石膏山水库导流泄洪洞进水塔设计

郭永峰

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原030024）

1 工程概况

石膏山水库位于山西省晋中市灵石县南关镇峪口村汾河中游一级支流仁义河上,控制流域面积110 km2。水库总库容473×104m3，最大坝高 68.0 m，工程等别为Ⅳ等，为小（1）型水库。它是一座以城镇生活和工业供水、农村人畜饮水为主，兼顾农田灌溉和防洪等综合利用的水库枢纽工程，主要由混凝土重力拱坝、导流泄洪洞、发电引水洞三部分组成。

2 进水塔地形、地质情况

进水塔属于左坝肩导流泄洪洞中的一部分，处于宏厚山体的一凸出小山梁上。该山梁在坝顶高程以下两侧陡直，山脊狭窄，宽仅70 m左右，山脊方向N11°W，向下游山体逐渐宏厚。距离山梁前沿临河部位约30 m处有走向N60～77°E，倾向SE，倾角66～80°的高角度裂隙GL1贯通山梁，该贯通裂隙北西侧临河。塔基地层岩性主要为太古界太岳山群石膏山组第二岩组混合花岗岩、浅粒岩夹片麻岩，岩层产状为N55～60°E/NW∠85～88°，围岩类别主要为Ⅲ类，进出口全强风化带及节理裂隙密集带为Ⅴ类。建议围岩坚固系数f=1～1.5，单位弹性抗力系数K0=（30～50）×104kN/m3，进水塔基位于地下水位以上，不存在涌水问题，强风化基岩承载力建议值fk=0.6～0.8 MPa；弱风化基岩承载力建议值fk=1.5～2 MPa。

3 进水塔设计过程

3.1 布置原则

根据进水塔在水库枢纽中的功能主要为施工期的导流和运行期泄洪和排沙等作用，参照《水利水电进水口设计规范》，进水塔布置除了满足水工、机电运行、维修和机电安全条件下力求经济合理外，尚应满足以下条件：一是进水塔应与枢纽其他工程布置相协调，二是保证进水口水流畅顺；三是进水塔进水口应选用阻力小的曲线，并注意改善闸门槽、渐变段等部位体形，并采取防空蚀措施；四是结构简单，施工方便，并满足充水等要求。

3.2 进水口形式与体型比较

综合水库泄洪冲沙和施工导流等要求，结合坝址地形条件隧洞进口进水塔选在左岸，距左坝头约30 m，塔后与泄水隧洞渐变段相接，洞轴线走向为N55°E，洞轴线为一直线。

按进水口的布置及结构形式，可分为竖井式、塔式、岸塔式、斜坡式等。根据进水塔的功能以及进口的地形、地质条件主要比较塔式、岸塔式这两种进水口形式。

塔式进水口是独立于隧洞首部而不依靠岩坡的封闭式塔或框架式塔，塔底装设闸门，一般在塔顶设操纵平台和启闭机室，有的工程在塔内设油压启闭机。封闭式塔身的水平断面一般为矩形，大、中型泄水隧洞多采用矩形横断面的钢筋混凝土结构，塔式进水口常用于岸坡岩石较差、覆盖层较厚的地方，其结构简化模型计算方便，容易进行稳定分析和结构计算，布置整齐，管理运行方便，其缺点是：受风、浪、冰、地震的影响大，稳定性相对较差，通过锚杆锚固进水塔与山体，能解决进水塔稳定性差这一缺点,适用于进口处岸坡低缓,覆盖层较厚,山体岩石破碎的地形、地质条件中。

塔身是直立的悬臂结构，在水库中受到风、浪、冰、地震的作用，因此，需对塔身进行抗倾、抗滑稳定计算及塔身的结构计算。

岸塔式进水口是靠在开挖后洞脸岩坡上直立的或倾斜的进水塔，主要靠山体岸坡承受进水塔传来的荷载，主要缺点是：对进水塔周围的地形条件要求苛刻，同时要求进水口的地质围岩强度较高，虽然稳定性比塔式进水口要强，但是在启闭闸门时增加了启闭设备的启闭力，增加了投资，仅靠闸门本身的重量很难完成关闭闸门，其运行管理起来比较麻烦。主要适用于岸坡较陡，岩体比较坚固稳定，岩石强度较高的地形地质条件下。

结合导流洞进水口所处的地形岸坡低缓,覆盖层较厚，岩石不好等条件并考虑将来运行检修方便等要求，本工程推荐采用塔式进水口。

3.3 结构布置

进水塔由引渠段、进口闸室段、闸后渐变段组成。

引渠段为梯形断面，引渠段底板相对高程为0.0 m，引渠长15 m，开挖边坡1：0.5，为使水流平顺，引渠进口平面上设置扩散段，底宽8.2～10.5 m。底板采用C20素混凝土衬砌，厚度为0.4 m，边坡采用C20混凝土喷锚支护，喷混凝土厚度100 mm。

图1 进水塔布置、结构图

图2 1-1剖面图（单位：mm）

3.4 稳定分析

根据水库总库容确定进水塔为4级建筑物,正常运用设计标准为50年一遇,非常运用校核标准为200年一遇，稳定分析以进水塔整体进行分析。

3.4.1 荷载

荷载组合见表1。

表1 荷载组合表

3.4.2 抗滑稳定计算

进水塔塔基存在一条走向N60～77°E，倾向SE，倾角66～80°的高角度裂隙，取该处不利的塔基面为研究对象进行整体稳定计算分析。进水塔抗滑稳定安全系数计算按下式计算。

式中：Kc—按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；

f —进水塔底板与基岩面接触的抗剪断摩擦系数，取0.7；

C'—进水塔底板与基岩面接触的抗剪断凝聚力，取0.3；

∑W—作用于底板上的全部荷载对计算滑动面的法向合力；

∑P—作用于底板上的全部荷载对计算滑动面的切向合力；

A—进水塔底板与基岩接触面的截面面积。

3.4.3 抗倾覆稳定计算

进水塔发生倾覆时，假定进水塔是刚性的,那么进水塔将绕底板边角点转动，计算公式如下：

式中：K0—抗倾覆稳定安全系数；

∑Ms—建基面上稳定力矩总和，kN.m；

∑M0—建基面上倾覆力矩总和，kN.m。

3.4.4 抗浮稳定计算

式中：Kf—抗浮稳定安全系数；

∑V—建基面上垂直力总和；

∑U—建基面上扬压力总和。

3.4.5 计算成果

计算成果见表2。

表2 抗滑、抗倾覆、抗浮稳定计算结果

3.5 结构计算

采用理正水工结构计算软件6.5系列网络版，根据水利水电进水口设计规范，塔身的结构采用圆筒模型来设计计算，结构截面选取最不利的断面来配筋，进水塔不工作时，塔内、塔外水位一样；当进水塔运行时，由于流速水头，闸门门槽的部位水头会有一部分局部损失，所以内、外水位不一致。选择相对高程为16.9 m处的断面将其简化成单宽为1m的井筒结构来进行内力、配筋验算，通过计算截面应力满足规范要求，所配钢筋满足最小配筋率要求，进水塔计算模型如图3所示。

图3 进水塔结构计算简图 单位（kN/m）

4 总结

通过对石膏山水库导流泄洪洞进水塔进水口的详细设计，认为塔式进水口平面、结构布置设计、稳定分析符合规范要求，设计合理。塔式进水口这一进水流态良好,在省内愈来愈多的水利水电工程中广泛采用。由于该进水塔高50多m，在施工图阶段设计还应该根据边界条件对它进行动力分析。