高耸进水塔塔后回填高度对其抗震性能的影响

杨 光， 李守义， 李 浪， 肖 阳， 张紫璇， 杨 勇

(西安理工大学 水利水电学院， 陕西 西安 710048)

1 研究背景

进水塔常设置于供水与泄水系统首部，其稳定性直接影响到水库的正常运行[1-3]。近年来，许多学者就进水塔抗震方面进行了大量研究[4-11]。进水塔通常在塔体下游侧回填一定量的混凝土，以此增强进水塔的整体稳定性，但对于回填高度的确定，目前没有统一的标准。孔科等[12]以某大型水电站进水口为例，计算了其结构的主要静力工况，且通过软件二次开发较好地模拟了结构与动水压力之间的相互作用，分析了不同塔后回填混凝土高度进水塔的动力特性，得出当塔后回填高度在0.82～0.95倍塔高范围内时既能改善塔体的动力特征，也能相应的提高经济效益。唐碧华[13]通过三维有限元方法，对某进水塔就塔后回填高度作敏感性分析，对比分析了各计算模型的位移及应力，得出塔后回填高度在一定范围内时，结构应力有所改善，但当塔后回填高度大于某一定值时，结构应力反而随回填高度的增加而增加。徐东芝等[14]采用振型分解反应谱法计算进水塔在有无回填两种情况下的静力与动力反应，结果表明塔后回填对塔体具有一定的约束作用，能够减小塔体变形、增强结构的稳定性，对其抗震性能的提升具有重要作用。李峰[15]采用反应谱法，计算了不同塔后回填高度下的进水塔模型，得出塔后回填对地震工况下塔体的位移与应力有一定程度的改善，但回填高度太高，会增加正常运行时期的拉应力。张岳等[16]采用反应谱法计算不同塔后回填混凝土高度下进水塔的动力响应，分析了回填高度对进水塔结构变形、应力和自振频率的影响，得出塔体位移随回填高度增加而逐渐减小，塔体的应力呈先减后增的趋势。

上述对进水塔塔后回填高度的研究证明了较为合理的塔后回填高度对其抗震性能的改善具有重要作用，对进水塔结构的抗震设计非常关键，但是其在进行应力分析时只针对塔后回填高度对塔体应力的影响，而对于塔后回填与基岩交界面处的拉应力却未涉及，也未定量给出回填高度的合理值。鉴于此，本文采用反应谱法[17-19]计算进水塔的动力响应，研究不同塔后回填高度对自振频率、塔体位移、塔体应力、回填与基岩交界面处应力的影响，以得到一个经济合理的回填高度。

2 工程概况

某岸塔式进水塔底板高程1 806.00 m，塔顶高程1 897.00 m，塔高91.00 m，塔体横河向长35.60 m，顺河向长34.60 m，塔体前侧由左至右依次布置有1#～5#拦污栅墩，拦污栅墩之间通过横梁连接，拦污栅墩与进水口上游面通过纵梁连接。塔体下游侧山体开挖成坡比为1∶0.3的台阶状，塔后回填混凝土底部高程为1 830.00 m，塔体通过塔后回填混凝土与山体相连，图1为该进水塔整体纵剖面图。

图1 某岸塔式进水塔整体纵剖面

3 三维有限元模型及参数

3.1 计算模型

建立三维有限元计算模型，模型在地基深度方向及下游侧均取100 m，上游侧模拟实际地形。塔体及地基均采用 SOLID45单元模拟。图2、3分别为结构计算整体、塔体有限元模型，模型网格主要采用六面体实体单元，进水塔结构网格尺寸为1.0 m，地基网格尺寸由5.0 m逐渐过渡。

图2结构整体有限元模型 图3塔体有限元模型

进水塔模型计算坐标：顺河向为X轴，水流方向为正方向；竖直向为Y轴，向上为正方向；横河向塔体右侧为Z轴正方向，进水塔基础上游处(高程1 809.00 m)为坐标系原点。地震反应分析时，动水压力以附加质量的形式模拟。计算边界约束条件：地基底部施加三向约束，地基左、右侧面及下游面均施加法向约束；塔体下游侧临空面、上游侧临水面、左右侧临水面均为自由边界。塔后回填与塔体的接触面、混凝土与基岩接触面均考虑为固结状态。采用反应谱法对正常蓄水位(持久状况)、地震工况(偶然状况)下的塔后回填高度进行5种方案的计算对比研究。为便于研究，5种方案塔后回填的回填宽度与塔体横河向宽度相同，分别计算正常蓄水位、地震工况下，5种设计方案进水塔的自振频率、位移、塔体应力、回填与基岩交接处应力及其变化规律，表1为每种方案塔后回填混凝土高程。

