目 录
1 综合说明 ......................................... 5
1.1绪 言 .............................................. 5 1.2水 文 .............................................. 7 1.3地 质 .............................................. 8 1.4工程任务与规模 .................................... 12 1.5 工程布置及主要建筑物 .............................. 13 1.6机电及金属结构 .................................... 15 1.7 消防设计 .......................................... 15 1.8 施工组织设计 ...................................... 15 1.9节能设计 .......................................... 16 1.10工程占地 ......................................... 17 1.11环境保护设计 ..................................... 17 1.12水土保持设计 ..................................... 17 1.13工程管理设计 ..................................... 18 1.14工程投资概算 ..................................... 19 1.15经济评价 ......................................... 19 1.16工程特性表 ....................................... 19
2 水 文 ......................................... 22
2.1流域概况 .......................................... 22 2.2设计洪水复核 ...................................... 22 2.3施工期洪水 ........................................ 29
第 1 页 共 75 页
2.4年径流及典型年 .................................... 29 2.5水库蒸发、渗漏损失................................. 30 2.6水库泥沙淤积 ...................................... 30
3 工程地质 ......................................... 31
3.1概 述 ............................................. 31 3.2库区工程地质及水文地质条件 ......................... 31 3.3枢纽区工程地质条件................................. 32 3.4天然建筑材料 ...................................... 36
4 工程任务和规模 ................................... 37
4.1工程概述 .......................................... 37 4.2农业灌溉用水 ...................................... 37 4.3水库调洪计算 ...................................... 38 4.4水库坝顶高程复核 .................................. 41
5 工程布置及建筑物 ................................. 45
5.1设计依据 .......................................... 45 5.2除险加固工程主要内容 ............................... 46 5.3大坝除险加固工程 .................................. 47 5.4溢洪道除险加固工程................................. 57 5.5输水洞加固工程 .................................... 59 5.6管理设施完善 ...................................... 60
6 机电及金属结构 ................................... 61
6.1电气设计 .......................................... 61
第 2 页 共 75 页
6.2金属结构 .......................................... 61
7 消防设计 ......................................... 62
