大红沟水库进水塔稳定计算分析及地基处理

姚富强

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程布置

大红沟水库特征水位校核洪水位以下库容为557万m3，工程等别为Ⅳ等，建筑物的级别为4 级。校核洪水位1 021.41 m、设计洪水位1 020.30 m、正常蓄水位1 020.90 m、汛限水位1 019.50 m、死水位1 003.50 m。

进水塔的右边设置一泄洪洞进水口，其底板高程为994.00 m，左边设置一供水管线进水口，其底高程为1 002.0 m，供水管埋设在塔身混凝土内。进水塔混凝土强度等级为C30，平面尺寸为13.14 m×7.95 m×28.1 m（长×宽×高），近水侧混凝土厚度为1.0 m，远水侧混凝土厚度为1.2 m，泄洪洞与供水管线中间的混凝土厚度为1.75 m。

泄洪洞的进口从上游至下游布有长2.54 m 的喇叭型进水口、1.5 m×2.3 m（宽×高）的检修闸门、1.5 m×1.8 m（宽×高）的工作闸门；供水管线进口从上游至下游布有拦污栅、长2.62 m 喇叭型进水口、1.0 m×1.0 m（宽×高）工作闸门、DN300 塔身埋管。

高程1 022.10 m 处为进水塔的检修平台，塔身外边源设置1.2 m 的宽走道板，检修平台尺寸为8.74 m×7.95 m（长×宽）。检修平台下游侧布有2.6 m×0.6 m（长×宽）钢筋混凝土牛腿，其上放置预制C25 钢筋混凝土T梁桥，进水塔通过交通桥与坝顶相连。

检修平台上为C25 钢筋混凝土排架，共3 榀，一榀两跨，左跨用于供水管线工作闸门的启闭设备布设与受力。右跨用于泄洪洞的检修闸门和工作闸门的启闭设备布设与受力。排架的高度为6.2 m，立柱尺寸600 mm×800 mm，横梁尺寸600 mm×1 000 mm。

排架上部为启闭机房，高程为1 028.30 m，平面尺寸同检修平台，高度为4.1 m，房内设有3 台固定式卷扬启闭机，用于检修闸门和工作闸门的启闭及检修。

2 进水塔稳定计算

2.1 稳定计算

作用在进水塔的荷载分为基本组合和特殊组合，荷载组合见表1。

表1 荷载组合表

1）整体稳定安全标准

稳定安全标准见表2。

表2 稳定安全允许值

2）抗滑稳定计算

式中 Kc——安全系数；

f——摩擦系数，取值0.30；

∑G——竖向全部荷载总和（kN）；

∑H——水平向全部荷载总和（kN）。

计算的安全系数见表3，由表3 可知，两组合工况下进水塔均能满足抗滑稳定要求。

表3 安全系数表

3）抗倾覆稳定计算

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）。

计算的安全系数见表4，由表4 可知，两组合工况下进水塔均能满足抗倾覆稳定要求。

表4 安全系数表

4）基底应力计算

式中 ∑G——竖向全部荷载（kN）；

A——基底面积（m2）；

∑Mx——全部荷载对形心轴x 的力矩（kN/m）；

∑My——全部荷载对形心轴y 的力矩（kN/m）；

Wx——对底面形心轴x 的截面矩（m3）；

Wy——对底面形心轴y 的截面矩（m3）。

计算成果见表5。

表5 应力成果表 kPa

由地质资料可知，地基允许承载力为120～150 kPa，经计算发现基本组合完建期工况下和特殊组合正常蓄水位遭遇地震工况下，进水塔最大基底应力比地基允许承载力的1.2 倍还大，平均应力也比地基允许承载力大，因此地基需要处理。

2.2 地基处理

进水塔地基为N2低液限粘土，本次设计采用C30混凝土灌注桩来提高地基承载力，初拟16 根桩径1.0 m，桩长18.0 m，中心距3.0 m 的灌注桩。

1）计算工况

工况①：施工完建期；

工况②：正常蓄水位+地震。

2）计算应符合下列要求

荷载效应标准组合：

地震工况荷载效应标准组合：

式中 Nk——荷载效应标准组合下桩基平均竖向力（kN）；

Nkmax——荷载效应标准组合下桩顶最大竖向力（kN）；

NEk——地震工况荷载效应组合下桩基平均竖向力（kN）；

NEkmax——地震工况荷载效应组合下桩顶最大竖向力（kN）；

Ra——桩基竖向承载力特征值。

3）计算承载力特征值

式中 Quk——极限承载力标准值（kN）；

K——安全系数，取K＝2。

4）计算极限承载力

大红沟水库泄洪洞进水塔底板下灌注桩为摩擦型灌注桩，不考虑端阻力。因为没有实验的数据，本文采用经验参数方法计算单桩竖向的极限承载力值。

式中 qsik——第i 层土的侧阻力值（kPa）；

qpk——极限端阻力值（kPa）；

u——桩身周长（m）；

li——桩周第i 层土的厚度（m）；

Ap——桩端面积（m2）；

ψsi——侧阻尺寸效应系数；

ψp——端阻尺寸效应系数。

计算结果见表6。

表6 计算极限承载力值

由表7 得出选择16 根直径为1.0 m，长度为18.0 m 的C30 混凝土灌注桩能够满足桩身竖向承载力的要求。

表7 复核表

3 结 论

经过计算发现进水塔在基本组合和特殊组合两种工况下抗滑和抗倾覆稳定均能满足规范要求，但基底应力在施工完建期和正常蓄水位遇地震两种工况下存在问题不能满足规范要求，地基需要处理。本文选择灌注桩进行地基处理，经计算选择16 根直径为1.0 m，长度为18.0 m，中心距为3.0 m 的C30 混凝土灌注桩能够满足竖向承载力的要求，解决了基底应力问题。本文研究成果为大坝进水塔的设计提供理论支持，也为大坝的安全运行提供技术支撑，类似工程可以借鉴。