努爾加水庫洪水泄流能力及大壩安全性復核

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，工程規模為中型工程，等別屬Ⅲ等，總投資60 006.36萬元。工程設計洪水標準為100 a一遇，校核洪水標準為2000 a一遇,泄洪建筑物消能防沖設計洪水標準為30 a一遇。工程位于強震區(地震基本烈度為Ⅷ度)，因此需要對努爾加水庫的復核項目包括：洪水復核、泄流能力復核、大壩安全性復核等。

2 設計洪水計算及洪水復核

2.1 設計洪水計算

以碾盤莊水文站1976—2018年洪水樣本為參證，對努爾加水庫壩址設計洪水進行了分析計算，選配P-Ⅲ型頻率曲線計算碾盤莊水文站和主要控制性節點斷面設計洪峰流量(時段洪量)，計算成果(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 各計算節點斷面洪峰流量值統計

2.2 設計入庫洪水復核

依據碾盤莊水文站歷史洪水資料并結合最新洪水資料，對努爾加水庫設計洪水進行復核計算，主要計算節點復核成果見表2[2]。通過與表1數據對比，控制計算斷面設計洪峰流量復核成果均稍小于初步設計成果，說明初步設計洪水值是合理的。

表2 各計算節點斷面設計洪峰流量復核計算成果

3 泄流能力復核

3.1 導流兼泄洪排沙洞泄流能力設計

本工程導流兼泄洪排沙洞為有壓泄流方式，過流能力Q設計計算見公式(1)[3]，計算成果見表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能；μ為流量系數；ω為隧洞出口斷面面積。

3.2 表孔溢洪洞泄流能力設計

表孔溢洪洞為WES實用堰，其泄流能力Q設計計算見公式(2)[4]，計算成果見表3。

(2)

式中：m為流量系數，根據所確定的設計水頭、上游堰高及堰上水頭等確定；ε為側收縮系數；B為 堰寬，取10 m；σs為淹沒系數，1.0；H0為堰前計入行進流速水頭的堰上總水頭，m。

3.3 泄流能力復核分析

為了復核努爾加水庫泄流能力，本項目利用水工模型試驗，試驗率定的導流兼泄洪排沙洞、表孔溢洪洞敞泄工況水位泄量關系曲線分別見圖2和圖3[5]。水工模型試驗和設計泄流能力數據對比見表3。

圖2 導流兼泄洪排沙洞全開庫水位～流量關系曲線(水工模型)

圖3 表孔溢洪洞全開庫水位～流量關系曲線(水工模型)

表3 努爾加水庫工程泄洪模型試驗與初設泄流能力對比 m3·s-1

表3數據表明：①泄洪建筑物(表孔溢洪洞+導流兼泄洪排沙洞)總泄流能力的模型試驗值大于初設泄流能力；②以水位為標準分析差值，校核洪水位(72.47 m3/s)>設計洪水位(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從對比結果分析，初步設計時對主要泄洪建筑物泄流能力計算的方法選取合適，參數取值偏于保守，所確定的泄流曲線留有一定安全裕度[6]。

4 大壩安全性復核

4.1 大壩抗滑穩定性分析

(1)計算工況及參數。本項目計算工況包括以下四個方面：竣工期、穩定滲流期、庫水位驟降期、正常運用期遇地震工況，壩坡穩定分析計算參數見表4。

表4 壩坡穩定分析計算參數

(2)計算方法及結果分析。本項目壩坡穩定分析采用中國水利水電科學研究院編制的《土質邊坡穩定分析程序》(STAB 2008)，利用“畢肖普法”計算[7]。大壩為2級建筑物，規范允許的各工況下壩坡最小安全系數、計算結果見表5，可知壩坡抗滑穩定最小安全系數均大于允許值，上、下游壩坡是穩定的。

表5 壩坡抗滑穩定計算最小安全系數

4.2 大壩抗震復核

4.2.1 地震附加沉陷復核

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。本項目通過利用“平面有限元”計算得：在設計地震工況下，壩體最大地震沉陷量為71 cm。

根據《碾壓式土石壩設計規范》(DL/T 5395—2007)規定，地震區的安全加高應包括地震壩頂沉陷和涌浪高度，本項目設計安全加高為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 壩體抗震措施復核

根據《水工建筑物抗震設計規范》(SL 203—97)規定，努爾加水庫大壩抗震設防類別為乙類，抗震設計烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.204 g。參考同類工程經驗，該工程壩體抗震措施結合壩體結構、壩料設計綜合考慮，經復核達到抗震要求，具體措施為以下四個方面：

(1)適當加寬壩頂，降低壩頂地震力作用，并防止因壩頂砂礫石體塌滑，類比國內外強震區高壩工程實例，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。從而構成“上緩下陡”壩坡形式，對抗震有利。

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

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

5 結 語

攔河大壩作為水庫工程的核心建筑，其參數設計必須嚴格以工程實際情況為標準，標準過高影響工程經濟性，標準過低甚至會造成整個項目的失敗。對最初的設計參數進行復核是確保設計合理性的必要手段。本文對努爾加水庫的設計洪水、泄流能力、壩體安全性等參數進行復核，均滿足相關要求，為后續施工奠定了基礎。