颍河白沙水库溢洪道泄洪闸设计报告书.doc

颍河白沙水库溢洪道泄洪闸设计 0 摘要摘要1 ABSTRACT2 前言前言3 1 工程概况工程概况5 1.1 水库建设过程.7 1.2 水库目前存在问题.7 2 水文水文8 2.1 流域概况.8 2.2 年径流复核成果.9 2.3 设计洪水复核成果.10 2.4 非汛期设计洪水.11 3 工程地工程地质质11 4 除除险险加固任加固任务务和和规规模模12 4.1 除险加固任务.12 4.2 除险加固洪水标准.13 5.5.溢洪道泄洪闸设计溢洪道泄洪闸设计13 5.1 方案的说明.13 5.2 方案比较.14 5.3 设计基本资料.15 5.4 溢洪道轴线选择.16 5.5 溢洪道工程布置.16 5.6 水力设计.18 5.7 溢洪道防渗与排水设计.22 5.8 稳定计算.23 颍河白沙水库溢洪道泄洪闸设计 1 6 施工施工组织设计组织设计28 6.1 施工条件.28 6.2 施工导流.28 6.3 主体工程施工.29 6.4 施工交通运输.30 6.5 施工工厂设施.30 6.6 施工总布置.31 结论结论33 特特别别致致谢谢34 参考文献参考文献35 摘要 白沙水库位于淮河流域沙颖河上游，坝址位于河南省禹州市与登封市交界的白沙村 以北 300m 处。,水库控制流域面积为 985km2，占颖河流域面积 7230km2的 13.6%， 占颖河山丘区流域面积 1900km2的 51.8%，是以防洪灌溉为主，兼顾工业供水、水 产养殖、旅游等综合利用的大型枢纽工程。白沙水库总库容 2.78 亿 m3,按国标 防洪标准规定，白沙水库工程等别应为大（2）型，泄洪闸为 2 级建筑物. 泄 洪闸设计标准为 100 年一遇，校核标准为 2000 年一遇。据溢洪道设计规范 （SL2532000）闸下防冲设计标准按 50 年一遇，校核标准 100 年一遇。 本次设计是白沙水库除险加固工程中的溢洪道设计.其中包括以下几个方面内 容:方案的比较和选择以及水力计算,结构稳定性计算(包括边墩,中墩和挡土墙稳定 基底应力计算),简单的施工组织设计等几个方面 关键词: 溢洪道 中墩 水库 结构稳定性 颍河白沙水库溢洪道泄洪闸设计 2 abstract The Baisha reservoir is located upstream of Huaihe River basin Sha Yinghe, the dam site is located the Henan Province Yuzhou and the Dengfeng city border Baisha village by northern 300m place. The reservoir control drainage area is 985km2, occupies Ying river drainage area 7230km2 13.6%, occupies Ying river massif area drainage area 1900km2 51.8%, is by prevents floods and the irrigation primarily, proper attention to both industrial water supply, aquaculture, traveling large and so on comprehensive utilization large -scale key project. Baisha reservoir total storage capacity 278 million m3, “Flood prevention Standard“ stipulated according to GB code, The Baisha reservoir project bank should be is big (2), The floodgate is 2 levels of buildings, the floodgate design standard is 100 years as soon as meets, The examination standard is in 2000 as soon as meets. According to “Spillway Design Standard“ (SL253 -2000) under the floodgate the design standard of Disappearing energy and guarding against flushes meet according to 50 years, The examination standard meet as soon as 100 years. This design is the Baisha reservoir except dangerous reinforcement project in spillway design, including following several aspects content: Plan comparison and choice as well as water power computation, structural stability computation including side pillar,center pillar and bulkhead stable basis stress computation, simple construction organization plan and so on several aspects Key word: spillway center pillar reservoir structural stability 颍河白沙水库溢洪道泄洪闸设计 3 前言 白沙水库位于淮河流域沙颖河上游，坝址位于河南省禹州市与登封市交界的 白沙村以北 300m 处。