黃小艷，鄒德兵，熊 瑤

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

1 概 述

1.1 工程概況

沙河水庫位于烏江左岸一級(jí)支流長(zhǎng)頭河北支流板橋溝漁家壩下游約500 m處，距板橋溝溝口約1.2 km，是1座以城鄉(xiāng)供水為主，兼有農(nóng)田灌溉功能的中型水利工程，工程等別為Ⅲ等。水庫正常蓄水位為412.00 m，設(shè)計(jì)洪水位為412.14 m，校核洪水位為414.34 m，總庫容1 064.9萬m3(正常蓄水位庫容972.5萬m3)?；炷撩姘宥咽瘔螇雾敻叱?16.00 m，最大壩高77 m，溢洪道布置于右岸，取水建筑物布置于左岸。

1.2 取水型式分析

通過對(duì)已建水利工程的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)[1-3]，水庫中深層水較表層水具有較高濃度的磷酸鹽、氨、硫化氫等，從水庫深層取水時(shí)，水質(zhì)較差，將增加供水處理的難度和成本；且水庫垂向水溫基本呈分層分布，深層水溫相對(duì)較低，用于灌溉時(shí)則影響下游農(nóng)作物生長(zhǎng)。為了保障供水水質(zhì)和灌溉水溫，沙河水庫應(yīng)取上層水，取水宜采用分層設(shè)計(jì)。

結(jié)合國內(nèi)水電站及水庫分層取水經(jīng)驗(yàn)，常用的分層取水設(shè)施分為水力控制和機(jī)械控制[4]。水力控制分層取水設(shè)施利用水的自身壓力為動(dòng)力操縱取水口，進(jìn)行分層取水，一般采用浮板式、浮管式、多層水力自動(dòng)翻板式取水裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但耐久性較差，比較適用于小型水利工程。機(jī)械控制分層取水設(shè)施通過外力啟閉不同深度的閘(閥)門，得到不同深度的水，一般包括多層閘門式、多層閥門式、疊梁門式等，耐久性較好，適用于大中型水利水電工程。

綜合考慮工程特性，選取多層閘門式、多層拍門式與多層閥門式分層取水型式，從結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)、取水效果、運(yùn)行管理、操作檢修、工程投資等方面進(jìn)行比選后，最終確定沙河水庫取水塔采用多層閘門式分層取水方案[5-6]。取水塔通過匯流豎井與輸水隧洞連接，輸水隧洞出口處接一段輸水鋼管，鋼管后連接輸水管線前池。

1.3 分層取水塔設(shè)計(jì)概況

取水塔布置于大壩軸線上游約140 m、靠近左岸岸坡的庫內(nèi)，建筑物級(jí)別為3級(jí)。為方便運(yùn)行管理，取水塔工作平臺(tái)高程與混凝土面板堆石壩壩頂高程一致，即416.00 m。工作平臺(tái)以上為啟閉機(jī)房，采用2層框架結(jié)構(gòu)。取水塔內(nèi)設(shè)6層孔口取水，孔口中心線高程從上往下依次為407.00、399.00、391.00、383.00、375.00 m和366.25 m(見圖1)。各層取水口順?biāo)飨蝈e(cuò)落布置，水平間距1.6 m，通過匯流豎井連通。各取水口孔口尺寸均為2.5 m×2.5 m，孔口設(shè)平板鋼閘門。取水塔上游設(shè)固定式攔污柵。

取水塔的結(jié)構(gòu)尺寸初擬為：長(zhǎng)(順?biāo)飨?14.0 m，寬(垂直水流向)5.3 m(兩邊墩各厚1.4 m)，高51.95 m，建基面高程364.05 m。施工詳圖階段經(jīng)穩(wěn)定分析與結(jié)構(gòu)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)由于取水塔順?biāo)飨虺叽巛^大，在檢修工況(塔內(nèi)放空，塔外正常蓄水位)下，取水塔下部(尤其6號(hào)取水口部位)結(jié)構(gòu)在外水壓力作用下承受的彎矩較大，致使配筋難以滿足要求。

針對(duì)該情況，對(duì)取水塔結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行調(diào)整：長(zhǎng)度不變，上部仍寬5.3 m，下部加寬為5.9 m(上部邊墩仍各厚1.4 m，下部邊墩各厚1.7 m)；為減小基底應(yīng)力，將底板加寬為7.3 m，同時(shí)加厚底板，建基面高程調(diào)整為363.20 m；為減小檢修工況下取水塔下部結(jié)構(gòu)承受的外水壓力，取水塔外兩側(cè)及靠近庫岸一側(cè)與邊坡之間采用C15混凝土填充至高程380.00 m。

