河口村水庫1#聯(lián)合進(jìn)口塔架整體穩(wěn)定性分析

□ 杜全勝 □陳 娜（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司）

1 工程布置

河口村水庫是一座以防洪、供水為主，兼顧灌溉、發(fā)電、改善河道基流等綜合利用的大（2）型水利樞紐工程。泄洪洞及發(fā)電洞進(jìn)口建筑物按2級設(shè)計。1#泄洪洞兼用施工導(dǎo)流、泄洪排沙及保證發(fā)電洞進(jìn)口“門前清”的運(yùn)用要求，經(jīng)綜合比選，最終確定把1#泄洪洞進(jìn)口與發(fā)電洞進(jìn)口放在一起組成聯(lián)合進(jìn)口的布置方案（以下簡稱1#聯(lián)合進(jìn)口塔架）。1#聯(lián)合進(jìn)口塔架基礎(chǔ)呈“L型”，順?biāo)飨蜃畲箝L度為49.00m，最大寬度為33.00m，塔基基巖高程191.00～186.09m，塔頂高程291.00m，塔體最大高度為104.913m，泄洪洞側(cè)塔體后部有13.85m伸入巖體。塔體兩側(cè)及塔后回填混凝土，與周邊山體相靠。其體型見圖1。進(jìn)口塔架作為泄洪洞和發(fā)電洞的進(jìn)口控制工程，其整體穩(wěn)定安全尤為重要。

圖1 1#聯(lián)合進(jìn)口塔架體型簡圖

2 基本資料

2.1 庫水位

河口村水庫特征水位為：死水位225.00m；正常蓄水位275.00m；校核洪水位285.43m；設(shè)計洪水位285.43m；檢修水位275.00m。

2.2 地質(zhì)條件

1#聯(lián)合進(jìn)口塔架基礎(chǔ)坐落在中元古界汝陽群石英礫巖及太古界登封群花崗片麻巖巖體上，塔基巖體屬堅硬巖，耐風(fēng)化性強(qiáng)，但受岸坡卸荷及構(gòu)造作用影響巖體中高角度節(jié)理裂隙較發(fā)育，按壩基巖體分類可劃分為

2.3 計算參數(shù)

為方便整體穩(wěn)定計算，未考慮泥沙壓力的作用，用渾水容重代替。

非汛期水容重10.00 kN/m3；

汛期、設(shè)計洪水以及校核洪水渾水容重10.30 kN/m3；

混凝土容重25.00 kN/m3；

花崗片麻巖基礎(chǔ)承載力[R]＝4000 kN/m3；

基礎(chǔ)抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)：摩擦系數(shù)f′＝0.70，粘結(jié)力C′＝550 kN/m3；

基本風(fēng)壓0.42 kN/m2；

地震設(shè)計烈度為7度，按地震動峰值加速度1.22×10-1 g進(jìn)行地震荷載計算。

3 計算理論和方法

1#聯(lián)合進(jìn)口塔架整體穩(wěn)定計算采用擬靜力法和反應(yīng)譜法有限元動力分析。側(cè)重介紹擬靜力法，并將有限元計算成果加以簡述。

擬靜力法穩(wěn)定計算的內(nèi)容包括：塔基基底應(yīng)力；塔體沿基礎(chǔ)面的抗滑安全系數(shù)；塔體的抗傾覆安全系數(shù)；塔體的抗浮安全系數(shù)。

計算時，按剛體極限平衡理論進(jìn)行，且不考慮周邊巖體的抗力。

1#聯(lián)合進(jìn)口塔架滑動面假定為191.00m高程，基礎(chǔ)面為“L型”，擬靜力法塔基應(yīng)力按規(guī)范給定公式進(jìn)行，如下：

式中：ΣMx、ΣMy定義為建基面上垂直力對形心軸X、Y軸的力矩總和；考慮到塔體實(shí)際受力情況，不能忽略水平向荷載對基底應(yīng)力的影響，因此ΣMx、ΣMy應(yīng)為作用在塔架上的全部豎向和水平荷載對于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩總和，這一點(diǎn)在工程經(jīng)常用到，值得探討。

4 計算工況

河口村水庫在確定開發(fā)任務(wù)的時候，充分考慮到與黃河干流小浪底水庫、支流陸渾水庫及故縣水庫聯(lián)調(diào)，完善黃河中下游防洪減淤體系，確保黃河下游防御花園口洪峰流量22000m3/s堤防不決口。鑒于以上防洪的特殊要求，河口村水庫留有2.00×108m3以上的調(diào)洪庫容，因此，河口村水庫具有設(shè)計水位285.43m滯洪的工況。

