某水库除险加固初步

某水库除险加固初步
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 design
PS reservoir in Hebei province Shahe city within the boundaries, the Haihe River Valley of Minghe River tributary 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 dam 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 composite, 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 formula 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 mechanics 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 final 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 (1)
1.1工程概况 (1)
1.2水文 (1)
1.2.1流域概况 (1)
1.2.2 气象 (1)
1.2.3 水文 (2)
1.2.4 泥沙 (2)
1.3工程地质条件 (2)
结论及建议： (2)
1.4工程除险设计 (3)
2水库大坝现状情况校核 (4)
2.1正常蓄水位下的坝体抗滑稳定计算与坝基处
应力计算 (4)
2.1.1主坝抗滑稳定计算与坝基应力计算.. 4
2.1.2副坝抗滑稳定计算与坝基应力计算.. 8
2.1.3溢流坝抗滑稳定计算与基应力计算 10
2.2 设计洪水位下的抗滑稳定计算与坝基应力
计算 (12)
2.2.1主坝抗滑稳定计算与坝基应力计算 12
2.2.2副坝抗滑稳定计算与坝基应力计算 14
2.2.3溢流坝抗滑稳定计算与坝基应力计算
(15)
2.3 校核洪水位下的抗滑稳定计算与坝基应力
计算 (18)
2.3.1主坝抗滑稳定计算与坝基应力计算 18
2.3.2副坝抗滑稳定计算与坝基应力计算 20
2.3.3溢流坝抗滑稳定计算与坝基应力计算
(22)
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 (24)
2.4.1主坝抗滑稳定计算与坝基应力计算 24
2.4.2副坝抗滑稳定计算与坝基应力计算 27
2.4.3溢流坝抗滑稳定计算与基应力计算 29
2.5溢流面过流能力验算 (31)
2.6消能防冲设计 (32)
3 除险加固工程设计 (34)
3.1 大坝防洪复合设计 (34)
3.1.1大坝防洪加固方案 (34)
3.1.2坝顶高程计算 (34)
3.2大坝防渗设 (34)
3.2.1存在的问题 (34)
3.2.2防渗方案 (34)
3.2.3主坝、副坝、溢流坝坝体上游防渗 35
3.2.4坝基防渗 (35)
3.3主坝加固后抗滑稳定计算与应力复合计算35
3.3.1正常蓄水时主坝抗滑稳定计算和应力
复合 (36)
3.3.2 设计洪水位时主坝抗滑稳定计算和应
力复合 (38)
3.3.3 校核洪水位时主坝抗滑稳定计算和应
力复合 (40)
3.3.4地震情况下正常蓄水时主坝抗滑稳定
计算和应力复合 (42)
3.4溢流坝加固后抗滑稳定计算与应力复合计算
(45)
3.4.1正常蓄水位时溢流坝抗滑稳定计算与
应力复合 (46)
3.4.2 设计洪水位时溢流坝抗滑稳定计算和
应力复合 (49)
3.4.3 校核洪水位时溢流坝抗滑稳定计算和
应力复合 (51)
3.4.4地震情况下正常蓄水时溢流坝抗滑稳
定计算和应力复合 (53)
3.5溢流面加固设计 (56)
3.5.1溢流面加固方案 (56)
3.5.2溢流坝过流能力验算及消能防冲验算
(57)
3.6放水洞维修加固 (57)
3.6.1加固方案设计 (57)
3.7防浪墙及坝顶设计 (57)
外文文摘 (58)
谢辞 (67)
参考文献 (68)
1 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4㎞2,总库容61.2万m3，是一座以防洪、灌溉和供人畜饮水的小⑵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161.77m3/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13.0℃～13.7℃；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、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220～240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》GB50011—2010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=325m 3 副坝单宽体积V=27.5 m 3 溢流坝单宽体积V=362.8 m 3
根据《砌石坝设计规范》SL25-2006查得砌石体容重γd =22.0kN/ m 3。

