胜利水电站进水塔抗震稳定性校核评价

安 娜

（辽宁省观音阁水库管理局，辽宁本溪117199）

胜利水电站进水塔抗震稳定性校核评价

安 娜

（辽宁省观音阁水库管理局，辽宁本溪117199）

进水塔主要用于水电站引水发电和泄洪，在水电枢纽中具有重要作用。文章利用分项系数法对胜利水电站进水塔的抗震安全性进行了研究，计算结果显示进水塔的抗滑稳定性、抗倾覆稳定性以及地基承载力均符合设计要求。

进水塔；抗震稳定性；分项系数法

1 工程概况

胜利水电站位于新宾县胜利村境内的苏子河上，是辽宁省规划的苏子河梯级开发中的最后一级［1］。胜利水电站是一座以发电为主，兼具防洪、养殖等综合效益的大型水利枢纽工程。该工程设计库容为6.98亿m3，工程等别为Ⅳ等。该水利枢纽的挡水建筑物为混凝土重力坝，大坝的泄水建筑物主要由4表孔与2中孔组成。水库防洪标准设计为500年一遇，设计洪水流量为9420m3。根据当地的地震资料，工程所在地的地震烈度为7度，主要水工建筑设计地震参数水平加速度为113.7gal，超越概率为10%。

2 计算模型与计算条件

2.1 有限元模型

胜利水电站进水塔为岸塔式进水塔，塔顶高程为194.90m，建筑基础面高程为153.40m，塔高为41.5m，塔长与塔宽均为28m。由于抗震校核计算的计算模型需要包括进水塔的部分地基，按照抗震设计规范的相关规定［2］，本次计算过程中，下游、两侧及深度方向均取1.5倍塔高，由于上游方向实际地基范围较大，因此按实际地基范围模拟。这样计算模型中顺流方向进水塔的地基范围为103m至108m，垂直与水流方向的地基范围为152.5m，深度方向的地基范围为62.25m。模型采用直角三维坐标系，其中竖直向上的方向为模型的Z轴正向，水平面为XOY坐标平面，其中，顺流方向为Y轴正向，右岸方向为X轴正向。整个进水塔结构采用实体单元模拟，共分为13052个单元，13806个节点。

2.2 材料参数

胜利水电站塔体材料为C25混凝土，考虑结构分区以及坝基和断层的实际情况，本次研究采用3种材料进行模拟，其力学参数如表1所示。

表1 材料力学参数

2.3 计算载荷

校核计算中的计算载荷主要考虑进水塔塔体自重、闸门和门机等进水塔设备自重、静水压力、扬压力、地震作用力以及地震动水压力。考虑到地震与校核洪水都属于偶发情况，且两者叠加的可能性微乎其微，因此计算采用187.00m的正常蓄水位。在进行地震波的动力计算时，主要考虑顺流向与垂直流向两种典型工况。

3 进水塔整体稳定性分析

根据《水工建筑物抗震设计规范》的相关要求［3］，本次校核计算主要对进水塔抗滑稳定性、抗倾覆稳定性以及地基承载力等三个指标进行验算，并将验算结果作为评价胜利水电站进水塔抗震安全性的主要依据。在计算过程中需要用到进水塔的动力地震作用效应，按照相关规定和经验值，要将上述结果乘以0.35倍的折减系数。

3.1 抗滑稳定性计算与分析

以《水电站进水口设计规范》为依据［4］，结合抗剪断强度理论，胜利水电站进水塔抗滑稳定系数k利用如下公式计算：

式中，γ0—结构重要性系数，取1.0；φ—设计状况系数，取0.85；γb—抗滑稳定性系数，取2.7；f′RK—混凝土的抗剪断系数，取0.95；C′RK—混凝土的抗剪断凝聚力，取0.75KP；γ′f、γ′f—材料性能系数，取1.0；AR—进水塔建基面面积；ΣWR—进水塔建基面切向力总和；ΣPR—进水塔建基面竖向力总和。

利用上述公式计算正常水位与地震工况叠加情况下的抗滑稳定性结果如表2所示。结果显示，静力与地震工况叠加工况下，胜利水电站进水塔的抗滑稳定性满足设计要求，同时还有较高的富裕度。

表2 进水塔抗滑稳定性校核计算结果

3.2 抗倾覆稳定性分析

以《水电站进水口设计规范》为依据，进行胜利水电站进水塔抗倾覆稳定性校核计算，抗倾覆安全系数K采用如下公式计算：

式中，γ0—结构重要性系数，计算中取1.0；φ—设计状况系数，取0.85；γd—抗倾覆稳定性系数，取1.40；ΣMs—进水塔建筑基面抗倾覆力矩总和；ΣM0—进水塔建筑基面倾覆力矩总和。