7.1消防设计依据及设计原则 ............................. 62 7.2工程消防设计 ...................................... 62
8 施工组织设计 ..................................... 63
8.1施工条件 .......................................... 63 8.2施工导流 .......................................... 64 8.3主体工程施工 ...................................... 64 8.4施工交通 .......................................... 71 8.5施工工厂设施 ...................................... 71 8.6施工总体布置 ...................................... 72 8.7施工总进度 ........................................ 73 8.8施工组织机构及主要技术供应 ......................... 74
第 3 页 共 75 页
史家
南阳市方城县史家庄水库工程位置图
第 4 页 共 75 页
1 综合说明
1.1绪 言
1.1.1工程概况
史家庄水库位于南阳市方城县拐河镇史家庄澧河支流上，属淮河流域沙颍河水系。水库控制流域面积0.4km2，坝址以上河道干流长度1.5km，平均自然比降0.04。水库下游有下游共有人口800人，耕地500亩，地理位置重要。史家庄水库是一座以防洪、灌溉为主，并可发展水产业等综合利用的小(Ⅱ)类水库。水库自建成以来，在改善当地农业生产条件，保护下游防洪安全等方面，发挥了较大的社会效益和经济效益。
该水库于1973年6月兴建，12月建成，本次初步设计复核水库总库容10.76万m3，其中兴利库容10.42万m3，死库容0.38万m3，实际灌溉面积200亩。
水库枢纽工程由大坝、溢洪道和输水洞等组成。
大坝为均质土坝，现状坝顶高程为232.00～232.60m，最大坝高10.8m，坝顶全长142m，为土路面，宽3m，无防浪墙及路沿石。上游坝坡坡率1:2.3～2.7，为干砌块石护坡，下游坝坡坡率1:2.3～2.9，自然草皮护坡，无排水沟、排水体。
溢洪道位于大坝右侧，紧邻坝端，为开敞式明渠。现状进口底高程230.39m，底宽13m，最大泄流量14.4m3/s，总长56m。目前，溢洪道左侧浆砌石挡墙破损严重，基础岩性较差；右岸边坡不规整；底部为残坡积含砾粉质粘土，未护砌，冲刷破坏严重，不能安全泄洪。
输水洞位于右坝肩下，为无压浆砌石拱涵，洞径0.5×0.65m，进口底高程224.85m，最大泄量0.5m3/s。目前进口淤积，斜拉闸门启闭设施损坏，启闭机房损毁严重，出口破损。
1.1.2缘 由
大坝1973年建成至今已40年，在工程、管理和防汛等诸多方面存在问题，水库带病运行，到目前为止在运行中发现许多问题急待解决。
2012年8月，方城县水利局委托河南省沙颍河勘测设计院对大坝进行了地质勘察和坝体质量检查，基本查清了存在问题。勘察成果表明：
第 5 页 共 75 页
⑴史家庄水库所处位置为低山区，库区岩性主要为下元古界角闪片岩及第四系残坡积含砾粉质粘土，库岸山体浑厚，分水岭以外无深切谷，无较大断裂发育及通往库外的构造破碎带，不存在库水渗漏问题。
⑵库区山体自然边坡多为20～40°，未有大的滑坡、崩塌体等物理地质现象，库岸处于稳定状态。
⑶库区岩性为下元古界角闪片岩，表部多呈强风化状态，第四系堆积物在库岸坡脚处以及缓坡上多有分布，山坡植被较差，固体迳流物来源广，水库存在淤积问题。
⑷大坝左坝段0+000～0+025上部岩性为第四系残破积粉质粘土，渗透系数K=8.18×10-6cm/s，微透水，下部岩性为强-弱风化下元古界角闪片岩，岩石透水率4.75Lu，弱透水；桩号0+025～0+060坝段坝基岩性为下元古界强风化角闪片岩，岩石透水率4.08Lu，弱透水；桩号0+025～0+060段存在渗漏问题；右坝肩坝基岩性为下元古界角闪片岩，岩石呈强风化状态，透水率7.36Lu，弱透水；桩号0+110～0+140段存在渗漏问题。
⑸大坝为均质土坝，坝顶上部有4.5m厚的风化砂，分布在坝顶高程 227.50m以上。粘性土最优含水量为19.15%，最大干密度为1.720g/cm3；风化砂最大干密度1.836g/cm3，最小干密度1.428 g/cm3。
坝体压实不均匀，按照现行规范要求，坝体粘性土干密度合格率为27.3%，风化砂压实度合格率为28.6%。建议对坝顶风化砂及桩号0+025～0+060段，高程230.50m以下坝体采取合适的防渗处理措施。
⑹输水洞周围坝体渗透系数K=3.61×10-4cm/s，中等透水，存在接触渗漏问题；输水洞基础座于下元古界强风化角闪片岩上，岩石弱透水，承载力特征值500kPa。
⑻溢洪道左岸岩性为坝体填土，护砌高度不足，且浆砌石挡墙损坏，建议进行加固处理；底板岩性为含砾粉质粘土建议做硬化处理；右岸岩性为下元古界强风化角闪片岩，岩石破碎、松动，边坡不稳定，底板冲刷重，建议对右岸边坡进行衬砌。
⑼该区地震动峰值加速度值小于0.05g，相当于地震基本烈度小于Ⅵ度，动反应谱特征周期0.35s，应据此设防。
第 6 页 共 75 页
受方城县水利局委托，依据《水利水电工程初步设计报告编制规程》DL5021－93和《方城县拐河镇史家庄水库工程地质勘察报告》等，我院编制了此次《方城县史家庄水库除险加固工程初步设计报告》。