依次计算得到各坝段的单宽自重如下: 主坝单宽自重W=γd V=7150kN 副坝单宽自重W=γd V=605kN 溢流坝单宽自重W=γd V=7981.6kN
2.1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
Ⅰ 荷载计算
(1)坝体自重
kN W 7150=
(2)水平静水压力
上游水平静水压力P 1
kN H P 29415.248.92
1
212211=⨯⨯==γ
(2-1)
下游水平静水压力P 2
kN
H P 4.7848.92
1212222=⨯⨯==γ
(2-2)
(3)坝基处扬压力U
γH
H
2
图2-1 主坝坝基处扬压力
上游水面至坝基距离H 1
=24.5m ，
下游水面至坝基距离H 2=4.0m ， 坝基长度T=18.5m 。

kN T H H U U U 5.25832
5
.18)48.95.248.9(2)(2121=⨯⨯+⨯=⨯
+=+=γγ (2-3) (4)泥沙压力P sk
)2
45(2122
n n n sk tg h P ϕγ-=
︒
(2-4)
式中：
γn — 泥沙浮容重，取γn =7 KN/ m 3
h n — 计算点以上的淤积高度，取h n =0.8m,
φn — 泥沙内摩擦角，取 φn =25o
kN tg tg h P n n n sk 7.05.328.072
1)245(212222
=⨯⨯⨯=-=︒︒ϕγ
(5)浪压力P wk
浪高波长按官厅水库公式计算 波高和平均波长
3
/120121
0200076.0⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=-v gD v v gh b
(2-5)
15
/420157
02033.0⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=-v gD v v gL m
(2-6)
式中：
h b —波高（当
250~2020=v gh b 时，为累计频率为5%的波高%5h ；当1000~2502
=v gh b
为 累计频率为10%的波高%10h ），m ；
L m —平均波长，m ；
V 0—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V 0=16.7 m/s 。

D —风区长度，m ；可近似取D=1000m 。

g —重力加速度，9.81m/s 2。

计算得h b =0.56m ，L m =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：
)(4
1
%5z m w wk h h L P +=γ (2-7)
m
m z L H
cth
L h h ππ22%5= (2-8) %
5%
522ln 4h L h L L H m m m cr πππ-+=
(2-9)
式中：
P wk ——单位宽度坝面上的浪压力，kN/m ； h 5%——累计频率为5%的波高，m ；
h z ——波浪中心线至计算水位的高度，m ； H cr —— 使波浪破碎的临界水深，m 。

经计算得：h z =0.15m H cr =0.62m P wk =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
)245(tan 2ϕ
-=︒a K 称为主动土压力系数，计算得0.31
)2
45(tan 2ϕ
+=︒p K 称为被动土压力系数，计算得1.61
取土的容重γ=21 kN/ m 3
主动土压力 kN K H E a a 1.5231.04212
1
2122=⨯⨯⨯==γ (2-10)
被动土压力 kN K H E P p 5.27061.14212
1
2122=⨯⨯⨯==γ
(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
Ⅱ 坝体抗滑稳定计算
∑∑=
P
W
f K (2-12)
式中：
f —抗剪强度计算公式中的摩擦系数；
∑W —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； ∑P —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）3.2.6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f =0.65。

计算∑∑=
P
W
f K =
05.1][11.165.02
.26565
.4566=>=⨯K 因此在正常蓄水位下，主坝满足抗滑稳定要求。

Ⅲ 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。

20
6T
M T W yu ∑+∑=
σ (2-13) 20
6T
M T W yd ∑-∑=σ (2-14)
式中：
u y σ—用于坝踵垂直应力，kPa ； d y σ—用于坝趾垂直应力，kPa ；
∑W —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； 0∑M —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，kN •m ； T — 计算截面沿上下游方向的长度，m 。

kPa T M T W yu 78.2002.2268.2465.18)
55.12893(65.185.456662
20=-=-⨯+=∑+∑=
σ kPa T M T W yd
82.47202.2268.2465.18)55.12893(65.185.456662
20=+=-⨯-=∑-∑=σ 坝基允许压应力[σ]=2.8～3.0MPa 。

因u y σ＞0，d y σ＜[σ]。

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
Ⅰ 荷载计算
(1)坝体自重
kN W 605=
(2)水平静水压力 上游水平静水压力P 1
kN H P 6.305.28.92
1
21221=⨯⨯==γ
下游水平静水压力P 2
02=P
(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
kN P wk 3.11=
表2-2 作用于副坝的各力和力矩大小及方向表
Ⅱ 抗滑稳定计算
65.09
.416
.537⨯=
=
∑∑P
W
f K =10.5][K >=1.05 因此在正常蓄水位下，副坝抗滑稳定要求。

Ⅲ 应力计算
kPa T M T W yu 79.10404.775.975
.55
.3565.56.5376220=+=⨯+=∑+∑=
σ kPa T M T W yd 71.9004.775.975.55.3565.56.53762
20=-=⨯-=∑-∑=
σ 坝基允许压应力[σ]=2.8～3.0MPa 。