調(diào)整后的取水塔的布置及結(jié)構(gòu)型式如圖1、圖2所示。

圖1 取水塔順?biāo)飨蚱拭鎴D(單位：m)

圖2 取水塔上游立視圖(單位：m)

2 穩(wěn)定分析

2.1 設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)及荷載組合

2.1.1設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 285-2003)[7]，獨(dú)立布置進(jìn)水口的建筑物級(jí)別為3級(jí)時(shí)，整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)(采用抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算公式)為：基本組合3.0，特殊組合2.5；抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為：基本組合1.30，特殊組合1.15；抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為：基本組合1.10，特殊組合1.05。沙河水庫取水塔布置于巖基上，建基面應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)為：最大壓應(yīng)力小于地基允許壓應(yīng)力；最大拉應(yīng)力基本組合小于0.1 MPa，特殊組合小于0.2 MPa。

2.1.2材料參數(shù)

取水塔建基面高程為363.20 m，建基巖體為志留系羅惹坪組(S2Lr)弱風(fēng)化粉砂質(zhì)頁巖，其物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 志留系(S)弱風(fēng)化粉砂質(zhì)頁巖物理力學(xué)參數(shù)表

2.1.3荷載與荷載組合

1)荷載。作用在取水塔上的荷載包括：①基本荷載。自重，設(shè)計(jì)運(yùn)行水位時(shí)的靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力，風(fēng)壓力，活荷載；②特殊荷載。校核運(yùn)行水位時(shí)的靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力。

本工程地震設(shè)計(jì)烈度為Ⅵ度，根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 203-97)[8]，可不進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，故不考慮地震荷載。

2)荷載組合。荷載組合分為基本組合與特殊組合兩類[9]，根據(jù)本工程實(shí)際情況，取水塔荷載組合見表2。其中，取水塔在運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)外承受的水壓力相互平衡，因此不考慮設(shè)計(jì)洪水位、正常蓄水位及校核洪水位工況下的靜水壓力。

表2 荷載組合表

2.2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

按抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算：

計(jì)算結(jié)果(表3)表明，在各組合工況下，取水塔均滿足抗滑穩(wěn)定要求，其中控制工況為完建未擋水工況。

表3 抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

2.3 抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算

計(jì)算公式為

計(jì)算結(jié)果(表4)表明，在各組合工況下，取水塔正向和側(cè)向均滿足抗傾覆穩(wěn)定要求，其中正向抗傾覆穩(wěn)定的控制工況為檢修工況，側(cè)向抗傾覆穩(wěn)定的控制工況為設(shè)計(jì)洪水位與正常蓄水位工況。

表4 抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

2.4 抗浮穩(wěn)定計(jì)算

計(jì)算公式為

式中：Kf為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；∑V為建基面上垂直力總和(不含設(shè)備重量)；∑U為建基面上揚(yáng)壓力總和。

計(jì)算結(jié)果(表5)表明，在各組合工況下，取水塔均滿足抗浮穩(wěn)定要求，其中控制工況為檢修工況。

表5 抗浮穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

2.5 基底應(yīng)力計(jì)算

取水塔結(jié)構(gòu)及受力兩側(cè)對(duì)稱，則∑My=0，故取水塔建基面上垂直正應(yīng)力計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為

式中：σ為建基面上計(jì)算點(diǎn)垂直應(yīng)力；∑V為建基面上垂直力總和；∑Mx為建基面上垂直力對(duì)形心軸X軸的力矩總和；y為建基面上計(jì)算點(diǎn)至形心軸X軸的距離；Jx為建基面對(duì)形心軸X的慣性矩；A為建基面面積。

計(jì)算結(jié)果(表6)表明，在各組合工況下，取水塔均不出現(xiàn)拉應(yīng)力，且最大壓應(yīng)力均小于弱風(fēng)化粉砂質(zhì)頁巖容許承載力1.0 MPa，故取水塔基底承載力滿足設(shè)計(jì)要求。由于完建未擋水工況下無揚(yáng)壓力，取水塔建基面最大壓應(yīng)力發(fā)生在完建未擋水工況時(shí)。

表6 基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

完建未擋水工況下，取水塔建基面最大壓應(yīng)力為0.93MPa，接近地基容許承載力1.0MPa。本工程設(shè)計(jì)要求對(duì)取水塔基礎(chǔ)做固結(jié)灌漿處理，可適當(dāng)提高地基承載力；另在施工過程中，對(duì)緊鄰建基面的部位嚴(yán)格要求采用預(yù)留保護(hù)層、分層爆破的開挖方法，可使開挖后的巖基質(zhì)量得到有效的保障?；谝陨峡紤]，不再對(duì)取水塔基礎(chǔ)采取其他處理措施。