本次除险加固设计主要任务是针对水库目前存在的问题，根据有关地质、测量资料及有关规范、规程，进行除险加固工程设计。
1.2水 文
1.2.1流域概况
史家庄水库位于南阳市方城县拐河镇史家庄澧河支流上，属淮河流域沙颍河水系。控制流域面积0.4km2，主河道长1.5km，河道平均比降0.04。水库上游为浅山区，植被较差，水土流失较严重。
1.2.2气 象
史家庄水库所在区域属温带向亚热带过渡地带，四季分明，气候变化受季风影响，其特征为：夏季多雨、冬干晴燥、春旱多风、秋风细雨，冷暖及旱涝变化较突出。多年平均气温14.5℃，极端最低气温-16℃（发生在1969年），全年平均日照时间2147.6h，四季中夏季日照时间最长,冬季最少,全年无霜期221d，初霜日最早出现在10月份，终霜时最晚出现在4月份。该区多年平均降水量年际变化大，多年平均降水量为850mm，年内降水不均，6～9四个月的降水量约占全年的60%以上，冬季雨雪稀少，约占全年降水量的5%左右。由于降水时空分布不均，年内年际变化大，易发生洪涝和旱灾。
1.2.3径 流
史家庄水库无径流资料，由《河南省水资源》（河南省水文水资源局，2007年）得史家庄水库多年平均径流深为260mm，多年平均径流量为1.04万m3。
1.2.4洪 水
区内洪水主要由夏季降雨所形成，大洪水一般发生在7、8月份，洪水特点为：洪峰高、洪量大、历时短、陡涨陡落。
（1）防洪标准
属小型（Ⅱ）类水库，工程等别为Ⅴ等，永久性主要建筑物为5级，水库上游位于山丘区、坝高为10.8m，确定设计洪水标准采用20年一遇，校核洪水标
第 7 页 共 75 页
准采用200年一遇。
（2）设计洪水计算复核
水库无实测水文资料，流域内邻近地区没有实测的洪水流量资料，水库控制流域小于200km2，本次设计暴雨洪水依据《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》（1984年）进行计算。经与2005年版《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》相比较(比较成果详见表2-1)，洪峰流量及洪量值基本一致，且“84图集”计算结果略大于“05图集”，为安全起见，本次采用“84图集”为计算依据，20年一遇洪水总量为11万m3，洪峰流量为13m3/s；200年一遇洪水总量为21万m3，洪峰流量为22m3/s。
（3）施工期洪水
根据《水利水电工程施工组织设计规范》（SL-2004），该工程临时性水工建筑物洪水标准为５年一遇，设计采用已经批复的温庄水库施工期洪水资料，按照面积倍比法计算，史家庄水库非汛期5年一遇洪水总量为0.87万m3。
1.2.5泥沙及水库淤积
水库目前坝前淤积高程224.88m，40年淤积量为0.25万m3，平均每年淤积量为0.0063万m3，剩余死库容能够满足水库除险加固后再使用30年，因此本次除险加固保持原死水位225.19m。
1.3地 质
1.3.1库区工程地质及水文地质 1、工程地质条件
史家庄水库所处位置为低山区，山体总体走向NW～SE，地势北西高～南东低，自然边坡多在20°～40°之间，植被较差。海拔多为222～232m，相对高差约在5～20m之间。
库区河流流向自北西流向南东，河宽20～40m不等，多呈“U”型谷，河床两岸分布第四系堆积物。
分布于库区的地层岩性主要为下元古界角闪片岩及第四系松散堆积层。 ⑴下元古界角闪片岩(Pt1-Jsc)：分布于整个库区，鳞片变晶结构，片状构造。岩层产状：倾向230°，倾角65°。
第 8 页 共 75 页
⑵第四系堆积物：主要为第四系残坡积粉质粘土，分布于冲沟、坡脚及山间平缓地段，可塑-硬塑状态，含少量碎石，粒径2-3cm。
2、水文地质条件
库区地下水类型为基岩裂隙水和第四系松散岩类孔隙潜水。
⑴基岩裂隙水：主要储存于下元古界角闪片岩中，受构造及岩石裂隙发育程度的控制，接受大气降水入渗补给，向分水岭两侧及低凹处运移排泄。该区基岩裂隙水不甚发育，水质较好。
⑵松散岩类孔隙潜水：主要为埋藏于残坡积含砾粉质粘土层中的潜水，水文地质条件简单，蓄水条件较差，水量较少，与河水的水力联系密切。
3、库区渗漏
库区岩性主要为下元古界角闪片岩，库岸山体浑厚，分水岭以外无深切谷，无较大断裂发育及通往库外的构造破碎带，故不存在库水渗漏问题。
4、库岸稳定及固体径流
库区山体自然边坡多为20～40°，未有大的滑坡、崩塌等物理地质现象，库岸基本处于稳定状态。
库区山坡植被差，固体迳流物来源广，故水库存在淤积问题。
5、水库地震
根据《中国地震动参数区划图》，该区地震动峰值加速度小于0.05g，相当于地震基本烈度小于Ⅵ度，动反应谱特征周期0.35s。
1.3.2枢纽区工程地质
坝址区地层岩性主要为下元古界角闪片岩及第四系松散堆积层。
⑴下元古界角闪片(Pt1-Jsc)：分布于整个坝址区。风化面黄色、灰黄色，新鲜面灰白、灰绿色，鳞片变晶结构，片状构造，主要矿物成份为石英、正、斜长石、云母，其次为少量的绿泥石、角闪石及黄铁矿等，岩石节理裂隙发育。岩层产状：倾向230°，倾角65°。
⑵第四系残坡积粉质粘土(Qel+dl)：主要分布于冲沟、坡脚及山间平缓地段带。褐黄色，可塑～硬塑状态，结构较密，含砾石、风化岩屑较多，砾石粒径一般2～10mm，坝轴线部位施工时右坝肩及河槽处已清除。
第 9 页 共 75 页
⑶坝体土（rQ）
①砂性填土：该层主要分布在大坝桩号0+020～0+142段高程227.50～228.10m以上，填筑材料以砾砂为主，灰黄色，成分主要为含风化砂，含少量砾石。
