王家崖水庫溢洪道改造水力設(shè)計(jì)復(fù)核分析

鄭建峰

（陜西省寶雞峽引渭灌溉中心,陜西 咸陽 712000）

1 概況

王家崖水庫是寶雞峽灌區(qū)第一大水庫,位于陜西省寶雞市千河鎮(zhèn)王家崖村北的千河峽谷,位置居高臨下,輸水和防汛功能突出,地位極為重要。壩址以上總流域面積3288 m2,水庫樞紐工程為三等中型水庫,主要建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為3級(jí),按7 度地震設(shè)防。水庫總庫容9420 萬m3,有效庫容4506萬m3,防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇洪水設(shè)計(jì),1000 年一遇洪水校核,設(shè)計(jì)洪水位602.07 m,校核洪水位603.26 m,正常蓄水位602 m,汛限水位601.8 m。水庫樞紐由土壩、溢洪道、放水洞、引水洞、壩后抽水站、進(jìn)水道及過壩干渠等建筑物組成。溢洪道位于壩體右岸,由引水渠、閘室段、陡坡、消能段、尾水渠部分組成。溢洪道斷面為梯形開敞式,全長(zhǎng)1535 m,溢流堰為寬頂堰,堰頂高程596 m,堰頂寬70 m,堰上設(shè)有6 孔10.3 m×8.3 m開臥式平板鋼閘門,配置卷揚(yáng)式啟閉機(jī)6 臺(tái),最大泄水量2370 m3/s[1-2]。

2 溢洪道等級(jí)及洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

根據(jù)水利部《水利水電樞紐工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》及《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,王家崖水庫樞紐工程為Ⅲ等（中型）工程,溢洪道按3 級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。又根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,山區(qū)、丘陵區(qū)水利水電工程消能防沖建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn),3 級(jí)永久建筑物其消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇,但結(jié)合水庫40 多年運(yùn)行狀況,考慮以下原因,設(shè)計(jì)打破常規(guī),將水庫溢洪道消能防沖設(shè)施洪水標(biāo)準(zhǔn)提升為百年一遇設(shè)計(jì)、千年一遇校核,以增強(qiáng)安全性能、盡可能防患于未然,滿足防汛抗洪實(shí)際需要。

（1）溢洪道作為王家崖水庫樞紐工程的主要泄洪設(shè)施,其消能設(shè)施受損,勢(shì)必影響溢洪道正常泄洪,從而危及大壩安全。

（2）該水庫溢洪道及消能設(shè)施的基礎(chǔ)為沙卵石及紅粘土,一旦基礎(chǔ)受損,會(huì)引起連鎖反應(yīng),致使整個(gè)溢洪道發(fā)生損壞,嚴(yán)重危及大壩安全。如2010 年7 月發(fā)生了洪峰q=735 m3/s流量時(shí),溢洪道消力池護(hù)坦被嚴(yán)重沖毀問題。若不是搶險(xiǎn)及時(shí)就會(huì)影響到溢洪道安全,釀成重大事故。

（3）溢洪道位于大壩壩體上,溢洪道破壞,直接危及大壩安全。

（4）王家崖水庫下游為國家交通樞紐,有隴海鐵路、高速公路、高速鐵路等,同時(shí)還有大型廠礦企業(yè)及工業(yè)重鎮(zhèn),故確保王家崖水庫運(yùn)行安全極為重要。

王家崖水庫歷次洪水計(jì)算成果見表1,經(jīng)水文復(fù)核,百年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量1310 m3/s,千年一遇校核洪峰流量1610 m3/s；百年一遇設(shè)計(jì)泄量1310 m3/s,千年一遇校核泄量1549.04 m3/s。由于水庫實(shí)際運(yùn)用中存在淤積現(xiàn)象,加之采取清淤措施,不同時(shí)期計(jì)算數(shù)值不盡相同,本次工程改造后,水庫防洪效能得到了較好恢復(fù)和提升。

表1 王家崖水庫歷次洪水計(jì)算成果表

3 溢洪道水力計(jì)算

3.1 泄流能力

泄流能力是反映溢洪道防抗洪水強(qiáng)度大小的重要指標(biāo),以確保水庫運(yùn)行安全為最高原則。一般按《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 253-2000）寬頂堰公式A.2.3計(jì)算：

式中：Q為泄量,m3/s；B為溢流堰總凈寬,B=61.8 m；H0為計(jì)入流速水頭的堰上總水頭,m； G為重力加速度,m/s2；ε為閘墩側(cè)收縮系數(shù)；m為二元水流實(shí)用堰流量系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算,遭遇1000 年一遇洪水時(shí),堰上水頭為6.61 m、庫水位602.61 m,溢洪道下泄量1549 m3/s；遭遇100 年一遇洪水時(shí),堰上水頭為6.0 m、庫水位602.00 m,下泄流量1310 m3/s。溢流堰水位泄量關(guān)系計(jì)算見表2。

表2 溢流堰水位—泄量關(guān)系計(jì)算表

3.2 水面線推算

根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》,應(yīng)以1000 年一遇的校核洪水情況泄流量1549.04 m3/s作為控制流量,考慮到溢洪道超泄問題,按《王家崖水庫溢洪道加固工程水工模型試驗(yàn)報(bào)告》中校核流量1730 m3/s,結(jié)合溢洪道現(xiàn)狀體型設(shè)計(jì),推算泄槽過流水面線。根據(jù)能量方程,用分段求和法計(jì)算。砼襯砌糙率取n=0.014。襯砌高度值根據(jù)推求水深加水面波動(dòng)和摻氣水深后,再考慮0.5 m～1.5 m的超高確定。沿程水流流速范圍為10.75 m～17.36 m/s。

