亭口水庫(kù)工程雙偏心結(jié)構(gòu)泄洪塔穩(wěn)定計(jì)算淺析

房 剛

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710001)

亭口水庫(kù)工程地處陜西長(zhǎng)武縣境內(nèi)、彬長(zhǎng)礦區(qū)中部、涇河一級(jí)支流黑河上，壩址位于黑河干流下游，距河口2.0 km，距長(zhǎng)武縣城18 km。水庫(kù)總庫(kù)容 2.47億 m3，水庫(kù)死水位866.7 m，正常蓄水位893.00 m，設(shè)計(jì)洪水位893.04m，校核洪水位896.67m。泄洪排沙洞位于樞紐右岸緊靠大壩布置，主要任務(wù)是泄洪、排沙，兼顧施工期導(dǎo)流，軸線與壩軸線成90°夾角。工程設(shè)計(jì)最大泄洪能力452.70m3/s。泄洪塔采用矩形塔身，高度45.1m，由塔座、塔筒、塔頂三部分組成。塔座部分包括泄洪洞檢、取水口閘室段，塔筒部分包括泄洪洞檢修門(mén)、工作門(mén)及取水口工作門(mén)門(mén)槽軌道段，塔頂外懸臂1.2 m，以上為檢修平臺(tái)及其閉機(jī)房。塔頂高程897.1m，底高程852.0m，采用C25鋼筋砼，塔身上部尺寸22.4m×13m，下部閘室尺寸32m×13m，塔壁厚度2～3m。塔體內(nèi)上游側(cè)設(shè)一扇事故檢修閘門(mén)，門(mén)孔尺寸7 m×7.8m，下游側(cè)設(shè)一扇弧形工作閘門(mén)，門(mén)孔尺寸7 m×7 m，弧門(mén)井內(nèi)設(shè)工作平臺(tái)，高程864.50 m，安裝弧門(mén)啟閉機(jī)一臺(tái)。泄洪塔頂部為閘房，排架結(jié)構(gòu)，共兩層，高度23.6 m，下層為平門(mén)檢修室，平臺(tái)高程897.10m，層高13.5 m;上層為平門(mén)工作室，高程 910.60 m，層高9.5 m。閘房?jī)?nèi)上游側(cè)安裝QPG3600kN－45 m固定卷?yè)P(yáng)機(jī)一臺(tái)，下游側(cè)安裝HS250kN－25m電動(dòng)葫蘆一臺(tái)，用于設(shè)備的起吊。泄洪塔基礎(chǔ)位于強(qiáng)～弱風(fēng)化巖石上，為加固地基，進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，灌漿孔間間距4m×2m，梅花形布置，深入巖石6.0m。并設(shè)Φ25砂漿錨桿，梅花形布置，間排距4 m×2 m，錨桿深入基巖4.5 m。泄洪塔體型縱剖面如圖1所示。

圖1 泄洪塔體型縱剖面圖

泄洪塔布置在滿足不同功能的條件下，為典型的雙偏心塔體結(jié)構(gòu)。塔體穩(wěn)定性需經(jīng)多次調(diào)整各部位斷面尺寸，以滿足在永久荷載作用下重心與基礎(chǔ)形心盡量重合，在其他不同運(yùn)行工況下，塔體地基與基礎(chǔ)滿足規(guī)范規(guī)定的各項(xiàng)穩(wěn)定條件要求。

1 地質(zhì)條件及參數(shù)確定

1.1 地質(zhì)條件

泄洪塔位于泄洪排砂洞(20—20’)地質(zhì)剖面水平距離0+074.6～0+105.6 m段，塔軸線位于0+082.2 m處，泄洪塔基設(shè)計(jì)高程852.00m。主要地層由上向下可分為兩層，上部為中更新統(tǒng)風(fēng)洪積(Q22eol+pl)黃土狀壤土厚度1.5 ～4.0 m，沖洪積(Q22al+pl)礫石厚度0.4～0.6 m，厚度薄，強(qiáng)度較低，不能作為泄洪塔的天然地基。下伏洛河組(K12)礫巖及砂巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚度2.0～4.5 m，巖石破碎，強(qiáng)度較低，建議清除，進(jìn)水塔基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化及微風(fēng)化巖體上。弱風(fēng)化層厚度10.4～15.5m，巖體較完整，裂隙不甚發(fā)育，質(zhì)量類別為Ⅳ類，承載力特征值 fa=1 300～1 600 kPa，變形模量 Eo=2.3～3.0Gpa;微風(fēng)化巖體完整，裂隙不發(fā)育，質(zhì)量類別為Ⅲ類，承載力特征值fa=1 800 ～2 000 kPa，變形模量 Eo=5.5 ～7.8 GPa。