②粘性填土：该层主要分布在高程227.50～228.10m以下。填筑材料以粉质粘土为主，褐黄色，可塑～硬塑状态，含风化岩屑、砾石及铁锰结核。
1.3.3坝基工程地质条件及评价
左坝肩自然坡度40°，上部岩性为第四系残破积粉质粘土，厚5.9m，渗透系数K=8.18×10-6cm/s，微透水，下部岩性为下元古界角闪片岩，强风化厚度1.3m，以下为弱风化角闪片岩，岩石透水率4.75Lu，弱透水。
河槽段坝基岩性为下元古界角闪片岩，强风化厚度2.2m，以下为弱风化岩石，岩石透水率4.08Lu，弱透水。现场查看该段下游坝坡处有渗水明流，坝下游形成沼泽及积水坑。通过进行野外钻孔注水试验，该段坝体土渗透系数3.61×10－4cm/s，属中等透水，存在渗漏问题。
右坝肩山体自然坡度40°，坝基岩性为下元古界角闪片岩，强风化厚度1.8～2.7m，以下为弱风化岩石，岩石透水率3.86～4.67Lu，弱透水。现场查看该段下游坝坡处有渗水明流，坝下游形成沼泽及积水坑。通过野外钻孔注水试验，该段坝体土渗透系数为2.79×10－4cm/s，属中等透水，存在渗漏问题。
1.3.4坝体质量检查及评价
该水库大坝为均质土坝，最大坝高10.8m，坝长142m。坝顶有4.5m厚的风化砂，分布在坝顶高程 227.50m以上。高程227.5m以下填筑材料为粉质粘土。通过对坝体填筑材料取样进行击实试验和相对密度试验，粘性土最优含水量为19.15%，最大干密度为1.72g/cm3；风化砂最大干密度1.836g/cm3，最小干密度1.428g/cm3。
根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》SL189-96，粘性土压实度应为95～97%，非粘性土的相对密度不低于0.70，因此粘性土质量评价以压实度的95%(1.634g/cm3)，风化砂以相对密度0.70进行评价。
本次大坝质量检查沿坝轴线布设钻孔5个，取原状土样25件，由室内土工试验成果，⑴粘性土填筑料干密度范围值1.559～1.662g/cm3，均值1.620g/cm3，
第 10 页 共 75 页
其中ρd≥1.634g/cm3的占27.3%，1.634g/cm3＞ρd≥1.60g/cm3的占63.6%，ρd ＜1.60g/cm3的占9.1%。⑵风化砂填筑料干密度范围值1.618～1.708g/cm3，均值1.661g/cm3；相对密度范围值Dr=0.503～0.709，均值0.606，Dr≥0.7的占总数的28.6%。综合评定坝体粘性土干密度合格率为27.3%，风化砂压实度合格率为28.6%，坝体压实不均匀，达不到规范要求。
坝体土室内渗透试验，⑴粘性土填筑料渗透系数7.10×10-6cm/s；钻孔注水试验渗透系数7.26×10-5cm/s，属弱透水。桩号0+025-0+060段230.50m高程以下坝体渗透系数为3.61×10-4cm/s，中等透水，该段坝体存在渗漏问题。⑵风化砂填筑料渗透系数4.43×10-4cm/s；钻孔注水试验渗透系数3.89×10-4cm/s，中等透水。
由室内试验得出，⑴粘性土填筑料饱和固结快剪指标算术平均值C=32.7kPa、φ=17.7°，小值平均值C=31.4kPa、φ=17.0°。⑵风化砂填筑料自然快剪指标算术平均值C=0.0kPa、φ=30.8°，小值平均值C=0.0kPa、φ=29.4°。
坝体土现状呈中等压缩性。
1.3.5溢洪道及输水洞工程地质条件及评价
溢洪道右岸山体岩性为下元古界角闪片岩；左岸与坝体连接段为浆砌石挡墙，破损严重，墙基和溢洪道底部岩性为残坡积含砾粉质粘土，未硬化，不能安全泄洪。
输水洞顶部坝体填料含砾粉质粘土，干密度平均值ρd=1.62g/cm3，压缩系数αV1-2=0.24MPa-1，中等压缩性；洞周坝体渗透系数K=2.79×10-4cm/s，中等透水。输水洞基础座于强风化角闪片岩上，岩石透水率4.67Lu，弱透水，岩体稳定，岩石承载力特征值fak=500kPa。
1.3.6天然建筑材料
土料场位于大坝下游左岸，土层厚3m，可采量达2.5万m3。开采条件良好，人工或机械开采均可，运距1km。
因当地无粗砂，石料达不到使用要求，故设计砂、石料外购。砂料选自拐河镇白湾村砂场，运距约10km；石料选用杨集乡大河口石料场石料，运距约15km，交通便利，储量及质量满足要求。
第 11 页 共 75 页
1.4工程任务与规模
1.4.1工程概况
史家庄水库位于南阳市方城县拐河镇史家庄澧河支流上，属淮河流域沙颍水系。水库控制流域面积0.4km2，坝址以上河道干流长度1.5km，平均自然比降0.04。总库容10.76万m3，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾水产养殖等综合开发利用的小型(Ⅱ)类水库。
水库下游有0.08万人和0.05万亩耕地，水库地理位置重要，安全问题关系重大。水库实际灌溉面积200亩，灌溉效益显著。
1.4.2农业灌溉用水
史家庄水库设计灌溉面积200亩。灌区内主要农作物有小麦、玉米等，复种指数1.7，其中小麦70%，玉米75%，其它作物及蔬菜25%。
按照《灌溉与排水设计规范》（GB50288-99）规定，本次设计灌溉保证率取75%。根据灌溉制度和灌水定额分析，75%年份灌溉需水量为5.21万m3。
根据水量调节计算，除险加固后，保证率75%时水库来水量为5.82万m3，扣除损失后尚有5.22万m3，基本满足灌溉要求。
1.4.3洪水调节计算
