王 雅
(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,山西 太原 032400)
左權(quán)縣石匣水庫(kù)位于海河流域南運(yùn)河水系清漳西源中游,地處左權(quán)縣城西北約9 km 的石匣村北。是一座以防洪為主兼顧農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)供水、發(fā)電的中型水庫(kù)。樞紐工程包括:主壩、副壩、溢洪道、輸水洞、導(dǎo)流洞和電站。
石匣水庫(kù)是清漳河主流上一座控制性骨干工程,壩址以上控制流域面積754 km2。其中:黃土丘陵區(qū)142.74 km2,土石山區(qū)14.38 km2,石山區(qū)596.88 km2。流域平均寬13.46 km,流域長(zhǎng)度56.85 km??値?kù)容5 099.46 萬m3,其中死庫(kù)容571.14 萬m3,興利庫(kù)容1 208.86 萬m3,調(diào)洪庫(kù)容3 319.46 萬m3。
有壓箱涵后接進(jìn)水塔,進(jìn)水塔采用矩形塔式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),順?biāo)鞣较虻装彘L(zhǎng)18 m,垂直水流方向底板寬6.6 m,塔底板高程1 128.0 m,塔頂(檢修平臺(tái))高程為1 155.50 m,塔高29.0 m。塔身高程1 138.0 m以下及底板均采用C35 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);塔身高程1 138.00 m 以上部分均為C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),塔壁最小厚度0.8 m、底板厚度1.5 m。塔內(nèi)上下交通采用懸臂式踏步樓梯,寬度900 mm。
進(jìn)水塔上游接有壓箱涵,下游接無壓洞。塔內(nèi)從上游至下游依次布設(shè)平板事故檢修鋼閘門和弧形工作鋼閘門,其中事故檢修閘門孔口尺寸為4.0 m×4.4 m(寬×高),工作閘門孔口尺寸為4.0 m×3.5 m(寬×高),底高程為1 128.0 m。檢修門上游為矩形進(jìn)水口,檢修門與工作門之間設(shè)置長(zhǎng)3.6 m 的有壓短洞,洞頂壓板坡度為1∶4。
檢修門前進(jìn)水塔上游側(cè)壁厚1.0 m,兩閘門間中隔墻厚1.5 m,工作閘門后進(jìn)水塔下游側(cè)壁厚1.2 m;閘門兩側(cè)塔壁混凝土最薄處(門槽部位)厚0.70 m,最厚處1.0 m。進(jìn)水塔中隔墻內(nèi)埋設(shè)兩孔φ400 mm 的通氣孔。
進(jìn)水塔檢修平臺(tái)高程1 155.50 m,與上壩路前平臺(tái)高程齊平,塔身外邊緣懸挑出1.2 m 寬走道板,檢修平臺(tái)尺寸為11.9×9.0 m(長(zhǎng)×寬)。檢修平臺(tái)下游側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土牛腿,牛腿長(zhǎng)4.0 m,寬0.7 m,其上放置橋面板,將進(jìn)水塔與上壩公路相連接。
檢修平臺(tái)上為C25 鋼筋混凝土排架,共3 榀,檢修平臺(tái)和啟閉平臺(tái)之間為鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu),根據(jù)閘門檢修凈空要求,排架高10.0 m。立柱截面尺寸800 mm×800 mm;橫梁截面尺寸為800 mm×1 000 mm。
啟閉機(jī)房位于鋼筋混凝土排架頂,啟閉機(jī)平臺(tái)高程為1 165.50 m,啟閉機(jī)房平面尺寸為9.5 m×6.6 m(長(zhǎng)×寬),高4.0 m,建筑面積為62.7 m2,為磚混結(jié)構(gòu)。啟閉機(jī)房墻體采用自重較輕的混凝土空心砌塊,啟閉機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)QPQ-800kN 固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)兩臺(tái),分別用于事故檢修門、工作閘門的啟閉及檢修起吊。檢修平臺(tái)與啟閉機(jī)平臺(tái)之間采用鋼梯連接上下交通;啟閉機(jī)房頂至啟閉機(jī)平臺(tái)間設(shè)爬梯,以便人員進(jìn)行房頂結(jié)構(gòu)的維修。
