努爾加水庫洪水泄流能力及大壩安全性復(fù)核

陳 剛

(昌吉市三屯河流域管理處，新疆 昌吉 831100)

1 工程概況

努爾加水庫總庫容6844萬m3，工程規(guī)模為中型工程，等別屬Ⅲ等，總投資60 006.36萬元。工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000 a一遇,泄洪建筑物消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇。工程位于強(qiáng)震區(qū)(地震基本烈度為Ⅷ度)，因此需要對(duì)努爾加水庫的復(fù)核項(xiàng)目包括：洪水復(fù)核、泄流能力復(fù)核、大壩安全性復(fù)核等。

2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算及洪水復(fù)核

2.1 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

以碾盤莊水文站1976—2018年洪水樣本為參證，對(duì)努爾加水庫壩址設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行了分析計(jì)算，選配P-Ⅲ型頻率曲線計(jì)算碾盤莊水文站和主要控制性節(jié)點(diǎn)斷面設(shè)計(jì)洪峰流量(時(shí)段洪量)，計(jì)算成果(部分)見圖1和表1[1]。

圖1 碾盤莊水文站年最大洪峰頻率曲線

表1 各計(jì)算節(jié)點(diǎn)斷面洪峰流量值統(tǒng)計(jì)

2.2 設(shè)計(jì)入庫洪水復(fù)核

依據(jù)碾盤莊水文站歷史洪水資料并結(jié)合最新洪水資料，對(duì)努爾加水庫設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，主要計(jì)算節(jié)點(diǎn)復(fù)核成果見表2[2]。通過與表1數(shù)據(jù)對(duì)比，控制計(jì)算斷面設(shè)計(jì)洪峰流量復(fù)核成果均稍小于初步設(shè)計(jì)成果，說明初步設(shè)計(jì)洪水值是合理的。

表2 各計(jì)算節(jié)點(diǎn)斷面設(shè)計(jì)洪峰流量復(fù)核計(jì)算成果

3 泄流能力復(fù)核

3.1 導(dǎo)流兼泄洪排沙洞泄流能力設(shè)計(jì)

本工程導(dǎo)流兼泄洪排沙洞為有壓泄流方式，過流能力Q設(shè)計(jì)計(jì)算見公式(1)[3]，計(jì)算成果見表3。

(1)

式中：T0為由隧洞出口閘井底板高程算起的上游庫水深；hp為隧洞出口斷面水流平均單位勢(shì)能；μ為流量系數(shù)；ω為隧洞出口斷面面積。

3.2 表孔溢洪洞泄流能力設(shè)計(jì)

表孔溢洪洞為WES實(shí)用堰，其泄流能力Q設(shè)計(jì)計(jì)算見公式(2)[4]，計(jì)算成果見表3。

(2)

式中：m為流量系數(shù)，根據(jù)所確定的設(shè)計(jì)水頭、上游堰高及堰上水頭等確定；ε為側(cè)收縮系數(shù)；B為 堰寬，取10 m；σs為淹沒系數(shù)，1.0；H0為堰前計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上總水頭，m。

3.3 泄流能力復(fù)核分析

為了復(fù)核努爾加水庫泄流能力，本項(xiàng)目利用水工模型試驗(yàn)，試驗(yàn)率定的導(dǎo)流兼泄洪排沙洞、表孔溢洪洞敞泄工況水位泄量關(guān)系曲線分別見圖2和圖3[5]。水工模型試驗(yàn)和設(shè)計(jì)泄流能力數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。

圖2 導(dǎo)流兼泄洪排沙洞全開庫水位～流量關(guān)系曲線(水工模型)

圖3 表孔溢洪洞全開庫水位～流量關(guān)系曲線(水工模型)

