阿尔塔什联合进水口塔群方案优化设计

吴俊杰，潘旭东，李少杰,李坤儒

(1.新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆新华叶尔羌河流域水利水电开发有限公司,新疆 喀什 844000)

新疆阿尔塔什水利枢纽工程中的联合进水口塔群在距坝轴线约1.03km上游右岸南—北向的沟内，进水塔部位地形北高南低，基岩裸露。受右岸山体地形及高陡边坡的限制，塔群布置场地较小且无法进行大开挖，因此，1—3号进水塔最终采用“紧凑型”布置，即1号、2号发电引水洞进水塔布置两侧，3号深孔放空排沙洞进水塔布置于中间。联合进水口塔群段处于微风化岩体上，岸坡走向340°，自然边坡为45°～65°，岸坡基岩裸露，层理发育，岩层产状340°SW∠58°，倾向坡外，岩层走向与岸坡走向平行，在联合进水口塔群后边坡和基础开始施工过程中，塔群背后高边坡出现2～3小规模顺层面滑坡。虽然后边坡设置了一些100t级预应力锚索和锚梁。考虑上述原因还是担心后期该处岩层还会顺层面滑坡的可能性，如图1所示。

图1 阿尔塔什水利枢纽工程联合进水口塔群后边坡实际情况

因此，要求将联合进口进水闸塔塔群整体前移10m，受地形条件限制塔群右侧的1号进水塔右边墙回填混凝土高程有所下降且范围较大。根据吴俊杰[1- 2]在2015年技施阶段计算的阿尔塔什联合进水口塔群静动力计算分析成果，以及期间进行的塔背回填混凝土最优高度敏感性分析成果可知，塔身应力在地震工况下受回填混凝土高度影响很大，该结论也在崔炜等[3]、杨光等[4]、李锋[5]、徐东芝等[6]、苗宏恩等[7]、曹伟等[8]、孔科等[9]、张紫璇等[10]、唐青山等[11]的研究成果中被证实过。同时，根据赵晓红等[12]对紫坪铺水电站的2号进水塔进行了抗震复核，结果表明在原设计7度和遭遇9度以上地震时，位于回填混凝土一定高程高程范围内的进水塔边墙结构应力均超出允许范围，证明该处在地震工况时最薄弱。

可见进水塔塔体的稳定性受回填混凝土高度的影响很大，这势必会影响1号、2号发电引水系统进水口进水塔和3号塔的受力状态，所以亟需进行三维有限元静、动力分析并与原设计方案的塔群应力进行比较，得出前移10m方案后塔体应力的变化范围，自振特性、应力与变形影响分析，在塔群尚未浇筑前为前移方案提供依据。

1 概况

新疆阿尔塔什水利枢纽工程位于喀什地区莎车县，工程在建设时面临着“三高一深”等诸多设计难点，即最大坝高164.8m，600m级高边坡，Ⅷ度高地震烈度，94.5m深厚覆盖层。该枢纽工程大体右岸是本次研究对象1号、2号进水塔是发电引水洞前段控制段和3号塔深孔放空排沙洞控制段，其中1号、2号进水塔塔顶高程为1827.00m，底板高程为1750m，进水塔高度77m，底板厚4m。3号塔设置在1号、2号进水塔中间。

2017年现场联合进水口塔群后边坡、基础开挖施工阶段，前后经过2～3次小规模的顺层滑坡，担心后期该处岩层还会有顺层面滑坡的可能，为后期安全施工与运行，经过论证后将联合进口进水口塔群整体前移10m就可避免顺层开挖，但是，受地形条件限制塔群右侧的1号进水塔右边墙回填混凝土高程会有所下降且范围较大。右侧1号进水塔后胸墙右边墙回填混凝土从原来1795m降至1785m，右边墙回填混凝土从原有的1785m以3级台阶形式逐级降至1770、1765、1760m，以下是原设计方案与前移10m方案对比平面图，如图2所示。

图2 原方案与前移方案对比平面图

2 动力计算

结构地震反应分析的方法一般有振型叠加反应谱法、时程分析法[13- 15]。其中振型分解反应谱法是目前结构抗震设计规范规定的一种常规方法，本次与原设计方案计算方法一致，按规范要求采用振型叠加反应谱法对塔群结构进行动力分析，该方法被广泛应用。动力计算振动方程如下式[16- 18]。

(1)

阻尼采用瑞利阻尼，假定[C]阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，[M]为质量矩阵的线性组合，即满足下列公式[1- 2]：

[C]=α[M]+b[K]

(2)

式中，α、b—比例常数。

3 动力计算反应谱

坝址区基岩地震基本烈度为Ⅷ度，Ⅰ类场地，基岩峰值加速度为221.0g。发电引水建筑物为1级非壅水建筑物，根据抗震设计规范要求，发电引水建筑物抗震设防类别为乙类，按50年超越概率5%进行设防。特征周期按照规范要求以及地震安评报告给出Tg取0.2s，出于安全考虑取0.3s，按照水工建筑物抗震设计标准规定，设计反应谱因采用标准加速度反应谱根据特征参数拟合出本工程动力计算加速度反应谱如图3所示。

图3 场地基岩设计反应谱

4 三维有限元计算分析

通过大型有限元软件ABAQUS[19- 23]建立本次前移10m方案的实体模型如图4(b)所示，为了便于比较原设计方案也列于此如图4(a)所示。由于时间较紧，因此1—3号进水塔全部采用C3D20四面体20结点单元，整体模型结点数量共计102686个，单元101218个。整体实体模型与网格剖分图如图5所示。