進(jìn)水塔交通橋采用C30 裝配式先張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板梁(荷載為公路-Ⅱ級(jí),跨徑16 m,1.25 m 板寬),單跨長(zhǎng)16 m,共2 跨,總長(zhǎng)32 m,橋面寬3.5 m,上下游兩側(cè)設(shè)置橋欄桿,共兩跨,單跨長(zhǎng)度10.0 m,橋面鋪裝由下到上分別為100 mm 厚C40 混凝土現(xiàn)澆層、防水層和80 mm 厚瀝青混凝土橋面鋪裝。交通橋排架為C25 鋼筋混凝土,排架高10.0 m,岸邊采用C25 鋼筋混凝土橋臺(tái),橋臺(tái)高2.00 m,長(zhǎng)4.5 m,其下設(shè)100 mm 厚C15 混凝土墊層,橋臺(tái)后原土回填至1 155.5 m 高程,其后開挖寬度為6.0 m 回車場(chǎng),并修建道路與上壩路連通,長(zhǎng)度40 m,路寬3.5 m。
根據(jù)地質(zhì)資料,進(jìn)水塔持力層為二疊系上統(tǒng)石千峰組P2sh-2 巖組砂巖,巖性較堅(jiān)硬,巖體基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅳ級(jí),基本能滿足基礎(chǔ)要求,巖體承載力標(biāo)準(zhǔn)值為800~1 000 kPa,經(jīng)進(jìn)水塔穩(wěn)定計(jì)算,為了使地基應(yīng)力均勻,進(jìn)水塔基巖面以下塔身及底板基巖均設(shè)置錨桿,錨桿長(zhǎng)3.0 m,間排距2.0 m,梅花型布置,基巖面以下塔身一次支護(hù)采用掛鋼筋網(wǎng)和噴120 mm 厚C20混凝土組合式結(jié)構(gòu),鋼筋網(wǎng)采用Ⅰ級(jí)鋼筋,直徑為Φ8,網(wǎng)格間距為150 mm。進(jìn)水塔交通橋墩排架柱基礎(chǔ)位于低液限黏土層,為減小基地應(yīng)力及橋身沉降量,排架采用擴(kuò)大基礎(chǔ)4.7 m×3.0 m(長(zhǎng)×寬)。
根據(jù)《水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定,進(jìn)水塔穩(wěn)定計(jì)算包括抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定、抗浮穩(wěn)定及基底應(yīng)力驗(yàn)算。
作用于進(jìn)水塔上的荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力、風(fēng)壓力等。因本地區(qū)地震裂度為6 度,計(jì)算不考慮地震力。
揚(yáng)壓力根據(jù)地勘資料常年地下水位1 135.0 m 計(jì)算。
荷載組合分為基本荷載及特殊荷載組合兩類。前者取正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位工況下放水和防洪高水位擋水的組合;后者取施工完建期、(正常蓄水位)檢修期、校核洪水位情況泄水的組合。荷載組合見表1。
表1 荷載組合表
3.1.1 整體穩(wěn)定安全標(biāo)準(zhǔn)
泄洪洞進(jìn)水口按3 級(jí)建筑物設(shè)計(jì),進(jìn)水口建筑物座落在土基上,按照《水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL285-2003) 的規(guī)定,應(yīng)參照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265—2001)采用。穩(wěn)定安全系數(shù)允許值:基本組合時(shí)抗滑穩(wěn)定允許值3.0,抗傾覆穩(wěn)定允許值1.3;特殊組合時(shí)抗滑穩(wěn)定允許值2.5,抗傾覆穩(wěn)定允許值1.15;
3.1.2 抗滑移穩(wěn)定計(jì)算
抗滑穩(wěn)定計(jì)算按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2001)中的公式:
式中:Kc——沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);
f′——閘室基底面與地基之間的抗剪斷摩擦系數(shù),取0.7;
c′——閘室基底面與巖石地基之間的抗剪斷粘結(jié)力,kPa,取0.3;
∑G——作用在閘室上的全部豎向荷載(包括揚(yáng)壓力),kN;
∑H——作用在閘室上的全部水平向荷載,kN。
考慮施工完建期不存在抗滑穩(wěn)定問題,故只對(duì)其他工況進(jìn)行計(jì)算:
不同荷載組合下順?biāo)鞣较蛴?jì)算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)如下:
基本組合:正常蓄水位計(jì)算值11.5,防洪高水位計(jì)算值9.3,設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算值11.5,均大于允許值3.0;特殊組合:施工完建期計(jì)算值8.1,檢修期計(jì)算值11.1,校核洪水位計(jì)算值5.3,均大于允許值2.5。
不同荷載組合下垂直流方向計(jì)算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)如下:
基本組合:正常蓄水位計(jì)算值18.4,防洪高水位計(jì)算值80.4,設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算值80.5,均大于允許值3.0;特殊組合:施工完建期計(jì)算值56.2,檢修期計(jì)算值75.0,校核洪水位計(jì)算值106.8,均大于允許值2.5。
由以上計(jì)算結(jié)果可知,各種工況下,在天然地基條件下進(jìn)水塔抗滑穩(wěn)定均滿足要求。
3.1.3 抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算
抗傾安全系數(shù)為所有荷載對(duì)進(jìn)水塔底板下游邊線的抗傾力矩和傾覆力矩之比。計(jì)算公式如下:
式中:K0——抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù);
∑Ms——建基面上穩(wěn)定力矩總和,kN·m;
∑M0——建基面上傾覆力矩總和,kN·m;
不同荷載組合下順?biāo)鞣较蚩箖A覆計(jì)算安全系數(shù)如下:
基本組合:防洪高水位計(jì)算值5.32,設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算值5.33,均大于允許值1.3;特殊組合:施工完建期計(jì)算值7.21,檢修期計(jì)算值4.70,校核洪水位計(jì)算值5.4,均大于允許值1.15。
不同荷載組合下垂直水流方向抗傾覆計(jì)算安全系數(shù)如下:
基本組合:防洪高水位計(jì)算值4.37,設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算值4.32,均大于允許值1.3;特殊組合:施工完建期計(jì)算值3.14,檢修期計(jì)算值4.44,校核洪水位計(jì)算值4.42,均大于允許值1.15。
由以上計(jì)算結(jié)果可知,進(jìn)水塔抗傾覆穩(wěn)定滿足要求。
3.1.4 抗浮穩(wěn)定計(jì)算
抗浮穩(wěn)定計(jì)算計(jì)算公式如下:
式中:Kf——抗浮安全系數(shù);
∑V——建基面上垂直總和,kN;
∑U——建基面上揚(yáng)壓力總和,kN;
不同荷載組合計(jì)算安全系數(shù)如下:
基本組合:防洪高水位計(jì)算值4.85,設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算值4.86,均大于允許值1.1;特殊組合:檢修期計(jì)算值4.60,校核洪水位計(jì)算值4.87,均大于允許值1.05。
由以上計(jì)算結(jié)果可知,進(jìn)水塔滿足抗浮穩(wěn)定要求。
3.1.5 基底應(yīng)力計(jì)算
基底應(yīng)力計(jì)算采用公式如下:
式中:∑G──作用在進(jìn)水塔上的全部豎向荷載,kN;
A──進(jìn)水塔基底面的面積;
∑Mx、∑My——作用在進(jìn)水塔上的全部豎向和水平向荷載對(duì)于基礎(chǔ)底面形心軸x、y 的力矩,k N·m;
Wy、Wy──進(jìn)水塔基底面對(duì)于該底面形心軸x、y 的截面矩,m3。
不同荷載組合下荷載作用在進(jìn)水塔身時(shí)最不利情況下基底應(yīng)力計(jì)算成果見下表2。
表2 進(jìn)水塔基底應(yīng)力計(jì)算成果表 單位:kPa
計(jì)算得基底最大應(yīng)力為623 kPa,小于地基承載力800~1 000 kPa,最小應(yīng)力為70 kPa,無拉應(yīng)力出現(xiàn),滿足要求。
根據(jù)地質(zhì)條件,擬定進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)尺寸,經(jīng)計(jì)算,進(jìn)水塔的整體穩(wěn)定、抗滑移穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定、抗浮穩(wěn)定、基底應(yīng)力均滿足規(guī)范要求,從而確定進(jìn)水塔的結(jié)構(gòu)尺寸滿足要求。