因u y σ＞0，d y σ＜[σ]。

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
Ⅰ 荷载计算
(1)坝体自重
kN W 6.7981=
(2)水平静水压力 上游水平静水压力P 1
kN H P 29415.248.92
12122
1
1=⨯⨯==γ 下游水平静水压力P 2
kN H P 4.7848.92
1212222=⨯⨯==γ
(3)坝基处扬压力U
γH
H
2
图 2-4 溢流坝坝基处扬压力图
kN T H H U U U 5.25832
5.18)48.95.248.9(2)(2121=⨯⨯+⨯=⨯
+=+=γγ (4)泥沙压力
kN tg tg h P n n n sk 7.05.328.072
1
)245(212222=⨯⨯⨯=-=
︒︒ϕγ (5)浪压力
kN P wk 3.11=
(6)土压力
主动土压力 kN K H E a a 1.5231.042121
2122=⨯⨯⨯==γ
被动土压力 kN K H E P p 5.27061.14212
1
2122=⨯⨯⨯==γ
表2-3 作用于溢流坝的各力及力矩大小和方向表
Ⅱ 坝体抗滑稳定计算
∑∑=
P
W
f K =
05.1][32.165.02
.26561
.5398=>=⨯K 在正常蓄水位下，溢流坝满足抗滑稳定要求 。

Ⅲ 应力计算
kPa T M T W yu 2.553478.2915.18)
83.19842(65.181.539862
20-=-=-⨯+=∑+∑=
σ kPa T M T W yd 8.6383478.2915
.18)83.19842(65.181.53986220=+=-⨯-=∑-∑=
σ 坝基允许压应力[σ]=2.8～3.0MPa 。

d y σ＜[σ]，下游坝趾处应力满足要求。

因u y σ＜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
Ⅰ 荷载计算
(1) 坝体自重
kN W 7150=
(2)水平静水压力 上游水平静水压力P 1
kN H P 95.331401.268.92
121221
1=⨯⨯==γ
下游水平静水压力P 2
kN H P 7.1036.48.92
1212222=⨯⨯==γ
(3)基处扬压力U
γH
H
2
图2-5主坝坝基处扬压力
上游水面至坝基距离H 1=26.01m ， 下游水面至坝基距离H 2=4.6m ， 坝基长度T=18.5m 。

kN T H H U 3.27742
5
.18)6.48.901.268.9(2)(21=⨯⨯+⨯=⨯
+=γγ (4)泥沙压力
kN tg tg h P n n n sk 7.05.3272
1
)245(212222=⨯=-=
︒︒ϕγ (5)浪压力
kN P wk 3.11=
(6)土压力
主动土压力 1.5231.04212
1
2122=⨯⨯⨯==a a K H E γkN
被动土压力 5.27061.14212
1
2122=⨯⨯⨯==P p K H E γkN
表2-4 作用于主坝上的各力及力矩大小和方向表
Ⅱ 坝体抗滑稳定计算
∑∑=
P
W
f K =
05.1][96.065.02
.29642
.4375=<=⨯K 在设计洪水位下，主坝不满足抗滑稳定要求。

Ⅲ 应力计算
kPa T M T W yd 54.89-04.326-50.2365.18)
41.17260(65.187.43896220==-⨯+=∑+∑=
σ
KPa T M T W yd 54.56204.326-50.2365
.18)41.17260(65.187.43896220==-⨯-=∑-∑=
σ 坝基允许压应力[σ]=2.8～3.0MPa 。

d y σ＜[σ]，下游坝趾应力满足要求。

因u y σ＜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
Ⅰ 荷载计算
(1)坝体自重
kN W 605=
(2)水平静水压力 上游水平静水压力P 1
kN H P 8.7801.48.92
1
21221=⨯⨯==γ
下游水平静水压力P 2
02=P
(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 。

KN HT U 8.1035.501.48.92
1
21=⨯⨯⨯==γ
(4)浪压力
kN P wk 3.11=
表2-5 作用于副坝的各力和力矩大小及方向表
Ⅱ 抗滑稳定计算
65.01
.9093
.496⨯=
=
∑∑P
W
f K =3.58][K >=1.05 因此在设计洪水位下，副坝抗滑稳定要求。