1#聯(lián)合進(jìn)口塔架穩(wěn)定計算工況見表1。

表1 1#聯(lián)合進(jìn)口塔架整體穩(wěn)定計算工況描述表

特殊組合檢修工況的定義：河口村水庫有檢修時間，所以水庫未專門設(shè)置檢修水位，為工程安全計，檢修工況對應(yīng)的水位按正常蓄水位275.00m計。

5 荷載計算及荷載組合

作用在塔體上的荷載有靜荷載和動荷載。靜荷載主要有塔體自重、設(shè)備重、塔體內(nèi)部水重、塔后巖體重、揚(yáng)壓力及靜水壓力；動荷載有塔體地震慣性力、地震動水壓力、浪壓力及風(fēng)壓力。見表1。

表2 1＃聯(lián)合進(jìn)口塔架各工況穩(wěn)定計算結(jié)果表

5.1 揚(yáng)壓力及靜水壓力

塔體基礎(chǔ)揚(yáng)壓力按全水頭計入，根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論渾水對揚(yáng)壓力的影響不明顯，校核、設(shè)計洪水位時揚(yáng)壓力所用水容重仍按10 kN/m3考慮。

渾水對建筑物的靜水壓力影響是存在的，為簡化計算，校核、設(shè)計水位時渾水容重按10.30 kN/m3計入。

對深式進(jìn)水口塔架穩(wěn)定最難滿足的是地震側(cè)向抗傾覆工況，很難使計算的安全系數(shù)滿足規(guī)范要求；這時設(shè)計人員通常在上下游靜水壓力是否抵消方面猶豫，結(jié)合計算分析，認(rèn)為靜水壓力對抗傾覆安全系數(shù)的影響較大，應(yīng)充分考慮其作用，以保證塔體的抗傾安全度。

5.2 塔后巖體重

1#聯(lián)合進(jìn)口塔架泄洪洞側(cè)伸入基巖13.85m，在未考慮巖石彈抗的作用下，不能忽略該部位的巖體重量，巖石飽和容重為25.50 kN/m3。

5.3 地震動水壓力

塔體地震動水壓力應(yīng)按《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（SL203-97）規(guī)定的進(jìn)水塔相關(guān)公式計算，塔體內(nèi)部的動水壓力按水體的地震慣性力計入。

6 擬靜力法穩(wěn)定計算結(jié)果

擬靜力法各工況穩(wěn)定計算結(jié)果見表2。

由結(jié)果分析，抗傾覆是塔體穩(wěn)定計算的控制條件；完建無水控制最大基底應(yīng)力，可以驗(yàn)證基底承載力能否滿足要求。各工況抗滑、抗浮及基底應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

擬靜力法計算中未考慮巖體的彈性抗力，以及塔后基礎(chǔ)部位以上巖體的剪力作用，留有一定的安全儲備。

7 反應(yīng)譜法有限元動力分析

反應(yīng)譜法有限元分析工況及荷載組合等同擬靜力法。動力有限元計算模型不考慮塔體與基巖的摩擦，即塔體與基巖作為連續(xù)體處理，基礎(chǔ)不考慮質(zhì)量和慣性，只考慮彈性；計算模型剖分大部分用六面體單元剖分，局部用二次四面體單元剖分，共剖分72474個單元，95114個節(jié)點(diǎn)。

動力分析僅考慮有地震的工況。在垂直水流向地震作用下，水平向（垂直水流向）最大位移為102.42mm，豎向最大位移為16.82mm，順?biāo)飨蜃畲笪灰茷?.99mm；在順?biāo)飨虻卣鹱饔孟拢较颍標(biāo)飨颍┳畲笪灰茷?1.97mm，豎向最大位移為13.38mm，順?biāo)飨蜃畲笪灰茷?.56mm；兩種工況最大位移均發(fā)生在塔頂，與靜力有限元分析結(jié)果相比，地震作用對塔體位移的影響較大，且垂直水流向地震位移較順?biāo)飨虼蟆?/p>

有限元動力分析對塔體的穩(wěn)定性進(jìn)行計算，計算結(jié)果顯示垂直水流向地震和順?biāo)飨虻卣鹂够€(wěn)定最小安全系數(shù)分別為2.32與2.23，大于規(guī)范要求的1.05（按抗剪公式計算）。

8 結(jié)語

通過分析，考慮水平向荷載對基底應(yīng)力的作用，完善了規(guī)范計算公式。通過分析河口村水庫的防洪要求，對1#聯(lián)合進(jìn)口塔架整體穩(wěn)定計算工況進(jìn)行分析和確認(rèn)。通過擬靜力法和反應(yīng)譜法有限元動力分析，基底應(yīng)力、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)、抗滑穩(wěn)定系數(shù)及抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

[1]董海釗，陳昭友，申相水，等.小浪底工程孔板泄洪洞進(jìn)水塔整體穩(wěn)定性分析[J].人民黃河，1998,20（5）:38-40.

[2]黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司巖土工程與材料科學(xué)研究院.河口村水庫泄洪洞進(jìn)水塔靜動力有限元分析[R].2011.