根据《防洪标准》GB50201-94和《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000，本次加固标准为：20年一遇设计和200年一遇校核。
水库溢洪道位于大坝左侧，为开敞式短明渠。现状溢洪道底高程230.39m，底宽13m，总长度56m。溢洪道过流能力按宽顶堰流公式计算。
洪水调节计算根据水量平衡方程，用试算法逐时段作调洪演算，经计算，水库20年一遇设计洪水位为231.16m，最大下泄流量7.1m3/s；200年一遇校核洪水位为231.65m，最大下泄流量14.4m3/s。
1.4.4坝顶高程复核
史家庄水库现状坝顶高程为232.50m，设计修建防浪墙顶高程为233.10m。按照《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》有关规定，坝顶高程等于水库静水位与超高之和，经计算各工况水库静水位加坝顶超高后高程均小于防浪墙顶高程。因此，史家庄水库坝顶高程定为232.50m，防浪墙顶高程为233.10m是合
第 12 页 共 75 页
理的。
1.4.5 工程规模
水库经除险加固后，校核洪水位231.65m，水库总库容10.76万m3；设计洪水位231.16m；兴利水位230.39m，兴利库容7.5万m3；死水位225.19m，死库容0.38万m3。
1.5 工程布置及主要建筑物
1.5.1工程等别及建筑物级别
史家庄水库总库容10.76万m3，按照《防洪标准》（GB50201-94）及《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）规定，属小(Ⅱ)型水库，工程等别为Ⅴ等，其主要建筑物水库大坝、溢洪道、输水道及次要建筑物均为5级，施工围堰等临时建筑物为5级。
根据《防洪标准》（GB50201-94）的有关规定，水库大坝、溢洪道等设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为200年一遇；临时导流建筑物的防洪标准，土石围堰按非汛期5年一遇洪水标准设计。
1.5.2工程存在的主要问题
（1）大坝迎水坡干砌石护坡块石粒径小，风化、松动、脱落严重，无垫层，坡面局部凹陷；坝顶凹凸不平，无防浪墙及路沿石；背水坡有渗水现象，坡面排水设施不完善，坝脚排水体不能满足要求。
（2）溢洪道进口不规整，护砌不完善，地质条件差，不能安全泄洪。 （3）输水洞进口淤积，出口损毁，启闭设备损坏，闸房破坏，不能正常使用。
（4）无大坝安全监测及管理设施。
1.5.3除险加固工程设计
（1）大坝除险加固设计 ①坝顶改造
此次加固坝顶高程为232.50m，全长142m，坝顶宽度规整为3m。坝顶路面改造宽度2.45m，采用泥结碎石路面，厚20cm，坡向下游；上游侧修建C20砼防浪墙，宽30cm，高出坝顶60cm，墙顶高程233.10m；下游侧设C20砼路沿石，
第 13 页 共 75 页
宽20cm，高出坝顶20cm，埋深40cm。
②迎水坡护砌
采用C20现浇砼板对迎水坡死水位至坝顶间进行护砌，每块板平面尺寸2.0×2.0m，厚度12cm，板间填无沙砼，板下铺碎石垫层厚20cm。
③下游坝坡加固
对下游坡进行整平处理，并植草皮护坡。增设C20砼岸坡排水沟，底宽30cm，深30cm，边坡1:1。坝脚设贴坡排水体，顶高程228.07m，由外到内设干砌石厚40cm、卵石层20cm、碎石层20cm。
④大坝观测设施完善
变形观测选择2个观测横断面，在桩号0+050和0+100断面下游坝坡高程232.00m处各一处，设变形观测点位2处。大坝右岸岸坡设1个工作基点和1个校核基点，其位置与观测点共线。
⑤防渗处理
采用粘土斜墙防渗，回填粘土的压实度不小于0.96，回填时严格控制含水率。
（2）溢洪道加固设计
本次除险加固对溢洪道进行疏浚，规整进口段，对岸坡及底板进行护砌。溢洪道加固设计分进口段、控制段、出水渠段三部分，总长16m，设计最大泄量14.4m3/s。
进口段（0+000～0+002）底部高程230.09m，底宽13m，矩形断面，底板采用C20砼护砌，厚20cm；右岸导流墙采用C20砼重力式挡墙，与右岸山坡间回填至坝顶高程。对左岸现状挡墙采用C20砼护砌，厚20cm，基础埋深50cm，护砌高度以现状挡墙高度为准。
控制段（0+002～0+006）底板高程230.39m，底宽13m，矩形断面，底板采用C20砼护砌，厚50cm；右岸侧墙采用C20砼重力式挡墙，顶部高程232.50m。左岸现状挡墙采用C20砼护砌，厚20cm，基础埋深50cm，护砌高度以现状挡墙高度为准，但不得低于坝顶高程。控制段起端及末端设齿墙。
出水渠段（0+006～0+016）纵坡1:15，起始端底板高程229.89m，末端底板高程229.22m，底宽13m；左岸现状挡墙采用C20砼护砌，厚20cm，基础埋深50cm，
第 14 页 共 75 页
护砌高度以现状挡墙高度为准；底板和右岸不护砌，只整修疏浚。
出水渠下游为自然沟道，已远离大坝，不再进行处理。
溢洪道底板、侧墙及护坡分缝处填闭孔低发聚乙烯泡沫板。出水渠段设排水孔，采用φ50mmPVC排水管，外包反滤布，间距2m，呈梅花形布置。
（3）输水洞加固设计
对输水洞出口按原断面进行修复加固。更新斜拉闸门，配套启闭设施，新建启闭机房，面积12.44m2。
（4）管理设施完善
水库目前无管理用房和防汛仓库，不能满足运行管理要求，需新建管理用房面积40m2。
1.6机电及金属结构
1.6.1电气