Ⅲ 应力计算
kPa T M T W yu 99.7136.1835.905
.5)
54.92(65.593.4966220=-=-⨯+=∑+∑=
σ kPa T M T W yd 71.10836.1835.905
.5)54.92(65.593.4966220=+=-⨯-=∑-∑=
σ 坝基允许压应力[σ]=2.8～3.0MPa 。

因u y σ＞0，d y σ＜[σ]。

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
Ⅰ 荷载计算
(1)坝体自重
kN W 6.7981=
(2)水平静水压力 上游水平静水压力P 1
kN h H P 78.3303)51.101.26(8.921
)(21222211=-⨯⨯=-=γ
m h h 51.1=距离，为水面至溢流坝堰顶的
下游水平静水压力P 2
kN H P 7.1036.48.92
1212222=⨯⨯==γ
(3)基处扬压力
U
γH
H
2
图2-7 溢流坝坝基处扬压力
上游水面至坝基距离H 1=22.01m ， 下游水面至坝基距离H 2=4.6m ， 坝基长度T=18.5m 。

(4)动水压力
)cos (cos 12ααγ-=V g
q
P H 力水平分量作用于溢流坝的动水压 (2-15) )sin sin (12ααγ+=
V g
q
P V 力垂直分量作用于溢流坝的动水压 (2-16)
式中：。

重力加速度，—；，单宽流量，—水容重，—；
反弧段上的平均流速，—；
，所对的中心角，反弧段最低点两侧弧段—、2332121/88.222
38
.63)./()
/(/2555s m g q m s m q m s m s m V ==⋅==︒︒γαααα
由《水力学》教材中公式9.4求下游收缩断面水深c h
22202c
c h
g q h E ϕ+
= (2-17)
查表9.1流速系数9.0=ϕ 计算得m h c 2.0= 由s m h q
V Vh q c
c /4.14==
⇒= 所以动水压力水平分量为
kN V g
q
P H 8.13)cos (cos 12=-=
ααγ
动水压力垂直分量为
kN V g
q
P V 5.51)sin sin (12=+=
ααγ
(5) 泥沙压力
kN tg tg h P n n n sk 7.05.328.072
1
)245(212222=⨯⨯⨯=-=
︒︒ϕγ (6) 浪压力
kN P wk 3.11=
(7) 土压力
主动土压力 kN K H E a a 1.5231.04212
1
2122=⨯⨯⨯==γ
被动土压力 kN K H E P p 5.27061.14212
1
2122=⨯⨯⨯==γ
表2-6 作用于溢流坝的各力及力矩大小和方向表
Ⅱ 坝体抗滑稳定计算
∑∑=
P
W
f K =
05.1][15.165.088
.297934
.5292=>=⨯K 在设计洪水位下，溢流坝满足抗滑稳定要求。

Ⅲ 应力计算
kPa T M T W yu 18.16725.45307.2865.18)
16.25854(65.1834.52926220-=-=-⨯+=∑+∑=
σkPa T M T W yd
32.73925.45307.2865
.18)16.25854(65.1834.529262
20=+=-⨯-=∑-∑=σ 坝基允许压应力[σ]=2.8～3.0MPa 。

d y σ＜[σ]，下游坝趾应力满足要求。

因u y σ＜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
Ⅰ 荷载计算
(1) 坝体自重
kN W 7150=
(2)水平静水压力 上游水平静水压力P 1
kN H P 56.363825.278.92
1
212211=⨯⨯==γ
下游水平静水压力P 2
kN H P 5.12258.92
12122
22=⨯⨯==γ
(3)基处扬压力U
γH
H
2
图2-8 主坝坝基处扬压力
上游水面至坝基距离H 1=27.25m ， 下游水面至坝基距离H 2=5.0m ， 坝基长度T=18.5m 。

kN T H H U 46.29232
5
.18)58.925.278.9(2)(21=⨯⨯+⨯=⨯
+=γγ (4)泥沙压力
kN tg tg h P n n n sk 7.05.328.072
1
)245(212222=⨯⨯⨯=-=
︒︒ϕγ (5)浪压力
kN P wk 3.11=
(6)土压力
主动土压力 kN K H E a a 1.5231.04212
1
2122=⨯⨯⨯==γ
被动土压力 kN K H E P p 5.27061.14212
1
2122=⨯⨯⨯==γ
表2-7 作用于主坝的各力及力矩大小和方向表
Ⅱ 坝体抗滑稳定计算
∑∑=
P
W
f K =
0.1][85.065.066
.330954
.4634=<=⨯K 在校核洪水位下，主坝不满足抗滑稳定要求。

