西安市黑河金盆水利樞紐工程引水洞放水塔優(yōu)化設(shè)計(jì)及安全性評(píng)價(jià)

張民仙

【摘要】黑河水利樞紐工程引水洞放水塔為高聳箱型鋼筋混凝土懸臂結(jié)構(gòu)。初設(shè)時(shí)為六層取水，施工階段根據(jù)初設(shè)報(bào)告的批復(fù)，對(duì)分層取水進(jìn)行了優(yōu)化，采用三層取水，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，節(jié)省了投資，但也帶來塔體穩(wěn)定性的變化。本文就優(yōu)化設(shè)計(jì)后塔體的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析評(píng)價(jià)，并在此基礎(chǔ)上提出了塔處理的措施。

【關(guān)鍵詞】黑河；引水工程；放水塔；優(yōu)化設(shè)計(jì)；安全評(píng)價(jià)

[文章編號(hào)]1619-2737（2016）01-30-610

1. 工程簡(jiǎn)況

黑河水利樞紐工程位于陜西省周至縣城南約14Km的黑河峪口處。該工程是一項(xiàng)以西安市城市供水為主，兼有灌溉、發(fā)電和防洪等綜合利用的大（Ⅱ）型水利樞紐工程。主要由粘土心墻砂礫石大壩，左岸泄洪洞，右岸溢洪洞、引水洞及壩后電站等組成。最大壩高127.5m，總庫(kù)容2.0億m³，建成后每年可向西安市提供城市用水3.05億m³，提供農(nóng)業(yè)用水1.23億m³，多年平均發(fā)電量為7308萬(wàn)KW.h，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

引水洞位于大壩右岸，由進(jìn)口引渠、放水塔、壓力洞、工作弧門閘室、無壓洞（含洞內(nèi)消力池）、出口明渠等部分組成，全長(zhǎng)792.96m。

引水洞放水塔位于大壩右岸上游，是分層取水引水系統(tǒng)的控制性建筑物，塔體設(shè)計(jì)為高聳箱型鋼筋混凝土懸臂結(jié)構(gòu)。塔頂高程600m，塔基高程508.3m，上部啟閉機(jī)閘房高23m，塔體總高度114.7m，外緣尺寸9.5×18m，塔體的長(zhǎng)細(xì)比達(dá)12.1，屬細(xì)長(zhǎng)的高聳建筑物，為目前我國(guó)同類型建筑物中最高的塔體之一。沿塔高設(shè)置三個(gè)取水孔，孔口底板高程分別為571.0m、554.0m、514.3m，各孔口尺寸均為3.5×3.5m，每孔均設(shè)平面鋼閘門一扇。塔后設(shè)有工作橋，與岸邊永久道路相接。放水塔塔體下部及基礎(chǔ)為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，放水塔上部與工作橋的排架、梁、板為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

根據(jù)《水利水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》SL252-2000的有關(guān)規(guī)定，確定黑河水利樞紐工程為大（Ⅱ）型工程，引水洞作為其主要建筑物，建筑物等級(jí)為2級(jí)，抗震烈度按7度設(shè)防。

放水塔塔座及基礎(chǔ)巖性為云母石英片巖（Se）、鈣質(zhì)石英巖（Qe）和綠泥石片巖（Sc）。其中塔基礎(chǔ)置于厚層弱風(fēng)化綠泥石片巖上，該片巖呈灰綠色，加有白色石英條帶，完整性好，巖石強(qiáng)度較高，允許承載力[R]=2.0MPa，基礎(chǔ)混凝土與巖石的摩擦系數(shù)（f）為0.65。F4斷層穿過塔基礎(chǔ)下的巖體，斷層及裂隙置埋于塔基礎(chǔ)底面以下約21～25m處。

2. 問題的提出

引水洞放水塔位于大壩右岸上游，該塔為引水系統(tǒng)進(jìn)口控制建筑物，塔體為高聳箱型鋼筋混凝土懸臂結(jié)構(gòu)。初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)為六層取水，施工圖階段根據(jù)初設(shè)報(bào)告的批復(fù)精神，對(duì)分層取水進(jìn)行了進(jìn)一步的簡(jiǎn)化和優(yōu)化，采用三層取水。主要考慮以下幾方面的因素：

（1）城市用水主要考慮水溫、濁度、浮游生物、溶解氧的分布情況，希望引用易處理、濁度低、浮游生物等雜質(zhì)含量小的中層水。從目前西安市多水源引水的實(shí)際來看，黑河水庫(kù)作為主要水源地，為了保證供水質(zhì)量，減少水廠處理工作量，對(duì)其實(shí)行分層取水是很有必要的，但可考慮減少取水層數(shù)。根據(jù)水位變化情況，設(shè)三層取水，取水口的底板高程分別為571.0m、554.0m、514.3m。從水庫(kù)運(yùn)行情況來看，水庫(kù)的調(diào)蓄最少一年一次，浮游生物、藻類不具備生長(zhǎng)繁殖條件，所以采用表層、中層和深層三種分層法取水就足夠了。另一方面，從水工建筑物的結(jié)構(gòu)布置及運(yùn)行管理方面看，減少了取水層數(shù)后，省去了中墩，改善了塔內(nèi)的水流條件，減少了閘門、攔污柵及其啟閉設(shè)備，給運(yùn)行管理帶來了方便，也使塔體結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單化，使工程設(shè)計(jì)更加合理、經(jīng)濟(jì)。

