阿爾塔什聯(lián)合進(jìn)水口塔群方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳俊杰，潘旭東，李少杰,李坤儒

(1.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發(fā)有限公司,新疆 喀什 844000)

新疆阿爾塔什水利樞紐工程中的聯(lián)合進(jìn)水口塔群在距壩軸線約1.03km上游右岸南—北向的溝內(nèi)，進(jìn)水塔部位地形北高南低，基巖裸露。受右岸山體地形及高陡邊坡的限制，塔群布置場(chǎng)地較小且無法進(jìn)行大開挖，因此，1—3號(hào)進(jìn)水塔最終采用“緊湊型”布置，即1號(hào)、2號(hào)發(fā)電引水洞進(jìn)水塔布置兩側(cè)，3號(hào)深孔放空排沙洞進(jìn)水塔布置于中間。聯(lián)合進(jìn)水口塔群段處于微風(fēng)化巖體上，岸坡走向340°，自然邊坡為45°～65°，岸坡基巖裸露，層理發(fā)育，巖層產(chǎn)狀340°SW∠58°，傾向坡外，巖層走向與岸坡走向平行，在聯(lián)合進(jìn)水口塔群后邊坡和基礎(chǔ)開始施工過程中，塔群背后高邊坡出現(xiàn)2～3小規(guī)模順層面滑坡。雖然后邊坡設(shè)置了一些100t級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索和錨梁?？紤]上述原因還是擔(dān)心后期該處巖層還會(huì)順層面滑坡的可能性，如圖1所示。

圖1 阿爾塔什水利樞紐工程聯(lián)合進(jìn)水口塔群后邊坡實(shí)際情況

因此，要求將聯(lián)合進(jìn)口進(jìn)水閘塔塔群整體前移10m，受地形條件限制塔群右側(cè)的1號(hào)進(jìn)水塔右邊墻回填混凝土高程有所下降且范圍較大。根據(jù)吳俊杰[1- 2]在2015年技施階段計(jì)算的阿爾塔什聯(lián)合進(jìn)水口塔群靜動(dòng)力計(jì)算分析成果，以及期間進(jìn)行的塔背回填混凝土最優(yōu)高度敏感性分析成果可知，塔身應(yīng)力在地震工況下受回填混凝土高度影響很大，該結(jié)論也在崔煒等[3]、楊光等[4]、李鋒[5]、徐東芝等[6]、苗宏恩等[7]、曹偉等[8]、孔科等[9]、張紫璇等[10]、唐青山等[11]的研究成果中被證實(shí)過。同時(shí)，根據(jù)趙曉紅等[12]對(duì)紫坪鋪水電站的2號(hào)進(jìn)水塔進(jìn)行了抗震復(fù)核，結(jié)果表明在原設(shè)計(jì)7度和遭遇9度以上地震時(shí)，位于回填混凝土一定高程高程范圍內(nèi)的進(jìn)水塔邊墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力均超出允許范圍，證明該處在地震工況時(shí)最薄弱。

可見進(jìn)水塔塔體的穩(wěn)定性受回填混凝土高度的影響很大，這勢(shì)必會(huì)影響1號(hào)、2號(hào)發(fā)電引水系統(tǒng)進(jìn)水口進(jìn)水塔和3號(hào)塔的受力狀態(tài)，所以亟需進(jìn)行三維有限元靜、動(dòng)力分析并與原設(shè)計(jì)方案的塔群應(yīng)力進(jìn)行比較，得出前移10m方案后塔體應(yīng)力的變化范圍，自振特性、應(yīng)力與變形影響分析，在塔群尚未澆筑前為前移方案提供依據(jù)。