Ⅲ 应力计算
kPa T M T W yu 69.16021.41152.2505.18)
09.23456(65.1854.46346220-=-=-⨯+=∑+∑=
σkPa T M T W yd
73.66121.41152.2505
.18)09.23456(65.1854.463462
20=+=-⨯-=∑-∑=σ 坝基允许压应力[σ]=2.8～3.0MPa 。

d y σ＜[σ]，下游坝趾满足要求。

因u y σ＜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
Ⅰ 荷载计算
(1)坝体自重
kN W 605=
(2)水平静水压力 上游水平静水压力P 1
kN H P 5.12425.58.921
21221=⨯⨯==γ
下游水平静水压力P 2
02=P
(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 。

KN HT U 8.1355.525.58.92
1
21=⨯⨯⨯==γ
(4)浪压力
kN P wk 3.11=
表2-8 作用于副坝的各力和力矩大小及方向表
Ⅱ 抗滑稳定计算
65.036
.1462
.469⨯=
=
∑∑P
W
f K =2.08][K >=1.0 因此在校核洪水位下，副坝满足抗滑稳定要求。

Ⅲ 应力计算
kPa T M T W yu 7.376.473.855.5)
65.239(65.52.46962
20=-=-⨯+=∑+∑=
σ kPa T M T W yd 9.1326.473.855
.5)65.239(65.52.4696220=+=-⨯-=∑-∑=
σ 坝基允许压应力[σ]=2.8～3.0MPa 。

因u y σ＞0，d y σ＜[σ]。

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
Ⅰ 荷载计算
(1)坝体自重
kN W 6.7981=
(2)水平静水压力 上游水平静水压力P 1
kN h H P 5.3601)75.225.27(8.92
1
)(21222211=-⨯⨯=-=γ
m h h 75.2=距离，为水面至溢流坝堰顶的
下游水平静水压力P 2
kN H P 5.12258.92
12122
22=⨯⨯==γ
(3)基处扬压力
U
γH
H
2
图2-10 溢流坝坝基扬压力
上游水面至坝基距离H 1=27.25m ， 下游水面至坝基距离H 2=5.0m ， 坝基长度T=18.5m 。

kN T H H U 46.29232
5
.18)58.925.278.9(2)(21=⨯⨯+⨯=⨯
+=γγ (4)动水压力
)cos (cos 12ααγ-=V g
q
P H 力水平分量作用于溢流坝的动水压 )sin sin (12ααγ+=
V g
q
P V 力垂直分量作用于溢流坝的动水压
式中：。

重力加速度，—；，单宽流量，—水容重，—；
反弧段上的平均流速，—；
，所对的中心角，反弧段最低点两侧弧段—、2332121/53.722
77
.161)./()
/(/2555s m g q m s m q m s m s m V ==⋅==︒︒γαααα
由《水力学》教材中公式9.4求下游收缩断面水深c h
2
2202c c h g q h E ϕ+
=
查表9.1流速系数9.0=ϕ 计算得m h c 5.0= 由s m h q
V Vh q c
c /7.14==
⇒= 所以动水压力水平分量为
kN V g
q
P H 95.35)cos (cos 12=-=
ααγ
动水压力垂直分量为
kN V g
q
P V 2.134)sin sin (12=+=
ααγ
(5) 泥沙压力
kN tg tg h P n n n sk 7.05.328.072
1
)245(212222=⨯⨯⨯=-=
︒︒ϕγ (6) 浪压力
kN P wk 3.11=
(7) 土压力
主动土压力 kN K H E a a 1.5231.042121
2122=⨯⨯⨯==γ
被动土压力 kN K H E P p 5.27061.14212
1
2122=⨯⨯⨯==γ
表2-9 作用于溢流坝的各力和力矩大小及方向表
Ⅱ 坝体抗滑稳定计算
∑∑=
P
W
f K =
0.1][17.165.065
.323634
.5192=>=⨯K 在校核洪水位下，溢流坝满足抗滑稳定要求。

