王家崖水庫溢洪道改造水力設計復核分析

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第一大水庫,位于陜西省寶雞市千河鎮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,主要建筑物設計標準為3級,按7 度地震設防。水庫總庫容9420 萬m3,有效庫容4506萬m3,防洪標準為100 年一遇洪水設計,1000 年一遇洪水校核,設計洪水位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1535 m,溢流堰為寬頂堰,堰頂高程596 m,堰頂寬70 m,堰上設有6 孔10.3 m×8.3 m開臥式平板鋼閘門,配置卷揚式啟閉機6 臺,最大泄水量2370 m3/s[1-2]。

2 溢洪道等級及洪水標準設計

根據水利部《水利水電樞紐工程等級劃分及洪水標準》及《溢洪道設計規范》規定,王家崖水庫樞紐工程為Ⅲ等（中型）工程,溢洪道按3 級建筑物設計。又根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》規定,山區、丘陵區水利水電工程消能防沖建筑物洪水標準,3 級永久建筑物其消能防沖設計洪水標準為30 年一遇,但結合水庫40 多年運行狀況,考慮以下原因,設計打破常規,將水庫溢洪道消能防沖設施洪水標準提升為百年一遇設計、千年一遇校核,以增強安全性能、盡可能防患于未然,滿足防汛抗洪實際需要。

（1）溢洪道作為王家崖水庫樞紐工程的主要泄洪設施,其消能設施受損,勢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施的基礎為沙卵石及紅粘土,一旦基礎受損,會引起連鎖反應,致使整個溢洪道發生損壞,嚴重危及大壩安全。如2010 年7 月發生了洪峰q=735 m3/s流量時,溢洪道消力池護坦被嚴重沖毀問題。若不是搶險及時就會影響到溢洪道安全,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,同時還有大型廠礦企業及工業重鎮,故確保王家崖水庫運行安全極為重要。

王家崖水庫歷次洪水計算成果見表1,經水文復核,百年一遇設計洪峰流量1310 m3/s,千年一遇校核洪峰流量1610 m3/s；百年一遇設計泄量1310 m3/s,千年一遇校核泄量1549.04 m3/s。由于水庫實際運用中存在淤積現象,加之采取清淤措施,不同時期計算數值不盡相同,本次工程改造后,水庫防洪效能得到了較好恢復和提升。

表1 王家崖水庫歷次洪水計算成果表

3 溢洪道水力計算

3.1 泄流能力

泄流能力是反映溢洪道防抗洪水強度大小的重要指標,以確保水庫運行安全為最高原則。一般按《溢洪道設計規范》（SL 253-2000）寬頂堰公式A.2.3計算：

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

經計算,遭遇1000 年一遇洪水時,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,堰上水頭為6.0 m、庫水位602.00 m,下泄流量1310 m3/s。溢流堰水位泄量關系計算見表2。

表2 溢流堰水位—泄量關系計算表

3.2 水面線推算

根據《溢洪道設計規范》,應以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報告》中校核流量1730 m3/s,結合溢洪道現狀體型設計,推算泄槽過流水面線。根據能量方程,用分段求和法計算。砼襯砌糙率取n=0.014。襯砌高度值根據推求水深加水面波動和摻氣水深后,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。

水面波動及摻氣水按《溢洪道設計規范》公式計算：

式中：h、hb分別為泄槽計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算斷面的流速,m/s；ζ為修正系數,取1.3。

溢洪道摻氣后水深計算成果見表3。

表3 王家崖水庫溢洪道摻氣后水深計算 單位：m

由于溢洪道軸線處計算水深在樁號0-700.00～0+252.64處較為接近試驗水深,且試驗水深略高于計算水深,故左右邊墻高度由試驗水深加0.5 m～1.5 m安全超高確定；樁號0+2525.64～0+332.64 處計算水深高于試驗水深,按試驗左右水深加計算水深與試驗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。

根據邊墻高度復核結果,樁號0+252.64 處現狀邊墻高度低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 溢洪道結構設計

4.1 閘室穩定分析

閘室是溢洪道結構中起擋水和泄水作用的關鍵主體,包括底板、閘墩、閘門等,在水庫蓄、泄水過程中承擔著水流沖力阻擋、傳遞任務。閘室穩定計算荷載組合分基本組合（正常、設計）和特殊組合（校核、檢修、地震）,具體見表4。

表4 荷載組合表

（1） 閘室基底應力計算：

式中：Pmax為閘室基底應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基礎底面垂直于水流方向的形心軸的力矩之和,kN·m；W為閘室基底面對上述形心軸的截面矩,m3。

（2） 抗滑穩定計算：

采用水閘規范7.3.6-1式計算:

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩定安全系數；f為閘室基底面與地基土之間的摩擦系數,按地質報告取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壓力,kN；[Kc]為容許抗滑安全系數。

經計算,溢洪道閘室在各種工況下均滿足穩定要求,見表5。

表5 溢洪道閘室穩定復核成果表 單位：kPa

4.2 閘后翼墻穩定分析

閘后翼墻在溢洪道結構中同樣承擔著水流沖刷力阻抗和導流作用,其安全穩定性必須通過科學計算、切實確保。翼墻穩定復核成果表,見表6。

表6 翼墻穩定復核成果表 單位：kPa

經計算,翼墻除抗滑穩定滿足要求外,其余均不滿足穩定要求。故本次除險加固對翼墻進行拆除重建。

由于黃土層地基承載力較低,新建翼墻進行了基礎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翼墻穩定計算結果,見表7。

表7 15 m翼墻穩定計算結果表 單位：kPa

表8 11 m翼墻穩定計算結果

根據計算結果,15 m翼墻、11 m翼墻均能滿足穩定要求。

但11 m高翼墻基礎砂礫石換填方案,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高翼墻挖除方案節省投資130.98 萬元,故選擇換填方案。

5 結語

寶雞峽王家崖水庫溢洪道改造,工程設計遵循科學、規范、嚴格、安全、效能最佳原則,對工程水力、結構穩定性等關鍵環節進行科學復核,精心優化方案,構建了系統完整的安全鏈條。2015 年完工后經過連續6 年水庫度汛考驗,溢洪道、消力池、護坦等尺寸設計合適,消力池、護坦在常遇、設計、校核水位工況下實際運用壓強分布正常,閘室性能表現安全、穩定,水庫防汛泄洪無明顯問題發生,說明工程設計科學、合理、優良,實現了預期目標。