3 塔身結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 計(jì)算模型簡(jiǎn)化

取水塔塔身由邊墩、胸墻及后墻組成框架結(jié)構(gòu)，自下而上6～1號(hào)胸墻順?biāo)飨虼蔚阱e(cuò)開1.6～1.55 m，因此將塔身沿高度方向自下而上分段建立模型計(jì)算內(nèi)力及配筋，各段名稱及對(duì)應(yīng)的高程范圍如表7和圖3所示。分別對(duì)每段取單寬，簡(jiǎn)化為平面剛架，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算內(nèi)力。

表7 塔身分段編號(hào)及高程范圍表

3.2 內(nèi)力及配筋計(jì)算結(jié)果

在完建未擋水工況下，對(duì)取水塔塔身的不利荷載主要為風(fēng)壓力，其作用值遠(yuǎn)小于靜水壓力；在設(shè)計(jì)洪水位、正常蓄水位、校核洪水位下，塔身邊墩、胸墻及后墻內(nèi)外的靜水壓力相互平衡；僅在檢修工況下，取水塔塔外四面臨水、塔內(nèi)無水，邊墩、胸墻及后墻均承受單側(cè)水壓力。因此，塔身內(nèi)力計(jì)算的控制工況為檢修工況。

取水塔邊墩下部在單側(cè)水壓力作用下產(chǎn)生的彎矩較大，致使配筋難以滿足要求。為避免取水塔下部結(jié)構(gòu)承受較大的不平衡水壓力，待取水塔建成后，在塔周及邊坡之間回填C15混凝土至高程380.00 m，使得塔身高程365.00～380.00 m(第①、②段)在檢修工況下僅胸墻外側(cè)作用水壓力(見圖4、圖5)。

塔身高程373.75～381.75 m段(第②、③段)剖面圖及計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖3～圖5，計(jì)算彎矩圖見圖6、圖7。①～⑦各段彎矩及配筋計(jì)算結(jié)果見表8。

圖3 塔身高程373.75～381.75 m(第②、③段)剖面圖

圖4 塔身高程373.75～380.00 m(第②段)計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖5 塔身高程380.00～381.75 m(第③段)計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖6 塔身高程373.75～380.00 m(第②段)彎矩圖

圖7 塔身高程380.00～381.75 m(第③段)彎矩圖

表8 塔身分段彎矩及配筋計(jì)算表

表8為既滿足承載能力極限狀態(tài)要求又滿足正常使用極限狀態(tài)下的裂縫寬度要求的配筋計(jì)算結(jié)果。其中，底板頂面至5號(hào)胸墻頂面高程范圍內(nèi)，第③段的配筋量大于第①段和第②段，為方便施工，第①～③段的配筋方式以第③段為準(zhǔn)。塔身分段配筋方案見表9。

表9 塔身分段配筋方案統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 語

本工程主要任務(wù)為供水、灌溉，為保證水質(zhì)、水溫，取水塔從上至下設(shè)6層閘孔，確保不同庫水位時(shí)均能取表層水。多層閘孔在順?biāo)飨虼蔚阱e(cuò)開布置，由此帶來取水塔順?biāo)飨虺叽巛^大的問題。此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致檢修工況下取水塔的下部邊墩、胸墻及后墻均承受較大的單側(cè)水壓力，給結(jié)構(gòu)配筋帶來困難。而完建未擋水工況下，取水塔基底最大壓應(yīng)力已接近地基容許承載力，若加大結(jié)構(gòu)尺寸，地基承載力可能無法滿足要求。

綜上分析，本工程采用在取水塔外兩側(cè)及靠近庫岸一側(cè)與邊坡之間填充C15混凝土至高程380.00 m的方式，通過回填混凝土的傳力實(shí)現(xiàn)取水塔與庫岸邊坡聯(lián)合受力的目的，以此回避取水塔下部結(jié)構(gòu)在檢修工況下承受較大單側(cè)水壓力的問題，以在不增大取水塔下部結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，有效減小配筋量，使取水塔穩(wěn)定分析、結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果均能滿足規(guī)范要求。此種利用邊坡與取水塔聯(lián)合受力的思路可為其他類似工程，尤其是高度較大、分層取水口較多的取水建筑物的設(shè)計(jì)提供參考。