（2）經(jīng)過優(yōu)化后的引水洞放水塔，雖然滿足了城市供水的取水要求，從節(jié)省投資，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，便于管理等方面取得了較好的效果，但也帶來了一定的問題，主要表現(xiàn)在塔體的穩(wěn)定性安全系數(shù)由于塔體長(zhǎng)細(xì)比的變化而減小，基礎(chǔ)承載力在有地震力荷載工況，采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算，產(chǎn)生拉應(yīng)力，且壓應(yīng)力較大不滿足要求。

3. 塔體穩(wěn)定及應(yīng)力分析

3.1采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算

3.1.1基本假定。

（1） 計(jì)算塔體順?biāo)骱痛怪彼鲀蓚€(gè)方向的穩(wěn)定應(yīng)力分析；

（2） 計(jì)算滑動(dòng)面僅考慮塔基底板與基巖接觸面之間的滑動(dòng)面；

（3） 岸坡巖體經(jīng)加固處理后已處于穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)塔體無荷載作用；

（4） 塔體內(nèi)水體重量的水柱高度取相應(yīng)庫(kù)水位時(shí)的水柱高，忽略水位差引起的水柱高度變化；

（5） 揚(yáng)壓力計(jì)算從基底算起；

（6） 浪壓力經(jīng)計(jì)算很小，所以忽略不計(jì)；

（7） 風(fēng)壓力按600、594、520m以上荷載分別計(jì)算。

3.1.2計(jì)算工況。

（1） 庫(kù)水位處于死水位520 m，閘門關(guān)閉；

（2） 庫(kù)水位處于正常蓄水位594 m，閘門關(guān)閉；

（3） 庫(kù)水位處于正常蓄水位594 m，閘門開啟；

（4） 地震情況下，庫(kù)水位處于正常蓄水位594 m，閘門關(guān)閉；

（5） 地震情況下，庫(kù)水位處于正常蓄水位594 m，閘門開啟。

3.1.3計(jì)算結(jié)果。

計(jì)算結(jié)果如表1。

由表1可以看出，在工況4和工況5，基礎(chǔ)面出現(xiàn)了0.955～1.644MPa的拉應(yīng)力，而且基礎(chǔ)的壓應(yīng)力值也較大，不滿足要求?？紤]到傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算的局限性，采用三維有限元分析計(jì)算。

3.2三維有限元計(jì)算。

由于塔體為高聳的箱型懸臂結(jié)構(gòu)體型，受力狀態(tài)復(fù)雜，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，簡(jiǎn)化了體型，難以準(zhǔn)確反映塔體的真實(shí)受力狀態(tài)，其計(jì)算結(jié)果只能近似反映塔體的受力特性。為此我們采用三維有限元法對(duì)引水洞塔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析計(jì)算，有限元計(jì)算所建立的力學(xué)模型，節(jié)點(diǎn)總數(shù)和單元總數(shù)分別為6148和4350個(gè)，能較好地模擬結(jié)構(gòu)體型、邊界條件等，從而保證了計(jì)算結(jié)果的正確性和可靠性。三維有限元計(jì)算考慮了塔基回填混凝土的嵌固作用，比較接近真實(shí)的塔體受力。計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)底面全部處于受壓狀態(tài)，無拉應(yīng)力出現(xiàn)，各種工況最大應(yīng)力差別不大，其中最大主壓應(yīng)力為1.34MPa，最大法向壓應(yīng)力為1.98MPa。塔頂最大（600m高程）位移2.488cm，出現(xiàn)在特殊荷載組合的工況4。

4. 加固措施

引水洞放水塔塔體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用多種方法多種運(yùn)行工況進(jìn)行了分析計(jì)算，實(shí)際施工過程中，針對(duì)計(jì)算所顯示的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行了特殊處理。主要采取了以下方法對(duì)塔基進(jìn)行了加固：

（1） 塔基加深。初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)塔基厚度為3m，本次設(shè)計(jì)加深至6m，使塔基完全置于較堅(jiān)硬的綠泥石片巖層上。

（2） 對(duì)塔基下巖石，進(jìn)行固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿的深度為10m。以提高基礎(chǔ)的承載能力。

（3） 對(duì)塔基下的F4斷層進(jìn)行了可灌性試驗(yàn)，并對(duì)其在承載前后的變形情況進(jìn)行了分析計(jì)算，確認(rèn)在塔體作用后F4變形很小。

（4） 對(duì)塔前沿進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力錨桿加固處理，防止水庫(kù)蓄水后塔體前沿失穩(wěn)。

（5） 540m高程以下，塔體與進(jìn)口坡面圍巖均采用C15混凝土回填，回填混凝土與坡面巖體間進(jìn)行固結(jié)灌漿和接觸灌漿，以保證混凝土與巖體結(jié)合緊密?；靥罨炷僚c塔體間的銜接是采用在塔體540m高程以下設(shè)鍵槽，布設(shè)接觸灌漿管。目的是通過接觸灌漿使塔體與回填混凝土協(xié)調(diào)受力，并將塔體的力有效地傳遞給回填混凝土和岸坡巖體，以使塔基受力均勻，滿足地震情況下的受力要求。

（6） 塔體540m以下回填混凝土為結(jié)構(gòu)承受動(dòng)力荷載提供了有效的措施。

5. 結(jié)語(yǔ)

引水洞放水塔是一座規(guī)模較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的重要建筑物，是城市供水和農(nóng)田灌溉引水系統(tǒng)的控制性建筑物，其結(jié)構(gòu)的安全可靠性對(duì)工程能否正常運(yùn)行其著關(guān)鍵的作用，通過以上分析計(jì)算和采取的加固處理措施，完全能夠使塔體安全運(yùn)行。