(+)(-)(+)(-)(+)(-)W6050.25151.25P130.60.8325.5P20U67.40.9262Pwk11.32.528.2560567.441.9151.25115.75总537.641.935.5 抗滑稳

25、定计算=10.5=1.05 因此在正常蓄水位下，副坝抗滑稳定要求。 应力计算 坝基允许压应力=2.83.0MPa。因0，。上游坝踵处未出现拉应力，满足要求。2.1.3溢流坝抗滑稳定计算与基应力计算 荷载计算(1)坝体自重(2)水平静水压力上游水平静水压力P1 下游水平静水压力P2 (3)坝基处扬压力U图 2-4 溢流坝坝基处扬压力图 (4)泥沙压力 (5)浪压力(6)土压力主动土压力 被动土压力 表2-3 作用于溢流坝的各力及力矩大小和方向表荷载垂直力（kN）水平力（kN）力臂(m)力矩（kNm）(+)(-)(+)(-)(+)(-)W7981.61.239817.37P129418.17240

26、18.17P278.41.33104.53U1725.20U21858.33.15760.31Psk0.70.270.18Pwk11.38.17276.85Ea52.11.3369.47Ep270.51.33360.577981.62583.53005.1348.910282.5730125.4总5398.12656.2-19842.83 坝体抗滑稳定计算= 在正常蓄水位下，溢流坝满足抗滑稳定要求 。 应力计算 坝基允许压应力=2.83.0MPa。，下游坝趾处应力满足要求。 因0 ,上游坝踵处出现拉应力，不满足要求。综上所述，应力不满足要求。2.2 设计洪水位下的抗滑稳定计算与坝基应力计算在设

27、计洪水位下上游水位22.01m，下游水位0.6m。2.2.1主坝抗滑稳定计算与坝基应力计算 荷载计算(1) 坝体自重(2)水平静水压力上游水平静水压力P1 下游水平静水压力P2 (3)基处扬压力U图2-5主坝坝基处扬压力上游水面至坝基距离H1=26.01m，下游水面至坝基距离H2=4.6m， 坝基长度T=18.5m。 (4)泥沙压力(5)浪压力(6)土压力主动土压力 kN 被动土压力 kN 表2-4 作用于主坝上的各力及力矩大小和方向表荷载垂直力（kN）水平力（kN）力臂(m)力矩（kNm）(+)(-)(+)(-)(+)(-)W71502.34516766.75P13274.38.622821

28、3.55P2103.71.53159U1416.990U22357.813.17309.2Psk0.70.270.18Pwk11.324.5276.85Ea52.11.3369.47Ep270.51.33360.5771502774.83338.4374.217286.4235884.49总4375.22964.2-18598.07 坝体抗滑稳定计算= 在设计洪水位下，主坝不满足抗滑稳定要求。 应力计算 坝基允许压应力=2.83.0MPa。，下游坝趾应力满足要求。因0，上游坝踵处出现拉应力，不满足要求。综上所述，应力不满足要求。2.2.2副坝抗滑稳定计算与坝基应力计算 荷载计算(1)坝体自重(

29、2)水平静水压力上游水平静水压力P1 下游水平静水压力P2(3)扬压力U图 2-6 副坝坝基处扬压力上游水面至坝基距离H =3.85m， 坝基长度T=5.5m。(4)浪压力表2-5 作用于副坝的各力和力矩大小及方向表荷载垂直力（kN）水平力（kN）力臂(m)力矩（kNm）(+)(-)(+)(-)(+)(-)W605 0.25151.25P178.801.28100.86P20U108.70.9299.42Pwk11.33.8543.51605108.790.1151.25243.79总496.9383.9-92.54 抗滑稳定计算=3.58=1.05因此在设计洪水位下，副坝抗滑稳定要求。 应力

30、计算坝基允许压应力=2.83.0MPa。因0，。坝踵处未出现拉应力，满足要求。2.2.3溢流坝抗滑稳定计算与坝基应力计算 荷载计算(1)坝体自重(2)水平静水压力上游水平静水压力P1 下游水平静水压力P2(3)基处扬压力U图2-7 溢流坝坝基处扬压力上游水面至坝基距离H1=22.01m，下游水面至坝基距离H2=4.6m， 坝基长度T=18.5m。(4)动水压力 (2-15) (2-16)式中：由水力学教材中公式9.4求下游收缩断面水深 (2-17)查表9.1流速系数计算得由所以动水压力水平分量为动水压力垂直分量为(5) 泥沙压力(6) 浪压力(7) 土压力主动土压力 被动土压力 表2-6 作用