是 50 年代初治淮早期我省兴建的大型水库之一，当时水库 的设计洪水标准为 100 年一遇，校核洪水标准为 1000 年一遇。设计水位 233.8m，校核水位 235.3m，总库容 2.95 亿 m3。水库控制流域面积为 985km2，占 颖河流域面积 7230km2的 13.6%，占颖河山丘区流域面积 1900km2的 51.8%，是以 防洪灌溉为主兼顾工业供水、水产养殖、旅游等综合利用的大型枢纽工程本次设 计主要是白沙水库加固工程中溢洪道泄洪闸白沙水库是建国初期治淮第一批兴建 的大（II）型水库，是以防洪灌溉为主，兼顾工业供水、水产养殖、旅游等综合 利用的大型水利枢纽工程。 白沙水库目前的现状为坝顶高程 235.8m，防浪墙顶高程 237.0m，坝顶超高 1.873m，水库现状允许最高水位为 235.13m。 1951 年 3 月开始施工至 1953 年 8 月建成，为此于 1956 年 2 月1957 年 12 月进行了水库扩建，扩建后的大坝坝顶长 1316m，顶宽 6.6m，最大坝高 47.88m， 坝型由均质土坝变为复式断面，坝顶高程 235.8m，防浪墙顶高程 237.0m。改原 无控制的溢洪道为新建 8 孔（128）弧形钢闸门控制的泄洪闸，闸顶高程 225.92m，最大泄量 4280 m3/s。1975 年汛后，为增强水库抗洪能力，在东付坝坝 顶建爆破药室 17 个，以应急需。 1997 年底又对输水洞进行了较全面的加固处理。在出口新建了弧形工作门及 引水岔管，输水洞由无压隧洞改为压力洞，洞身由马蹄形断面改为直径 3.3m 的 圆形断面。 工程存在的问题 （1）泄洪闸上下游流态不好。 （2）泄洪闸闸室建在强风化的石英砂岩地基上，并且有断层。 （3）闸墩单薄，砼质量不好，碳化严重，普遍存在裂缝。 （4）溢洪道没有尾水渠，不能做正常溢洪道使用。 （5）溢洪道闸门启闭机和闸们年久失修。 主溢洪道：泄洪闸座落在强风化石英砂岩上，裂隙发育，岩体呈中等至强透 水，工程地质条件差，存在闸基渗漏、抗滑稳定和不均匀沉陷问题，应对闸基稳 定性进行复核，并采取必要的处理措施。 本次设计是白沙水库除险加固工程中的溢洪道设计.其中包括以下几个方面内 容:方案的比较和选择以及水力计算,结构稳定性计算(包括边墩,中墩和挡土墙稳 定基底应力计算),简单的施工组织设计等几个方面。 颍河白沙水库溢洪道泄洪闸设计 4 参照溢洪道设计规范（SL2532000）附录 A，泄洪闸闸室采用开敞式实 用堰结构，堰顶上游采用三圆弧曲线，堰顶下游采用 WES 型幂曲线，幂曲线末端 直接与反弧连接，根据水力计算确定工程的布置，然后进行稳定性和应力计算。 颍河白沙水库溢洪道泄洪闸设计 5 1 工程概况 白沙水库位于淮河流域沙颖河上游，坝址位于河南省禹州市与登封市交界的 白沙村以北 300m 处。是 50 年代初治淮早期我省兴建的大型水库之一，当时水库 的设计洪水标准为 100 年一遇，校核洪水标准为 1000 年一遇。设计水位 233.8m，校核水位 235.3m，总库容 2.95 亿 m3。水库控制流域面积为 985km2，占 颖河流域面积 7230km2的 13.6%，占颖河山丘区流域面积 1900km2的 51.8%，是以 防洪灌溉为主，兼顾工业供水、水产养殖、旅游等综合利用的大型枢纽工程。水 库位置见图 1.1-1。 1978 年水电部颁发了水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（山区、丘 陵区部分）SDJ1278，根据该规定白沙水库正常运用洪水标准应为 500100 年 一遇，非常运用洪水标准如失事后对下游不致造成较大灾害的其下限值为 2000 年一遇，如果失事后对下游将造成较大灾害的大型水库应以可能最大洪水作为非 常运用洪水标准。1990 年水利、能源部对 SDJ1278 又颁发了补充规定，根据该 规定将白沙水库的校核洪水标准由可能最大洪水改为 2000 年一遇。1994 年建设 部发布国家标准防洪标准（GB5020194）作为强制性国家标准，根据该标 准白沙水库设计洪水标准应为 500100 年一遇，校核洪水标准应为 50002000 年一遇。我省大部分大型水库，根据以上国家颁发的洪水标准、结合各水库的具 体情况，经历 20 余年基本进行了除险加固，提高了水库安全标准。已完成的有 鸭河口、宿鸭湖、鲇鱼山、孤石滩、彰武、南海等水库，正在实施的有白龟山水 库和昭平台水库。 该工程 1951 年开工，1953 年竣工。