2024年2月19日发(作者：)
土石坝出险加固毕业设计计算说明书范文
第一章坝体稳定复核
根据《碾压式土石坝设计规范》（SDJ274-2001）规定，计算方法采用摩根斯顿－普赖斯法。
计算断面选取大坝桩号0+313断面进行计算。水位：正常高水位357.91m，坝后按无水考虑。㈠计算工况
利民山水库库区地震基本烈度为Ⅵ度，根据规范规定，坝体不需进行抗震计算，则计算工况如下：
正常运用情况：
⑴水位在最不利水位（1/3坝高）时，上游坝坡稳定情况；⑵在正常蓄水位下稳定渗流期，下游坝坡稳定情况；非常运用情况I：
⑶库水位发生骤降时，上游坝坡稳定情况；大坝结构稳定分析的有关地质参数见表5-1。
土坝稳定分析岩土特征值设计参数表表5-1
土层名称坝壳风化料坝体粘性土淤泥质壤土坝基砂砾石γ(t/m3)1.881.951.742.09γat(t/m3)2.081.981.802.19φ30，28141430，28C(t/m2)01.51.30㈡稳定分析成果
大坝稳定分析计算中采用北京理正软件设计研究所2001年3月
编写的“边坡稳定设计软件3.0版”进行电算，计算成果见表表5-2。
大坝坝坡抗滑稳定分析计算成果表表5-2
计算条件序号12工况1/3坝高水位、上游坡正常蓄水、下游坡断面K1.4321.259K允1.251.25正常运用情况0+313非常运用情况Ⅰ3正常蓄水骤降、上游坡1.3561.15㈢结论
经对典型断面进行坝坡稳定分析，各工况下坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求，坝坡为稳定状态。
桩号0+313最不利水位迎水坡稳定分析简图
桩号0+313正常水位稳定渗流期背水坡稳定分析简图
桩号0+313水位骤降期迎水坡稳定分析简图
第二章土坝渗流分析
㈠坝体及坝基渗漏量计算
选取大坝桩号0+313m断面进行渗漏量计算。⑴各土层渗透系数
坝壳风化料K=0.864m/d坝体粘性土K=0.00864m/d淤泥质壤土K=0.0432m/d坝基砂砾石K=26.78m/d⑵计算结果
本次采用北京理正软件设计研究所2001年4月编写的“渗流分析软件1.1版”进行计算。经计算，土坝单宽渗漏量q=3.8m3/d，土坝有效渗漏长度取490m，故土坝坝体及坝基年渗漏量Q=3.8某365某490=67.96万m3。
该水库兴利库容295万m3，年渗漏量占水库兴利库容的23%，渗漏量偏大，严重影响了水库的灌溉效益，应进行防渗处理。计算过程如下：
桩号0+313断面渗透流网图
㈡坝肩渗漏量计算
据地质勘察，左坝肩下部花岗岩表层为砂砾状全风化，其下岩体为强风化次块状结构，结构面较发育，主要为陡立张裂隙。钻孔注水试验，岩体透水率较大q=30-400Lu，属强透水带。因而左坝肩存在绕坝渗漏问题。
公式：qH1H222L1L2L32KK2K31
式中：q—单宽渗漏量；H1—上游水深；H2—上游水深；
L1、K1—上游坡积层厚及渗透系数；
L2、K2—上游坡积层厚及渗透系数；L3、K3—上游坡积层厚及渗透系数；
经计算，坝肩平均单宽渗漏量q=1.5m/d·m，坝肩渗漏范围按95m考虑，则左坝肩年渗漏量Q=5.2万m3，渗漏量较大，建议对坝肩进行灌浆处理，处理范围按1.5倍水头考虑至坝轴线桩号0-020处。
㈢渗流稳定分析⑴坝体渗流稳定分析公式：J＝
H1H2L
式中：H1－上游水位（m），H1=357.91m；H2－下游水位（m），H2=348.50m；L－渗径长度（m），L=67m。经计算，J=0.14＜J允＝0.15。
通过计算可知坝体实际渗透比降小于允许渗透比降，故坝体不存在渗透破坏问题。
⑵坝基渗流稳定分析公式：J出逸＝
H1H22T12bK1K2T2T1
式中：H1、H2－坝上、下游水位（m）；
T1、T2－上、下土层厚度（m），T1=1.5m，T2=2m；K1、K2－上、下土层渗透系数，K1=0.056m/d，K2=43.2m/d。2b－坝基宽度，2b=67m。