31、于溢流坝的各力及力矩大小和方向表荷载垂直力（kN）水平力（kN）力臂(m)力矩（kNm）(+)(-)(+)(-)(+)(-)W7981.61.239817.37P13303.788.5728313.39P2103.71.53159U1382.950U22357.813.17309.21PH13.813179.4PV51.57.5386.25Psk0.70.270.18Pwk11.325.85292.1Ea52.11.3369.47Ep270.51.33360.678033.12940.763367.8838810516.443637.6总5292.342979.88-2585.16 坝体抗滑稳

32、定计算=在设计洪水位下，溢流坝满足抗滑稳定要求。 应力计算坝基允许压应力=2.83.0MPa。，下游坝趾应力满足要求。因0，上游坝踵处出现拉应力，不满足要求。 综上所述，应力不满足要求。2.3 校核洪水位下的抗滑稳定计算与坝基应力计算在校核洪水位下上游水位23.25m，下游水位1.0m。2.3.1主坝抗滑稳定计算与坝基应力计算 荷载计算(1) 坝体自重(2)水平静水压力上游水平静水压力P1 下游水平静水压力P2(3)基处扬压力U图2-8 主坝坝基处扬压力上游水面至坝基距离H1=27.25m，下游水面至坝基距离H2=5.0m， 坝基长度T=18.5m。(4)泥沙压力(5)浪压力(6)土压力主动土

33、压力 被动土压力 表2-7 作用于主坝的各力及力矩大小和方向表荷载垂直力（kN）水平力（kN）力臂(m)力矩（kNm）(+)(-)(+)(-)(+)(-)W71502.34516766.75P13638.569.0132783.43P2122.51.67204.17U1453.250U22470.213.17657.65Psk0.70.270.18Pwk11.38.17276.85Ea52.11.3369.47Ep270.51.33360.5771502515.463702.6639317331.5940787.58总4634.543309.66-23456.09 坝体抗滑稳定计算=在校核洪水

34、位下，主坝不满足抗滑稳定要求。 应力计算坝基允许压应力=2.83.0MPa。，下游坝趾满足要求。因0，上游坝踵处出现拉应力，不满足要求。 综上所述，应力不满足要求。2.3.2副坝抗滑稳定计算与坝基应力计算 荷载计算(1)坝体自重(2)水平静水压力上游水平静水压力P1 下游水平静水压力P2(3)扬压力U图2-9 副坝坝基处扬压力上游水面至坝基距离H =5.25m， 坝基长度T=5.5m。(4)浪压力表2-8 作用于副坝的各力和力矩大小及方向表荷载垂直力（kN）水平力（kN）力臂(m)力矩（kNm）(+)(-)(+)(-)(+)(-)W6050.25151.25P1135.061.68226.90

35、P20U135.80.92124.95Pwk11.35.0456.95605135.8146.36151.25391.05总469.2146.36-239.65 抗滑稳定计算=2.08=1.0因此在校核洪水位下，副坝满足抗滑稳定要求。 应力计算坝基允许压应力=2.83.0MPa。因0，。 坝踵处未出现拉应力，满足要求。2.3.3溢流坝抗滑稳定计算与坝基应力计算 荷载计算(1)坝体自重(2)水平静水压力上游水平静水压力P1 下游水平静水压力P2(3)基处扬压力U图2-10 溢流坝坝基扬压力上游水面至坝基距离H1=27.25m，下游水面至坝基距离H2=5.0m， 坝基长度T=18.5m。(4)动水

36、压力式中：由水力学教材中公式9.4求下游收缩断面水深查表9.1流速系数计算得由所以动水压力水平分量为动水压力垂直分量为(5) 泥沙压力(6) 浪压力(7) 土压力主动土压力 被动土压力 表2-9 作用于溢流坝的各力和力矩大小及方向表荷载垂直力（kN）水平力（kN）力臂(m)力矩（kNm）(+)(-)(+)(-)(+)(-)W7981.61.239817.37P13601.58.8731945.31P2122.51.67204.17U1453.250U22470.213.17657.65PH35.9513467.35PV134.27.51006.5Psk0.70.270.18Pwk11.325.85292.1Ea52.11.3369.47Ep270.51.33360.678115.82923.463665.6428.9510849.5640971.21总5192.343236.65-30121.65 坝体抗滑稳定计算=在校核洪水位下，溢流坝满足抗滑稳定要求。 应力计算 坝基允许压应力=2.83.0MPa。，因0。上游坝踵处出现拉应力，不满足要求。2.4地震情况下正常蓄水位时的坝体抗滑稳定计算与坝基处应力计算在正常蓄水位下上游水位20.5m，下游水位0m。2.4.1主坝抗滑稳定计算与坝基应力计算 荷载计算(1)坝体自重(2)