石匣水庫泄洪設(shè)施完善工程進水塔穩(wěn)定計算

王 雅

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，山西 太原 032400）

1 工程概況

左權(quán)縣石匣水庫位于海河流域南運河水系清漳西源中游，地處左權(quán)縣城西北約9 km 的石匣村北。是一座以防洪為主兼顧農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)供水、發(fā)電的中型水庫。樞紐工程包括：主壩、副壩、溢洪道、輸水洞、導(dǎo)流洞和電站。

石匣水庫是清漳河主流上一座控制性骨干工程，壩址以上控制流域面積754 km2。其中：黃土丘陵區(qū)142.74 km2，土石山區(qū)14.38 km2，石山區(qū)596.88 km2。流域平均寬13.46 km，流域長度56.85 km?？値烊? 099.46 萬m3，其中死庫容571.14 萬m3，興利庫容1 208.86 萬m3，調(diào)洪庫容3 319.46 萬m3。

2 進水塔布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計

有壓箱涵后接進水塔，進水塔采用矩形塔式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，順?biāo)鞣较虻装彘L18 m，垂直水流方向底板寬6.6 m，塔底板高程1 128.0 m，塔頂（檢修平臺）高程為1 155.50 m，塔高29.0 m。塔身高程1 138.0 m以下及底板均采用C35 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；塔身高程1 138.00 m 以上部分均為C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔壁最小厚度0.8 m、底板厚度1.5 m。塔內(nèi)上下交通采用懸臂式踏步樓梯，寬度900 mm。

進水塔上游接有壓箱涵，下游接無壓洞。塔內(nèi)從上游至下游依次布設(shè)平板事故檢修鋼閘門和弧形工作鋼閘門，其中事故檢修閘門孔口尺寸為4.0 m×4.4 m（寬×高），工作閘門孔口尺寸為4.0 m×3.5 m（寬×高），底高程為1 128.0 m。檢修門上游為矩形進水口，檢修門與工作門之間設(shè)置長3.6 m 的有壓短洞，洞頂壓板坡度為1∶4。

檢修門前進水塔上游側(cè)壁厚1.0 m，兩閘門間中隔墻厚1.5 m，工作閘門后進水塔下游側(cè)壁厚1.2 m；閘門兩側(cè)塔壁混凝土最薄處（門槽部位）厚0.70 m，最厚處1.0 m。進水塔中隔墻內(nèi)埋設(shè)兩孔φ400 mm 的通氣孔。

進水塔檢修平臺高程1 155.50 m，與上壩路前平臺高程齊平，塔身外邊緣懸挑出1.2 m 寬走道板，檢修平臺尺寸為11.9×9.0 m（長×寬）。檢修平臺下游側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土牛腿，牛腿長4.0 m，寬0.7 m，其上放置橋面板，將進水塔與上壩公路相連接。

檢修平臺上為C25 鋼筋混凝土排架，共3 榀，檢修平臺和啟閉平臺之間為鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)，根據(jù)閘門檢修凈空要求，排架高10.0 m。立柱截面尺寸800 mm×800 mm；橫梁截面尺寸為800 mm×1 000 mm。

啟閉機房位于鋼筋混凝土排架頂，啟閉機平臺高程為1 165.50 m，啟閉機房平面尺寸為9.5 m×6.6 m（長×寬），高4.0 m，建筑面積為62.7 m2，為磚混結(jié)構(gòu)。啟閉機房墻體采用自重較輕的混凝土空心砌塊，啟閉機房內(nèi)設(shè)QPQ-800kN 固定卷揚式啟閉機兩臺，分別用于事故檢修門、工作閘門的啟閉及檢修起吊。檢修平臺與啟閉機平臺之間采用鋼梯連接上下交通；啟閉機房頂至啟閉機平臺間設(shè)爬梯，以便人員進行房頂結(jié)構(gòu)的維修。

進水塔交通橋采用C30 裝配式先張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支空心板梁（荷載為公路-Ⅱ級，跨徑16 m，1.25 m 板寬），單跨長16 m，共2 跨，總長32 m，橋面寬3.5 m，上下游兩側(cè)設(shè)置橋欄桿，共兩跨，單跨長度10.0 m，橋面鋪裝由下到上分別為100 mm 厚C40 混凝土現(xiàn)澆層、防水層和80 mm 厚瀝青混凝土橋面鋪裝。交通橋排架為C25 鋼筋混凝土，排架高10.0 m，岸邊采用C25 鋼筋混凝土橋臺，橋臺高2.00 m，長4.5 m，其下設(shè)100 mm 厚C15 混凝土墊層，橋臺后原土回填至1 155.5 m 高程，其后開挖寬度為6.0 m 回車場，并修建道路與上壩路連通，長度40 m，路寬3.5 m。

根據(jù)地質(zhì)資料，進水塔持力層為二疊系上統(tǒng)石千峰組P2sh-2 巖組砂巖，巖性較堅硬，巖體基本質(zhì)量級別為Ⅳ級，基本能滿足基礎(chǔ)要求，巖體承載力標(biāo)準(zhǔn)值為800～1 000 kPa，經(jīng)進水塔穩(wěn)定計算，為了使地基應(yīng)力均勻，進水塔基巖面以下塔身及底板基巖均設(shè)置錨桿，錨桿長3.0 m，間排距2.0 m，梅花型布置，基巖面以下塔身一次支護采用掛鋼筋網(wǎng)和噴120 mm 厚C20混凝土組合式結(jié)構(gòu)，鋼筋網(wǎng)采用Ⅰ級鋼筋，直徑為Φ8，網(wǎng)格間距為150 mm。進水塔交通橋墩排架柱基礎(chǔ)位于低液限黏土層，為減小基地應(yīng)力及橋身沉降量，排架采用擴大基礎(chǔ)4.7 m×3.0 m（長×寬）。