为方便管理房和启闭机房用电，从史家庄村上引低压线路供电即可。 为防止直击雷侵害，在管理房屋顶明敷避雷带，利用建筑物的柱中的主钢筋作为防雷引下线，不再专设接地线。
1.6.2金属结构
史家庄水库输水洞进口设斜拉闸门，闸门选用PGZ0.5×0.5m，启闭机选用QL型2T手电两用螺杆启闭机。
1.7 消防设计
消防设计贯彻“预防为主、防消结合”和确保重点、兼顾一般的原则，分清主次，以易引起火灾部位为重点，采取措施加以预防。
史家庄水库除险加固工程消防范围包括管理所、防汛仓库等。管理所建筑面积40m2，按民用建筑防火要求设置消防器材，采用承重墙隔离，并配备手提式泡沫灭火器。防汛仓库储藏有防汛物质，火灾危险性类别按丁类，因其为重要的防汛物资储藏场所，耐火等级应按二级设计。采用承重墙隔离，并配备手提式干粉灭火器。
1.8 施工组织设计
1.8.1施工条件
第 15 页 共 75 页
有乡村路通往史家庄水库坝区。工程施工所需施工设备、建筑材料均可经此运到工地。施工用水可由水库引用，用电可就近从村上接线，用房可在水库右岸空地修建。生活用水就近从村上引用。
史家庄水库属暖温带大陆性季风气候，四季分明，冬长春短，一年的施工期较长，对工程施工有利。
1.8.2施工导流
史家庄水库控制流域面积较小，除险加固工程施工尽量安排在枯水期，修筑临时导流围堰。
1.8.3主体工程施工
大坝加固主要内容及施工顺序为：①粘土心墙防渗加固；②上游坝坡砼板护坡；③下游坝坡铺设草皮护坡，增设排水沟和贴坡排水；④坝顶改造，重建防浪墙和路沿石；⑤增设观测设施；⑥其它工程。
溢洪道主要是土石方开挖及底板、侧墙护砌等。土石方开挖要准确放样，确定开挖起始边线，施工中须注意边坡，严防塌滑危及安全，挖至基底要组织验槽，做到位置正确、尺寸准确。开挖废弃料运至指定弃渣场。
重建斜拉闸门是在原建筑物的基础上进行，构拆除设备时尽可能减少对保留部分的震动和冲击，以免造成不应有的损失。要严格按照设计要求进行施工，确保新、老建筑物接合部的施工质量。
1.8.4施工总体布置
施工总布置遵循“因地制宜、因时制宜，有利生产、方便生活、易于管理，安全可靠、经济合理”的原则，妥善处理施工场地内外关系，为确保工程质量、加快工程进度、提高经济效益创造良好条件。
本工程施工场区总体布置分散安排，统一管理，充分利用水库管理范围内的场地，布置施工临建工程，主要分区为生活区和施工生产区。
1.8.5施工总进度
根据本次除险加固工程规模和施工场地条件，计划总工期为8个月。
1.9节能设计
在加固措施中优化设计方案，降低能源使用量。施工中根据工程量多少、负
第 16 页 共 75 页
荷大小分别使用功率不同的施工机械，避免空载、空负荷运转等情况，减少能源浪费。运行管理期日常办公充分利用自然光，在满足照明质量的前提下，优先选用高效发光的荧光灯，采用节能型开关或装置。
在管理房的设计中，科学确定建筑朝向、平面形状、空间布局、外观体型、间距层高，选用节能型建筑材料和节能技术措施。
1.10工程占地
本次工程占地主要为临时占地，包括溢洪道、坝下游、右坝头、输水洞进口斜拉闸门施工临时挖压占地、修建临时施工道路占地以及施工生活区、生产加工区占地等，共占地1亩。
1.11环境保护设计
1.11.1环境影响评价
史家庄水库除险加固工程对促进当地经济社会发展，改善区域生态环境并促使其实现良性循环起着积极作用，有利影响主要表现在所获得的显著的社会效益、经济效益和环境效益；而不利影响主要表现在施工期会造成小范围水土流失以及工程废渣堆放、施工噪声和扬尘等。施工期的影响是时段性的，可通过科学的管理减小施工对环境的不利影响。总体来说，该工程从环境影响角度来看是可行的。
1.11.2施工期环境保护设计
通过施工区生活污水、含油废水、砼拌和系统废水处理，环境空气质量保护，噪声防护，固体废弃物处理及施工区人群健康防护等方面进行环境保护设计，对影响区水环境、大气环境、声环境及生态环境进行保护，最大限度地降低施工期对环境的影响。
1.12水土保持设计
1.12.1水土流失防止范围与分区
史家庄水库除险加固工程主要是对已建工程存在的问题进行加固处理，对库区外部环境没有直接影响，故其水土保持防治责任范围主要在项目建设区：包括上下坝游坡、溢洪道、输水洞斜拉闸门、场内道路、弃渣场以及施工生活区等。
第 17 页 共 75 页
根据本次工程项目分布和水库水土保持现状，将项目区水土保持防治分为如下几个区域：（1）主体工程建设区；（2）取土场；（3）弃渣场；（4）施工管理生活区及水库管理区。
1.12.2项目区水土流失预测与分析
本次加固设计预测破坏水土保持设施面积共计4380m2，扰动地表土新增水土流失预测量为340m3。
1.12.3项目区水土流失防治措施
防治措施选定的原则为:防治并重，恢复为主，生态优先，工程措施与植物措施相结合，安全经济。
主体工程采取工程措施与植物措施相结合；防汛公路工程以植物措施为主，做好排水、护砌；拌和系统、附属企业、施工管理生活区、水库管理区及取土区以生态恢复为主；弃渣场以植物措施为主。
1.13工程管理设计
1.13.1管理机构
(1)管理机构管理机构
史家庄水库没有专门的管理机构，由拐河镇政府代管。按照《水库工程管理设计规范》相关规定，拟设立“方城县史家庄水库管理所”，由方城县政府负责组建，隶属方城县水利局。
(2)人员编制及工程管理用房
根据《水利工程管理单位定岗标准》、《水利工程维修养护定额标准》有关规定，经分析测算，共需生产和管理人员2人。
管理用房包括两部分，直接用于生产和办公用房及仓储用房。按照《水库工程管理设计规范》有关规定，办公用房和仓库用房合计建筑面积40m2。
1.13.2主要管理设施
(1)工程管理范围和保护范围
