守口堡水庫泄洪沖沙底孔進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

閆丹青

（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

守口堡水庫位于陽高縣黑水河上游段，屬?。?）型水庫，工程等別為Ⅳ等，洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期為50年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期為500年一遇，以工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉及防洪等綜合利用為主。工程由樞紐工程和供水工程組成，建成后可向工業(yè)供水，改善農(nóng)業(yè)灌溉，同時(shí)保護(hù)水庫下游陽高縣城和沿河鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政村耕地和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，改善兩岸的生態(tài)環(huán)境，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)布置

進(jìn)水塔的布置既要滿足結(jié)構(gòu)布置的要求，又要滿足閘門、啟閉機(jī)等機(jī)電設(shè)備布置和運(yùn)用的要求，同時(shí)又要防止泥沙淤積，保證水流順暢。

守口堡水庫大壩樁號(hào) 0+127.00～0+145.00、0+207.00～0+225.00段為底孔壩，下部布設(shè)泄洪沖沙底孔，共4孔。底孔分進(jìn)口段、洞身段和出口段三部分，進(jìn)口段設(shè)事故檢修閘門，出口段設(shè)弧形工作閘門，進(jìn)口閘室為封閉式進(jìn)水塔，緊臨上游壩面。

進(jìn)水塔塔身采用矩形斷面的箱形結(jié)構(gòu)，順?biāo)较蜷L(zhǎng)6.8m，塔身最大高度33.6m，塔體相對(duì)高程18m以下寬16.2m，筒壁厚1.5m，相對(duì)高程18m以上寬15.6m，，筒壁厚1.2m，塔頂相對(duì)高程33.6m。塔筒前部設(shè)事故檢修閘門，其底板相對(duì)高程為0.00m，后部為通氣孔，與檢修門槽之間用1m厚隔墻隔開，每個(gè)通氣孔在相對(duì)高程18.0m以下中間設(shè)隔墩，隔墩厚500mm，其結(jié)構(gòu)布置型式見圖1。

圖1 進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)布置圖

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

由結(jié)構(gòu)布置表明，進(jìn)水塔體型復(fù)雜，截面變化部位多，受力復(fù)雜，根據(jù)同類工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)進(jìn)水塔典型斷面簡(jiǎn)化為平面剛桁架采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算，如圖2。

圖2 計(jì)算簡(jiǎn)圖

3.1 計(jì)算工況

根據(jù)底孔的運(yùn)行情況分析，主要有以下幾種工況。

工況1：在校核洪水位情況下，工作門開啟，利用泄洪沖沙底孔泄洪，由于檢修門槽與通氣孔處的位置水頭轉(zhuǎn)化為流速水頭，故水位下降，此時(shí)，檢修門槽內(nèi)的水位與通氣孔內(nèi)水位相同，均低于庫水位。

工況2：在正常蓄水位情況下，工作門檢修，利用檢修門擋水，此時(shí)閘門槽內(nèi)水位與庫水位相同，通氣孔內(nèi)無水。

工況3：在正常運(yùn)行期遇地震情況下，工作門關(guān)閉，底孔內(nèi)充滿水，此時(shí)，檢修門槽和通氣孔內(nèi)水位相同，且都等于庫水位，塔筒受水平地震慣性力作用。

3.2 計(jì)算荷載

對(duì)于塔筒截面的荷載，在前兩種工況下，僅受水壓力作用，由初步計(jì)算可知，工況1和工況2為控制工況。計(jì)算斷面應(yīng)根據(jù)水位、斷面形式等選取最不利斷面，故選取工況1下相對(duì)高程7.4m、18.0m、23.0m斷面，工況2下相對(duì)高程4.8m、18.0m、23.0m斷面進(jìn)行計(jì)算。以相對(duì)高程18.0m斷面為例，荷載分布如圖3。

圖3 相對(duì)高程18.0m斷面荷載分布圖（單位kN/m）

各典型斷面主要內(nèi)力計(jì)算成果見表1。

表1 各典型斷面主要內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，初步選配鋼筋形式見表2。

表2 各典型斷面截面配筋形式

3.3 裂縫寬度驗(yàn)算

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)計(jì)算成果，按實(shí)際情況，在考慮抗裂及裂縫驗(yàn)算要求下進(jìn)行實(shí)際配筋。根據(jù)初配鋼筋形式，對(duì)桿件進(jìn)行抗裂及裂縫驗(yàn)算計(jì)算。

構(gòu)件為偏心受壓構(gòu)件，根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191-2008），抗裂驗(yàn)算應(yīng)符合下式規(guī)定：

式中：Nk——按荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的軸力值，N；

γm——截面抵抗矩塑性系數(shù)；

αct——混凝土拉應(yīng)力限制系數(shù)，對(duì)荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合，取0.85；

ftk——混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2；

e0——軸向力對(duì)截面重心的偏心距，mm；

A0——換算截面面積，mm2；

αE——鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值，即

A0——換算截面受拉邊緣的彈性抵抗矩，mm3；即

y0——換算截面重心至受壓邊緣的距離，mm；

I0——換算截面重心對(duì)其重心軸的慣性矩，mm4；

Ac——混凝土截面面積，mm2；

As、A′s——受拉、受壓鋼筋截面面積，mm2；

h——截面全高,mm；

偏心受壓混凝土構(gòu)件在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下的最大裂縫寬度ωmax(mm)按下式計(jì)算：

式中：α——考慮構(gòu)件受力特征和荷載長(zhǎng)期作用的綜合影響系數(shù)，取2.1；

c——最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)邊緣的距離，mm；

d——鋼筋直徑，mm；

ρte——縱向受拉鋼筋的有效配筋率；

σsk——按荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的構(gòu)件縱向受拉鋼筋應(yīng)力，N/mm2。

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，二類環(huán)境下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大裂縫寬度限值ωlim=0.3mm。進(jìn)水塔的抗裂及裂縫寬度計(jì)算見表3。

表3 截面設(shè)計(jì)、抗裂及縫寬度驗(yàn)算結(jié)果表

4 結(jié)論

由上述計(jì)算可知，在工況1校核洪水位情況下，塔筒四壁受靜水壓力作用，通氣孔隔墻不受力；工況2檢修期，在正常蓄水位下，通氣孔隔墻前后水位差較大，受力情況不佳，故在通氣孔內(nèi)相對(duì)高程18.0m以下增設(shè)隔墩，改善受力條件，提高隔墻的承載能力。

綜上，進(jìn)水塔的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求，根據(jù)抗裂及裂縫驗(yàn)算結(jié)果，裂縫寬度均小于允許值，限裂計(jì)算滿足要求。