表1 计算模型说明

3.2 材料参数

进水塔主体为C30混凝土，回填混凝土为C20混凝土，基础采用无质量刚度基础。C30混凝土材料参数为：弹性模量E=30.0 GPa，泊松比μ= 0.167；C20混凝土材料参数为：弹性模量E=25.5 GPa，泊松比μ= 0.167；地质资料的参数如表2所示。

表2 基岩材料参数表

3.3 计算工况及荷载

(1)工况1，正常蓄水位(持久状况) ，正常蓄水位为1 890.00 m；

(2)工况2，地震工况(偶然状况) ，各工况荷载组合见表3。

该进水塔工程按1级建筑物设计，抗震设防类别为甲类，地震基本烈度为Ⅷ度，地震峰值加速度为0.372 g，反应谱放大系数为2.25，场地特征周期为0.20 s。

表3 荷载组合

4 结果分析

4.1 塔体自振特性

表4为各方案塔体前10 阶自振频率。

表4同回填高度的结构自振频率Hz

阶次方案1方案2方案3方案4方案512.10002.63113.40993.76063.9014 22.12472.85494.45855.42055.8958 34.38975.25356.84917.42037.6325 47.21627.52567.86418.12068.0180 57.42417.73548.39799.30749.8186 68.54419.882210.330510.546810.8926 710.880911.000611.178011.329011.3688 811.122411.468911.710812.046312.9012 912.721613.578414.298414.842015.0949 1015.018015.203515.271815.495015.6533

由表4可看出，塔体自振频率随着回填高度的增加而增大，可见进水塔的整体刚度随着塔后回填高度的增加有所提高。随着回填混凝土的增加，方案2～方案5基频逐次增加的比例为 25.29%、29.60%、10.28%、3.74% 。从方案2到方案3，其基频增加的幅度较大，是由于进水塔的结构刚度和混凝土结构质量均在增大，但结构刚度变化较混凝土质量变化明显。从方案4到方案5，随着结构刚度的增加，结构混凝土质量也在显著提高，而且与结构刚度相比，混凝土质量变化更为明显，因此基频增加的幅度较小。

4.2 塔体位移反应

图4、5分别为两种工况最大位移随回填高度增加时的变化趋势，表5为塔体各方案的最大位移及其出现的部位。

图4工况1不同回填高度下塔体位移变化曲线 图5工况2不同回填高度下塔体位移变化曲线

表5 不同回填高度下塔体最大位移及其出现的位置

由表5和图4可知，正常蓄水位下，塔体顺河向和竖直向的位移远大于横河向位移。随着回填混凝土高度的增加，其顺河向位移逐次减小值为0.3、0.7、0.7、0.6 mm；顺竖向位移逐次减小值为0.1、0.1、0、0.1 mm；横河向位移逐次减小值为0、0.1、0、0 mm 。各方案下，顺河向最大位移均出现在塔顶，其减小的位移值随回填混凝土高度的增加而增大；竖向位移均出现在塔体前沿，其减小的位移值随回填高度的增加变化不大；横河向位移均出现在1#拦污栅墩中下部前侧，其减小的位移值随回填高度的增加变化不大。

由表5和图5可知，地震工况下，随着回填混凝土高度的增加，其顺河向位移逐次减小值为3.4、4.6、1.8、2.0 mm；顺竖向位移逐次减小值为5.4、0.9、0.4、0.5 mm；横河向位移逐次减小值为3.1、2.7、1.4、0.3 mm 。各方案下，顺河向最大位移均出现在塔顶，其减小的位移值随回填混凝土高度的增加变化较大；竖向位移均出现在塔体前沿，其位移值减小幅度随回填高度的增加而逐渐变小；横河向位移均出现在塔顶左侧前沿，其位移值减小幅度随回填高度的增加而逐渐变小。

随着塔后回填高度的增加，塔体的整体刚度有所增加，塔体下游侧所受的水压力有所减小，且基岩对进水塔的约束逐渐增加，故正常蓄水位及地震工况下塔体顺河向的位移均逐渐减小；塔体竖向的位移主要由地基的沉降及进水塔结构自重组成，塔后回填高度的增加使得基岩对塔体竖向的约束增强，同时也增大了进水塔结构自重，故正常蓄水位下塔体竖向位移变化不大，地震工况下塔体竖向位移的改善程度也逐渐减弱；基岩对塔体横河向的约束也随塔后回填高度的增加而逐渐增强，由于正常蓄水位下塔体所受荷载在横河向两侧成对称分布，故其横河向的位移几乎没有改变，而地震工况下的位移随约束的增加而逐渐减小。

