張民仙

【摘要】黑河水利樞紐工程引水洞放水塔為高聳箱型鋼筋混凝土懸臂結(jié)構(gòu)。初設(shè)時為六層取水，施工階段根據(jù)初設(shè)報(bào)告的批復(fù)，對分層取水進(jìn)行了優(yōu)化，采用三層取水，簡化了結(jié)構(gòu)，節(jié)省了投資，但也帶來塔體穩(wěn)定性的變化。本文就優(yōu)化設(shè)計(jì)后塔體的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析評價(jià)，并在此基礎(chǔ)上提出了塔處理的措施。

【關(guān)鍵詞】黑河；引水工程；放水塔；優(yōu)化設(shè)計(jì)；安全評價(jià)

【Abstract】Heihe River diversion tunnel release was tall tower of reinforced concrete box-type cantilever structure. Initially set to six water， according to the approval of the construction phase of preliminary design report for stratified water were optimized using three water， simplifying the structure， saving investment， but also bring about changes in the stability of the tower. In this paper， optimizing the stability of the tower design were calculated after analysis and evaluation， and on the basis of the measures proposed tower process.

【Key words】Heihe；Diversion project；Put towers；Optimal design；Safety evaluation

1. 工程簡況

（1）黑河水利樞紐工程位于陜西省周至縣城南約14Km的黑河峪口處。該工程是一項(xiàng)以西安市城市供水為主，兼有灌溉、發(fā)電和防洪等綜合利用的大（Ⅱ）型水利樞紐工程。主要由粘土心墻砂礫石大壩，左岸泄洪洞，右岸溢洪洞、引水洞及壩后電站等組成。最大壩高127.5m，總庫容2.0億m3，建成后每年可向西安市提供城市用水3.05億m3，提供農(nóng)業(yè)用水1.23億m3，多年平均發(fā)電量為7308萬KW.h，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

（2）引水洞位于大壩右岸，由進(jìn)口引渠、放水塔、壓力洞、工作弧門閘室、無壓洞（含洞內(nèi)消力池）、出口明渠等部分組成，全長792.96m。

2. 問題的提出

引水洞放水塔位于大壩右岸上游，該塔為引水系統(tǒng)進(jìn)口控制建筑物，塔體為高聳箱型鋼筋混凝土懸臂結(jié)構(gòu)。初步設(shè)計(jì)時設(shè)計(jì)為六層取水，施工圖階段根據(jù)初設(shè)報(bào)告的批復(fù)精神，對分層取水進(jìn)行了進(jìn)一步的簡化和優(yōu)化，采用三層取水。主要考慮一下幾方面的因素：

（1）城市用水主要考慮水溫、濁度、浮游生物、溶解氧的分布情況希望引用易處理、濁度低、浮游生物等雜質(zhì)含量小的中層水。從目前西安市多水源引水的實(shí)際來看，黑河水庫作為主要水源地，為了保證供水質(zhì)量，減少水廠處理工作量，對其實(shí)行分層取水是很有必要的，但可考慮減少取水層數(shù)。根據(jù)水位變化情況，設(shè)三層取水，取水口的底板高程分別為571.0 m、554.0 m、514.3 m。從水庫運(yùn)行情況來看，水庫的調(diào)蓄最少一年一次，浮游生物、藻類不具備生長繁殖條件，所以采用表層、中層和深層三種分層法取水就足夠了。另一方面，從水工建筑物的結(jié)構(gòu)布置及運(yùn)行管理方面看，減少了取水層數(shù)后，省去了中墩，改善了塔內(nèi)的水流條件，減少了閘門、攔污柵及其啟閉設(shè)備，給運(yùn)行管理帶來了方便，也使塔體結(jié)構(gòu)趨于簡單化，使工程設(shè)計(jì)更加合理、經(jīng)濟(jì)。

（2）經(jīng)過優(yōu)化后的引水洞放水塔，雖然滿足了城市供水的取水要求，從節(jié)省投資，簡化結(jié)構(gòu)，便于管理等方面取得了較好的效果，但也帶來了一定的問題，主要表現(xiàn)在塔體的穩(wěn)定性安全系數(shù)由于塔體長細(xì)比的變化而減小，基礎(chǔ)承載力在有地震力荷載工況，采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算，產(chǎn)生拉應(yīng)力，且壓應(yīng)力較大不滿足要求。