水面波動(dòng)及摻氣水按《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》公式計(jì)算：

式中：h、hb分別為泄槽計(jì)算斷面的水深及摻氣后的水深,m； V為不摻氣情況下泄槽計(jì)算斷面的流速,m/s；ζ為修正系數(shù),取1.3。

溢洪道摻氣后水深計(jì)算成果見表3。

表3 王家崖水庫溢洪道摻氣后水深計(jì)算 單位：m

由于溢洪道軸線處計(jì)算水深在樁號(hào)0-700.00～0+252.64處較為接近試驗(yàn)水深,且試驗(yàn)水深略高于計(jì)算水深,故左右邊墻高度由試驗(yàn)水深加0.5 m～1.5 m安全超高確定；樁號(hào)0+2525.64～0+332.64 處計(jì)算水深高于試驗(yàn)水深,按試驗(yàn)左右水深加計(jì)算水深與試驗(yàn)水深差值確定左右邊墻處水深,加0.5 m～1.5 m安全超高后確定邊墻高度。

根據(jù)邊墻高度復(fù)核結(jié)果,樁號(hào)0+252.64 處現(xiàn)狀邊墻高度低40 cm,需加高處理,其余邊墻采用將襯砌高度抬高至墻頂以滿足墻高要求。

4 溢洪道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 閘室穩(wěn)定分析

閘室是溢洪道結(jié)構(gòu)中起擋水和泄水作用的關(guān)鍵主體,包括底板、閘墩、閘門等,在水庫蓄、泄水過程中承擔(dān)著水流沖力阻擋、傳遞任務(wù)。閘室穩(wěn)定計(jì)算荷載組合分基本組合（正常、設(shè)計(jì)）和特殊組合（校核、檢修、地震）,具體見表4。

表4 荷載組合表

（1） 閘室基底應(yīng)力計(jì)算：

式中：Pmax為閘室基底應(yīng)力的最大值或最小值,kPa；∑G為作用于閘室上的全部豎向荷載之和,包括作用在底板上的揚(yáng)壓力,kN；A為閘室基底面的面積,m2；∑M為作用于閘室上的全部荷載對(duì)基礎(chǔ)底面垂直于水流方向的形心軸的力矩之和,kN·m；W為閘室基底面對(duì)上述形心軸的截面矩,m3。

（2） 抗滑穩(wěn)定計(jì)算：

采用水閘規(guī)范7.3.6-1式計(jì)算:

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為閘室基底面與地基土之間的摩擦系數(shù),按地質(zhì)報(bào)告取0.3；∑H為水平荷載之和,kN；∑G為作用于閘室上的全部豎向荷載之和,包括作用在底板上的揚(yáng)壓力,kN；[Kc]為容許抗滑安全系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算,溢洪道閘室在各種工況下均滿足穩(wěn)定要求,見表5。

表5 溢洪道閘室穩(wěn)定復(fù)核成果表 單位：kPa

4.2 閘后翼墻穩(wěn)定分析

閘后翼墻在溢洪道結(jié)構(gòu)中同樣承擔(dān)著水流沖刷力阻抗和導(dǎo)流作用,其安全穩(wěn)定性必須通過科學(xué)計(jì)算、切實(shí)確保。翼墻穩(wěn)定復(fù)核成果表,見表6。

表6 翼墻穩(wěn)定復(fù)核成果表 單位：kPa

經(jīng)計(jì)算,翼墻除抗滑穩(wěn)定滿足要求外,其余均不滿足穩(wěn)定要求。故本次除險(xiǎn)加固對(duì)翼墻進(jìn)行拆除重建。

由于黃土層地基承載力較低,新建翼墻進(jìn)行了基礎(chǔ)砂礫石換填和直接坐落在下部砂卵石上兩種方案比選。15 m翼墻穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果,見表7。

表7 15 m翼墻穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表 單位：kPa

表8 11 m翼墻穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,15 m翼墻、11 m翼墻均能滿足穩(wěn)定要求。

但11 m高翼墻基礎(chǔ)砂礫石換填方案,采用挖至下部砂礫石層上,將下部4 m土層換填成砂卵石,投資為141.06 萬元,較15 m高翼墻挖除方案節(jié)省投資130.98 萬元,故選擇換填方案。

5 結(jié)語

寶雞峽王家崖水庫溢洪道改造,工程設(shè)計(jì)遵循科學(xué)、規(guī)范、嚴(yán)格、安全、效能最佳原則,對(duì)工程水力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行科學(xué)復(fù)核,精心優(yōu)化方案,構(gòu)建了系統(tǒng)完整的安全鏈條。2015 年完工后經(jīng)過連續(xù)6 年水庫度汛考驗(yàn),溢洪道、消力池、護(hù)坦等尺寸設(shè)計(jì)合適,消力池、護(hù)坦在常遇、設(shè)計(jì)、校核水位工況下實(shí)際運(yùn)用壓強(qiáng)分布正常,閘室性能表現(xiàn)安全、穩(wěn)定,水庫防汛泄洪無明顯問題發(fā)生,說明工程設(shè)計(jì)科學(xué)、合理、優(yōu)良,實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。