1 概況

新疆阿爾塔什水利樞紐工程位于喀什地區(qū)莎車縣，工程在建設(shè)時(shí)面臨著“三高一深”等諸多設(shè)計(jì)難點(diǎn)，即最大壩高164.8m，600m級(jí)高邊坡，Ⅷ度高地震烈度，94.5m深厚覆蓋層。該樞紐工程大體右岸是本次研究對(duì)象1號(hào)、2號(hào)進(jìn)水塔是發(fā)電引水洞前段控制段和3號(hào)塔深孔放空排沙洞控制段，其中1號(hào)、2號(hào)進(jìn)水塔塔頂高程為1827.00m，底板高程為1750m，進(jìn)水塔高度77m，底板厚4m。3號(hào)塔設(shè)置在1號(hào)、2號(hào)進(jìn)水塔中間。

2017年現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)合進(jìn)水口塔群后邊坡、基礎(chǔ)開挖施工階段，前后經(jīng)過2～3次小規(guī)模的順層滑坡，擔(dān)心后期該處巖層還會(huì)有順層面滑坡的可能，為后期安全施工與運(yùn)行，經(jīng)過論證后將聯(lián)合進(jìn)口進(jìn)水口塔群整體前移10m就可避免順層開挖，但是，受地形條件限制塔群右側(cè)的1號(hào)進(jìn)水塔右邊墻回填混凝土高程會(huì)有所下降且范圍較大。右側(cè)1號(hào)進(jìn)水塔后胸墻右邊墻回填混凝土從原來1795m降至1785m，右邊墻回填混凝土從原有的1785m以3級(jí)臺(tái)階形式逐級(jí)降至1770、1765、1760m，以下是原設(shè)計(jì)方案與前移10m方案對(duì)比平面圖，如圖2所示。

圖2 原方案與前移方案對(duì)比平面圖

2 動(dòng)力計(jì)算

結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的方法一般有振型疊加反應(yīng)譜法、時(shí)程分析法[13- 15]。其中振型分解反應(yīng)譜法是目前結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的一種常規(guī)方法，本次與原設(shè)計(jì)方案計(jì)算方法一致，按規(guī)范要求采用振型疊加反應(yīng)譜法對(duì)塔群結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析，該方法被廣泛應(yīng)用。動(dòng)力計(jì)算振動(dòng)方程如下式[16- 18]。

(1)

阻尼采用瑞利阻尼，假定[C]阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣，[M]為質(zhì)量矩陣的線性組合，即滿足下列公式[1- 2]：

[C]=α[M]+b[K]

(2)

式中，α、b—比例常數(shù)。

3 動(dòng)力計(jì)算反應(yīng)譜

壩址區(qū)基巖地震基本烈度為Ⅷ度，Ⅰ類場(chǎng)地，基巖峰值加速度為221.0g。發(fā)電引水建筑物為1級(jí)非壅水建筑物，根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求，發(fā)電引水建筑物抗震設(shè)防類別為乙類，按50年超越概率5%進(jìn)行設(shè)防。特征周期按照規(guī)范要求以及地震安評(píng)報(bào)告給出Tg取0.2s，出于安全考慮取0.3s，按照水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜因采用標(biāo)準(zhǔn)加速度反應(yīng)譜根據(jù)特征參數(shù)擬合出本工程動(dòng)力計(jì)算加速度反應(yīng)譜如圖3所示。

圖3 場(chǎng)地基巖設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

4 三維有限元計(jì)算分析

通過大型有限元軟件ABAQUS[19- 23]建立本次前移10m方案的實(shí)體模型如圖4(b)所示，為了便于比較原設(shè)計(jì)方案也列于此如圖4(a)所示。由于時(shí)間較緊，因此1—3號(hào)進(jìn)水塔全部采用C3D20四面體20結(jié)點(diǎn)單元，整體模型結(jié)點(diǎn)數(shù)量共計(jì)102686個(gè)，單元101218個(gè)。整體實(shí)體模型與網(wǎng)格剖分圖如圖5所示。

