努尔加水库洪水泄流能力及大坝安全性复核

陈 刚

(昌吉市三屯河流域管理处，新疆 昌吉 831100)

1 工程概况

努尔加水库总库容6844万m3，工程规模为中型工程，等别属Ⅲ等，总投资60 006.36万元。工程设计洪水标准为100 a一遇，校核洪水标准为2000 a一遇,泄洪建筑物消能防冲设计洪水标准为30 a一遇。工程位于强震区(地震基本烈度为Ⅷ度)，因此需要对努尔加水库的复核项目包括：洪水复核、泄流能力复核、大坝安全性复核等。

2 设计洪水计算及洪水复核

2.1 设计洪水计算

以碾盘庄水文站1976—2018年洪水样本为参证，对努尔加水库坝址设计洪水进行了分析计算，选配P-Ⅲ型频率曲线计算碾盘庄水文站和主要控制性节点断面设计洪峰流量(时段洪量)，计算成果(部分)见图1和表1[1]。

图1 碾盘庄水文站年最大洪峰频率曲线

表1 各计算节点断面洪峰流量值统计

2.2 设计入库洪水复核

依据碾盘庄水文站历史洪水资料并结合最新洪水资料，对努尔加水库设计洪水进行复核计算，主要计算节点复核成果见表2[2]。通过与表1数据对比，控制计算断面设计洪峰流量复核成果均稍小于初步设计成果，说明初步设计洪水值是合理的。

表2 各计算节点断面设计洪峰流量复核计算成果

3 泄流能力复核

3.1 导流兼泄洪排沙洞泄流能力设计

本工程导流兼泄洪排沙洞为有压泄流方式，过流能力Q设计计算见公式(1)[3]，计算成果见表3。

(1)

式中：T0为由隧洞出口闸井底板高程算起的上游库水深；hp为隧洞出口断面水流平均单位势能；μ为流量系数；ω为隧洞出口断面面积。

3.2 表孔溢洪洞泄流能力设计

表孔溢洪洞为WES实用堰，其泄流能力Q设计计算见公式(2)[4]，计算成果见表3。

(2)

式中：m为流量系数，根据所确定的设计水头、上游堰高及堰上水头等确定；ε为侧收缩系数；B为 堰宽，取10 m；σs为淹没系数，1.0；H0为堰前计入行进流速水头的堰上总水头，m。

3.3 泄流能力复核分析

为了复核努尔加水库泄流能力，本项目利用水工模型试验，试验率定的导流兼泄洪排沙洞、表孔溢洪洞敞泄工况水位泄量关系曲线分别见图2和图3[5]。水工模型试验和设计泄流能力数据对比见表3。

图2 导流兼泄洪排沙洞全开库水位～流量关系曲线(水工模型)

图3 表孔溢洪洞全开库水位～流量关系曲线(水工模型)

表3 努尔加水库工程泄洪模型试验与初设泄流能力对比 m3·s-1

表3数据表明：①泄洪建筑物(表孔溢洪洞+导流兼泄洪排沙洞)总泄流能力的模型试验值大于初设泄流能力；②以水位为标准分析差值，校核洪水位(72.47 m3/s)>设计洪水位(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从对比结果分析，初步设计时对主要泄洪建筑物泄流能力计算的方法选取合适，参数取值偏于保守，所确定的泄流曲线留有一定安全裕度[6]。

4 大坝安全性复核

4.1 大坝抗滑稳定性分析

(1)计算工况及参数。本项目计算工况包括以下四个方面：竣工期、稳定渗流期、库水位骤降期、正常运用期遇地震工况，坝坡稳定分析计算参数见表4。

表4 坝坡稳定分析计算参数

(2)计算方法及结果分析。本项目坝坡稳定分析采用中国水利水电科学研究院编制的《土质边坡稳定分析程序》(STAB 2008)，利用“毕肖普法”计算[7]。大坝为2级建筑物，规范允许的各工况下坝坡最小安全系数、计算结果见表5，可知坝坡抗滑稳定最小安全系数均大于允许值，上、下游坝坡是稳定的。

表5 坝坡抗滑稳定计算最小安全系数

4.2 大坝抗震复核

4.2.1 地震附加沉陷复核

坝体沉陷率主要受地震烈度、坝基压缩层厚度、坝型和施工方法等因素影响。本项目通过利用“平面有限元”计算得：在设计地震工况下，坝体最大地震沉陷量为71 cm。

根据《碾压式土石坝设计规范》(DL/T 5395—2007)规定，地震区的安全加高应包括地震坝顶沉陷和涌浪高度，本项目设计安全加高为2.5 m(地震引起坝顶沉陷1.0 m，地震涌浪1.5 m)，地震安全加高取值量是合适的。

4.2.2 坝体抗震措施复核

根据《水工建筑物抗震设计规范》(SL 203—97)规定，努尔加水库大坝抗震设防类别为乙类，抗震设计烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度为0.204 g。参考同类工程经验，该工程坝体抗震措施结合坝体结构、坝料设计综合考虑，经复核达到抗震要求，具体措施为以下四个方面：

(1)适当加宽坝顶，降低坝顶地震力作用，并防止因坝顶砂砾石体塌滑，类比国内外强震区高坝工程实例，坝顶宽度采用10 m。

(2)上游坝坡采用1∶2.25，下游“之”字形道路之间坝坡1∶2.00，综合坝坡1∶2.20。从而构成“上缓下陡”坝坡形式，对抗震有利。

(3)坝体采用砂砾石料填筑，并用较高标准控制大坝填筑，即要求砂砾料的相对紧密度Dr≥0.85，以提高坝体密实程度，增强抗震能力。

(4)筑坝砂砾石料具有较强透水能力，从而保证地震时所产生的孔隙水压力迅速消散，有利于坝体稳定。

5 结 语

拦河大坝作为水库工程的核心建筑，其参数设计必须严格以工程实际情况为标准，标准过高影响工程经济性，标准过低甚至会造成整个项目的失败。对最初的设计参数进行复核是确保设计合理性的必要手段。本文对努尔加水库的设计洪水、泄流能力、坝体安全性等参数进行复核，均满足相关要求，为后续施工奠定了基础。