1.2 基本參數(shù)

(1)建筑物等級(jí)及安全級(jí)別

泄洪塔等級(jí)為2級(jí)建筑物，安全級(jí)別Ⅱ級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.0;

(2)主要標(biāo)高及特征水位

進(jìn)口底板高程:856.00 m;

泄洪塔頂高程:897.10m;

水庫(kù)死水位:866.70m;

水庫(kù)正常蓄水位:893.00m;

水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位:893.04m;

水庫(kù)校核洪水位:896.67m;

(3)地震、氣象

地震烈度6°，多年平均最大風(fēng)速11.7m/s，水庫(kù)吹程1.36 km;

(5)材料:砼標(biāo)號(hào) C25，砼彈性模量25.5 Gpa，容重25 KN/m3，鋼筋采用Ⅰ、Ⅱ級(jí);

(6)結(jié)構(gòu)環(huán)境類別2類;

(7)鋼筋砼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)系數(shù)γd=1.2;

(8)荷載分項(xiàng)系數(shù):永久荷載 γG=1.05，活荷載 γQ=1.2。

1.3 荷載組合

泄洪塔四面臨空，水面寬闊，風(fēng)壓力、浪壓力可來(lái)自水庫(kù)上游順?biāo)鞣较?，也可?lái)自垂直水流方向。泄洪塔穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)同時(shí)考慮順?biāo)?、垂直水流方向受力情況。泄洪塔為前止水，檢修門(mén)經(jīng)常關(guān)閉，正常情況塔內(nèi)無(wú)水。根據(jù)泄洪塔不同工況，計(jì)算工況需包含以下5種情況:

(1)空庫(kù)完建情況;

(2)正常蓄水位，遭遇風(fēng)浪，塔內(nèi)充水;

(3)設(shè)計(jì)洪水位，冰凍情況，塔內(nèi)充水;

(4)正常蓄水位，遭遇風(fēng)浪，塔內(nèi)無(wú)水;

(5)校核洪水位，遭遇風(fēng)浪，塔內(nèi)充水;

該區(qū)為6度地震區(qū)，特殊荷載情況下:2級(jí)建筑物地震情況不予以組合。

計(jì)算工況及荷載組合見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算工況及荷載組合表

2 泄洪塔穩(wěn)定分析

2.1 基底應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL/265－2001，基底應(yīng)力演算應(yīng)滿足以下要求:(1)在各種工況下，塔基平均基底應(yīng)力應(yīng)小于地基允許承載力;(2)最大基底應(yīng)力不應(yīng)大于地基允許承載力的1.2倍;(3)最大基底應(yīng)力與最小基底應(yīng)力比值(基底應(yīng)力分布不均勻系數(shù))不大于規(guī)定值:軟基上，基本組合基底應(yīng)力分布不均勻系數(shù)不大于1.5，特殊組合基底應(yīng)力分布不均勻系數(shù)不大于2.0;(4)地震情況，基底不出現(xiàn)拉應(yīng)力。

該泄洪塔四面臨空，兼泄洪、排沙，施工期導(dǎo)流三種功能，塔體布置對(duì)稱，但塔體周圍泥沙淤積不對(duì)稱故而受力不對(duì)稱，在基地應(yīng)力計(jì)算時(shí)，同時(shí)慮順?biāo)?、垂直水流方向受力情況的矢量合，求出基地的最大應(yīng)力及最小應(yīng)力點(diǎn)。計(jì)算時(shí)，首先根據(jù)閘室、塔壁及隔墻的分布變化情況，以便于簡(jiǎn)化計(jì)算為原則，將該泄洪塔分塊編號(hào)，分別計(jì)算所有分塊的自重以及對(duì)基地形心X、Y軸兩個(gè)方向的力矩，然后沿X方向、Y方向、Z方向求力、力矩矢量合。力矩與基底截面抵抗矩之比、豎向力與基地面積之比即為基底應(yīng)力值。應(yīng)力計(jì)算時(shí)采用如下雙偏心應(yīng)力計(jì)算公式計(jì)算:

