石匣水库泄洪设施完善工程进水塔稳定计算

王 雅

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，山西 太原 032400）

1 工程概况

左权县石匣水库位于海河流域南运河水系清漳西源中游，地处左权县城西北约9 km 的石匣村北。是一座以防洪为主兼顾农业灌溉和工业供水、发电的中型水库。枢纽工程包括：主坝、副坝、溢洪道、输水洞、导流洞和电站。

石匣水库是清漳河主流上一座控制性骨干工程，坝址以上控制流域面积754 km2。其中：黄土丘陵区142.74 km2，土石山区14.38 km2，石山区596.88 km2。流域平均宽13.46 km，流域长度56.85 km。总库容5 099.46 万m3，其中死库容571.14 万m3，兴利库容1 208.86 万m3，调洪库容3 319.46 万m3。

2 进水塔布置及结构设计

有压箱涵后接进水塔，进水塔采用矩形塔式钢筋混凝土结构，顺水流方向底板长18 m，垂直水流方向底板宽6.6 m，塔底板高程1 128.0 m，塔顶（检修平台）高程为1 155.50 m，塔高29.0 m。塔身高程1 138.0 m以下及底板均采用C35 钢筋混凝土结构；塔身高程1 138.00 m 以上部分均为C25 钢筋混凝土结构，塔壁最小厚度0.8 m、底板厚度1.5 m。塔内上下交通采用悬臂式踏步楼梯，宽度900 mm。

进水塔上游接有压箱涵，下游接无压洞。塔内从上游至下游依次布设平板事故检修钢闸门和弧形工作钢闸门，其中事故检修闸门孔口尺寸为4.0 m×4.4 m（宽×高），工作闸门孔口尺寸为4.0 m×3.5 m（宽×高），底高程为1 128.0 m。检修门上游为矩形进水口，检修门与工作门之间设置长3.6 m 的有压短洞，洞顶压板坡度为1∶4。

检修门前进水塔上游侧壁厚1.0 m，两闸门间中隔墙厚1.5 m，工作闸门后进水塔下游侧壁厚1.2 m；闸门两侧塔壁混凝土最薄处（门槽部位）厚0.70 m，最厚处1.0 m。进水塔中隔墙内埋设两孔φ400 mm 的通气孔。

进水塔检修平台高程1 155.50 m，与上坝路前平台高程齐平，塔身外边缘悬挑出1.2 m 宽走道板，检修平台尺寸为11.9×9.0 m（长×宽）。检修平台下游侧设置钢筋混凝土牛腿，牛腿长4.0 m，宽0.7 m，其上放置桥面板，将进水塔与上坝公路相连接。

检修平台上为C25 钢筋混凝土排架，共3 榀，检修平台和启闭平台之间为钢筋混凝土排架结构，根据闸门检修净空要求，排架高10.0 m。立柱截面尺寸800 mm×800 mm；横梁截面尺寸为800 mm×1 000 mm。

启闭机房位于钢筋混凝土排架顶，启闭机平台高程为1 165.50 m，启闭机房平面尺寸为9.5 m×6.6 m（长×宽），高4.0 m，建筑面积为62.7 m2，为砖混结构。启闭机房墙体采用自重较轻的混凝土空心砌块，启闭机房内设QPQ-800kN 固定卷扬式启闭机两台，分别用于事故检修门、工作闸门的启闭及检修起吊。检修平台与启闭机平台之间采用钢梯连接上下交通；启闭机房顶至启闭机平台间设爬梯，以便人员进行房顶结构的维修。

进水塔交通桥采用C30 装配式先张法预应力混凝土简支空心板梁（荷载为公路-Ⅱ级，跨径16 m，1.25 m 板宽），单跨长16 m，共2 跨，总长32 m，桥面宽3.5 m，上下游两侧设置桥栏杆，共两跨，单跨长度10.0 m，桥面铺装由下到上分别为100 mm 厚C40 混凝土现浇层、防水层和80 mm 厚沥青混凝土桥面铺装。交通桥排架为C25 钢筋混凝土，排架高10.0 m，岸边采用C25 钢筋混凝土桥台，桥台高2.00 m，长4.5 m，其下设100 mm 厚C15 混凝土垫层，桥台后原土回填至1 155.5 m 高程，其后开挖宽度为6.0 m 回车场，并修建道路与上坝路连通，长度40 m，路宽3.5 m。

根据地质资料，进水塔持力层为二叠系上统石千峰组P2sh-2 岩组砂岩，岩性较坚硬，岩体基本质量级别为Ⅳ级，基本能满足基础要求，岩体承载力标准值为800～1 000 kPa，经进水塔稳定计算，为了使地基应力均匀，进水塔基岩面以下塔身及底板基岩均设置锚杆，锚杆长3.0 m，间排距2.0 m，梅花型布置，基岩面以下塔身一次支护采用挂钢筋网和喷120 mm 厚C20混凝土组合式结构，钢筋网采用Ⅰ级钢筋，直径为Φ8，网格间距为150 mm。进水塔交通桥墩排架柱基础位于低液限黏土层，为减小基地应力及桥身沉降量，排架采用扩大基础4.7 m×3.0 m（长×宽）。