为保障枢纽安全及正常运用，根据《水库大坝安全管理条例》和《水库工程管理设计规范》相关规定，结合本工程重要性划定管理和保护范围。
工程、水库保护区范围内的土地不征用，但为保证工程安全，应参照有关法
第 18 页 共 75 页
规制定保护区的管理办法。
(2)工程管理区规划
水库管理区规划在左坝头下游侧。管理所占地40m2，生产用水由水库引用，生活用水和管理用电就近引自村庄。
1.14工程投资概算
1.14.1主要工程量及主要材料
主要工程量如下：土石方明挖12178m3，土石方填筑10312m3，砌体810m3，混凝土及钢筋混凝土759 m3。
主要材料用量：水泥268.65t，钢筋1.52t，汽油0.75t，柴油24.31t，砂718.03 m3，碎石1507.11m3，块石789.27m3。总工时数量为4.2万个（以上工程量、材料量、工时均不含管理房工程）。
1.14.2工程投资概算
史工程概算总投资172万元。其中：建筑工程92.52万元，材料价差23.83万元，机电设备及安装工程0.06万元，金属结构及设备安装工程2.51万元，施工临时工程7.46万元，独立费用59.12万元，水土保持及环境投资2.24万元，基本预备费8.08万元。
1.15经济评价
依据国民经济效益分析计算，史家庄水库除险加固工程经济内部收益率EIRR=10.3%>8%，经济净现值ENPV=37.84万元>0，经济效益费用比EBCR=1.19>1。国民经济评价满足规范要求，切实可行，在经济上是合理的。
1.16工程特性表
工程主要特性指标见表1-16-1。
第 19 页 共 75 页
表1-16-1（1） 史家庄水库工程特性表
序号及名称 一、水文 1.流域面积 2.代表性流量: 设计洪水标准及洪峰流量（P=5%) 校核洪水标准及洪峰流量（P=0.5%) 3.洪量 设计洪水总量 校核洪水总量 二、水库 1.水库水位 校核洪水位 设计洪水位 正常蓄水位 死水位 2.水库库容 总库容 正常蓄水位以下库容 兴利库容 死库容 三、溢洪道下泄流量 1.设计洪水时最大泄量 2.校核洪水时最大泄量 四、工程效益指标 1.灌溉面积 2.保护人口 五、主要建筑物及设备 1.挡水建筑物 坝型 坝顶高程 单位 km2 m3/s m3/s 万m3 万m3 m m m m 万m3 万m3 万m3 万m3 m3/s m3/s 亩 人 m 数量 0.4 13 22 11 21 231.65 231.16 230.39 225.19 10.76 7.68 7.30 0.38 7.1 14.4 500 800 均质土坝 232.50 备 注 除险加固工程采用标准 大坝
第 20 页 共 75 页
(14)《水利水电工程启闭机设计规范》SL41-93； (15)《水利工程水力计算规范》SL104-95； (16)《水工建筑物抗震设计规范》DL5073－2000； (17)《水工输水洞设计规范》SL279－2002； (18)《土石坝安全监测技术规范》SL60-94； (19)《土石坝养护修理规程》SL210-98；
(20)《水利水电工程施工组织设计规范》SL303-2004； (21)《水利建设项目经济评价规范》SL72-94；
(22)《水利水电工程设计工程量计算规定》SL328-2005；
(23)《河南省水利厅中小型水库除险加固工程设计方案编制大纲》。
5.2除险加固工程主要内容
5.2.1工程现状及存在主要问题
史家庄水库控制流域面积0.4km2，实际灌溉面积200亩，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾水产养殖等综合利用的小（Ⅱ）型水库。水库枢纽工程由大坝、溢洪道和输水洞等组成。
大坝为均质土坝，全长142m，坝顶高程232.00～232.60m，最大坝高10.8m，坝顶为土路面，宽3m，高低不平，杂草丛生，无防浪墙及路沿石。大坝桩号0+020～0+142段高程227.50～228.10m以上为砾砂，高程227.50～228.10m以下为粉质粘土。上游坝坡坡率1:2.3～2.7，为干砌块石护坡，下游坝坡坡率1:2.3～2.9，自然草皮护坡，无排水沟、排水体。
溢洪道位于大坝右端，为开敞式明渠，总长56m，现状进口底部高程235.42m，宽13m，最大泄流量为14.4m3/s。目前，溢洪道左岸浆砌石侧墙基础差，破损严重，右岸山体边坡不规整，底部为残坡积含砾粉质粘土，未护砌，冲刷破坏严重，不能安全泄洪。
输水洞位于大坝桩号0+113处，洞身型式为浆砌石，洞径0.5×0.65m，最大泄量0.5m3/s。现状进口底部高程为224.85m。目前进口淤积，斜拉闸门启闭设施损坏严重，启闭机房损坏严重，出口破损严重。
5.2.2除险加固工程主要内容
本次设计的主要任务是针对水库存在的问题，根据有关地质及测量资料，进
第 46 页 共 75 页
行除险加固。
根据水库目前存在的问题和工程地质勘察中发现的有关问题，经综合分析，确定史家庄水库除险加固工程主要内容有以下四项：
(1)大坝除险加固工程：坝基防渗加固；整修护砌上游坝坡；下游坝坡设草皮护坡，增设排水沟、导渗沟及贴坡排水；坝顶路面改造，修建防浪墙和路沿石。
(2)溢洪道除险加固工程：对现状溢洪道进行疏浚，护砌加固。 (3)放水设施除险加固工程：重建放水设施及闸房。 (4)管理设施完善：增设大坝观测设施；重建管理房。
5.3大坝除险加固工程
5.3.1大坝现状及存在问题
5.3.1.1大坝工程概况
