王家崖水库溢洪道改造水力设计复核分析

郑建峰

（陕西省宝鸡峡引渭灌溉中心,陕西 咸阳 712000）

1 概况

王家崖水库是宝鸡峡灌区第一大水库,位于陕西省宝鸡市千河镇王家崖村北的千河峡谷,位置居高临下,输水和防汛功能突出,地位极为重要。坝址以上总流域面积3288 m2,水库枢纽工程为三等中型水库,主要建筑物设计标准为3级,按7 度地震设防。水库总库容9420 万m3,有效库容4506万m3,防洪标准为100 年一遇洪水设计,1000 年一遇洪水校核,设计洪水位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。水库枢纽由土坝、溢洪道、放水洞、引水洞、坝后抽水站、进水道及过坝干渠等建筑物组成。溢洪道位于坝体右岸,由引水渠、闸室段、陡坡、消能段、尾水渠部分组成。溢洪道断面为梯形开敞式,全长1535 m,溢流堰为宽顶堰,堰顶高程596 m,堰顶宽70 m,堰上设有6 孔10.3 m×8.3 m开卧式平板钢闸门,配置卷扬式启闭机6 台,最大泄水量2370 m3/s[1-2]。

2 溢洪道等级及洪水标准设计

根据水利部《水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准》及《溢洪道设计规范》规定,王家崖水库枢纽工程为Ⅲ等（中型）工程,溢洪道按3 级建筑物设计。又根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》规定,山区、丘陵区水利水电工程消能防冲建筑物洪水标准,3 级永久建筑物其消能防冲设计洪水标准为30 年一遇,但结合水库40 多年运行状况,考虑以下原因,设计打破常规,将水库溢洪道消能防冲设施洪水标准提升为百年一遇设计、千年一遇校核,以增强安全性能、尽可能防患于未然,满足防汛抗洪实际需要。

（1）溢洪道作为王家崖水库枢纽工程的主要泄洪设施,其消能设施受损,势必影响溢洪道正常泄洪,从而危及大坝安全。

（2）该水库溢洪道及消能设施的基础为沙卵石及红粘土,一旦基础受损,会引起连锁反应,致使整个溢洪道发生损坏,严重危及大坝安全。如2010 年7 月发生了洪峰q=735 m3/s流量时,溢洪道消力池护坦被严重冲毁问题。若不是抢险及时就会影响到溢洪道安全,酿成重大事故。

（3）溢洪道位于大坝坝体上,溢洪道破坏,直接危及大坝安全。

（4）王家崖水库下游为国家交通枢纽,有陇海铁路、高速公路、高速铁路等,同时还有大型厂矿企业及工业重镇,故确保王家崖水库运行安全极为重要。

王家崖水库历次洪水计算成果见表1,经水文复核,百年一遇设计洪峰流量1310 m3/s,千年一遇校核洪峰流量1610 m3/s；百年一遇设计泄量1310 m3/s,千年一遇校核泄量1549.04 m3/s。由于水库实际运用中存在淤积现象,加之采取清淤措施,不同时期计算数值不尽相同,本次工程改造后,水库防洪效能得到了较好恢复和提升。

表1 王家崖水库历次洪水计算成果表

3 溢洪道水力计算

3.1 泄流能力

泄流能力是反映溢洪道防抗洪水强度大小的重要指标,以确保水库运行安全为最高原则。一般按《溢洪道设计规范》（SL 253-2000）宽顶堰公式A.2.3计算：

式中：Q为泄量,m3/s；B为溢流堰总净宽,B=61.8 m；H0为计入流速水头的堰上总水头,m； G为重力加速度,m/s2；ε为闸墩侧收缩系数；m为二元水流实用堰流量系数。

经计算,遭遇1000 年一遇洪水时,堰上水头为6.61 m、库水位602.61 m,溢洪道下泄量1549 m3/s；遭遇100 年一遇洪水时,堰上水头为6.0 m、库水位602.00 m,下泄流量1310 m3/s。溢流堰水位泄量关系计算见表2。