当K＞1时，说明胜利水电站的进水塔塔体和地基之间不会由于地震作用而产生提离现象，进水塔塔体的抗倾覆稳定性完全满足设计要求，在地震工况下不存在倾覆危险；当K＜1时，说明塔进水塔的塔体部分与地基之间存在提离现象，塔体已经开始发生转动，抗倾覆稳定达不到设计要求，在地震工况下存在倾覆危险。

在进行进水塔抗倾覆稳定性分析时，可以将塔体视为内外均被水包围的刚性结构［5］，在顺流地震载荷的作用下，塔体可能发生围绕底板上游的O点或下游的Q点发生旋转，并导致倾覆情况发生（如图1所示）。由于胜利水电站的进水塔属于岸塔式设计，相邻塔体与岸坡会对进水塔塔体产生约束作用，因此，在垂直于水流方向的地震动力作用下，塔体几乎没有发生倾覆的可能性［6］。鉴于上述分析，校核计算过程中没有必要对垂直于水流方向的抗震倾覆稳定性进行计算。

图1 进水塔抗倾覆验算示意图

进水塔塔体抗倾覆作用主要是由塔体自身的重力、静水压力以及扬压力产生的，其力矩计算结果如表3所示。

表3 胜利水电站进水塔塔体抗倾覆力矩计算结果

对前10阶振型倾覆惯性力及其力矩进行计算，并最终求得地震作用对塔体本身的倾覆力矩，计算方法采用的平方和开方法［7］，计算公式如下：

式中，Mj—地震惯性力矩；Fji—振型水平地震惯性力；dji—单元到旋转轴的力臂；k—地震系数；βj—动力放大系数；Φji—质点位移量；γj—振型参与系数。

对顺流方向地震动作用下，进水塔塔体可能绕O点发生转动的前10阶振型进行计算，并乘以0.35倍折减系数后所得的地震惯性力和力矩的数值如表4所示。

表4 地震惯性力和地震惯性力矩各阶计算结果

将表3和表4中的结果代入公式（2）和公式（3），计算获得如表5所示的胜利水电站进水塔抗倾覆校核结果。结果显示，在水静力与地震工况叠加的情况下，进水塔抗倾覆稳定性完全满足设计要求，并且具有相当程度的富裕度，具有较高的抗震安全系数。

表5 进水塔抗倾覆稳定性校核计算结果

式中，γ0—结构重要性系数，此处取1.0；S—地震作用效应；R—进水塔地基结构抗力；γd—地基承载结构系数。

根据胜利水电站的相关设计资料，进水塔岩石地基的饱和抗压范围为20～38Mpa，按照基岩抗压强度20Mpa标准值的最不利工况，进水塔基岩的承载力许可值为：

由公式（4）可得，进水塔地基承载力安全系数K的计算公式为：

3.3 地基承载力校核计算

根据《水电站进水口设计规范》，胜利水电站进水塔的作用效应与抗力应满足公式（4）的要求。在具体计算过程中，将进水塔的塔基视为刚性平面［8］，地震作用的效应折减系数仍取0.35。

根据顺流向和垂直流向反应谱分别与静力叠加产生的基础面Z向应力值，可以得到进水塔塔基边缘垂直正应力的平均值和最大值，并将其列于表6中。结果显示，胜利水电站进水塔的地基承载力不仅合乎设计要求，并且具有较高的富裕度，地震安全性良好。

表6 进水塔地基承载力计算结果

4 结语

本研究依照DL/T 5398-2007《水电站进水口设计规范》的要求，利用分项系数法对胜利水电站进水塔的整体稳定性进行了校核计算。结果显示该进水塔的整体结构在抗滑稳定性、抗倾覆稳定性以及地基承载力等三个方面满足水电站的设计要求，并且还有较高的富余度，因此，进水塔在地震工况下的整体稳定性良好，具有较高的安全性。文章的计算过程对结果类似工程的设计与施工具有重要的参考价值。

［1］罗坡.胜利水电站正常蓄水位方案选择［J］.吉林水利，2014（05）：22-24.

［2］陈厚群.水工建筑物抗震设计规范修编的若干问题研究［J］.水力发电学报，2011（06）：4-10+15.

［3］NB 35047-2015.中华人民共和国能源行业标准水电工程水工建筑物抗震设计规范［S］.

［4］DL/T 5398-2007.水电站进水口设计规范［S］.

［5］祁勇峰，崔建华，谢晓玲.缅甸高震区某进水塔抗震与稳定性研究［J］.水电能源科学，2012（01）：77-79.

［6］卞全.岸塔式进水口整体稳定计算方法的探讨［J］.西北水电，2008（05）：11-14.

［7］赵海涛，骆勇军，王潘绣，等.高耸钢筋混凝土进水塔结构抗震稳定性分析与安全评估［J］.水利与建筑工程学报，2012（06）：106-109.

［8］杨文超，张爱军，徐龙飞，等.某高耸进水塔地基处理方案优选［J］.水电能源科学，2014（08）：116-119.

TV698

A

1008-1305（2017）01-0052-03

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.017

2016-01-30

安 娜（1983年—），女，工程师。