圖4 計(jì)算實(shí)體模型

圖5 聯(lián)合進(jìn)水口塔群

4.1 計(jì)算工況

本次計(jì)算所有參數(shù)均有原方案三維有限元靜動(dòng)力分析及配筋設(shè)計(jì)[1]相同，同時(shí)，為了能夠真實(shí)反映塔體與回填混凝土、塔體與基巖基礎(chǔ)之間的相互關(guān)系，計(jì)算利用ABAQUS外掛子程序?qū)崿F(xiàn)接觸之間的靜、動(dòng)力相互作用，然后對(duì)進(jìn)水塔群-閘房-整體地基-回填混凝土-塔體內(nèi)外水體進(jìn)行靜、動(dòng)力聯(lián)動(dòng)耦合計(jì)算(與原方案[1]一致)。計(jì)算塔體結(jié)構(gòu)在前移10m方案后，完建期、正常運(yùn)行期、正常運(yùn)行期+地震、檢修期等工況下的應(yīng)力應(yīng)變情況。

在各個(gè)工況計(jì)算過程中，塔體荷載主要有水體重量，進(jìn)水塔自重(含金結(jié)、水體壓力、浪壓力、底部揚(yáng)壓力、地震力、動(dòng)水附加質(zhì)量力)，按荷載規(guī)范要求，在不同工況時(shí)荷載需要進(jìn)行組合見表1。

表1 荷載組合表

4.2 材料計(jì)算參數(shù)

工程區(qū)聯(lián)合進(jìn)水口塔群在弱風(fēng)化至微風(fēng)化基巖基礎(chǔ)上，根據(jù)地質(zhì)提供地基承載力試驗(yàn)可知，文獻(xiàn)[1]也有所交代，基礎(chǔ)承載力標(biāo)準(zhǔn)值在2.0～2.5MPa，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 材料的力學(xué)參數(shù)

4.3 計(jì)算成果分析

4.3.1靜力成果分析

通過計(jì)算可知聯(lián)合進(jìn)水塔前移10m后，1號(hào)進(jìn)水塔在完建期、運(yùn)行期、檢修期邊墻外側(cè)回填混凝土高度降低后側(cè)向的摩擦力有減少，導(dǎo)致豎向荷載增大，從而使得地基基礎(chǔ)沉降增加，前移10m方案在靜力工況下對(duì)1號(hào)進(jìn)水塔有影響相對(duì)原設(shè)計(jì)方案較小，2號(hào)進(jìn)水塔和3號(hào)塔受力狀態(tài)基本沒有。

4.3.2動(dòng)力成果分析

(1)前移10m方案與原方案結(jié)構(gòu)整體自振特性比較

兩組方案前10階振型頻率及周期見表3。

表3 進(jìn)水口塔群自振特性

當(dāng)1號(hào)進(jìn)水塔邊墻回填混凝土高度下降后，整個(gè)聯(lián)合進(jìn)水口塔群的邊界條件有所改變，導(dǎo)致1號(hào)進(jìn)水塔、2號(hào)進(jìn)水塔、3號(hào)塔(附帶各自閘房及金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量)的震動(dòng)頻率有所降低，自振周期均有所提高，但幅度不大，這也表明建筑物回填混凝土比值越小，建筑物自振周期越長(zhǎng)的特性。

(2)前移10m方案與原方案靜動(dòng)疊加成果比較

在不改變外部邊界條件的情況下，原方案邊墻為1785m時(shí)，由于1號(hào)進(jìn)水塔剛度比2號(hào)閘井剛度小，1號(hào)進(jìn)水塔橫向+豎向地震中右震位移量最大為14.12mm如圖6(a)所示。前移10m方案1號(hào)進(jìn)水塔邊右側(cè)邊墻降低后，右震位移量最大值15.58mm如圖6(b)所示，從增加的變形量也可說明，前移10m后塔體邊墻降低對(duì)1號(hào)進(jìn)水塔橫向位移很大，水平位移增大了9.37%，從而導(dǎo)致邊墻變形增大。