由于当时形势的需要和各方面条件的限 制，存在诸多问题。1956 年进行了扩建加固。 2001 年 3 月对水库安全标准进行复核，1000 年一遇洪水位为 235.51m，2000 年一遇洪水位为 236.29m，而目前白沙水库允许的最高水位 235.13m。因此，白 沙水库现有安全标准不足 1000 年一遇，尚未达到国家防洪标准（GB50201- 94）5000 年2000 年一遇的下限。由于白沙水库在沙颖河流域防洪调度中的作用 非常重要，事关禹州市、京广铁路和京深公路的安危，一旦失事，将对禹州市、 襄城、临颖、许昌和郾城等县市造成严重的洪水灾害。因此急需除险加固。 2001 年 3 月河南省水利厅组织水利部、淮委、黄委和水库管理局等单位组成 专家组，对白沙水库进行安全鉴定，鉴定意见为：“白沙水库大坝现有防洪标准 不足千年，属危险水库，急需进行除险加固。建议采取工程措施提高抗御洪水标 准以满足国标防洪标准要求，对溢洪道混凝土建筑物和金属结构进一步进行 检测。进一步补充完善观测设施，加强观测工作。在未进行除险加固前，水库管 理单位应加强工程管理和工程监测，并做好超标准洪水的安全保坝措施。” 颍河白沙水库溢洪道泄洪闸设计 6 2001 年 7 月水利部大坝安全管理中心对白沙水库安全鉴定成果进行核查，核 查意见为：“大坝存在的主要问题是水库大坝防洪标准不满足部颁近期标 准，同意三类坝鉴定结论意见。” 另委托河南省水利科学研究所水利水电工程质量检测中心对白沙水库溢洪道 （土建部分）进行工程质量检测，并于 2002 年 2 月提出白沙水库溢洪道（土 建部分）工程质量检测报告和检测描绘图集。据现场测绘各个闸墩闸墙在 高程 6.0m 处有一条水平缝，缝宽较大且多为通缝；各个闸墩闸墙在中部区域， 均有一条自下而上的裂缝，分别达到或超出 6m 处的水平缝高度，缝宽 0.210.80mm，超声波检测 1#、3#、4#、5#墩为贯穿缝，2#、6#、7#墩未贯穿，两 边墙部位是否贯穿尚未查明；闸墩在上游墩尖，下游墩尾及墩身各部位，存在多 条裂缝，缝宽多在 0.101.35mm 之间，其中上游墩尖处大部分为水平缝，其余多 为不规则裂缝，超声波检测缝深在 65164mm 之间，大小裂缝总计有 570 余条。 闸底板共有裂缝 38 条，在每孔闸底板中部，均有 12 条垂直水流方向的裂缝， 缝宽一般在 0.220.71mm 之间，经超声检测，缝深在 30283mm 之间。主要结论 为：“闸室结构砼的强度、钢筋的配置均不能满足现行设计规范的要求，裂缝普 遍存在，一些受力部位的裂缝已经贯穿，碳化值普遍较高，土建部分维修加固方 案的优势已经失去，建议考虑其它解决方案。” 查阅白沙水库暨灌区志的记载和工程竣工图，发现泄洪闸建基面位于强 风化石英砂岩上，岩石破碎，施工中有多处坍塌；闸室结构强度不足，限于工程 建设期的经济环境和技术水平，闸室墩墙和底板砼标号太低，原设计为 140 号， 施工中为节约水泥，加入 15%的粉沙掺和料，实际上不足 140 号，一些部位仅有 90 号，且闸墩配筋率仅为（0.020.03）%，小于钢筋砼的最小配筋率，实为少筋 砼，而水工建筑物的挡水受力结构不宜采用少筋砼；工程竣工时已发现墩墙出现 裂缝，运行数十年，现在闸室裂缝普遍存在，七个中墩有四个中墩的裂缝已贯 穿，其余裂缝深度为 65164mm；右边墙倾斜 13cm，消力池边墙也发生变形。 2001 年 12 月2002 年 3 月，河南省水利勘测总队受河南省水利厅委托，对溢 洪道进行了地质勘探，揭露地层表明，老溢洪道闸室建基面在强风化带上，风化 层厚度为 0.56.1m，其中有薄层泥岩，岩体破碎，含泥量高，承载力低，抗剪强 度低，高水位时，闸室存在稳定问题。右岸翼墙地基断层发育，强风化厚度在 18m 以上，右岸翼墙存在稳定问题。闸基 78%的岩体具有中等透水性，闸基存在 渗漏问题。并于 2002 年 4 月完成了河南省白沙水库除险加固溢洪道工程地质 勘察报告。 河南省水利勘测设计院于 2001 年 3 月对溢洪道泄洪闸进行水力计算和稳定复 核，认为下游消力池边墙高度比允许值低 2.2m，整体稳定安全系数小于规范允许 值。由于溢洪道建成至今，没有高水位运行过，掩盖了其存在的安全隐患。 白沙水库溢洪道泄洪闸应根据水库规划指标，进行加固或重建 颍河白沙水库溢洪道泄洪闸设计 7 1.1 水库建设过程 1950 年 10 月中央人民政府政务院发布”关于治理淮河的决定”后,省治淮总 部于 1951 年元月组织力量对白沙水库进行勘测设计，1951 年 3 月开始施工至 1953 年 8 月建成。工程包括：拦河坝，长 1214m，坝型为均质土坝，坝顶高程 231.72m，最大坝高 42.5m。溢洪道为无控制开敞式溢洪道，宽 100m，底高 225.92m,最大泄量 572m3/s；输水洞为无压洞，横断面为 R=2.03m 的标准马蹄形 洞，进水口为上下双层四孔 1.751.75 的油压直升平板钢闸门，进口底高 195.92m，出口底高 194.86m，洞长 337.0m，最大泄量 230 m3/s。水库设计最高 洪水位 228.42m，总库容 1.88 亿 m3。此外尚有东付坝一座。 由于 1950 年设计时没有进行流域规划，设计洪水计算偏小，经 1954 年洪水 考验后，发现水库规划库容偏小，溢洪道设计的溢洪断面不够大，水库的安全标 准偏低，水库的效益未能充分发挥。