3.2三維有限元計(jì)算。由于塔體為高聳的箱型懸臂結(jié)構(gòu)體型，受力狀態(tài)復(fù)雜，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，簡化了體型，難以準(zhǔn)確反映塔體的真實(shí)受力狀態(tài)，其計(jì)算結(jié)果只能近似反映塔體的受力特性。為此我們采用三維有限元法對引水洞塔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析計(jì)算，有限元計(jì)算所建立的力學(xué)模型，節(jié)點(diǎn)總數(shù)和單元總數(shù)分別為6148和4350個，能較好地模擬結(jié)構(gòu)體型、邊界條件等，從而保證了計(jì)算結(jié)果的正確性和可靠性。三維有限元計(jì)算考慮了塔基回填混凝土的嵌固作用，比較接近真實(shí)的塔體受力。計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)底面全部處于受壓狀態(tài)，無拉應(yīng)力出現(xiàn)，各種工況最大應(yīng)力差別不大，其中最大主壓應(yīng)力為1.34 MPa，最大法向壓應(yīng)力為1.98 MPa。塔頂最大（600m高程）位移2.488cm，出現(xiàn)在特殊荷載組合的工況4。

4. 加固措施

引水洞放水塔塔體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用多種方法多種運(yùn)行工況進(jìn)行了分析計(jì)算，實(shí)際施工過程中，針對計(jì)算所顯示的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行了特殊處理。主要采取了以下方法對塔基進(jìn)行了加固：

（1）塔基加深.。初步設(shè)計(jì)時設(shè)計(jì)塔基厚度為3m，本次設(shè)計(jì)加深至6 m，使塔基完全置于較堅(jiān)硬的綠泥石片巖層上。

（2）對塔基下巖石，進(jìn)行固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿的深度為10 m。以提高基礎(chǔ)的承載能力。

（3）對塔基下的F4斷層進(jìn)行了可灌性試驗(yàn)，并對其在承載前后的變形情況進(jìn)行了分析計(jì)算，確認(rèn)在塔體作用后F4變形很小。

（4）對塔前沿進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力錨桿加固處理，防止水庫蓄水后塔體前沿失穩(wěn)。

（5）540 m高程以下，塔體與進(jìn)口坡面圍巖均采用C15混凝土回填，回填混凝土與坡面巖體間進(jìn)行固結(jié)灌漿和接觸灌漿，以保證混凝土與巖體結(jié)合緊密?；靥罨炷僚c塔體間的銜接是采用在塔體540 m高程以下設(shè)鍵槽，布設(shè)接觸灌漿管。目的是通過接觸灌漿使塔體與回填混凝土協(xié)調(diào)受力，并將塔體的力有效地傳遞給回填混凝土和岸坡巖體，以使塔基受力均勻，滿足地震情況下的受力要求。

（6）塔體540 m以下回填混凝土為結(jié)構(gòu)承受動力荷載提供了有效的措施。

5. 結(jié)語

引水洞放水塔是一座規(guī)模較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的重要建筑物，是城市供水和農(nóng)田灌溉引水系統(tǒng)的控制性建筑物，其結(jié)構(gòu)的安全可靠性對工程能否正常運(yùn)行其著關(guān)鍵的作用，通過以上分析計(jì)算和采取的加固處理措施，完全能夠使塔體安全運(yùn)行。

[文章編號]1619-2737（2014）03-27-132

【摘要】黑河水利樞紐工程引水洞放水塔為高聳箱型鋼筋混凝土懸臂結(jié)構(gòu)。初設(shè)時為六層取水，施工階段根據(jù)初設(shè)報(bào)告的批復(fù)，對分層取水進(jìn)行了優(yōu)化，采用三層取水，簡化了結(jié)構(gòu)，節(jié)省了投資，但也帶來塔體穩(wěn)定性的變化。本文就優(yōu)化設(shè)計(jì)后塔體的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析評價(jià)，并在此基礎(chǔ)上提出了塔處理的措施。

【關(guān)鍵詞】黑河；引水工程；放水塔；優(yōu)化設(shè)計(jì)；安全評價(jià)

【Abstract】Heihe River diversion tunnel release was tall tower of reinforced concrete box-type cantilever structure. Initially set to six water， according to the approval of the construction phase of preliminary design report for stratified water were optimized using three water， simplifying the structure， saving investment， but also bring about changes in the stability of the tower. In this paper， optimizing the stability of the tower design were calculated after analysis and evaluation， and on the basis of the measures proposed tower process.