圖6 運(yùn)行期遇地震聯(lián)合進(jìn)水口塔群變形矢量圖(單位:m)

前移10m方案在地震工況時(shí)邊墻應(yīng)力如圖8(b)所示較原方案如圖7(a)所示有所增大，表明前移10方案1號(hào)進(jìn)水塔右側(cè)地形變低后確實(shí)影響到了1號(hào)塔體應(yīng)力，而2號(hào)塔體、3號(hào)塔體回填混凝土高度沒有改變，邊墻應(yīng)力基本沒有改變，限于篇幅限制這里不在論述。

圖7 1號(hào)進(jìn)水塔地震工況拉應(yīng)力大于1.43MPa部分云圖(單位：Pa)

原設(shè)計(jì)1號(hào)進(jìn)水塔地震工況計(jì)算成果見[1]，現(xiàn)將前移10方案1號(hào)進(jìn)水塔在地震工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力(去除集中應(yīng)力點(diǎn)后)表格的形式列于下表，同時(shí)進(jìn)行配筋見表4。

表4 1#進(jìn)水口塔群動(dòng)力計(jì)算拉應(yīng)力表

由上表計(jì)算成果可以得出前移10方案后，邊墻在受橫向地震作用后，1號(hào)進(jìn)水塔左右邊墻配筋量均有所增加，左邊墻1780～1800m段配筋最大提高了29.88%，右邊墻1780～1800m段配筋最大提高了43.48%，并且左右邊墻配筋有下移加深趨勢(shì)，從配筋成果來看左右邊坡7000～8000mm2的配筋量已經(jīng)不合理，因此，該方案在地震工況時(shí)對(duì)1號(hào)塔配筋影響比較大。

5 結(jié)語

(1)由于本工程聯(lián)合進(jìn)水口塔群在施工時(shí)遭遇2～3次小規(guī)模的滑坡，各方出于安全考慮提出將進(jìn)水塔前移10m方案，以便后期施工安全。然后，受本工程地形條件限制，前移10m方案會(huì)造成1號(hào)進(jìn)水塔右側(cè)限制高度降低，靜力工況塔體受力影響較小，而地震工況時(shí)右岸1號(hào)進(jìn)水塔頂部最大水平位移增加了9.37%，同時(shí)自振周期也有所增加，導(dǎo)致邊墻配筋量較原方案有所增加同時(shí)配筋深度有所加深。對(duì)2號(hào)進(jìn)水塔和3號(hào)塔底板稍有影響，主要是1號(hào)進(jìn)水塔豎向荷載變大導(dǎo)致地基沉降量增大，從而影響到了2號(hào)進(jìn)水塔和3號(hào)塔。對(duì)2號(hào)進(jìn)水塔和3號(hào)塔邊墻影響很小，主要因?yàn)榛靥罨炷翛]有變化。最終，因前移10方案導(dǎo)致1號(hào)進(jìn)水塔在地震工況時(shí)配筋過大且不合理，可能會(huì)影響1號(hào)塔體整體受力而否定該方案，現(xiàn)場(chǎng)最終對(duì)聯(lián)合進(jìn)水口塔群后邊坡進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，增加多排預(yù)應(yīng)力錨索與錨梁，經(jīng)復(fù)核邊坡整體穩(wěn)定性，為后續(xù)施工與安全運(yùn)行提供保證。

(2)2021年8月工程全部機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電進(jìn)行涉網(wǎng)調(diào)試，到目前為止塔體后邊坡變形監(jiān)測(cè)儀器數(shù)據(jù)、塔群運(yùn)行狀態(tài)一切正常，通過對(duì)比計(jì)算也證明了塔體外側(cè)約束高度對(duì)結(jié)構(gòu)在地震工況時(shí)的重要性，也為塔體結(jié)構(gòu)受力優(yōu)化提供借鑒。