经计算，J出逸=1.8＞J允=0.8，故坝基存在渗透破坏问题。
第三章工程总体布置及建筑物
3.1工程等别和标准
利民山水库工程等别为Ⅳ等，主要建筑物为4级，次要建筑物为5级。大坝设计防洪标准为30年一遇，校核洪水标准为300年一遇，坝址区地震基本烈度为Ⅵ度。
3.2设计依据
a、《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）；b、《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）；c、《水工设计手册》；
d、《利民山水库大坝安全鉴定综合评价报告》；e、《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303-2004）。3.3主体工程布置
该水库枢纽工程由土坝、泄洪灌溉洞组成。
大坝为粘土均质坝坝长570m，最大坝高12.63m，顶宽4m，坝顶高程360.83m，坝前坡1：3，坝后坡马道以上采用原坝坡，马道以下采用1：2.5，马道高程为356.00。坝前坡设块石护坡，坝后设草皮护坡和排水设施。
新建泄洪灌溉洞位于桩号0+449.4m处，钢筋砼方涵结构。与坝轴线成正交。由进口段、洞身、竖井、出口消力池段组成。
洞身为2孔2.0某2.0m的泄洪洞。洞身全长为63.24m，出口消力池池长为16.0m，池深为1.6m，池底高程为344.78m。海漫段长为30m，接整治尾水渠160m排入天然河道。
灌溉洞布置在泄洪洞两侧，与泄洪洞平行，2孔。右侧灌溉洞一
项目单价方案一方案二方案三备注孔，孔口尺寸为1.0某1.0m；左侧灌溉洞一孔，孔口尺寸为1.0某1.0m。灌溉洞进口底高程为351.39m。
本次除险加固设计，对主体工程进行以下三个方案的比较：方案一：泄洪洞拆除重建，尺寸由原来的两孔2.0某2.0m，扩建为两孔2.5某2.5m，坝顶高程为360.83m，保持现有坝顶高程不变。坝剖面图见图6-1；
方案二：泄洪洞拆除重建，保持原来的尺寸两孔2.0某2.0m，坝顶高程为361.69m。整个坝体进行加高培厚处理。坝剖面图见图6-2；
方案三：泄洪洞拆除重建，保持原来的尺寸两孔2.0某2.0m，设计坝顶高程为361.69m。对现有防浪墙进行维修加固，防浪墙顶高程362.23m，保持现有坝顶高程360.83m不变。坝剖面图见图6-3；
方案比较详见下表6-1：
方案比较表
表6-1
工程量土方开挖土方回填泄洪洞砼坝体填筑料砼防渗墙坝上游护砌坝下游护砌防浪墙维修加闸门启闭机合计11.5120.04359.3424.89154.4496.57元866扇6台总价15.3416.2537.9114.53140.9153.3028.8320.65.4工程量14扇6台376.76总价11.6914.6330.3359.93145.6760.1031.7118.24.5工程量
10808.59102.384476623451298682.086扇6台总价12.4418.2430.3319.07120.053.3028.831.1318.24.5333.07306.04
方案一：该方案投资较大，坝体在原有基础上只进行护坡处理，保证坝体的稳定性；但泄洪灌溉洞尺寸加大，工程量增加，泄流时震动较大。
方案二：泄洪灌溉洞尺寸保持不变，但该方案投资较大，整个坝体进行加高培厚处理后，与原坝体接触处不易处理，易发生坝破脱落现象，且施工困难。
方案三：泄洪灌溉洞尺寸保持不变，利用现有防浪墙，保持现有坝顶高程不变，泄洪洞、灌溉洞并行分建，减少闸门开启时对坝体的震动，且该方案投资较小。
经以上经济、技术及运行管理和合理性比较，选择为设计推荐方案。
f