表2 溢流堰水位—泄量关系计算表

3.2 水面线推算

根据《溢洪道设计规范》,应以1000 年一遇的校核洪水情况泄流量1549.04 m3/s作为控制流量,考虑到溢洪道超泄问题,按《王家崖水库溢洪道加固工程水工模型试验报告》中校核流量1730 m3/s,结合溢洪道现状体型设计,推算泄槽过流水面线。根据能量方程,用分段求和法计算。砼衬砌糙率取n=0.014。衬砌高度值根据推求水深加水面波动和掺气水深后,再考虑0.5 m～1.5 m的超高确定。沿程水流流速范围为10.75 m～17.36 m/s。

水面波动及掺气水按《溢洪道设计规范》公式计算：

式中：h、hb分别为泄槽计算断面的水深及掺气后的水深,m； V为不掺气情况下泄槽计算断面的流速,m/s；ζ为修正系数,取1.3。

溢洪道掺气后水深计算成果见表3。

表3 王家崖水库溢洪道掺气后水深计算 单位：m

由于溢洪道轴线处计算水深在桩号0-700.00～0+252.64处较为接近试验水深,且试验水深略高于计算水深,故左右边墙高度由试验水深加0.5 m～1.5 m安全超高确定；桩号0+2525.64～0+332.64 处计算水深高于试验水深,按试验左右水深加计算水深与试验水深差值确定左右边墙处水深,加0.5 m～1.5 m安全超高后确定边墙高度。

根据边墙高度复核结果,桩号0+252.64 处现状边墙高度低40 cm,需加高处理,其余边墙采用将衬砌高度抬高至墙顶以满足墙高要求。

4 溢洪道结构设计

4.1 闸室稳定分析

闸室是溢洪道结构中起挡水和泄水作用的关键主体,包括底板、闸墩、闸门等,在水库蓄、泄水过程中承担着水流冲力阻挡、传递任务。闸室稳定计算荷载组合分基本组合（正常、设计）和特殊组合（校核、检修、地震）,具体见表4。

表4 荷载组合表

（1） 闸室基底应力计算：

式中：Pmax为闸室基底应力的最大值或最小值,kPa；∑G为作用于闸室上的全部竖向荷载之和,包括作用在底板上的扬压力,kN；A为闸室基底面的面积,m2；∑M为作用于闸室上的全部荷载对基础底面垂直于水流方向的形心轴的力矩之和,kN·m；W为闸室基底面对上述形心轴的截面矩,m3。

（2） 抗滑稳定计算：

采用水闸规范7.3.6-1式计算:

式中：Kc为沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；f为闸室基底面与地基土之间的摩擦系数,按地质报告取0.3；∑H为水平荷载之和,kN；∑G为作用于闸室上的全部竖向荷载之和,包括作用在底板上的扬压力,kN；[Kc]为容许抗滑安全系数。

经计算,溢洪道闸室在各种工况下均满足稳定要求,见表5。

表5 溢洪道闸室稳定复核成果表 单位：kPa

4.2 闸后翼墙稳定分析

闸后翼墙在溢洪道结构中同样承担着水流冲刷力阻抗和导流作用,其安全稳定性必须通过科学计算、切实确保。翼墙稳定复核成果表,见表6。

表6 翼墙稳定复核成果表 单位：kPa

经计算,翼墙除抗滑稳定满足要求外,其余均不满足稳定要求。故本次除险加固对翼墙进行拆除重建。

由于黄土层地基承载力较低,新建翼墙进行了基础砂砾石换填和直接坐落在下部砂卵石上两种方案比选。15 m翼墙稳定计算结果,见表7。

表7 15 m翼墙稳定计算结果表 单位：kPa

表8 11 m翼墙稳定计算结果

根据计算结果,15 m翼墙、11 m翼墙均能满足稳定要求。

但11 m高翼墙基础砂砾石换填方案,采用挖至下部砂砾石层上,将下部4 m土层换填成砂卵石,投资为141.06 万元,较15 m高翼墙挖除方案节省投资130.98 万元,故选择换填方案。

5 结语

宝鸡峡王家崖水库溢洪道改造,工程设计遵循科学、规范、严格、安全、效能最佳原则,对工程水力、结构稳定性等关键环节进行科学复核,精心优化方案,构建了系统完整的安全链条。2015 年完工后经过连续6 年水库度汛考验,溢洪道、消力池、护坦等尺寸设计合适,消力池、护坦在常遇、设计、校核水位工况下实际运用压强分布正常,闸室性能表现安全、稳定,水库防汛泄洪无明显问题发生,说明工程设计科学、合理、优良,实现了预期目标。