为此于 1956 年 2 月1957 年 12 月进行了水 库扩建。扩建后的大坝坝顶长 1316m，顶宽 6.6m，最大坝高 47.88m，坝型由均质 土坝变为复式断面，坝顶高程 235.8m，防浪墙顶高程 237.0m。改原无控制的溢 洪道为新建 8 孔（128）弧形钢闸门控制的泄洪闸，闸顶高程 225.92m，最大泄 量 4280 m3/s。但 1958 年元月溢洪道泄洪闸8 扇弧形门安装完毕后，4 月为支援三 义寨引黄工程，拆走边孔6 扇建块石滚水坝，坝顶高程231.0m，直到1964 年 10 月 才恢复拆除的6 孔闸门。 建时除主坝及东付坝相应加高外，又增建一座西付坝及在主溢洪道东第一缺 口处修建了付溢洪道，底宽 180m，底部高程 234.0m，最大泄量 427m3/s。 1975 年汛后，为增强水库抗洪能力，在东付坝坝顶建爆破药室 17 个，以应 急需。 1997 年底又对输水洞进行了较全面的加固处理。在出口新建了弧形工作门及 引水岔管，输水洞由无压隧洞改为压力洞，洞身由马蹄形断面改为直径 3.3m 的 圆形断面。 1.2 水库目前存在问题 白沙水库坝顶高程 235.8m，防浪墙顶高程 237m，水库现状允许最高静水位 235.13m，调洪演算成果 1000 年一遇洪水位 235.51m，2000 年一遇洪水 236.29m，均超过水库现状允许最高静水位 235.13m，由此说明白沙水库的现有安 全标准不足 1000 年一遇，远低于国家防洪标准（BG50201-94）50002000 年 一遇标准的下限，实属险库。 其中溢洪道存在问题 （1）溢洪道 1956 年曾做过水工模型试验，试验结果表明：泄洪闸上下游流 态不好，影响东付坝安全，降低了水库的安全标准。 颍河白沙水库溢洪道泄洪闸设计 8 （2）泄洪闸闸室建在强风化的石英砂岩地基上，且右边孔跨在断层破碎带 上，闸基极不均匀。 （3） 闸墩单薄，砼质量不好，碳化严重，普遍存在裂缝，右边墩及 1、3、4、5 中墩存在上下贯通裂缝，左、右岸下游翼墙明显向内倾斜，其中右岸 翼墙倾斜达 13cm。 （4）溢洪道没有尾水渠，不能做正常溢洪道使用。 （5）溢洪道闸门启闭机已经运行四十年，有的已超过四十年，闸门埋件锈蚀 严重。闸门制作外观质量差，弧型闸门底部和右下角存在变形。所有一、二类焊 缝严重未焊透属于不合格焊缝。 （6）八台启闭机运行基本正常，其中 4、5 号两台启闭机为开放式减速器， 起升速度慢，齿轮磨损严重，大部分齿轮被拉伤，形成内槽，7 号机开式齿轮存 在局部裂纹，未扩展，减速器存在异常响声，3 号机开式齿轮存在大面积蜂窝状 铸造缺陷。 2 水文 白沙水库建设初期，因水文资料短缺，故只能采用有限的降雨资料推求设计 洪水，并依此进行工程规划，此后，多次进行过水文复核。1986 年和 1998 年我 院先后对白沙水库进行了水文复核且均编制有白沙水库水文复核报告。 2.1 流域概况 白沙水库位于淮河支流沙颍河流域颍河上游，坝址地理位置为东经 11315，北纬 3420。坝址以上控制流域面积 985km2。 颍河源于登封嵩山山脉，自西向东流经禹县、临颍、西华等县市，于周口以 上 3km 附近的孙咀注入沙河。颍河全长约 350km，水库以上长 56km，流域面积 7230km2，水库以上 985km2，占全流域的 13.6%，占颍河山区面积的 51.8%。颍河 白沙以上至禹县属山区，坡陡流急，禹县至颍桥进入丘陵区，颍桥以下进入平 原，始有堤防。水库以上有少林河，石冲河、鱼洞河、马峪河等支流，下游较大 支流有吴公渠，清淠河、清流河、柳塔河等。 颍桥以上为山丘区，面积约占全流域的 26.3%，平原区约为 73.7%。地势西北 高，东南低，海拨高程一般为 500550m，最高峰高程为 1512.4m。山区除少林 寺、中岳庙有少量松树复盖较好外，一般为灌木丛林，高程在 8001000m 以 上，植被较差；丘陵区为黄土地带，多为梯田，冲沟发育，复盖较厚，流域内土 壤类别，京广铁路以西为重、中粉质壤土，以东为中、轻粉质壤土，适宜于种植 旱作物，如：小麦、玉米等，兼作杂粮及经济作物。 颍河白沙水库溢洪道泄洪闸设计 9 颍河流域属于温带地区，气象特征为半干旱气候，春冬季节空气干燥少雨。 夏末秋初空气湿润，雨水较多，多年平均降水量为 650mm，年内分配很不均匀， 汛期 69 月降水量约占全年的 65% ，年际分配也不均匀，实测年最大降水量为 多年平均的 1.6 倍。颍河上游多山，地形起伏，每年夏季含有大量水汽，受地形 阻隔被迫上升，温度下降，遇冷空气而凝结，产生地形雨；此外，局部性的空气 对流产生的雷阵雨也较多见。气旋雨在本流域也经常出现，主要是北来的寒流和 南来的暖流，即高压与副高压在本地区形成相持的局面，停滞不前形成大暴雨， 如 1954、1956 年就是此种成因产生的大暴雨。 流域内多年平均降雨为 650mm，最大一日降雨量为 226mm；多年平均蒸发量为 1823mm，最大月蒸发量为 285mm，最小为 15.4mm；多年平均气温为 14.4C，极端 最高气温为 42.9C，极端最低气温为-13.9C；多年平均相对湿度为 68%，一日最 小相对湿度为 1%；多年平均风速为 2.7ms，最大风速为 19ms；最多风向为北东 风；多年平均气压为 1002.6 毫巴；最大积雪厚度为 21cm；多年平均霜降期为 59.4 天。 