塔侧混凝土回填高度对长拦污栅墩进水塔的动力影响分析

张紫璇，李守义，黄灵芝，肖 阳，李 浪

(西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048)

1 研究背景

进水塔作为引水和泄水系统的控制性水工建筑物，其安全性对枢纽工程起着至关重要的作用[1-2]。进水塔的大部分结构处于水下，其受力情况非常复杂[3-4]。对于依山而建的高耸进水塔，实际工程中一般用人工回填混凝土将塔体与山体连为一体以增加进水塔的整体刚度，而关于回填高度的确定，需要进一步探讨[5-8]。

近年来众多学者对进水塔塔背回填做过一些研究：李锋[9]研究分析发现，塔背回填可有效地降低地震作用下进水塔结构的拉应力；徐东芝等[10]对有无塔背回填进行静、动力特性分析比较，认为良好的塔背回填会对塔体形成有效的约束，提高塔体的抗震性能；唐碧华[11]研究发现随着塔背回填升高，整体刚度增大，但是对应力的改善效果逐渐减弱甚至出现了负影响，说明塔背回填混凝土并非越高越好；张岳等[12]通过分析不同塔背回填高度对塔体结构力学特性的影响，建议回填高度大约取64%的塔体高度为宜。可见，良好的回填会对进水口塔背形成有效的约束，对减小结构变形和提高整体抗震性能起着重要的作用。

现有文献主要是研究塔背回填高度对高耸进水塔结构力学性能的影响，尚无针对塔侧回填高度方面的研究[13-14]。某些进水塔由于分层取水，拦污栅墩设有叠梁式闸门槽，导致拦污栅墩较长，且受地形地质条件的限制，进水塔的背面及一侧均倚靠山体，工程中采用人工回填混凝土将塔体与山体连接起来形成“半环抱”式的回填型式，不同的塔侧回填高度使得进水塔的刚度及其约束范围发生变化，影响塔体结构的应力和变形[15-16]。对于拦污栅墩较长的高耸进水塔，由于拦污栅框架的侧向刚度小，在地震作用下拦污栅墩及其连系梁容易产生较大的拉应力，而不同的侧面回填高度会改变拦污栅墩结构的侧向刚度，合理的回填高度对提高结构整体抗震性能、降低工程造价等有着重要的意义。鉴于此，本文就长拦污栅墩进水塔侧面回填高度展开研究，分析不同塔侧回填高度对塔体的动力响应的影响规律，据此提出经济合理的塔侧回填高度范围，为同类型进水塔的设计提供参考。

2 计算模型

某水利枢纽工程进水塔群在平面上呈“一”字布置，进水塔为1级建筑物，将塔群最右侧的两个分层取水进水塔进行整体布置，底板高程为1 439.0 m，塔高为90.0 m，塔体顺河向长度为34.1 m，横河向宽度为35.0 m，塔背及塔右侧均回填混凝土，回填设计高度为60.0 m。该进水口的拦污栅墩兼做叠梁门墩，长10.5 m，1#拦污栅墩与塔体胸墙相连，长达16.5 m。拦污栅墩之间设置了两排横向连系梁，沿着水流方向分别称为第1排横梁、第2排横梁；拦污栅墩的下游侧和塔体胸墙之间设置了1排纵向连系梁，简称纵梁。该长拦污栅墩进水塔的平面布置如图1所示，塔侧回填混凝土及设计高度如图2所示。塔体混凝土采用C35，抗拉及抗压强度设计值分别为1.57和16.7 MPa；塔背及塔侧回填均采用C25混凝土。进水塔混凝土与基岩材料的基本参数见表1。

图1 进水塔平面布置图(单位：m) 图2 进水塔塔侧回填混凝土及设计高度(单位：m)

表1 进水塔混凝土与基岩材料的基本参数

采用三维有限元软件建模。以顺河向作为X轴，向下游为正；竖直向为Y轴，向上为正；横河向为Z轴，向塔右岸为正。使用SOLID45单元模拟塔体、地基及边坡，处理前创建不同的材料模型并修改各单元的材料属性，假定材料均为线弹性、连续无孔隙且均匀各向同性的，地基沿塔体深度方向、水平方向各延伸100 m建模，依据工程实际地形和地质条件模拟，整体计算模型如图3所示。有限元建模时，塔体、地基及边坡之间的接触面共节点连接，无质量地基的下游侧和左、右侧约束法向位移，底部约束3向位移。根据工程经验及建模验算可知，当塔背及塔侧回填超过设计回填高度时，将对塔体重要结构的应力产生负影响，还会增加不必要的工程投资。本文针对塔侧回填高度进行敏感性分析，控制塔背回填高度不变，塔右侧回填高度每下降10.0 m为1个研究方案，具体计算方案见表2。