Ⅲ 应力计算
kPa T M T W yu 39.24706.52867.2805.18)
65.30121(65.1834.519262
20-=-=-⨯+=∑+∑=
σ
kPa T M T W yd 73.80806.52867.2805.18)65.30121(65.1834.519262
20=+=-⨯-=∑-∑=σ
坝基允许压应力[σ]=2.8～3.0MPa 。

d y σ＜[σ]，因u y σ＜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
Ⅰ 荷载计算
(1)坝体自重
kN W 7150=
(2)水平静水压力 上游水平静水压力P 1
kN H P 29415.248.921
212211=⨯⨯==γ
下游水平静水压力P 2
kN H P 4.7848.92
1212222=⨯⨯==γ
(3)坝基处扬压力U
γH
H
2
图2-11 主坝坝基处扬压力
上游水面至坝基距离H 1=24.5m ， 下游水面至坝基距离H 2=4.0m ， 坝基长度T=18.5m 。

kN T H H U U U 5.25832
5.18)48.95.248.9(2)(2121=⨯⨯+⨯=⨯
+=+=γγ (4) 泥沙压力
kN tg tg h P n n n sk 7.05.328.072
1
)245(212222=⨯⨯⨯=-=
︒︒ϕγ (5) 浪压力
kN P wk 3.11=
地震荷载：主要包括坝体水平顺河向地震惯性力，上游地震动水压力和动土压力 (6)地震惯性力
FW C K Q Z H =0 (2-18)。

重量，产生惯性力的建筑物总—；，所以地震惯性力系数，因—；
综合影响系数，取—；度，计地震烈度为水平地震系数，本次设—kN W F m H F C K K Z H H 1.1304
1
1.07=≤=
故 kN FW C K Q Z H 6.19671501.14
1
1.00=⨯⨯⨯==
(7) 上游地震动水压力
2
065.0H C K P Z H γ=
(2-19)。

坝前水深，—m H
kN H C K P Z H 9.665.208.94
1
1.065.065.0220=⨯⨯⨯⨯==γ
(8) 地震作用下的土压力
E tg C C K E e Z H )1('ϕ±= (2-20)
式中：。

静土压力，—；
，被动时取采用。

查表得主动时取表地震动土压力系数，按—；
土的内摩擦角，—土压力；
号分别对应主动和被动kN E C C C e e e 0.30.46-225)(===︒±︒ϕϕ 主动土压力
kN tg E tg C C K E e Z H a 5.541.52)250.44
11.01()1('
=⨯⨯⨯⨯+=+=︒ϕ
被动土压力
kN tg E tg C C K E e Z H p 2615.270)250.34
11.01()1('
=⨯⨯⨯⨯-=-=︒ϕ
表2-10 作用于主坝的各力和力矩大小及方向表
Ⅱ 坝体抗滑稳定计算
∑∑=
P
W
f K =
0.1][01.165.06
.29315
.4566=>=⨯K 在地震情况下，正常蓄水位时，主坝满足抗滑稳定要求。

Ⅲ 应力计算
kPa T M T W yu 91.3475.28184.2465.18)
83.16071(65.185.45666220-=-=-⨯+=∑+∑=
σkPa T M T W yd 59.52875.28184.2465
.18)83.16071(65.185.456662
20=+=-⨯-=∑-∑=σ 坝基允许压应力[σ]=2.8～3.0MPa 。

d y σ＜[σ]，下游坝趾应力满足要求。

因u y σ＜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。

2.4.2副坝抗滑稳定计算与坝基应力计算
Ⅰ 荷载计算
(1)坝体自重
kN W 605=
(2)水平静水压力 上游水平静水压力P 1
kN H P 6.305.28.92
1
21221=⨯⨯==γ
下游水平静水压力P 2
02=P
(3)扬压力U
图2-12 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 。

KN HT U 4.675.55.28.92
1
21=⨯⨯⨯==γ
(4) 地震惯性力
kN FW C K Q Z H 6.166051.14
1
1.00=⨯⨯⨯==
(5)上游地震动水压力
kN H C K P Z H 15.28.94
1
1.065.065.0220=⨯⨯⨯⨯==γ
(6)浪压力
kN P wk 3.11=
表2-11 作用于副坝的各力和力矩大小及方向表
Ⅱ 抗滑稳定计算
65.05
.596
.537⨯=
=
∑∑P
W
f K =5.87][K >=1.0 因此在地震情况下，正常蓄水位时，副坝抗滑稳定满足要求。

Ⅲ 应力计算
kPa T M T W yu 45.1007.275.975.56
.1365.56.5376220=+=⨯+=∑+∑=
σ
kPa T M T W yd
05.957.275.975
.55.3565.56.53762
20=-=⨯-=∑-∑=σ 坝基允许压应力[σ]=2.8～3.0MPa 。