白沙水库下游河道标准较低，繁城吴公渠口段，于 1957 年治理过，除涝标 准仍为老二年一遇，设计流量 184 m3/s,防洪标准约 10 年一遇，平槽泄量 500 m3/s；吴公渠口至柳塔河口段于 1970 年治理过，除涝标准为 3 年一遇，设计流量 430 m3/s，防洪标准为 20 年一遇，平槽泄量 900 m3/s，颍河公路桥过水流量为 1500 m3/s，化行闸至繁城段平槽泄量约 700800 m3/s。 2.2 年径流复核成果 白沙水库年径流自建库以来已计算过多次，1986 年河南省水利勘测设计院在 白沙水库水文复核报告中将年径流系列从 1953 年1976 年延长到 1984 年共 31 年系列，计算得天然年径流均值为 1.64 亿 m3，CV=0.60，CS=2.0CV。本次年径 流复核，在 1986 年复核的基础上，将 1953 年984 年的实测年径流和天然年 径流系列进行了复核并把系列延长到 1997 年。实测年径流按水文年 65 月统 计，经计算，实测年径流均值为 124.79106m3。经还原计算，白沙水库 19531997 水文年天然年径流量均值为 153.79106m3。 经验频率计算采用数学期望公式：P=m/(n+1)；理论频率曲线采用 P型适 线，用矩法计算统计参数；均值采用计算值，Cv值在适线时作适当的调整，经适 线 Cv=0.60，Cs=2CV。 白沙水库天然年径流量统计参数成果如表 1。 表 1 白沙水库天然年径流统计参数成果表 年径流量参数各种保证率 P 的年径流量（106m3） 颍河白沙水库溢洪道泄洪闸设计 10 均值（106m3） 变差系数 （CV） 偏差系数 （CS=2CV） 25507595 153.790.601.202001378640 2.3 设计洪水复核成果 本次设计洪水复核亦采用了两种方法：一是根据雨量资料计算设计洪水，二 是根据流量资料计算设计洪水，经过分析（原因同上），最后选定的是根据雨量 资料计算设计洪水成果。水利水电工程设计洪水计算规范(SL44-93)在条文 说明中指出：“用暴雨资料推算设计洪水，中间环节比较多，资料条件和计算方 法都会给计算成果带来影响，因此在综合考虑各方面因素后，认为校核标准的成 果有偏小的可能时应加安全修正值。”通过与临近流域大型水库 10000 年一遇洪 峰和洪量模数的比较，认为选定的校核标准的洪水有偏小的可能，而尤以设计洪 量的偏小比较突出。综合考虑，白沙水库校核标准(2000 年一遇)洪水其洪量加 20%安全修正值。白沙水库设计洪水采用成果如表 1。 表 2 白沙水库设计洪水采用成果 重现 期 （年） 洪峰流量 （m3/s） 1天洪量 （万m3） 3天洪量 （万m3） 7天洪量 （万m3） 5 20 50 100 500 1000 2000 2140 4348 5821 7031 9592 10403 11176 5004 9480 12295 14391 19246 21196 27931 6155 11486 15021 17671 23760 26264 34604 6405 12491 16760 19959 27054 29996 39670 注：2000 年一遇洪量已加 20%安全修正值。 2.4 非汛期设计洪水 统计白沙水库 10 月初至次年 5 月末的历年最大旬径流量，得到 19531997 年共 45 年非汛期最大旬径流量系列，据此进行频率计算，得出白沙水库非汛期 最大旬径流量多年平均值为 850 万 m3，经适线 Cv=1.25，Cs:Cv=2.5。 白沙水库非汛期洪水过程线采用典型过程线放大法计算。1984 年 10 月上 表 3 白沙水库非汛期设计洪水成果表, 重现期 洪峰流 量 1 天洪 量 3 天洪 量 7 天洪 量 10 天 洪量 放大系 数 颍河白沙水库溢洪道泄洪闸设计 11 (年) (m3/s) (万 m3) (万 m3) (万 m3) (万 m3) 10735191252184820740.392 201047451797265229750.563 典型年 （1984） 1851323319147115288 北汝河 紫罗山 旬径流量介于 10 年、20 年一遇洪水之间，作为典型过程。因白沙水库观测 时段较长（10 天只有 8 个点据），只能借用邻近水文站的过程线，北汝河紫罗山 水文站与白沙水库同属沙颍河流域，借用其流量过程作为典型过程线。N=10 年、20 年的设计洪水值如表 3。 3 工程地质 白沙水库位于禹州与登封交界处，地貌单元属低山丘陵区，山顶多呈平顶和 浑园状，属构造剥蚀地貌，库区河道弯曲，河谷开阔，两侧发育有一、二级阶地 和河漫滩。 库区出露古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二迭系及新生界第四系地层。