本次除险加固设计，土坝位置不变，坝顶宽度由3.0m加宽至4.0m，坝轴线保持不变。加固后的大坝坝长570m，坝顶高程360.83m，最大坝高12.63m，坝前坡坡度1:3，干砌块石护砌，后坡在高程356.0处设马道，马道宽1.5m，马道以上坝坡采用原坡度，马道一下采用1:2.5。碎石护坡。坝后坡在桩好0+436.8和0+245设浆砌条石梯道两处，梯道宽2.0米。坝后设一道纵向排水沟和一道中央排水沟。中央排水沟位于大坝轴线桩号0+213.6m处，坝后积水由中央排水沟排入下游河道。
泄洪（输水）洞依据安全鉴定，泄洪洞重建，洞径仍为2孔2.0某2.0m。洞身全长为63.24m，出口消力池长为16.0m，池深为1.6m，池底高程为344.78m。海漫段长为30m，接整治尾水渠160m排入天然河道。
灌溉洞平行布置在泄洪洞的两侧，2孔。右侧灌溉洞一孔，孔口尺寸为1.0某1.0m；左侧灌溉洞一孔，孔口尺寸为1.0某1.0m。灌溉洞进口底高程为351.39m。
第四章土坝
本次土坝除险加固措施有：坝顶砼路面，坝肩设路肩石，坝顶宽由3m加宽到4m，前坝坡干砌块石重新砌筑，后坝坡碎石护坡，坝基进行砼垂直防渗墙处理，左坝肩进行帷幕灌浆处理，坝顶防浪墙的维修加固。
4.2.4上、下游坝坡
除险加固后土坝上游坡为1:3，下游边坡马道以上1:2.5，马道高程356.00m，宽度2.5m，马道以下1:2.5。迎水坡采用块石护砌，护砌厚度25cm，下设20cm卵石垫层，其下设一层无纺布，在高程353.17m处抛石，抛石宽度2m。背水坡采用草皮护坡。
4.2.5护坡块石粒径的选择采用土坝设计手册中公式：a.块石计算直径公式：D=
APma某k1m2m(m2)
式中：D－块石计算直径；Pma某－最大波压力，Pma某1.59K(2h);
k－随坡率变化的系数，k=1.4；γk－块石容重，γk=2.6t/m3；γω－水的容重，γω=1.0t/m3；A－系数，干砌石护坡A=0.64；m－上游坝坡坡率，m=3，
2h－设计波浪高；代入上式：D=0.17mb.采用不规则块石平均块径为
DmD0.850.2m
块石粒径取25cm。c.干砌石的平均重量Q
Q0.525kD3=0.0059t
d.干砌石护坡厚度t
t1.363Qk=0.19
干砌石护坡厚度取25cm。4.2.6梯道
在桩号0+436.8和0+245处设梯道，梯道为条石结构。梯道条石为500mm某400mm某150mm，下设100mm的水泥砂浆。边墙条石为600mm某500mm某250mm，坡脚设浆砌石镇脚。
4.3排水沟设计
为保证坝后排水通畅，桩号0+093~0+375，结合实际地形在下游坝脚设一条282m长的排水沟及一条30.5m长的中央排水沟，排水沟总长312.5m。其中排水管桩号0+093～0+213.6段底坡为1/520，底高程由348.88降至348.65；桩号0+375～0+213.6段底坡为1/1600，底高程由348.75降至348.65；中央排水沟底坡为1/500，底高程由348.65降至348.59。在土坝桩号0+216.3m处设中央排水沟，送入坝
后灌溉渠道。排水沟底宽1m，深1m，边坡1：1.5，排水沟采用干砌石护坡，下设20cm卵石垫层及一层无纺布。
4.4防渗设计
根据渗流分析，坝基必须进行防渗处理，处理范围为0+045～0+375，本次设计拟定如下处理方案：
4.4.1砼垂直防渗墙方案⑴防渗墙厚度的确定
该工程最大水头H=11m，砼抗渗标号选S2，其最大水力梯度Jma某=133，考虑安全系数，设计采用允许水力梯度J允=33，则墙厚度D>11/33=0.33m,根据国内已建成工程的经验及施工机械设备等技术要求，确定防渗墙厚度0.3m。
⑵总体布置
砼垂直防渗墙范围为桩号0+045～0+375m，厚度0.3m，墙底深入全风化岩1.0m，防渗墙顶与抛石平台奇平，高程353.17m。防渗墙中心线呈直线布置。防渗墙施工平台宽8.0m，由风化料和抛石填筑而成。采用两钻一抓法。槽板墙每段长6.6m，先隔段浇筑一期墙，再在两段之间浇筑二期墙，墙体材料采用C5水下砼，可塑粘土泥浆固壁。断面型式见下图。