4.3 塔体应力反映

图6、7分别为工况1、工况2进水塔各关键部位主应力极值变化趋势，表6为各工况下各方案进水塔关键部位主应力极值及其出现的部位。

图6工况1各方案进水塔关键部位主应力极值曲线 图7工况2各方案进水塔关键部位主应力变化曲线

表6 各方案塔体的主应力及其出现的部位

正常蓄水位下，随着回填混凝土高度的增加，塔后回填对塔体的约束增加，致使进水口与拦污栅墩的相对位移减小，但位移的减小幅度逐渐减弱，故表6和图6中高程1 816 m处第1排横梁与5#拦污栅墩交接处拉应力逐次减小值为0.3、0.1、0、0.1MPa。回填与基岩交接处拉应力逐次增加值为0.2、0.1、0.1、1.4 MPa；5#拦污栅墩前侧与底板交接处压应力逐次减小值为0.6、0.5、0.3、0.1 MPa。随着回填高度的增加，回填对高程1 816 m处第1排横梁与5#拦污栅墩交接处拉应力及5#拦污栅墩前侧与底板交接处压应力均有改善，但改善程度却逐渐减小。回填与基岩交接处的拉应力值随着回填高度的增加而增大。由表6和图7可知，地震工况下，随着回填混凝土高度的增加，高程1 855 m处第1排横梁与3#拦污栅墩右侧交接处拉应力逐次减小值为0.4、0.2、0、0.1 MPa；回填与基岩交接处拉应力逐次增加值为0.3、0.2、0.5、0.8 MPa；5#拦污栅墩前侧与底板交接处压应力逐次减小值为2.0、1.6、0、0.1 MPa。随着回填高度的增加，塔后回填对高程1855 m处第1排横梁与3#拦污栅墩交接处拉应力及5#拦污栅墩前侧与底板交接处压应力有所改善；回填与基岩交接处的拉应力值随之增大。

两种工况下，随着塔后回填高度的增加，进水塔拦污栅墩之间的相对位移逐渐减小，致使拦污栅墩之间横梁上的应力得到了一定程度的改善；而塔后回填高度的增加会引起塔后回填自重的增加，从而使得回填与基岩交接处的竖向应力增大，故回填与基岩交接处的拉应力值随塔后回填高度的增加而增大。混凝土用量随着塔后回填高度的增加而增加，且逐次增加的比例越来越大。随着回填高度的增加，其对横梁上拉应力与塔体的压应力有所改善，改善程度较明显；但当回填混凝土达到一定高度以后，其改善程度有所减弱；回填与基岩交接处的拉应力随之增大，增幅较小，但当回填混凝土达到一定高度以后，其拉应力增值较大，说明塔后回填高度并非越高越好。

5 结 论

(1)随着塔后回填高度的增加，地震工况下塔体顺河向、竖向、横河向的位移逐渐减小，分布规律也有所改变。塔背接触高度从0.26倍塔高到0.64倍，再到0.87倍，其顺河向的位移分别减少了43%、20%；竖向的位移分别减少了40%、6%；横河向的位移分别减少了33%、10%，其改善程度逐渐减弱。

(2)塔后回填高度对塔体及回填与基岩交接处的应力响应非常明显，塔背接触高度从0.26倍塔高到0.64倍时，塔体主拉应力有明显改善，回填与基岩交接处的主拉应力有较小幅度的增加；塔背接触高度从0.64倍塔高到0.87倍时，塔体主拉应力的改善程度逐渐减弱，回填与基岩交接处的主拉应力出现大幅度的增加。

(3)塔背接触高度为0.64倍塔高与0.75倍塔高的各向位移非常接近，其横梁上的拉应力与5#拦污栅墩前侧与底板交接处压应力也相近。但塔背接触高度为0.64倍塔高时，回填与基岩交接处的拉应力更小，并且回填混凝土用量少，所以基于安全与经济两个要素，本工程塔体回填高度使用0.64倍左右塔高较为合理。如果其他结构与本工程结构相似，可以将本工程回填高度比例作为参考，也可通过相似的分析来确定其安全、经济的塔后回填高度。