图3 进水塔整体有限元模型

表2 进水塔右侧回填混凝土高度计算方案

计算工况包括正常蓄水位工况(工况1)和地震工况(工况2)。进水塔静力计算考虑自重、静水压力、扬压力、浪压力和活荷载。动力计算时，采用附加质量法通过有限元软件中的MASS21单元模拟动水压力[17-18]。依据规范[18]方法计算进水塔的动力响应，选用标准设计反应谱曲线，放大系数为2.25，地震峰值加速度为0.372g，竖向峰值加速度为水平向的2/3。同时考虑水平向和竖向地震作用效应，取其平方总和的方根值乘以±0.35，再分别与静力计算的结果相加得到正负叠加的总地震效应。

3 结果与分析

3.1 塔体自振特性影响分析

不同塔侧相对回填高度进水塔结构的前10阶自振频率计算结果见表3。

由表3可知，随着塔侧回填高度的降低，结构自振频率逐渐减小。当塔侧回填从设计高度降至无回填情况时，塔体基频由5.2665 Hz降至3.3290 Hz，减幅大于30.0%，塔体前3阶自振频率的减幅分别为36.8%、26.1%、21.0%，第9阶和第10阶自振频率的减幅分别为8.7%和5.8%，可见，降低塔侧回填高度对进水塔结构低频的影响较明显。当塔右侧无回填时，长拦污栅墩的侧向刚度较小，拦污栅结构与塔体之间的刚度差较大，低阶频率表现为拦污栅框架的横向振动，在进水塔右侧回填混凝土有利于增大拦污栅墩的侧向约束，增加结构整体刚度，提高拦污栅结构的抗震性能。

3.2 塔体位移影响分析

不同塔侧相对回填高度两种工况进水塔的位移峰值及其增长率见表4，负值表示位移方向与坐标轴规定正方向相反。地震工况下进水塔的位移峰值随塔侧相对回填高度的变化趋势如图4所示。

由表4可知，在正常蓄水位工况下(工况1)，改变塔侧回填高度对进水塔位移峰值的影响较小。塔体顺河向与横河向位移随着塔侧回填的降低而增大，最大增幅分别为17.6%和27.8%，位移峰值所在部位分别为塔体顶部的左侧及前侧，且不随塔侧回填高度发生改变。塔侧回填高度对塔体竖向位移的影响较小，最大增幅不超过5.0%。整个塔体在自重作用下有向左前倾的趋势。在地震工况下(工况2)，由于塔右侧受到动水压力的作用且塔体横河向刚度较小，所以进水塔的横河向位移峰值较大。由表4和图4可知，当塔侧回填混凝土从设计高度逐渐降低至无回填情况时，塔体竖直向位移没有明显变化，顺河向与横河向的位移均逐渐增大，最大增幅分别为20.0%和50.6%，位移峰值分别出现在塔体顶部的左侧及前侧位置。随着侧面回填高度的降低，塔右侧基岩对塔体的约束减小，同时由于塔侧的动水压力增大，导致塔体横河向位移出现了较大幅度的增加。由此可见，较高的塔侧回填能够提高进水塔结构的整体刚度，有效限制塔体横河向的位移。

表3 不同塔侧相对回填高度进水塔前10阶自振频率 Hz

表4 不同塔侧相对回填高度两种工况进水塔位移峰值及其增长率

图4 地震工况下不同塔侧相对回填高度进水塔位移峰值绝对值变化趋势

3.3 塔体应力影响分析

不同塔侧相对回填高度两种工况进水塔关键部位主拉应力及塔体主压应力见表5，地震工况下不同塔侧相对回填高度进水塔的主应力变化曲线如图5所示。由表5可知，在正常蓄水位情况下，不同塔侧相对回填高度进水塔各部位的主拉应力均较小。随着塔侧回填高度的降低，第1排横梁、第2排横梁及纵梁上的拉应力总体呈减小趋势，最大减幅分别为41.2%、40.0%、13.3%，塔侧回填对横梁拉应力的影响较大，对纵梁拉应力的影响较小。塔体压应力最大值所在部位随着回填高度的降低发生改变，包括5#拦污栅墩底部、塔体右侧面与回填顶部交接处、3#拦污栅墩底部等位置。