表3 努爾加水庫工程泄洪模型試驗(yàn)與初設(shè)泄流能力對(duì)比 m3·s-1

表3數(shù)據(jù)表明：①泄洪建筑物(表孔溢洪洞+導(dǎo)流兼泄洪排沙洞)總泄流能力的模型試驗(yàn)值大于初設(shè)泄流能力；②以水位為標(biāo)準(zhǔn)分析差值，校核洪水位(72.47 m3/s)>設(shè)計(jì)洪水位(64.74 m3/s)>正常蓄水位(51.14 m3/s)，而且泄洪底孔的差值更大；③從對(duì)比結(jié)果分析，初步設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)主要泄洪建筑物泄流能力計(jì)算的方法選取合適，參數(shù)取值偏于保守，所確定的泄流曲線留有一定安全裕度[6]。

4 大壩安全性復(fù)核

4.1 大壩抗滑穩(wěn)定性分析

(1)計(jì)算工況及參數(shù)。本項(xiàng)目計(jì)算工況包括以下四個(gè)方面：竣工期、穩(wěn)定滲流期、庫水位驟降期、正常運(yùn)用期遇地震工況，壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算參數(shù)見表4。

表4 壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算參數(shù)

(2)計(jì)算方法及結(jié)果分析。本項(xiàng)目壩坡穩(wěn)定分析采用中國水利水電科學(xué)研究院編制的《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序》(STAB 2008)，利用“畢肖普法”計(jì)算[7]。大壩為2級(jí)建筑物，規(guī)范允許的各工況下壩坡最小安全系數(shù)、計(jì)算結(jié)果見表5，可知壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均大于允許值，上、下游壩坡是穩(wěn)定的。

表5 壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算最小安全系數(shù)

4.2 大壩抗震復(fù)核

4.2.1 地震附加沉陷復(fù)核

壩體沉陷率主要受地震烈度、壩基壓縮層厚度、壩型和施工方法等因素影響。本項(xiàng)目通過利用“平面有限元”計(jì)算得：在設(shè)計(jì)地震工況下，壩體最大地震沉陷量為71 cm。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5395—2007)規(guī)定，地震區(qū)的安全加高應(yīng)包括地震壩頂沉陷和涌浪高度，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)安全加高為2.5 m(地震引起壩頂沉陷1.0 m，地震涌浪1.5 m)，地震安全加高取值量是合適的。

4.2.2 壩體抗震措施復(fù)核

根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 203—97)規(guī)定，努爾加水庫大壩抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)計(jì)烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.204 g。參考同類工程經(jīng)驗(yàn)，該工程壩體抗震措施結(jié)合壩體結(jié)構(gòu)、壩料設(shè)計(jì)綜合考慮，經(jīng)復(fù)核達(dá)到抗震要求，具體措施為以下四個(gè)方面：

(1)適當(dāng)加寬壩頂，降低壩頂?shù)卣鹆ψ饔茫⒎乐挂驂雾斏暗[石體塌滑，類比國內(nèi)外強(qiáng)震區(qū)高壩工程實(shí)例，壩頂寬度采用10 m。

(2)上游壩坡采用1∶2.25，下游“之”字形道路之間壩坡1∶2.00，綜合壩坡1∶2.20。從而構(gòu)成“上緩下陡”壩坡形式，對(duì)抗震有利。

(3)壩體采用砂礫石料填筑，并用較高標(biāo)準(zhǔn)控制大壩填筑，即要求砂礫料的相對(duì)緊密度Dr≥0.85，以提高壩體密實(shí)程度，增強(qiáng)抗震能力。

(4)筑壩砂礫石料具有較強(qiáng)透水能力，從而保證地震時(shí)所產(chǎn)生的孔隙水壓力迅速消散，有利于壩體穩(wěn)定。

5 結(jié) 語

攔河大壩作為水庫工程的核心建筑，其參數(shù)設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格以工程實(shí)際情況為標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)過高影響工程經(jīng)濟(jì)性，標(biāo)準(zhǔn)過低甚至?xí)斐烧麄€(gè)項(xiàng)目的失敗。對(duì)最初的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行復(fù)核是確保設(shè)計(jì)合理性的必要手段。本文對(duì)努爾加水庫的設(shè)計(jì)洪水、泄流能力、壩體安全性等參數(shù)進(jìn)行復(fù)核，均滿足相關(guān)要求，為后續(xù)施工奠定了基礎(chǔ)。