史家庄水库1973年6月动工兴建，12月竣工。大坝为均质土坝，现状坝顶高程为232.00～232.60m，最大坝高10.8m，坝顶全长142m，为土路面，宽3m，无防浪墙及路沿石。上游坝坡坡率1:2.3～2.7，为干砌块石护坡，下游坝坡坡率1:2.3～2.9，自然草皮护坡，无排水沟、排水体。
5.3.1.2目前存在的主要问题
（1）坝顶为土路面，凸凹不平，杂草丛生，无防浪墙及路沿石。 （2）大坝迎水坡为干砌块石护坡，无垫层，块石粒径小，风化、松动、脱落严重，局部凹陷。
（3）背水坡为自然杂草护坡，坡面凹陷、隆起，坡陡，无排水沟，无上坝台阶。
（4）大坝桩号0+025～0+060及桩号0+110～0+140段下游有渗水明流，形成集水坑。
（5）大坝无位移及渗流观测设施。
鉴于大坝存在以上诸多问题，推荐大坝坝体防渗处理；新建坝顶防浪墙、路沿石及坝顶路面；上游坡重新护坡；下游坡平整坡面，增设排水沟、导渗沟，新建贴坡排水体；增设位移及渗流观测设施。
5.3.1.3大坝渗流稳定复核
本次除险加固初步设计，首先对现状大坝渗流进行安全分析复核。
第 47 页 共 75 页
根据大坝运行情况和实测资料，经综合分析后选取河槽段、最大坝高断面为代表断面进行渗流计算。
计算工况按照《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的相关规定及稳定复核要求，结合工程实际运行情况确定，考虑到校核洪水出现的机会少，且历时短，形不成稳定渗流，经分析后确定渗流工况如下：
Ⅰ、库水位为正常蓄水位230.39m，下游无水，坝体形成稳定渗流； Ⅱ、库水位为设计洪水位231.16m，下游无水，坝体形成稳定渗流； Ⅲ、库水位位于不利水位（及1/3坝高、考虑淤积）225.30 m，下游无水，坝体形成稳定渗流。
史家庄水库大坝为均质土坝，下游坝坡无排水体，正常运行时下游无水。据地质勘探和调查知，大坝坝基下元古界角闪片岩，强风化厚度2.2m，以下为弱风化岩石。
按水利水电出版社出版的《水工设计手册》（结构计算），根据史家庄水库大坝的横断面图情况，进行坝体的浸润线计算。该水库大坝坝体的浸润线方程式为：
Lx1yy1xy?(1?)?(1?)?sin2Hm1H2HH2m12H
H2L1?L?8L
式中：x、y—分别为浸润线的横坐标和纵坐标； H—上游水头； L—坝体的有效长度； m1—大坝上游坡坡率。
利用计算机应用相应程序，根据公式计算出典型断面在不同水位下的浸润线位置。
下游坡的出逸高度h0、出逸坡降J分别按下式计算：
h0?(1.2m2?0.5)H122L/?L/2?m2H12
第 48 页 共 75 页
L/?L??L1
J?121?m2?L1?[m1H12m1?1
h0?H20.25]y/?H2
式中：x、y—分别为浸润线的横坐标或纵坐标； H1—上游水深； H2—下游水深； L—坝体的有效长度；
m2—大坝下游坡坡率。
由坝体浸润线计算成果可以看出，坝体最大渗透坡降为0.399。坝体允许渗透坡降采用《小型水利水电工程碾压土石坝设计导则》（SL189-26）中规定的相关公式计算。
J破坏?(计算公式如下：
?s?1)*(1?n)?w
J允许? 式中：
J破坏kB
J破坏、
J允许—坝体填土破坏、允许渗透坡降；
?s—土粒密度； ?w—水密度； n—空隙率；
kB—流土安全系数，1.5～2.0。
经计算，允许渗透坡降为0.521～0.695,计算最大渗透坡降0.399小于允许渗透坡降，计算工况下坝体渗透坡降基本满足规范要求，发生渗透破坏的可能性较小。
从地质勘察成果可以看出，大坝桩号0+025～0+060及桩号0+110～0+140段下游坡有渗水明流，形成集水坑。通过野外钻孔注水试验，两处坝体的渗透系数为10－4cm/s等级，属中等透水，存在渗漏问题，需进行防渗处理。
5.3.1.4大坝结构稳定复核
第 49 页 共 75 页
2012年8月，河南省沙颍河勘测设计院对史家庄水库重新进行了地形图测量。
1、计算断面的选择
根据规范要求及史家庄水库实际情况，选择具有代表性的坝体最高、坝体土物理参数最不利于稳定的0+060横断面作为计算断面。
2、计算工况
作用于土坝的力的组合，可分为正常运用情况、非正常运用情况和特殊运用情况三种。根据中国技术监督局2001年发布的《中国地震动参数区划图》(GB18306－2001),该区动峰值加速度小于0.05g，故水库坝区地震烈度小于Ⅵ度。按照《水库大坝安全评价导则》（SL258-2000）规定，可不进行抗震稳定性分析。
由于史家庄水库溢洪道为开敞式溢洪道，水库在校核水位时持续时间短，形不成稳定渗流，因此可不再进行校核洪水位（非常情况）的坝坡稳定计算。
因此计算工况仅有正常运用一种情况。根据《小型水利水电工程碾压土石坝设计导则》（SL189—96）的要求，并结合本工程的具体运行情况，确定坝坡抗滑稳定计算工况如下：
(1)上游坝坡，正常运用情况下，库水位位于1/3坝高，水位为225.30m；库水位位于设计水位231.16m处，大坝形成稳定渗流；库水位自设计水位231.16m降至兴利水位230.39m。
(2)下游坝坡，正常运用情况下，下游产生稳定渗流。库水位为正常蓄水位230.39m；库水位位于设计水位231.16m。
3、典型断面土的物理力学指标
根据《地质勘察报告》，大坝坝坡抗滑稳定计算采用的物理力学指标见表5—1。
大坝稳定分析选用物理力学指标
表5－1 所在部位 坝体土 干容重湿容重饱和容重 浮容重摩擦角凝聚力比重 (KN/m3) (KN/m3) (KN/m3) (KN/m3) (度) (kpa) 16.2 19.74 2.715 20.23 10.23 17 31.4 第 50 页 共 75 页