3 进水塔稳定计算

3.1 进水塔稳定计算

根据《水利水电工程进水口设计规范》的规定，进水塔稳定计算包括抗滑稳定、抗倾覆稳定、抗浮稳定及基底应力验算。

作用于进水塔上的荷载主要有结构自重、静水压力、扬压力、浪压力、风压力等。因本地区地震裂度为6 度，计算不考虑地震力。

扬压力根据地勘资料常年地下水位1 135.0 m 计算。

荷载组合分为基本荷载及特殊荷载组合两类。前者取正常蓄水位、设计洪水位工况下放水和防洪高水位挡水的组合；后者取施工完建期、（正常蓄水位）检修期、校核洪水位情况泄水的组合。荷载组合见表1。

表1 荷载组合表

3.1.1 整体稳定安全标准

泄洪洞进水口按3 级建筑物设计，进水口建筑物座落在土基上，按照《水利水电工程进水口设计规范》（SL285-2003） 的规定，应参照《水闸设计规范》（SL265—2001）采用。稳定安全系数允许值：基本组合时抗滑稳定允许值3.0，抗倾覆稳定允许值1.3；特殊组合时抗滑稳定允许值2.5，抗倾覆稳定允许值1.15；

3.1.2 抗滑移稳定计算

抗滑稳定计算按《水闸设计规范》（SL265-2001）中的公式：

式中：Kc——沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；

f′——闸室基底面与地基之间的抗剪断摩擦系数，取0.7；

c′——闸室基底面与岩石地基之间的抗剪断粘结力，kPa，取0.3；

∑G——作用在闸室上的全部竖向荷载（包括扬压力），kN；

∑H——作用在闸室上的全部水平向荷载，kN。

考虑施工完建期不存在抗滑稳定问题，故只对其他工况进行计算：

不同荷载组合下顺水流方向计算抗滑稳定安全系数如下：

基本组合：正常蓄水位计算值11.5，防洪高水位计算值9.3，设计洪水位计算值11.5，均大于允许值3.0；特殊组合：施工完建期计算值8.1，检修期计算值11.1，校核洪水位计算值5.3，均大于允许值2.5。

不同荷载组合下垂直流方向计算抗滑稳定安全系数如下：

基本组合：正常蓄水位计算值18.4，防洪高水位计算值80.4，设计洪水位计算值80.5，均大于允许值3.0；特殊组合：施工完建期计算值56.2，检修期计算值75.0，校核洪水位计算值106.8，均大于允许值2.5。

由以上计算结果可知，各种工况下，在天然地基条件下进水塔抗滑稳定均满足要求。

3.1.3 抗倾覆稳定计算

抗倾安全系数为所有荷载对进水塔底板下游边线的抗倾力矩和倾覆力矩之比。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；

不同荷载组合下顺水流方向抗倾覆计算安全系数如下：

基本组合：防洪高水位计算值5.32，设计洪水位计算值5.33，均大于允许值1.3；特殊组合：施工完建期计算值7.21，检修期计算值4.70，校核洪水位计算值5.4，均大于允许值1.15。

不同荷载组合下垂直水流方向抗倾覆计算安全系数如下：

基本组合：防洪高水位计算值4.37，设计洪水位计算值4.32，均大于允许值1.3；特殊组合：施工完建期计算值3.14，检修期计算值4.44，校核洪水位计算值4.42，均大于允许值1.15。

由以上计算结果可知，进水塔抗倾覆稳定满足要求。

3.1.4 抗浮稳定计算

抗浮稳定计算计算公式如下：

式中：Kf——抗浮安全系数；

∑V——建基面上垂直总和，kN；

∑U——建基面上扬压力总和，kN；

不同荷载组合计算安全系数如下：

基本组合：防洪高水位计算值4.85，设计洪水位计算值4.86，均大于允许值1.1；特殊组合：检修期计算值4.60，校核洪水位计算值4.87，均大于允许值1.05。

由以上计算结果可知，进水塔满足抗浮稳定要求。

3.1.5 基底应力计算

基底应力计算采用公式如下：

式中：∑G──作用在进水塔上的全部竖向荷载，kN；

A──进水塔基底面的面积；

∑Mx、∑My——作用在进水塔上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面形心轴x、y 的力矩，k N·m；

Wy、Wy──进水塔基底面对于该底面形心轴x、y 的截面矩，m3。

不同荷载组合下荷载作用在进水塔身时最不利情况下基底应力计算成果见下表2。

表2 进水塔基底应力计算成果表 单位：kPa

计算得基底最大应力为623 kPa，小于地基承载力800～1 000 kPa，最小应力为70 kPa，无拉应力出现，满足要求。

4 结论

根据地质条件，拟定进水塔结构尺寸，经计算，进水塔的整体稳定、抗滑移稳定、抗倾覆稳定、抗浮稳定、基底应力均满足规范要求，从而确定进水塔的结构尺寸满足要求。