【Key words】Heihe；Diversion project；Put towers；Optimal design；Safety evaluation

1. 工程簡況

（1）黑河水利樞紐工程位于陜西省周至縣城南約14Km的黑河峪口處。該工程是一項(xiàng)以西安市城市供水為主，兼有灌溉、發(fā)電和防洪等綜合利用的大（Ⅱ）型水利樞紐工程。主要由粘土心墻砂礫石大壩，左岸泄洪洞，右岸溢洪洞、引水洞及壩后電站等組成。最大壩高127.5m，總庫容2.0億m3，建成后每年可向西安市提供城市用水3.05億m3，提供農(nóng)業(yè)用水1.23億m3，多年平均發(fā)電量為7308萬KW.h，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

（2）引水洞位于大壩右岸，由進(jìn)口引渠、放水塔、壓力洞、工作弧門閘室、無壓洞（含洞內(nèi)消力池）、出口明渠等部分組成，全長792.96m。

2. 問題的提出

引水洞放水塔位于大壩右岸上游，該塔為引水系統(tǒng)進(jìn)口控制建筑物，塔體為高聳箱型鋼筋混凝土懸臂結(jié)構(gòu)。初步設(shè)計(jì)時設(shè)計(jì)為六層取水，施工圖階段根據(jù)初設(shè)報(bào)告的批復(fù)精神，對分層取水進(jìn)行了進(jìn)一步的簡化和優(yōu)化，采用三層取水。主要考慮一下幾方面的因素：

（1）城市用水主要考慮水溫、濁度、浮游生物、溶解氧的分布情況希望引用易處理、濁度低、浮游生物等雜質(zhì)含量小的中層水。從目前西安市多水源引水的實(shí)際來看，黑河水庫作為主要水源地，為了保證供水質(zhì)量，減少水廠處理工作量，對其實(shí)行分層取水是很有必要的，但可考慮減少取水層數(shù)。根據(jù)水位變化情況，設(shè)三層取水，取水口的底板高程分別為571.0 m、554.0 m、514.3 m。從水庫運(yùn)行情況來看，水庫的調(diào)蓄最少一年一次，浮游生物、藻類不具備生長繁殖條件，所以采用表層、中層和深層三種分層法取水就足夠了。另一方面，從水工建筑物的結(jié)構(gòu)布置及運(yùn)行管理方面看，減少了取水層數(shù)后，省去了中墩，改善了塔內(nèi)的水流條件，減少了閘門、攔污柵及其啟閉設(shè)備，給運(yùn)行管理帶來了方便，也使塔體結(jié)構(gòu)趨于簡單化，使工程設(shè)計(jì)更加合理、經(jīng)濟(jì)。

（2）經(jīng)過優(yōu)化后的引水洞放水塔，雖然滿足了城市供水的取水要求，從節(jié)省投資，簡化結(jié)構(gòu)，便于管理等方面取得了較好的效果，但也帶來了一定的問題，主要表現(xiàn)在塔體的穩(wěn)定性安全系數(shù)由于塔體長細(xì)比的變化而減小，基礎(chǔ)承載力在有地震力荷載工況，采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算，產(chǎn)生拉應(yīng)力，且壓應(yīng)力較大不滿足要求。

3.2三維有限元計(jì)算。由于塔體為高聳的箱型懸臂結(jié)構(gòu)體型，受力狀態(tài)復(fù)雜，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，簡化了體型，難以準(zhǔn)確反映塔體的真實(shí)受力狀態(tài)，其計(jì)算結(jié)果只能近似反映塔體的受力特性。為此我們采用三維有限元法對引水洞塔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析計(jì)算，有限元計(jì)算所建立的力學(xué)模型，節(jié)點(diǎn)總數(shù)和單元總數(shù)分別為6148和4350個，能較好地模擬結(jié)構(gòu)體型、邊界條件等，從而保證了計(jì)算結(jié)果的正確性和可靠性。三維有限元計(jì)算考慮了塔基回填混凝土的嵌固作用，比較接近真實(shí)的塔體受力。計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)底面全部處于受壓狀態(tài)，無拉應(yīng)力出現(xiàn)，各種工況最大應(yīng)力差別不大，其中最大主壓應(yīng)力為1.34 MPa，最大法向壓應(yīng)力為1.98 MPa。塔頂最大（600m高程）位移2.488cm，出現(xiàn)在特殊荷載組合的工況4。

4. 加固措施

引水洞放水塔塔體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用多種方法多種運(yùn)行工況進(jìn)行了分析計(jì)算，實(shí)際施工過程中，針對計(jì)算所顯示的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行了特殊處理。主要采取了以下方法對塔基進(jìn)行了加固：

（1）塔基加深.。初步設(shè)計(jì)時設(shè)計(jì)塔基厚度為3m，本次設(shè)計(jì)加深至6 m，使塔基完全置于較堅(jiān)硬的綠泥石片巖層上。

（2）對塔基下巖石，進(jìn)行固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿的深度為10 m。以提高基礎(chǔ)的承載能力。