因u y σ＞0，d y σ＜[σ]。

上游坝踵处未出现拉应力，满足要求。

2.4.3溢流坝抗滑稳定计算与基应力计算
Ⅰ 荷载计算
(1)坝体自重
kN W 6.7981=
(2)水平静水压力 上游水平静水压力P 1
kN H P 29415.248.92
1
212211=⨯⨯==γ
下游水平静水压力P 2
kN H P 4.7848.92
1212222=⨯⨯==γ
(3)坝基处扬压力U
γH
H
2
图2-13 溢流坝坝基处扬压力
kN T H H U U U 5.25832
5.18)48.95.248.9(2)(2121=⨯⨯+⨯=⨯
+=+=γγ (4)地震惯性力
kN FW C K Q Z H 5.2196.79811.14
1
1.00=⨯⨯⨯==
(5)上游地震动水压力
kN H C K P Z H 9.665.248.941
1.065.065.0220=⨯⨯⨯⨯==γ
(4)泥沙压力
kN tg tg h P n n n sk 7.05.328.072
1
)245(212222=⨯⨯⨯=-=
︒︒ϕγ (5)浪压力
kN P wk 3.11=
(6)土压力 主动土压力
kN tg E tg C C K E e Z H a 5.541.52)250.44
11.01()1('
=⨯⨯⨯⨯+=+=︒ϕ
被动土压力
kN tg E tg C C K E e Z H p 2615.270)250.34
11.01()1('
=⨯⨯⨯⨯-=-=︒ϕ
表2-12 作用于溢流坝的各力和力矩大小及方向表
Ⅱ 坝体抗滑稳定计算
∑∑=
P
W
f K =
0.1][19.165.05
.29541
.5398=>=⨯K 在地震情况下，正常蓄水位时，溢流坝满足抗滑稳定要求。

Ⅲ 应力计算
kPa T M T W yu 69.11649.4088.2915
.18)
12.23301(65.181.53986220-=-=-⨯+=∑+∑=
σ
kPa T M T W yd 29.70049.4088.2915.18)12.23301(65.181.539862
20=+=-⨯-=∑-∑=
σ 坝基允许压应力[σ]=2.8～3.0MPa 。

d y σ＜[σ]，下游坝趾处应力满足要求。

因u y σ＜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。

经以上计算可知，除副坝外的主坝和溢流坝均存在问题，故需对主坝和溢流坝采取相应的加固除险措施。

2.5溢流面过流能力验算
溢流面采用曲线形实用堰，泄洪能力按照《溢洪道设计规范》SL-2000附录A 公式进行计算。

2
/3012H g mb Q ε= (2-21)
式中：
Q —溢流堰的下泄流量。

b —溢流堰宽度，22m ； m —流量系数，0.44；
()[]
nb
H
K n K P a 1211-+-=ε；a K 为边礅形状系数，P K 为闸墩形状系数，n 为堰孔数。

查《水工建筑物》教材取95.01=ε
设计洪水位时
s
m Q s m H g mb Q /38.63/54.7551.18.922244.095.02332/32
/301=>=⨯⨯⨯⨯⨯==设ε 校核洪水位时
s
m Q s m H g mb Q /77.161/66.18575.28.922244.095.02332/32/301=>=⨯⨯⨯⨯==校ε过流能力满足要求
2.6消能防冲设计
水库属于属于小（2）型水库且大坝属于低坝，综合考虑采用挑流消能方式。

本
次设计选用鼻坎形式为连续式鼻坎，鼻坎高程为9.0m ，挑射角为25°，反弧半径为4.0m 。

依据《溢洪道设计规范》SL253-2000，挑流水舌外缘挑距按下式计算：
[]
g h h g v v V L /)cos (2sin cos cos sin 21221121+++=θθθθθ (2-22)
式中：
L —指坝下游垂直面到挑流水舌外缘进入下游水面后与河床面交点的水平距
离，m ；
v 1—坎顶水面流速，m/s ； θ—鼻坎挑角；
h 1—坎顶垂直方向水深，m ； h 2—坎顶与河床面高差，m 。

冲坑深度俺下式计算：
4
1
21Z
kq T (2-23)
式中：
T —自下游水面至坑底最大水垫深度，m ； q —鼻坎末端断面单宽流量，m 3/（s-m ）; Z —上下游水位差，m ； k —综合冲刷系数，取1.5
经计算，不同频率洪水下的计算成果如下：
表2-13 各频率洪峰下挑距和冲坑计算成果表
冲刷消弱了坝下游河床基岩的稳定性，根据经验，冲坑向上游侧的影响范围与河床地质条件有关，一般要求L/T 在2.5~5.0之间。