在地震工况下，不同塔侧相对回填高度对塔体主应力的影响较大，尤其对长拦污栅框架结构的应力影响较大。由图5(a)可知，随着塔侧回填高度的增加，拦污栅墩连系梁的拉应力总体呈现先减小后增大的趋势。第1排横梁的拉应力最大值出现在1 494.0 m高程横梁与1#拦污栅墩交接处，当塔侧相对回填高度超过0.22之后，拉应力逐渐增大；第2排横梁的拉应力最大值出现在1 503.0 m高程横梁与1#拦污栅墩交接处，当相对回填高度超过0.33之后，拉应力逐渐增大；纵梁拉应力最大值出现在1 503.0 m高程纵梁与胸墙交接处，随着塔侧回填高度的增加，纵梁的拉应力逐渐减小且减幅逐渐降低，当相对回填高度超过0.44之后，纵梁的拉应力出现了小幅度增大。拦污栅墩的侧向约束随着塔侧回填高度的升高而增大，当侧面回填高度超过大约30%的塔高之后，由于1#拦污栅墩相对于2#拦污栅墩的刚度相差加剧，栅墩之间的两排横梁上的应力均开始增大，拦污栅墩的上游侧较下游侧更易发生变形，故第1排横梁拉应力的增幅最大。可见，塔侧回填不宜设计太高，合理的塔侧回填高度能够有效改善长拦污栅墩连系梁的拉应力。

由图5(b)可知，随着塔侧回填高度的增加，塔体右侧面与回填顶部交接处的拉应力逐渐增大，在实际工程中可通过设置倒角的方式降低此处应力集中的现象；2#拦污栅墩叠梁门槽顶部的拉应力随着塔侧回填高度的升高而增大，由于该拦污栅墩窄且长，在动水压力作用下，其顺河向拉应力较大，可通过局部加厚拦污栅墩或加强配筋来改善应力情况；在地震作用下，进水塔压应力最大值出现在第1排横梁1 476.0～1 494.0 m高程之间的横梁上，横梁的压应力呈两端大中间小分布，随着塔侧回填高度的增加，横梁的压应力先呈减小趋势，当相对回填高度超过0.22时，压应力开始逐渐增大，当相对回填高度超过0.56时，横梁的压应力大于等于16.7 MPa，横梁将被压断。可见，降低此进水塔侧面混凝土回填高度是很有必要的。

表5 不同塔侧相对回填高度两种工况进水塔关键部位主拉应力及塔体主压应力

图5 地震工况下进水塔不同部位应力峰值随塔侧相对回填高度的变化趋势

4 结 论

本文采用三维有限元法研究了侧面混凝土回填高度对长拦污栅墩进水塔自振特性、位移和应力的影响，得到以下结论：

(1)塔体自振频率随着塔侧回填高度的降低而逐渐减小，回填高度对结构低频的影响较大。塔侧回填有利于增加长拦污栅墩的侧向约束，提高结构的抗震性能。

(2)进水塔右侧的水压力随着塔侧回填高度的降低而增大，导致塔体横河向位移的增幅最明显。较高的塔侧回填能够有效限制塔体横河向的位移。

(3)随着塔侧回填高度的增加，拦污栅墩连系梁的拉应力呈现先减后增的变化趋势，塔体右侧面与回填顶部交接处的拉应力呈增大趋势；回填高度超过一定范围时，第1排横梁的压应力最大值超过混凝土抗压强度设计值，对结构不利。塔侧混凝土回填不宜过高，合理的回填高度能够改善进水塔关键部位的应力情况。

(4)综合考虑进水塔位移和应力分布情况，当相对回填高度超过0.3时，塔侧回填升高对横梁的拉应力及压应力均产生负影响，当相对回填高度低于0.2时，塔体在地震作用下会产生较大的位移，同时横梁和纵梁的拉应力均比较大。因此，建议进水塔侧面回填高度大约取20%～30%的塔高，在此范围内计算结果较安全，在改善进水塔动力特性的同时可以减少工程投资。对于这类进水塔结构，设计时可参考此高度比例，也可通过类似分析方法确定合理的塔侧回填高度。