寒 武系中统下部以紫红色砂页岩为主要特征，上部以厚层鲕状灰岩、豹皮灰岩为 主，上统主要为厚层状白云岩；奥陶系出露中统马家沟组地层，岩性为薄层状泥 质灰岩和厚层角砾状灰岩；石炭系出露中上统地层，中统本溪组为杂色铝土矿和 铝土页岩，上统太原组为灰色厚层含燧石团块灰岩夹煤层；二迭系上下统地层在 库区均有出露，下统主要为灰黄色泥质页岩及石英砂岩夹煤层，上统以紫红色厚 层石英砂岩为特征；第四系上更新统地层分布在河流二级阶地，岩性为褐黄色黄 土状中粉质壤土和褐红色重粉质壤土，全新统下段分布在河流一级阶地，主要为 卵石。 库区控制性构造为白沙向斜，其轴向 320330，发育在古生界地层中， 核部多为第四系地层所覆盖，延伸长度约 30km，向东南方向倾伏，两翼产状平 缓，发育有一系列小型次级褶皱。发育的断层主要有东西北西和北北东北东 向两组，前者多为压性、压扭性，后者多为张扭性。 库区周围山体宽厚，所测地下水位均在设计水位以上，虽有较大的断层存 在，但多为第四系土层所覆盖，出露高程均在 230m 以上，不存在水库渗漏的地 质条件，建库 50 年来亦未发现库区渗漏问题；石炭系铝土矿层分布在 250m 高程 以上，不存在淹没问题。1987 年对左岸废弃的煤井进行调查，井内及附近地下水 位高程为 236245.5m，均在最高库水位以上，且高出当时库水位 16.5926.09m,矿井涌水与水库蓄水关系不大。水库周围岸坡低缓，除局部有小 颍河白沙水库溢洪道泄洪闸设计 12 规模坍塌外，库岸基本稳定。水库周围及上游有大面积的页岩、黄土状土分布， 植被不好，水土流失严重，水库存在着较为严重的淤积问题；库区地震烈度 度，区域稳定性较好，库区虽有大的断裂存在，但在水体以下多为第四系土层覆 盖，阻断了库水沿断层下渗的途径，不存在水库诱发地震的条件，建库 50 年来 未出现水库诱发地震。 主溢洪道：泄洪闸座落在强风化石英砂岩上，裂隙发育，岩体呈中等至强透 水，工程地质条件差，存在闸基渗漏、抗滑稳定和不均匀沉陷问题，应对闸基稳 定性进行复核，并采取必要的处理措施。如建新闸，溢洪道中心线须左移 25m 以 上，基础降低置于弱风化岩石上，但存在闸基渗漏问题，应采用帷幕灌浆处理， 闸室左岸与东付坝连接处边坡高 20m 左右，应采取必要的处理措施。 4 除险加固任务和规模 4.1 除险加固任务 白沙水库是建国初期治淮第一批兴建的大（II）型水库，是以防洪灌溉为 主，兼顾工业供水、水产养殖、旅游等综合利用的大型水利枢纽工程。 白沙水库目前的现状为坝顶高程 235.8m，防浪墙顶高程 237.0m，坝顶超高 1.873m，水库现状允许最高水位为 235.13m。 白沙水库总库容大于 1.0 亿 m3，属 II 等工程，其校核洪水标准根据 GB5020194防洪标准规定应为 50002000 年一遇，根据 1998 年复核的设 计洪水成果、现状工程和目前水库的调度运用方式进行调洪演算，其结果 1000 年一遇洪水位为 235.51m，2000 年一遇洪水位为 236.29m，因此，白沙水库的安 全标准不足 1000 年一遇，尚不能满足其下限 2000 年一遇。根据 2001 年 3 月河 南省水利勘测设计院编制的河南省白沙水库大坝安全论证报告，其鉴定结论 为白沙水库的抗洪安全性为 C 级，属险库。因此，除险加固的首要任务是提高水 库的安全标准。此外，水库已运行 40 余年，也存在一些急需解决的问题，因 此，本次除险加固的任务是：在维持原规划的建库任务及效益的前提下，提高水 库安全标准，解决水库存在的遗留问题。 4.2 除险加固洪水标准 按照中华人民共和国国家标准 GB5020194防洪标准,白沙水库总库容界于 101.0 亿 m3，工程等别属 II 等，工程规模为大(2)型。II 等工程的永久性主 要水工建筑物级别为 2 级，其防洪标准，设计 500100 年一遇，校核 50002000 年一遇。根据白沙水库的现状和地形、地质条件，设计和校核标准均 颍河白沙水库溢洪道泄洪闸设计 13 选其下限，亦即正常运用洪水标准为 100 年一遇，非常运用洪水标为 2000 年一 遇。 5.溢洪道泄洪闸设计 5.1 方案的说明 方案 1：老闸拆除，新建七孔新闸 从上述两种老闸加固的方案可明显看出，老闸加固存在不少问题。拟将八孔 老闸拆除，在原闸址新建七孔泄洪闸。新闸堰顶高程 223.0m，七孔，每孔净宽 12m，总净宽 84m。调洪演算成果 100 年洪水位 231.97m，泄量 1000m3/s，2000 年 洪水位 235.25m，下泄量 7048m3/s。泄洪闸按 100 年一遇洪水设计，2000 年一遇 洪水校核。下游消能按 50 年一遇洪水设计，100 年一遇洪水校核。见附图 5.3-5 及方案比较图集。 新泄洪闸工程布置 泄洪闸工程包括上游引渠段、上游铺盖段、闸室控制段、下游消能段、下游 海漫段和尾水渠段。 以闸室底板前沿做为溢洪道的 0+000 桩号，溢洪道中心线位于勘探中心线左 边 4m 处。 0-211.850+000 为上游引渠段，长 211.85m。前 181.85m 底部不做护砌，两 岸边坡为 1:0. 5，底宽为 99m，渠底高程为 219.5m；闸前 30m 为铺盖段，护底为 0 .2m 厚的砼，两岸为圆弧型翼墙，圆弧半径为 45m，墙顶高程为 236.1m，采用 半重力式挡土墙。 0+0000+23.5 为闸室控制段，泄洪闸采用 7 孔闸，每孔净宽 12m，采用流量 系数较大的实用堰型闸底板，堰顶高程 223m，上游堰高 3.5m，下游堰高 6.5m， 闸孔总净宽 712=84m，闸室长度 23.5m，中墩厚.5m，墩顶高程为 236.1m，边墩 为衡重式。