（3）對塔基下的F4斷層進(jìn)行了可灌性試驗(yàn)，并對其在承載前后的變形情況進(jìn)行了分析計(jì)算，確認(rèn)在塔體作用后F4變形很小。

（4）對塔前沿進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力錨桿加固處理，防止水庫蓄水后塔體前沿失穩(wěn)。

（5）540 m高程以下，塔體與進(jìn)口坡面圍巖均采用C15混凝土回填，回填混凝土與坡面巖體間進(jìn)行固結(jié)灌漿和接觸灌漿，以保證混凝土與巖體結(jié)合緊密?；靥罨炷僚c塔體間的銜接是采用在塔體540 m高程以下設(shè)鍵槽，布設(shè)接觸灌漿管。目的是通過接觸灌漿使塔體與回填混凝土協(xié)調(diào)受力，并將塔體的力有效地傳遞給回填混凝土和岸坡巖體，以使塔基受力均勻，滿足地震情況下的受力要求。

（6）塔體540 m以下回填混凝土為結(jié)構(gòu)承受動力荷載提供了有效的措施。

5. 結(jié)語

引水洞放水塔是一座規(guī)模較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的重要建筑物，是城市供水和農(nóng)田灌溉引水系統(tǒng)的控制性建筑物，其結(jié)構(gòu)的安全可靠性對工程能否正常運(yùn)行其著關(guān)鍵的作用，通過以上分析計(jì)算和采取的加固處理措施，完全能夠使塔體安全運(yùn)行。

[文章編號]1619-2737（2014）03-27-132

【摘要】黑河水利樞紐工程引水洞放水塔為高聳箱型鋼筋混凝土懸臂結(jié)構(gòu)。初設(shè)時為六層取水，施工階段根據(jù)初設(shè)報(bào)告的批復(fù)，對分層取水進(jìn)行了優(yōu)化，采用三層取水，簡化了結(jié)構(gòu)，節(jié)省了投資，但也帶來塔體穩(wěn)定性的變化。本文就優(yōu)化設(shè)計(jì)后塔體的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析評價(jià)，并在此基礎(chǔ)上提出了塔處理的措施。

【關(guān)鍵詞】黑河；引水工程；放水塔；優(yōu)化設(shè)計(jì)；安全評價(jià)

【Abstract】Heihe River diversion tunnel release was tall tower of reinforced concrete box-type cantilever structure. Initially set to six water， according to the approval of the construction phase of preliminary design report for stratified water were optimized using three water， simplifying the structure， saving investment， but also bring about changes in the stability of the tower. In this paper， optimizing the stability of the tower design were calculated after analysis and evaluation， and on the basis of the measures proposed tower process.

【Key words】Heihe；Diversion project；Put towers；Optimal design；Safety evaluation

1. 工程簡況

（1）黑河水利樞紐工程位于陜西省周至縣城南約14Km的黑河峪口處。該工程是一項(xiàng)以西安市城市供水為主，兼有灌溉、發(fā)電和防洪等綜合利用的大（Ⅱ）型水利樞紐工程。主要由粘土心墻砂礫石大壩，左岸泄洪洞，右岸溢洪洞、引水洞及壩后電站等組成。最大壩高127.5m，總庫容2.0億m3，建成后每年可向西安市提供城市用水3.05億m3，提供農(nóng)業(yè)用水1.23億m3，多年平均發(fā)電量為7308萬KW.h，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

（2）引水洞位于大壩右岸，由進(jìn)口引渠、放水塔、壓力洞、工作弧門閘室、無壓洞（含洞內(nèi)消力池）、出口明渠等部分組成，全長792.96m。

2. 問題的提出

引水洞放水塔位于大壩右岸上游，該塔為引水系統(tǒng)進(jìn)口控制建筑物，塔體為高聳箱型鋼筋混凝土懸臂結(jié)構(gòu)。初步設(shè)計(jì)時設(shè)計(jì)為六層取水，施工圖階段根據(jù)初設(shè)報(bào)告的批復(fù)精神，對分層取水進(jìn)行了進(jìn)一步的簡化和優(yōu)化，采用三層取水。主要考慮一下幾方面的因素：