f
4.4.2坝后压渗方案
坝后压渗工程，它并不能完全截断水流，但可以增加渗透途径，或减小坝基渗流的水力坡降和渗流量至允许的安全值范围以内。具体压渗范围为桩号0+045～0+375之间。
压渗长度及厚度经计算为L=63.65m，取压渗长度为64m，计算厚度为1.67m，取1.7m。采用风化料进行压渗。断面型式见下图。
4.4.3工程方案比较
方案比较表
工程方案总投资（万元）方案优缺点1.既解决渗漏问题，又解决渗稳问题。方案砼垂直防渗墙方案（一）m3。3.一次性投资大。1.只解决渗稳问题，但不能解决渗漏问方案坝后压渗方案（二）89.35题。2.每年少
灌60公顷水田，年损失效益：净收入30万元，产值60万元。3.该方案既不经济又不彻底。120.02.确保水库正常灌溉，经防渗处理后（其防渗效果按80%考虑）。可节省渗漏损失36万根据上述方案比较结果，方案（一）砼垂直防渗墙方案为经济可行的方案，故作为推荐方案。
左坝肩采取帷幕灌浆处理，灌浆范围为桩号0-020～0+075m，灌浆孔为一排，孔距1.5m，总灌浆深度780m。帷幕灌浆在高程359.00一下采用旋喷形成盖板，359.00以上采用砼盖板。
4.5加固后大坝稳定分析4.5.1坝坡稳定分析
由加固前大坝稳定分析可知，大坝上、下游坡均处于稳定状态，大坝加固后，坝顶高程基本维持原坝顶高程，大坝上、下游坡比与原设计相同，故坝坡仍稳定，不再进行计算。
4.5.2渗流分析
大坝除险加固设计中采取塑性砼防渗墙防渗，防渗墙底部入全风化岩1.0m，切断了坝基砂砾石层；左坝肩采取了帷幕灌浆防渗方案。
加固后主要针对大坝坝体及坝肩渗漏量、左坝肩渗漏量和坝基渗流稳定进行复核。选取大坝桩号0+313m断面进行渗漏量计算。
㈠坝体及坝基渗漏量计算⑴各土层渗透系数
坝壳风化料K=0.864m/d坝体粘性土K=0.00864m/d淤泥质壤土K=0.0432m/d坝基砂砾石K=26.78m/d塑性砼防渗墙K=0.00086m/d⑵计算结果
本次采用北京理正软件设计研究所2001年4月编写的“渗流分析软件1.1版”进行计算。经计算，土坝单宽渗漏量q=0.7m3/d，土坝有效渗
漏长度取490m，故土坝坝体及坝基年渗漏量Q=0.7某365某490=12.5万m3，相对于加固前减少了近80%，故防渗效果较好。
桩号0+313断面加固后渗透流网图
㈡坝肩渗漏量计算
除险加固设计中对左坝肩采取帷幕灌浆防渗处理，范围至
0-020m。
经计算，加固后左坝肩单宽渗漏量q=0.5m/d·m，年渗漏量由加固前年渗漏量5.2万m3降至1.7万m3。
㈢坝基渗流稳定分析
加固后的坝基渗流稳定分析采用有限元法，从坝后出逸点比降图可知，坝后最大渗透比降为0.28，小于坝基表层土允许渗透比降0.8，故不会发生渗透破坏。
桩号0+313断面坝后出逸比降图
4.6大坝安全监测
在坝基设置渗漏量观测设施，由于土坝坝基渗漏比较严重，为了解坝基在砼防渗墙处理后的渗漏情况，在坝体沿轴线选择三个剖面0+200、0+350和0+500进行监测，在横断面内由上游坝肩、下游马道处及排水体前缘布置3个测压管。测压管布置坝基砂卵石层上。在
库区内设置一个常规水位观测站进行水位观测，通过设置水位计对坝前水位进行观测。
第五章泄洪灌溉洞设计
根据地形地质条件，泄洪洞位置选择桩号0+449.4m处。5.1泄洪灌溉洞总体布置
新建泄洪灌溉洞位置由桩号0+443.5移至0+449.4处。因原泄洪灌溉洞基础座落在砂砾石层上，存在渗透破坏问题。若在原位置拆除重建，则泄洪灌溉洞基础需回填粘土至设计高程处，考虑新填土有较大的沉降问题，因此将泄洪灌溉洞移至原状粉质壤土层上，即桩号0+449.4处。