闸室堰上设 128m 弧型钢闸门 7 扇。 0+023.50+103.5 为闸后消能段。0+023.50+073.5 为闸后斜坡段，底部坡 降为 1:40，墙顶高程由 230m 渐变至 223.05m；之后接消力池，池深 2.0m，池底 高程 213.25m，池长 22m，两岸为衡重式挡土墙。 0+103.50+173.5 为海漫段。海漫底部高程 215.25m，护底厚度为 0.4m，0+143.50+173.5m 为 30m 长的扭曲渐变段，之后与下游地面自然连接。溢 洪道做工程段全长 485.45m。 方案 2：，老闸拆除，新建五孔新闸 新闸堰顶高程 222.0m，五孔，每孔净宽 12m，总净宽 60m。调洪演算成 果：100 年一遇洪水位 231.85m，下泄流量 1000m3/s，2000 年一遇洪水位 235.56m，下泄流量 5922m3/s。泄洪闸按 100 年一遇洪水标准设计，2000 年一遇 颍河白沙水库溢洪道泄洪闸设计 14 洪水标准校核，下游消能按 50 年一遇洪水设计，100 年一遇洪水校核。工程布置 见附图 5.3-7 及方案比较图集。 新泄洪闸工程布置 根据最新地质勘探资料建议，溢洪道泄洪闸中心线较原中心线向左平移 17.75m，以闸室底板前沿做为 0+000 桩号。 0-2050+000 为上游引渠段，长 205m。前 175m 底部不做护砌，两岸边坡为 1：0.5，底宽为 70m，渠底高程为 218.5m；闸前 30m 为铺盖段，护底为 0.2m 厚 的砼，两岸为圆弧型翼墙，圆弧半径为 45m，墙顶高程为 236.6m，采用半重力式 挡土墙。 0+0000+026 为闸室控制段，泄洪闸采用 5 孔，每孔净宽 12m，堰顶高程 222m，闸孔总净宽为 60m，闸室长度 26m。闸室采用上游堰高 3.5m，下游堰高 6.5m 的实用堰。中墩厚 2.5m，墩顶高程 236.6m，闸室总宽 70m，堰上设 129.5m 的弧形钢闸门 5 扇。 0+0260+113 为闸后消能段。0+0260+076 为闸后斜坡段，底部坡降为 1:40，墙顶高程由 230m 渐变至 223.8m；之后接 1:4 的陡坡段；0+0860+113 为 消力池段，池深 2.5m，池底高程 211.75m，池长 27m，两岸为衡重式挡土墙。 0+1130+183 为海漫段。海漫底部高程 214.25m，护底厚度为 0.4m，0+1530+183m 为 30m 长的扭曲渐变段，之后与下游地面自然连接。溢洪道 做工程段全长 485.45m。 5.2 方案比较 从调洪演算和工程布置来看，方案需新建七孔泄洪闸，闸室较宽，闸室堰 顶高程 223.0m。由于闸址区地质条件复杂，右边岩石破碎，位于断层影响带，岩 质软弱，易产生不均匀沉陷，需进行地基处理，但处理难度较大，为使进流顺 畅，右岸山包需进行削坡处理。由于尾水渠偏向右侧，闸室不宜向左偏移太多， 且向左偏移需挖东副坝，建堵坝，投资增加，闸坝接头处理费用较高。此方案闸 室宽度大，尾水渠宽度大，增加了征地的难度。从工程投资进行比较，方案的 工程投资比建新闸的方案 IV 增加约 16%。因此，方案 II 亦不是最优方案。 从调洪演算结果来看，方案需建五孔闸，闸室堰顶高程 222.0m。由于闸 址区左岸约 85m 范围地质条件较好，右边位于断层影响带，岩石破碎，岩质软 弱，五孔闸闸基总宽度 75m，可充分利用左岸良好的地质条件，闸底板适当降低 后，使其位于较好的弱风化地基上，闸室受力均匀，结构稳定性好，工程安全可 靠。 溢洪道中心线左移以后，工程总体布置较为合理，进出口水流条件较好，五 孔闸过水断面的总宽度为 70m，是经方案比较尾水渠规模最小的。 颍河白沙水库溢洪道泄洪闸设计 15 大坝结合上游坝坡翻修，坝顶防浪墙加固和坝顶路面翻修加高 0.5m，使大坝 面貌焕然一新，结合观测设施布设，使坝体状况更为完善。 从工程投资比较分析，方案 II 投资最省。 综上所述，从工程布置、调洪演算、投资比较、施工方便和工程的安全可靠 度诸方面进行综合分析，方案 II 的优势是显而易见的，因此推荐方案为方案 II。 5.3 设计基本资料 5.3.1 基本资料 5.3.1.1 工程等别和建筑物级别 按国标防洪标准规定，白沙水库工程等别应为大（2）型，泄洪闸为 2 级 建筑物。 5.3.1.2 洪水标准 白沙水库总库容 2.78 亿 m3，属大型水库，泄洪闸设计标准为 100 年一遇， 校核标准为 2000 年一遇。据溢洪道设计规范（SL2532000）闸下消能防冲 设计标准按 50 年一遇，校核标准 100 年一遇。 表 4 水库规划指标表 20 年泄水流量（m3/s）200 20 年设计库水位（m）229.43 50 年泄水流量（m3/s）500 50 年设计库水位（m）230.96 100 年泄水流量（m3/s）1000 100 年设计库水位（m）231.85 续表 4 2000 年泄水流量（m3/s）6630 2000 年设计库水位（m）235.56 闸室堰顶高程（m）222.0 孔数（孔）5 闸孔口尺寸（m）（宽高）129.5 5.3.1.4 设计参数 （1）水库规划指标 （2）地质参数 颍河白沙水库溢洪道泄洪闸设计 16 泄洪闸建基面位于 P2sh5弱风化石英砂岩上，根据白沙水库溢洪道 2002 年 3 月地质资料，闸室稳定计算采用力学参数如下： 摩擦系数 f=0.55 粘结力 c=0.2MPa 承载力标准值 fk=2.0MPa 5.4 溢洪道轴线选择 原泄洪闸为开敞式平底板闸，闸轴线与东副坝交角 2.93。