石膏山水庫(kù)導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)水塔設(shè)計(jì)

郭永峰

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原030024）

1 工程概況

石膏山水庫(kù)位于山西省晉中市靈石縣南關(guān)鎮(zhèn)峪口村汾河中游一級(jí)支流仁義河上,控制流域面積110 km2。水庫(kù)總庫(kù)容473×104m3，最大壩高 68.0 m，工程等別為Ⅳ等，為?。?）型水庫(kù)。它是一座以城鎮(zhèn)生活和工業(yè)供水、農(nóng)村人畜飲水為主，兼顧農(nóng)田灌溉和防洪等綜合利用的水庫(kù)樞紐工程，主要由混凝土重力拱壩、導(dǎo)流泄洪洞、發(fā)電引水洞三部分組成。

2 進(jìn)水塔地形、地質(zhì)情況

進(jìn)水塔屬于左壩肩導(dǎo)流泄洪洞中的一部分，處于宏厚山體的一凸出小山梁上。該山梁在壩頂高程以下兩側(cè)陡直，山脊狹窄，寬僅70 m左右，山脊方向N11°W，向下游山體逐漸宏厚。距離山梁前沿臨河部位約30 m處有走向N60～77°E，傾向SE，傾角66～80°的高角度裂隙GL1貫通山梁，該貫通裂隙北西側(cè)臨河。塔基地層巖性主要為太古界太岳山群石膏山組第二巖組混合花崗巖、淺粒巖夾片麻巖，巖層產(chǎn)狀為N55～60°E/NW∠85～88°，圍巖類(lèi)別主要為Ⅲ類(lèi)，進(jìn)出口全強(qiáng)風(fēng)化帶及節(jié)理裂隙密集帶為Ⅴ類(lèi)。建議圍巖堅(jiān)固系數(shù)f=1～1.5，單位彈性抗力系數(shù)K0=（30～50）×104kN/m3，進(jìn)水塔基位于地下水位以上，不存在涌水問(wèn)題，強(qiáng)風(fēng)化基巖承載力建議值fk=0.6～0.8 MPa；弱風(fēng)化基巖承載力建議值fk=1.5～2 MPa。

3 進(jìn)水塔設(shè)計(jì)過(guò)程

3.1 布置原則

根據(jù)進(jìn)水塔在水庫(kù)樞紐中的功能主要為施工期的導(dǎo)流和運(yùn)行期泄洪和排沙等作用，參照《水利水電進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》，進(jìn)水塔布置除了滿(mǎn)足水工、機(jī)電運(yùn)行、維修和機(jī)電安全條件下力求經(jīng)濟(jì)合理外，尚應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：一是進(jìn)水塔應(yīng)與樞紐其他工程布置相協(xié)調(diào)，二是保證進(jìn)水口水流暢順；三是進(jìn)水塔進(jìn)水口應(yīng)選用阻力小的曲線(xiàn)，并注意改善閘門(mén)槽、漸變段等部位體形，并采取防空蝕措施；四是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，并滿(mǎn)足充水等要求。

3.2 進(jìn)水口形式與體型比較

綜合水庫(kù)泄洪沖沙和施工導(dǎo)流等要求，結(jié)合壩址地形條件隧洞進(jìn)口進(jìn)水塔選在左岸，距左壩頭約30 m，塔后與泄水隧洞漸變段相接，洞軸線(xiàn)走向?yàn)镹55°E，洞軸線(xiàn)為一直線(xiàn)。

按進(jìn)水口的布置及結(jié)構(gòu)形式，可分為豎井式、塔式、岸塔式、斜坡式等。根據(jù)進(jìn)水塔的功能以及進(jìn)口的地形、地質(zhì)條件主要比較塔式、岸塔式這兩種進(jìn)水口形式。

塔式進(jìn)水口是獨(dú)立于隧洞首部而不依靠巖坡的封閉式塔或框架式塔，塔底裝設(shè)閘門(mén)，一般在塔頂設(shè)操縱平臺(tái)和啟閉機(jī)室，有的工程在塔內(nèi)設(shè)油壓?jiǎn)㈤]機(jī)。封閉式塔身的水平斷面一般為矩形，大、中型泄水隧洞多采用矩形橫斷面的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔式進(jìn)水口常用于岸坡巖石較差、覆蓋層較厚的地方，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型計(jì)算方便，容易進(jìn)行穩(wěn)定分析和結(jié)構(gòu)計(jì)算，布置整齊，管理運(yùn)行方便，其缺點(diǎn)是：受風(fēng)、浪、冰、地震的影響大，穩(wěn)定性相對(duì)較差，通過(guò)錨桿錨固進(jìn)水塔與山體，能解決進(jìn)水塔穩(wěn)定性差這一缺點(diǎn),適用于進(jìn)口處岸坡低緩,覆蓋層較厚,山體巖石破碎的地形、地質(zhì)條件中。

塔身是直立的懸臂結(jié)構(gòu)，在水庫(kù)中受到風(fēng)、浪、冰、地震的作用，因此，需對(duì)塔身進(jìn)行抗傾、抗滑穩(wěn)定計(jì)算及塔身的結(jié)構(gòu)計(jì)算。