∑G:作用基底全部豎向力(KN);

∑M:作用基底全部豎向力和水平向荷載對(duì)基底面形心軸x、y軸力矩(KNm);

A:基底面積(m2);

W:基底面對(duì)基底面形心軸χ、y軸截面抵抗矩(m3);

Wx=(bh2)/6;Wy=(hb2)/6;

考慮塔體結(jié)構(gòu)的合理與經(jīng)濟(jì)，在滿足塔體穩(wěn)定前提下反復(fù)調(diào)整塔體不同部位截面尺寸，最大限度的滿足永久荷載重心與基礎(chǔ)形心重合，盡量減小塔體砼用量。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整計(jì)算，減去外部活荷載，塔體自身永久荷載自重263 193 KN，X方向偏心彎矩－11.4 KNM，X方向偏心距0.30mm，Y方向偏心距13mm，大小應(yīng)力比1.02，這說(shuō)明塔體布置引起的永久荷載幾乎和基底形心重合，從而認(rèn)為該塔體從穩(wěn)定性、功能性、結(jié)構(gòu)合理性等方面布置合理。

2.2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

泄洪塔穩(wěn)定計(jì)算另一項(xiàng)主要內(nèi)容即為對(duì)其抗滑穩(wěn)定的演算，基底面抗滑穩(wěn)定主要取決于水平荷載大小、基底底板尺寸、埋置深度以及地基條件等?？够踩禂?shù)計(jì)算采用以下公式:

式中:Kc為沿閘室基底面抗滑安全系數(shù);f為摩擦系數(shù);

∑H:作用在塔體全部水平向力(KN);

計(jì)算時(shí)分別求出作用于塔體的全部水平力，根據(jù)以上公式計(jì)算抗滑安全系數(shù)。

2.3 抗傾計(jì)算

抗傾計(jì)算即以順?biāo)骱痛怪彼鞣较虻幕浊昂筮呇貫樾D(zhuǎn)軸，分別對(duì)其取力矩，計(jì)算抗傾力矩和傾覆力矩，兩者的比值即為抗傾安全系數(shù)。計(jì)算公式如下:

根據(jù)以上確定的計(jì)算思路及方法計(jì)算出塔體基底應(yīng)力、抗滑安全系數(shù)、抗傾安全系數(shù)成果見(jiàn)表2。

表2 穩(wěn)定計(jì)算成果表

根據(jù)基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，施工完建期塔基基底應(yīng)力最大，但小于基底容許承載力;抗滑、抗傾均滿足要求。因此，基礎(chǔ)穩(wěn)定設(shè)計(jì)在施工完建期起控制作用。另外，冰凍荷載較大，為滿足塔體結(jié)構(gòu)的合理性，不應(yīng)致使結(jié)構(gòu)尺寸太大，為此，冰凍季節(jié)需人工鑿除冰凍來(lái)消除或減少冰凍壓力。

3 基礎(chǔ)穩(wěn)定分析

泄洪塔基礎(chǔ)處于基巖上，根據(jù)塔基基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，應(yīng)力值均小于基巖容許應(yīng)力。因此，基礎(chǔ)穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)泄洪塔穩(wěn)定分析提出了計(jì)算的基本思路和方法，在塔體穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，分塊、分項(xiàng)計(jì)算，考慮不同方向受力情況，采用雙偏心的計(jì)算方法，反復(fù)調(diào)整塔體各部位體型尺寸，使其永久荷載重心最大限度的接近基底形心，分別求出各種工況基底應(yīng)力情況，分析是否滿足基底穩(wěn)定性。最終通過(guò)模型試驗(yàn)，得出塔體穩(wěn)定滿足工程設(shè)計(jì)要求。目前該泄洪塔已建成，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)各項(xiàng)承載力要求，運(yùn)行效果良好。

［1］水工鋼筋砼結(jié)構(gòu)(下冊(cè)，水利電力出版社).(1975.10第一版).

［2］水閘設(shè)計(jì)規(guī)范.(SL265 －2001).

［3］水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.(SL 191－96).

［4］許建建，深厚砂土地基雙偏心結(jié)構(gòu)泄洪塔穩(wěn)定淺析.陜西水利，2011年06期.