（1）城市用水主要考慮水溫、濁度、浮游生物、溶解氧的分布情況希望引用易處理、濁度低、浮游生物等雜質(zhì)含量小的中層水。從目前西安市多水源引水的實(shí)際來看，黑河水庫作為主要水源地，為了保證供水質(zhì)量，減少水廠處理工作量，對其實(shí)行分層取水是很有必要的，但可考慮減少取水層數(shù)。根據(jù)水位變化情況，設(shè)三層取水，取水口的底板高程分別為571.0 m、554.0 m、514.3 m。從水庫運(yùn)行情況來看，水庫的調(diào)蓄最少一年一次，浮游生物、藻類不具備生長繁殖條件，所以采用表層、中層和深層三種分層法取水就足夠了。另一方面，從水工建筑物的結(jié)構(gòu)布置及運(yùn)行管理方面看，減少了取水層數(shù)后，省去了中墩，改善了塔內(nèi)的水流條件，減少了閘門、攔污柵及其啟閉設(shè)備，給運(yùn)行管理帶來了方便，也使塔體結(jié)構(gòu)趨于簡單化，使工程設(shè)計(jì)更加合理、經(jīng)濟(jì)。

（2）經(jīng)過優(yōu)化后的引水洞放水塔，雖然滿足了城市供水的取水要求，從節(jié)省投資，簡化結(jié)構(gòu)，便于管理等方面取得了較好的效果，但也帶來了一定的問題，主要表現(xiàn)在塔體的穩(wěn)定性安全系數(shù)由于塔體長細(xì)比的變化而減小，基礎(chǔ)承載力在有地震力荷載工況，采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算，產(chǎn)生拉應(yīng)力，且壓應(yīng)力較大不滿足要求。

3.2三維有限元計(jì)算。由于塔體為高聳的箱型懸臂結(jié)構(gòu)體型，受力狀態(tài)復(fù)雜，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，簡化了體型，難以準(zhǔn)確反映塔體的真實(shí)受力狀態(tài)，其計(jì)算結(jié)果只能近似反映塔體的受力特性。為此我們采用三維有限元法對引水洞塔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析計(jì)算，有限元計(jì)算所建立的力學(xué)模型，節(jié)點(diǎn)總數(shù)和單元總數(shù)分別為6148和4350個，能較好地模擬結(jié)構(gòu)體型、邊界條件等，從而保證了計(jì)算結(jié)果的正確性和可靠性。三維有限元計(jì)算考慮了塔基回填混凝土的嵌固作用，比較接近真實(shí)的塔體受力。計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)底面全部處于受壓狀態(tài)，無拉應(yīng)力出現(xiàn)，各種工況最大應(yīng)力差別不大，其中最大主壓應(yīng)力為1.34 MPa，最大法向壓應(yīng)力為1.98 MPa。塔頂最大（600m高程）位移2.488cm，出現(xiàn)在特殊荷載組合的工況4。

4. 加固措施

引水洞放水塔塔體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用多種方法多種運(yùn)行工況進(jìn)行了分析計(jì)算，實(shí)際施工過程中，針對計(jì)算所顯示的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行了特殊處理。主要采取了以下方法對塔基進(jìn)行了加固：

（1）塔基加深.。初步設(shè)計(jì)時設(shè)計(jì)塔基厚度為3m，本次設(shè)計(jì)加深至6 m，使塔基完全置于較堅(jiān)硬的綠泥石片巖層上。

（2）對塔基下巖石，進(jìn)行固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿的深度為10 m。以提高基礎(chǔ)的承載能力。

（3）對塔基下的F4斷層進(jìn)行了可灌性試驗(yàn)，并對其在承載前后的變形情況進(jìn)行了分析計(jì)算，確認(rèn)在塔體作用后F4變形很小。

（4）對塔前沿進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力錨桿加固處理，防止水庫蓄水后塔體前沿失穩(wěn)。

（5）540 m高程以下，塔體與進(jìn)口坡面圍巖均采用C15混凝土回填，回填混凝土與坡面巖體間進(jìn)行固結(jié)灌漿和接觸灌漿，以保證混凝土與巖體結(jié)合緊密?；靥罨炷僚c塔體間的銜接是采用在塔體540 m高程以下設(shè)鍵槽，布設(shè)接觸灌漿管。目的是通過接觸灌漿使塔體與回填混凝土協(xié)調(diào)受力，并將塔體的力有效地傳遞給回填混凝土和岸坡巖體，以使塔基受力均勻，滿足地震情況下的受力要求。

（6）塔體540 m以下回填混凝土為結(jié)構(gòu)承受動力荷載提供了有效的措施。

5. 結(jié)語

引水洞放水塔是一座規(guī)模較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的重要建筑物，是城市供水和農(nóng)田灌溉引水系統(tǒng)的控制性建筑物，其結(jié)構(gòu)的安全可靠性對工程能否正常運(yùn)行其著關(guān)鍵的作用，通過以上分析計(jì)算和采取的加固處理措施，完全能夠使塔體安全運(yùn)行。

[文章編號]1619-2737（2014）03-27-132