河口村水库1#联合进口塔架整体稳定性分析

□ 杜全胜 □陈 娜（黄河勘测规划设计有限公司）

1 工程布置

河口村水库是一座以防洪、供水为主，兼顾灌溉、发电、改善河道基流等综合利用的大（2）型水利枢纽工程。泄洪洞及发电洞进口建筑物按2级设计。1#泄洪洞兼用施工导流、泄洪排沙及保证发电洞进口“门前清”的运用要求，经综合比选，最终确定把1#泄洪洞进口与发电洞进口放在一起组成联合进口的布置方案（以下简称1#联合进口塔架）。1#联合进口塔架基础呈“L型”，顺水流向最大长度为49.00m，最大宽度为33.00m，塔基基岩高程191.00～186.09m，塔顶高程291.00m，塔体最大高度为104.913m，泄洪洞侧塔体后部有13.85m伸入岩体。塔体两侧及塔后回填混凝土，与周边山体相靠。其体型见图1。进口塔架作为泄洪洞和发电洞的进口控制工程，其整体稳定安全尤为重要。

图1 1#联合进口塔架体型简图

2 基本资料

2.1 库水位

河口村水库特征水位为：死水位225.00m；正常蓄水位275.00m；校核洪水位285.43m；设计洪水位285.43m；检修水位275.00m。

2.2 地质条件

1#联合进口塔架基础坐落在中元古界汝阳群石英砾岩及太古界登封群花岗片麻岩岩体上，塔基岩体属坚硬岩，耐风化性强，但受岸坡卸荷及构造作用影响岩体中高角度节理裂隙较发育，按坝基岩体分类可划分为

2.3 计算参数

为方便整体稳定计算，未考虑泥沙压力的作用，用浑水容重代替。

非汛期水容重10.00 kN/m3；

汛期、设计洪水以及校核洪水浑水容重10.30 kN/m3；

混凝土容重25.00 kN/m3；

花岗片麻岩基础承载力[R]＝4000 kN/m3；

基础抗剪断强度指标：摩擦系数f′＝0.70，粘结力C′＝550 kN/m3；

基本风压0.42 kN/m2；

地震设计烈度为7度，按地震动峰值加速度1.22×10-1 g进行地震荷载计算。

3 计算理论和方法

1#联合进口塔架整体稳定计算采用拟静力法和反应谱法有限元动力分析。侧重介绍拟静力法，并将有限元计算成果加以简述。

拟静力法稳定计算的内容包括：塔基基底应力；塔体沿基础面的抗滑安全系数；塔体的抗倾覆安全系数；塔体的抗浮安全系数。

计算时，按刚体极限平衡理论进行，且不考虑周边岩体的抗力。

1#联合进口塔架滑动面假定为191.00m高程，基础面为“L型”，拟静力法塔基应力按规范给定公式进行，如下：

式中：ΣMx、ΣMy定义为建基面上垂直力对形心轴X、Y轴的力矩总和；考虑到塔体实际受力情况，不能忽略水平向荷载对基底应力的影响，因此ΣMx、ΣMy应为作用在塔架上的全部竖向和水平荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩总和，这一点在工程经常用到，值得探讨。

4 计算工况

河口村水库在确定开发任务的时候，充分考虑到与黄河干流小浪底水库、支流陆浑水库及故县水库联调，完善黄河中下游防洪减淤体系，确保黄河下游防御花园口洪峰流量22000m3/s堤防不决口。鉴于以上防洪的特殊要求，河口村水库留有2.00×108m3以上的调洪库容，因此，河口村水库具有设计水位285.43m滞洪的工况。

1#联合进口塔架稳定计算工况见表1。

表1 1#联合进口塔架整体稳定计算工况描述表

特殊组合检修工况的定义：河口村水库有检修时间，所以水库未专门设置检修水位，为工程安全计，检修工况对应的水位按正常蓄水位275.00m计。

5 荷载计算及荷载组合

作用在塔体上的荷载有静荷载和动荷载。静荷载主要有塔体自重、设备重、塔体内部水重、塔后岩体重、扬压力及静水压力；动荷载有塔体地震惯性力、地震动水压力、浪压力及风压力。见表1。

表2 1＃联合进口塔架各工况稳定计算结果表

5.1 扬压力及静水压力

塔体基础扬压力按全水头计入，根据相关研究结论浑水对扬压力的影响不明显，校核、设计洪水位时扬压力所用水容重仍按10 kN/m3考虑。

浑水对建筑物的静水压力影响是存在的，为简化计算，校核、设计水位时浑水容重按10.30 kN/m3计入。

对深式进水口塔架稳定最难满足的是地震侧向抗倾覆工况，很难使计算的安全系数满足规范要求；这时设计人员通常在上下游静水压力是否抵消方面犹豫，结合计算分析，认为静水压力对抗倾覆安全系数的影响较大，应充分考虑其作用，以保证塔体的抗倾安全度。

5.2 塔后岩体重

1#联合进口塔架泄洪洞侧伸入基岩13.85m，在未考虑岩石弹抗的作用下，不能忽略该部位的岩体重量，岩石饱和容重为25.50 kN/m3。

5.3 地震动水压力

塔体地震动水压力应按《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97）规定的进水塔相关公式计算，塔体内部的动水压力按水体的地震惯性力计入。

6 拟静力法稳定计算结果

拟静力法各工况稳定计算结果见表2。

由结果分析，抗倾覆是塔体稳定计算的控制条件；完建无水控制最大基底应力，可以验证基底承载力能否满足要求。各工况抗滑、抗浮及基底应力均满足规范要求。

拟静力法计算中未考虑岩体的弹性抗力，以及塔后基础部位以上岩体的剪力作用，留有一定的安全储备。

7 反应谱法有限元动力分析

反应谱法有限元分析工况及荷载组合等同拟静力法。动力有限元计算模型不考虑塔体与基岩的摩擦，即塔体与基岩作为连续体处理，基础不考虑质量和惯性，只考虑弹性；计算模型剖分大部分用六面体单元剖分，局部用二次四面体单元剖分，共剖分72474个单元，95114个节点。

动力分析仅考虑有地震的工况。在垂直水流向地震作用下，水平向（垂直水流向）最大位移为102.42mm，竖向最大位移为16.82mm，顺水流向最大位移为5.99mm；在顺水流向地震作用下，水平向（顺水流向）最大位移为61.97mm，竖向最大位移为13.38mm，顺水流向最大位移为2.56mm；两种工况最大位移均发生在塔顶，与静力有限元分析结果相比，地震作用对塔体位移的影响较大，且垂直水流向地震位移较顺水流向大。

有限元动力分析对塔体的稳定性进行计算，计算结果显示垂直水流向地震和顺水流向地震抗滑稳定最小安全系数分别为2.32与2.23，大于规范要求的1.05（按抗剪公式计算）。

8 结语

通过分析，考虑水平向荷载对基底应力的作用，完善了规范计算公式。通过分析河口村水库的防洪要求，对1#联合进口塔架整体稳定计算工况进行分析和确认。通过拟静力法和反应谱法有限元动力分析，基底应力、抗倾覆稳定系数、抗滑稳定系数及抗浮稳定安全系数均满足规范要求。

[1]董海钊，陈昭友，申相水，等.小浪底工程孔板泄洪洞进水塔整体稳定性分析[J].人民黄河，1998,20（5）:38-40.

[2]黄河勘测规划设计有限公司岩土工程与材料科学研究院.河口村水库泄洪洞进水塔静动力有限元分析[R].2011.