岸塔式進(jìn)水口是靠在開(kāi)挖后洞臉巖坡上直立的或傾斜的進(jìn)水塔，主要靠山體岸坡承受進(jìn)水塔傳來(lái)的荷載，主要缺點(diǎn)是：對(duì)進(jìn)水塔周?chē)牡匦螚l件要求苛刻，同時(shí)要求進(jìn)水口的地質(zhì)圍巖強(qiáng)度較高，雖然穩(wěn)定性比塔式進(jìn)水口要強(qiáng)，但是在啟閉閘門(mén)時(shí)增加了啟閉設(shè)備的啟閉力，增加了投資，僅靠閘門(mén)本身的重量很難完成關(guān)閉閘門(mén)，其運(yùn)行管理起來(lái)比較麻煩。主要適用于岸坡較陡，巖體比較堅(jiān)固穩(wěn)定，巖石強(qiáng)度較高的地形地質(zhì)條件下。

結(jié)合導(dǎo)流洞進(jìn)水口所處的地形岸坡低緩,覆蓋層較厚，巖石不好等條件并考慮將來(lái)運(yùn)行檢修方便等要求，本工程推薦采用塔式進(jìn)水口。

3.3 結(jié)構(gòu)布置

進(jìn)水塔由引渠段、進(jìn)口閘室段、閘后漸變段組成。

引渠段為梯形斷面，引渠段底板相對(duì)高程為0.0 m，引渠長(zhǎng)15 m，開(kāi)挖邊坡1：0.5，為使水流平順，引渠進(jìn)口平面上設(shè)置擴(kuò)散段，底寬8.2～10.5 m。底板采用C20素混凝土襯砌，厚度為0.4 m，邊坡采用C20混凝土噴錨支護(hù)，噴混凝土厚度100 mm。

圖1 進(jìn)水塔布置、結(jié)構(gòu)圖

圖2 1-1剖面圖（單位：mm）

3.4 穩(wěn)定分析

根據(jù)水庫(kù)總庫(kù)容確定進(jìn)水塔為4級(jí)建筑物,正常運(yùn)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇,非常運(yùn)用校核標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，穩(wěn)定分析以進(jìn)水塔整體進(jìn)行分析。

3.4.1 荷載

荷載組合見(jiàn)表1。

表1 荷載組合表

3.4.2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

進(jìn)水塔塔基存在一條走向N60～77°E，傾向SE，傾角66～80°的高角度裂隙，取該處不利的塔基面為研究對(duì)象進(jìn)行整體穩(wěn)定計(jì)算分析。進(jìn)水塔抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算按下式計(jì)算。

式中：Kc—按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f —進(jìn)水塔底板與基巖面接觸的抗剪斷摩擦系數(shù)，取0.7；

C'—進(jìn)水塔底板與基巖面接觸的抗剪斷凝聚力，取0.3；

∑W—作用于底板上的全部荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的法向合力；

∑P—作用于底板上的全部荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的切向合力；

A—進(jìn)水塔底板與基巖接觸面的截面面積。

3.4.3 抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算

進(jìn)水塔發(fā)生傾覆時(shí)，假定進(jìn)水塔是剛性的,那么進(jìn)水塔將繞底板邊角點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算公式如下：

式中：K0—抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑Ms—建基面上穩(wěn)定力矩總和，kN.m；

∑M0—建基面上傾覆力矩總和，kN.m。

3.4.4 抗浮穩(wěn)定計(jì)算

式中：Kf—抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑V—建基面上垂直力總和；

∑U—建基面上揚(yáng)壓力總和。

3.4.5 計(jì)算成果

計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 抗滑、抗傾覆、抗浮穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

3.5 結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用理正水工結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件6.5系列網(wǎng)絡(luò)版，根據(jù)水利水電進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范，塔身的結(jié)構(gòu)采用圓筒模型來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)構(gòu)截面選取最不利的斷面來(lái)配筋，進(jìn)水塔不工作時(shí)，塔內(nèi)、塔外水位一樣；當(dāng)進(jìn)水塔運(yùn)行時(shí)，由于流速水頭，閘門(mén)門(mén)槽的部位水頭會(huì)有一部分局部損失，所以?xún)?nèi)、外水位不一致。選擇相對(duì)高程為16.9 m處的斷面將其簡(jiǎn)化成單寬為1m的井筒結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行內(nèi)力、配筋驗(yàn)算，通過(guò)計(jì)算截面應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求，所配鋼筋滿(mǎn)足最小配筋率要求，進(jìn)水塔計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖 單位（kN/m）

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)石膏山水庫(kù)導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)水塔進(jìn)水口的詳細(xì)設(shè)計(jì)，認(rèn)為塔式進(jìn)水口平面、結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)、穩(wěn)定分析符合規(guī)范要求，設(shè)計(jì)合理。塔式進(jìn)水口這一進(jìn)水流態(tài)良好,在省內(nèi)愈來(lái)愈多的水利水電工程中廣泛采用。由于該進(jìn)水塔高50多m，在施工圖階段設(shè)計(jì)還應(yīng)該根據(jù)邊界條件對(duì)它進(jìn)行動(dòng)力分析。