图4 计算实体模型

图5 联合进水口塔群

4.1 计算工况

本次计算所有参数均有原方案三维有限元静动力分析及配筋设计[1]相同，同时，为了能够真实反映塔体与回填混凝土、塔体与基岩基础之间的相互关系，计算利用ABAQUS外挂子程序实现接触之间的静、动力相互作用，然后对进水塔群-闸房-整体地基-回填混凝土-塔体内外水体进行静、动力联动耦合计算(与原方案[1]一致)。计算塔体结构在前移10m方案后，完建期、正常运行期、正常运行期+地震、检修期等工况下的应力应变情况。

在各个工况计算过程中，塔体荷载主要有水体重量，进水塔自重(含金结、水体压力、浪压力、底部扬压力、地震力、动水附加质量力)，按荷载规范要求，在不同工况时荷载需要进行组合见表1。

表1 荷载组合表

4.2 材料计算参数

工程区联合进水口塔群在弱风化至微风化基岩基础上，根据地质提供地基承载力试验可知，文献[1]也有所交代，基础承载力标准值在2.0～2.5MPa，具体数据见表2。

表2 材料的力学参数

4.3 计算成果分析

4.3.1静力成果分析

通过计算可知联合进水塔前移10m后，1号进水塔在完建期、运行期、检修期边墙外侧回填混凝土高度降低后侧向的摩擦力有减少，导致竖向荷载增大，从而使得地基基础沉降增加，前移10m方案在静力工况下对1号进水塔有影响相对原设计方案较小，2号进水塔和3号塔受力状态基本没有。

4.3.2动力成果分析

(1)前移10m方案与原方案结构整体自振特性比较

两组方案前10阶振型频率及周期见表3。

表3 进水口塔群自振特性

当1号进水塔边墙回填混凝土高度下降后，整个联合进水口塔群的边界条件有所改变，导致1号进水塔、2号进水塔、3号塔(附带各自闸房及金属结构质量)的震动频率有所降低，自振周期均有所提高，但幅度不大，这也表明建筑物回填混凝土比值越小，建筑物自振周期越长的特性。

(2)前移10m方案与原方案静动叠加成果比较

在不改变外部边界条件的情况下，原方案边墙为1785m时，由于1号进水塔刚度比2号闸井刚度小，1号进水塔横向+竖向地震中右震位移量最大为14.12mm如图6(a)所示。前移10m方案1号进水塔边右侧边墙降低后，右震位移量最大值15.58mm如图6(b)所示，从增加的变形量也可说明，前移10m后塔体边墙降低对1号进水塔横向位移很大，水平位移增大了9.37%，从而导致边墙变形增大。

图6 运行期遇地震联合进水口塔群变形矢量图(单位:m)

前移10m方案在地震工况时边墙应力如图8(b)所示较原方案如图7(a)所示有所增大，表明前移10方案1号进水塔右侧地形变低后确实影响到了1号塔体应力，而2号塔体、3号塔体回填混凝土高度没有改变，边墙应力基本没有改变，限于篇幅限制这里不在论述。

图7 1号进水塔地震工况拉应力大于1.43MPa部分云图(单位：Pa)

原设计1号进水塔地震工况计算成果见[1]，现将前移10方案1号进水塔在地震工况下的结构应力(去除集中应力点后)表格的形式列于下表，同时进行配筋见表4。

表4 1#进水口塔群动力计算拉应力表

由上表计算成果可以得出前移10方案后，边墙在受横向地震作用后，1号进水塔左右边墙配筋量均有所增加，左边墙1780～1800m段配筋最大提高了29.88%，右边墙1780～1800m段配筋最大提高了43.48%，并且左右边墙配筋有下移加深趋势，从配筋成果来看左右边坡7000～8000mm2的配筋量已经不合理，因此，该方案在地震工况时对1号塔配筋影响比较大。

5 结语

(1)由于本工程联合进水口塔群在施工时遭遇2～3次小规模的滑坡，各方出于安全考虑提出将进水塔前移10m方案，以便后期施工安全。然后，受本工程地形条件限制，前移10m方案会造成1号进水塔右侧限制高度降低，静力工况塔体受力影响较小，而地震工况时右岸1号进水塔顶部最大水平位移增加了9.37%，同时自振周期也有所增加，导致边墙配筋量较原方案有所增加同时配筋深度有所加深。对2号进水塔和3号塔底板稍有影响，主要是1号进水塔竖向荷载变大导致地基沉降量增大，从而影响到了2号进水塔和3号塔。对2号进水塔和3号塔边墙影响很小，主要因为回填混您土没有变化。最终，因前移10方案导致1号进水塔在地震工况时配筋过大且不合理，可能会影响1号塔体整体受力而否定该方案，现场最终对联合进水口塔群后边坡进行加强支护，增加多排预应力锚索与锚梁，经复核边坡整体稳定性，为后续施工与安全运行提供保证。

(2)2021年8月工程全部机组并网发电进行涉网调试，到目前为止塔体后边坡变形监测仪器数据、塔群运行状态一切正常，通过对比计算也证明了塔体外侧约束高度对结构在地震工况时的重要性，也为塔体结构受力优化提供借鉴。