3 進水塔穩(wěn)定計算

3.1 進水塔穩(wěn)定計算

根據(jù)《水利水電工程進水口設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，進水塔穩(wěn)定計算包括抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定、抗浮穩(wěn)定及基底應(yīng)力驗算。

作用于進水塔上的荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、揚壓力、浪壓力、風(fēng)壓力等。因本地區(qū)地震裂度為6 度，計算不考慮地震力。

揚壓力根據(jù)地勘資料常年地下水位1 135.0 m 計算。

荷載組合分為基本荷載及特殊荷載組合兩類。前者取正常蓄水位、設(shè)計洪水位工況下放水和防洪高水位擋水的組合；后者取施工完建期、（正常蓄水位）檢修期、校核洪水位情況泄水的組合。荷載組合見表1。

表1 荷載組合表

3.1.1 整體穩(wěn)定安全標(biāo)準(zhǔn)

泄洪洞進水口按3 級建筑物設(shè)計，進水口建筑物座落在土基上，按照《水利水電工程進水口設(shè)計規(guī)范》（SL285-2003） 的規(guī)定，應(yīng)參照《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265—2001）采用。穩(wěn)定安全系數(shù)允許值：基本組合時抗滑穩(wěn)定允許值3.0，抗傾覆穩(wěn)定允許值1.3；特殊組合時抗滑穩(wěn)定允許值2.5，抗傾覆穩(wěn)定允許值1.15；

3.1.2 抗滑移穩(wěn)定計算

抗滑穩(wěn)定計算按《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001）中的公式：

式中：Kc——沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f′——閘室基底面與地基之間的抗剪斷摩擦系數(shù)，取0.7；

c′——閘室基底面與巖石地基之間的抗剪斷粘結(jié)力，kPa，取0.3；

∑G——作用在閘室上的全部豎向荷載（包括揚壓力），kN；

∑H——作用在閘室上的全部水平向荷載，kN。

考慮施工完建期不存在抗滑穩(wěn)定問題，故只對其他工況進行計算：

不同荷載組合下順?biāo)鞣较蛴嬎憧够€(wěn)定安全系數(shù)如下：

基本組合：正常蓄水位計算值11.5，防洪高水位計算值9.3，設(shè)計洪水位計算值11.5，均大于允許值3.0；特殊組合：施工完建期計算值8.1，檢修期計算值11.1，校核洪水位計算值5.3，均大于允許值2.5。

不同荷載組合下垂直流方向計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)如下：

基本組合：正常蓄水位計算值18.4，防洪高水位計算值80.4，設(shè)計洪水位計算值80.5，均大于允許值3.0；特殊組合：施工完建期計算值56.2，檢修期計算值75.0，校核洪水位計算值106.8，均大于允許值2.5。

由以上計算結(jié)果可知，各種工況下，在天然地基條件下進水塔抗滑穩(wěn)定均滿足要求。

3.1.3 抗傾覆穩(wěn)定計算

抗傾安全系數(shù)為所有荷載對進水塔底板下游邊線的抗傾力矩和傾覆力矩之比。計算公式如下：

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；

不同荷載組合下順?biāo)鞣较蚩箖A覆計算安全系數(shù)如下：

基本組合：防洪高水位計算值5.32，設(shè)計洪水位計算值5.33，均大于允許值1.3；特殊組合：施工完建期計算值7.21，檢修期計算值4.70，校核洪水位計算值5.4，均大于允許值1.15。

不同荷載組合下垂直水流方向抗傾覆計算安全系數(shù)如下：

基本組合：防洪高水位計算值4.37，設(shè)計洪水位計算值4.32，均大于允許值1.3；特殊組合：施工完建期計算值3.14，檢修期計算值4.44，校核洪水位計算值4.42，均大于允許值1.15。

由以上計算結(jié)果可知，進水塔抗傾覆穩(wěn)定滿足要求。

3.1.4 抗浮穩(wěn)定計算

抗浮穩(wěn)定計算計算公式如下：

式中：Kf——抗浮安全系數(shù)；

∑V——建基面上垂直總和，kN；

∑U——建基面上揚壓力總和，kN；

不同荷載組合計算安全系數(shù)如下：

基本組合：防洪高水位計算值4.85，設(shè)計洪水位計算值4.86，均大于允許值1.1；特殊組合：檢修期計算值4.60，校核洪水位計算值4.87，均大于允許值1.05。

由以上計算結(jié)果可知，進水塔滿足抗浮穩(wěn)定要求。

3.1.5 基底應(yīng)力計算

基底應(yīng)力計算采用公式如下：

式中：∑G──作用在進水塔上的全部豎向荷載，kN；

A──進水塔基底面的面積；

∑Mx、∑My——作用在進水塔上的全部豎向和水平向荷載對于基礎(chǔ)底面形心軸x、y 的力矩，k N·m；

Wy、Wy──進水塔基底面對于該底面形心軸x、y 的截面矩，m3。

不同荷載組合下荷載作用在進水塔身時最不利情況下基底應(yīng)力計算成果見下表2。

表2 進水塔基底應(yīng)力計算成果表 單位：kPa

計算得基底最大應(yīng)力為623 kPa，小于地基承載力800～1 000 kPa，最小應(yīng)力為70 kPa，無拉應(yīng)力出現(xiàn)，滿足要求。

4 結(jié)論

根據(jù)地質(zhì)條件，擬定進水塔結(jié)構(gòu)尺寸，經(jīng)計算，進水塔的整體穩(wěn)定、抗滑移穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定、抗浮穩(wěn)定、基底應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，從而確定進水塔的結(jié)構(gòu)尺寸滿足要求。