泄洪灌溉洞为钢筋混凝土方涵结构，分为进口段、有压段、竖井段、无压段、出口消力池段和海漫段。进口底高程为351.50m。进口为八字墙，长7.5m；后接2孔2.0某2.0m的有压洞，有压洞长11.3m，中墩厚为0.8m；竖井段长7.65m，设平板铸铁闸门和检修闸门各2孔，采用LQ-8T启闭机，共4台。工作闸门后设φ200的通气孔。中墩厚为0.8m。泄洪洞进泄洪洞和灌溉洞在竖井段分开，灌溉洞进口设在竖井左右两侧边墙内，孔口尺寸为1.0某1.0m，灌溉洞进口设1.0某1.0m的铸铁闸门，采用采用LQ-5T启闭机，2台。灌溉洞穿坝体与现有灌溉渠道相接。泄洪洞和灌溉洞共用一个启闭室。泄洪洞无压段长44.29m，2孔，尺寸为2.0某3.0m，洞壁厚为0.4m。底坡0.005。洞基础为粉质壤土层。出口消力池段，泄洪洞无压洞出口与长2.92的渥淇段相接，渥淇段与消力池用坡度为1:2的陡坡段相接，陡坡段
与渥淇段长为14.46m，消力池，池长为16m，消力池深为1.6m，消力池底板高程为344.78m，底板厚0.6m，后接30m海漫段，在海漫段末端设1.5m深防冲槽。
5.2水力计算
（一）、泄洪洞出口水深确定
当闸下出流呈射流状态，在洞内形成壅水曲线。洞出口水深采用一下公式计算：《中小型水库》中册公式（15-10）
iL0h021(1j)(2)(1)
式中：i－涵洞底坡L0－壅水曲线长度h0－正常水深
η1－断面1－1的相对水深（1η2－断面2－2的相对水深（1jh1h0h2h0））
－L段内的动能变化值
某有关的函数
(1)、(2)－与η1、η2及水力指数
经计算，洞出口处最大水深为1.34米，水位352.62米。（二）、泄洪洞消能计算
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）规定，消力池设计标准为二十年一遇。消力池采用底流消能型式，底宽为12m。
1)设计情况：Q=59.27m3/，上游水位为357.66m，下游尾水渠渠底高程为346.38m。
消力池池深、池长计算
d0hchZ'
0.252bhc8q1hc113b2ghc2
hT0h3c2cq222g2'20
Zq2q2gh22c
2ghLjLLjL6.9hchc
式中d－消力池深度
σ0－水跃淹没系数，可采用1.05～1.10
hc－跃后水深(m)
hc－收缩水深(m)
α－水流动能校正系数，可采用1.0～1.05q－过闸单宽流量（m2/）b1－消力池首端宽度（m）b2－消力池末端宽度（m）
T0－由消力池底板顶面算起的总势能（m）ΔZ－出池落差（m）
h－出池河床水深(m)
'Lj－消力池长度（m）
L－消力池斜坡段水平投影长度（m）β－水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8Lj－水跃长度(m)
经计算泄洪洞洞后消力池，池长16米，池深1.6米。5.3地基承载力验算
选取竖井段，施工完建期没有水情况。计算基础的平均地基应力。采用公式
=
WA
式中:σ—基底平均应力；
ΣW—作用于底面以上全部竖向荷载之和；KNA—闸室底面面积；m2=
58357.65某6.1=125.04kpa＜130kpa满足地基承载力要求。
第六章尾水渠设计
尾水渠接于消力池出口海漫段，尾水渠整治长度为160m（包括海漫段）与天然尾水渠渠道相接。
本次设计对尾水渠进行整治，断面型式为梯形断面，断面尺寸按现有渠道过流量为Q校核=59.27m3/设计，尾水渠底宽为12m，边坡为1:1.5，起始底高程为346.38m，纵坡为0.006，水深为1.48m。尾水渠渠顶高程为348.86m。
第七章防汛路设计
利民山水库防汛路全长为5.0km，为了减少工程量，尽量利用现有道路，在现有路面基础上利用坝体开挖料回填，进行平整，铺20cm
砂卵石垫层和5cm的砂浆垫层，再铺20cm的砼路面，路面宽为4m，两侧各留0.5m宽的土路肩。路面外边坡为1:1.5，路两侧设深为0.8m的排水沟，保证雨季排水要求。
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