经计算得知L/T 均在2.5~5.0之间，消能防冲设计满足要求。

3 除险加固工程设计
3.1 大坝防洪复合设计
3.1.1大坝防洪加固方案
根据安全鉴定结果，PS 水库大坝防洪能力不满足国家标准要求，本次除险加固选择有两种方案进行比较：方案一，维持现状坝顶高程23.5m ，溢洪道宽度和底高程不变，在坝顶增设防浪墙，计算防浪墙顶高程。

方案二，维持现状坝顶高程23.5m ，溢洪道采用现状底高程，拓宽溢洪道过水断面至40m ，重建交通桥。

3.1.2坝顶高程计算
依据《砌石坝设计规范》SL25-2006，坝顶上游防浪墙墙顶高程与正常蓄水位或校核洪水位的高差，应按公式1-1计算，选择两者中防浪墙顶高程的高者作为选定高程。

c z b h h h h ++=∆ (3-1)
安全超高正常蓄水位时取0.4m ；校核洪水位时取0.3m 。

正常蓄水位时m h h h h c z b 11.14.015.056.0=++=++=∆ 校核洪水位时m h h h h c z b 01.13.015.056.0=++=++=∆ 取二者较大值1.11m
经分析可以看出，方案一优于方案二,故采用方案一：维持现状坝顶高程23.5m ，溢洪道宽度和底高程不变，在坝顶增设防浪墙。

3.2大坝防渗设
3.2.1存在的问题
由于施工质量较差，自水库建成蓄水后便发现两侧坝头有渗漏，且逐年加重，由于两坝头岩层裂隙发育，成为渗漏的主要通道，近年来渗漏尤为严重。

特别是2007年7月大洪水以后，水库左坝肩18m高程、右坝肩14m和16m高程处的渗流量较大。

由于砌筑质量不高，高水位运行时，坝体多处存在渗漏，尤其在20.5m以上的主坝挡水坝段和溢流坝段存在小股射流情况。

虽然大坝于1980年进行了灌浆处理、“00.7”大洪水后在主坝迎水面的水上部分进行全面填缝，但现场可见填缝十分粗糙，并没有从根本上解决渗漏问题。

渗漏问题严重影响到工程灌溉和供水效益的发挥。

3.2.2防渗方案
为减小渗漏量，并同时提高大坝抗滑稳定性，大坝防渗考虑两种方案：一是坝体灌浆与坝基帷幕相结合，二是坝体做混凝土防渗面板，坝基进行帷幕灌浆。

由于PS水库大坝中部为一段长为22m的曲线形溢洪堰，坝顶钻孔灌浆施工不便，因此考虑施工的可行性，推荐采用防渗面板与在坝前进行基础帷幕灌浆相结合的防渗型式，以形成完整的防渗体系，并有助于提高坝体抗滑稳定性。

3.2.3主坝、副坝、溢流坝坝体上游防渗
主坝、溢流坝迎水面防渗面板下部自坝基-4m高程（假定）开始浇筑。

根据防渗要求的不同，防渗面板厚自堰顶至坝基高程采用40～60cm渐变。

副坝防渗面板厚度在同等高程处与主坝一致。

为保证混凝土面板与坝体的完整性，设计面板的上游面按2.0×2.0m间距设置Φ28锚杆，长度为3m，其中深入原坝体部分长2.5m。

浇筑的面板设竖向分缝，分缝间宽度以10m为原则，缝内采用铜片止水。

3.2.4坝基防渗
坝基帷幕灌浆布置
主坝及溢流坝的坝基帷幕灌浆轴线布置于坝体上游侧距原坝体上游面2.0m处，坝基防渗帷幕轴线方向沿坝体方向布置，主坝段长度119m，溢流坝段（含两边侧墙）长度24m。

根据灌浆需要，顶部设置盖重。

为满足防渗要求，盖重下部采用1m厚C25混凝土，而上面采用M7.5砂浆浆砌石，盖重混凝土同时将坝上游防渗面板与坝基灌浆帷幕在水平方向进行了衔接。

依据地质勘测资料，坝基帷幕深度原则上按坝基下10m深度控制。

右侧地形陡峭，因此采用台阶形向右岸延伸与副坝衔接。

河槽中心底部最低处理高程-14.0m。

本段帷幕灌浆终孔间距取2m。

因为副坝在未加固之前抗滑和坝基应力均符合要求，且坝前水头较低，渗流较小，。