溢洪道中心线基 本呈倒“S”型，闸室段垂直于闸轴线。原闸自建成后由于种种原因 40 多年来并 未过水，但根据原水工模型试验，由于受进口右岸山包影响，且左岸导水墙长度 及高度不足，闸室进流条件较差，导致闸前产生很大横比降，影响到闸室边孔的 过流能力。另外，从地质勘探情况看，老闸闸基中左边地质条件较好，基岩为硅 质胶结或铁泥质胶结石英砂岩，岩芯采取率高，完整性好；闸室右边孔附近有 f81 断层穿过，基岩为 P2sh3泥质粉砂岩，岩芯采取率低，强风化深度大，透水性 强。本次除险加固考虑地形、地质及水流条件，将中心线沿溢洪道地质勘探中心 线向左岸偏移 17.75 米。轴线上 O1点（桩号 0-205.5）大地坐标 x=3801848.061、y= 38432153.679；O2点（桩号 0+163.8）大地坐标 x=3801592.458、y=38432416.060。溢洪道尾水渠依据地形布置，轴线向左偏 转，同 O1、O2 两点连线夹角为 83.17，末端 O3点（桩号 0+285.8）大地坐标 x=3801515.964、y=38432516.049。闸轴线垂直于溢洪道中心线，同东副坝中心 线平行。闸室前沿桩号确定为 0+000，与勘探闸室横剖面 IIII（对应桩号 0+004.8）的水平距 4.8 米。 5.5 溢洪道工程布置 溢洪道建筑物总长 491.3 m，分上游引渠段、进口圆弧墙段、闸室控制段、 闸后陡坡及消力池段和出口尾水渠段共五部分。 5.5.1 上游引渠段（0-205.50-030） 进口引渠段桩号 0-205.50-030，中心长度 175.5 米。引渠呈梯形断面，渠 底宽度 70.0m，渠底高程 218.5m，两岸边坡 1：0.75 与原地面相连，进口表层覆 盖层部分可放缓至 1：1.5。引渠两侧边坡以 10 厘米厚喷混凝土防护，引渠底部 不做护砌。 5.5.2 进口圆弧墙段（0-0300+000） 桩号 0-0300+000，中心线长度 30 米。两岸为半径 R=45m，圆心角 42的 圆弧翼墙，左右岸对称布置，圆弧翼墙末端与闸室边墙平顺连接。圆弧墙根据地 形布置，分成两部分，前端 0-0300-020 采用半重力混凝土墙，建基面高程 223.5m，墙顶高程 236.3m。0-0200+000 两侧采用衡重墙，墙底高程 217.0m， 颍河白沙水库溢洪道泄洪闸设计 17 基础宽度 3.0m，墙背坡度 1：0.3，衡重台高程 225.5m，墙顶高程 236.3m。圆弧 墙混凝土标号 C15 。0-030 至闸室前沿引渠底板采用 20cm 厚混凝土护底，混凝 土标号 C15， 两侧边坡 1：0.75，与圆弧翼墙呈弧线连接。 5.5.3 闸室控制段（0+0000+025.5）通过水力计算和堰面曲线计算，堰体 采用低实用堰，堰顶高程 222.0m。堰面曲线拟定参照溢洪道设计规范附录 A 之规定，上游由三圆弧组成，圆弧半径从前至后分别为 R3=0.368m、R2=1.84m、R1=4.6m。三圆弧末端为堰轴线位置，相对桩号 0+007.094。堰面下游采用 WES 幂曲线型式，曲线方程 y=0.0758x1.85，后接半径 为 16.5m、圆心角 38.0的反弧和长 0.946m 平段。堰体上游高 3.5m，下游堰高 6.5m，堰体总长 21.0m。堰体表面 0.8m 厚采用 C20 钢筋砼，堰体内部采用 C15 素 砼填筑。 闸室共五孔，单孔净宽 12m，总宽度 70.0m，闸室长 25.5 米，闸底板前沿桩 号 0+000，末端桩号 0+025.5。闸墩顶高程 236.3m，高于水库 2000 年校核洪水位 235.56m，同东副坝顶平。闸室为开敞式实用堰结构，设五扇弧型钢闸门，闸门 高 9.5m，门顶高程 231.33m，采用卷扬启闭机控制。中墩厚度 2.5m，底部和两侧 堰体浇筑成一体，单孔基础总宽度 14.5m，建基面高程 215.5m，闸室前趾处设 2.5m 宽齿槽，齿槽底高程 215.0m，闸基在 0+012.5 处为斜坡段，末端高程 213.0m，后接 3m 长水平后趾。边墩为衡重式侧墙，和边孔堰体整体连接，墩顶 宽度 1.5m，底宽 3.25m，墙背坡度 1：0.3，衡重台高程 225.0m，边墩底部型式 同中墩。闸墩牛腿轴线同水平线夹角为 14，牛腿总长 3.0m，宽 1.6m，牛腿外 悬厚度 1.4m，闸门轴高程为 227.83m，门轴距闸室后趾水平距为 6.522m。闸墩混 凝土标号为 C25，牛腿及周围应力集中部位采用 C30 砼。闸室每孔堰体中间设沉 降缝，分缝处以止水带和混凝土塞与防渗帷幕封闭连接，边墩后侧设刺墙一道， 深入东副坝及右侧堵坝心墙内部组成侧向防渗体。闸顶上游设汽10 级交通桥连 接两岸交通，桥宽 5.0 米，交通桥中心线桩号 0+006.2。交通桥后墩顶抬高，上 部设启闭机操纵室，宽 6.0 米