姚富強(qiáng)

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程布置

大紅溝水庫特征水位校核洪水位以下庫容為557萬m3，工程等別為Ⅳ等，建筑物的級(jí)別為4 級(jí)。校核洪水位1 021.41 m、設(shè)計(jì)洪水位1 020.30 m、正常蓄水位1 020.90 m、汛限水位1 019.50 m、死水位1 003.50 m。

進(jìn)水塔的右邊設(shè)置一泄洪洞進(jìn)水口，其底板高程為994.00 m，左邊設(shè)置一供水管線進(jìn)水口，其底高程為1 002.0 m，供水管埋設(shè)在塔身混凝土內(nèi)。進(jìn)水塔混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，平面尺寸為13.14 m×7.95 m×28.1 m（長×寬×高），近水側(cè)混凝土厚度為1.0 m，遠(yuǎn)水側(cè)混凝土厚度為1.2 m，泄洪洞與供水管線中間的混凝土厚度為1.75 m。

泄洪洞的進(jìn)口從上游至下游布有長2.54 m 的喇叭型進(jìn)水口、1.5 m×2.3 m（寬×高）的檢修閘門、1.5 m×1.8 m（寬×高）的工作閘門；供水管線進(jìn)口從上游至下游布有攔污柵、長2.62 m 喇叭型進(jìn)水口、1.0 m×1.0 m（寬×高）工作閘門、DN300 塔身埋管。

高程1 022.10 m 處為進(jìn)水塔的檢修平臺(tái)，塔身外邊源設(shè)置1.2 m 的寬走道板，檢修平臺(tái)尺寸為8.74 m×7.95 m（長×寬）。檢修平臺(tái)下游側(cè)布有2.6 m×0.6 m（長×寬）鋼筋混凝土牛腿，其上放置預(yù)制C25 鋼筋混凝土T梁橋，進(jìn)水塔通過交通橋與壩頂相連。

檢修平臺(tái)上為C25 鋼筋混凝土排架，共3 榀，一榀兩跨，左跨用于供水管線工作閘門的啟閉設(shè)備布設(shè)與受力。右跨用于泄洪洞的檢修閘門和工作閘門的啟閉設(shè)備布設(shè)與受力。排架的高度為6.2 m，立柱尺寸600 mm×800 mm，橫梁尺寸600 mm×1 000 mm。

排架上部為啟閉機(jī)房，高程為1 028.30 m，平面尺寸同檢修平臺(tái)，高度為4.1 m，房內(nèi)設(shè)有3 臺(tái)固定式卷揚(yáng)啟閉機(jī)，用于檢修閘門和工作閘門的啟閉及檢修。

2 進(jìn)水塔穩(wěn)定計(jì)算

2.1 穩(wěn)定計(jì)算

作用在進(jìn)水塔的荷載分為基本組合和特殊組合，荷載組合見表1。

表1 荷載組合表

1）整體穩(wěn)定安全標(biāo)準(zhǔn)

穩(wěn)定安全標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 穩(wěn)定安全允許值

2）抗滑穩(wěn)定計(jì)算

式中 Kc——安全系數(shù)；

f——摩擦系數(shù)，取值0.30；

∑G——豎向全部荷載總和（kN）；

∑H——水平向全部荷載總和（kN）。

計(jì)算的安全系數(shù)見表3，由表3 可知，兩組合工況下進(jìn)水塔均能滿足抗滑穩(wěn)定要求。

表3 安全系數(shù)表

3）抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算

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）。

計(jì)算的安全系數(shù)見表4，由表4 可知，兩組合工況下進(jìn)水塔均能滿足抗傾覆穩(wěn)定要求。

表4 安全系數(shù)表

4）基底應(yīng)力計(jì)算

式中 ∑G——豎向全部荷載（kN）；

A——基底面積（m2）；

∑Mx——全部荷載對形心軸x 的力矩（kN/m）；

∑My——全部荷載對形心軸y 的力矩（kN/m）；

Wx——對底面形心軸x 的截面矩（m3）；

Wy——對底面形心軸y 的截面矩（m3）。

計(jì)算成果見表5。

表5 應(yīng)力成果表 kPa

由地質(zhì)資料可知，地基允許承載力為120～150 kPa，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)基本組合完建期工況下和特殊組合正常蓄水位遭遇地震工況下，進(jìn)水塔最大基底應(yīng)力比地基允許承載力的1.2 倍還大，平均應(yīng)力也比地基允許承載力大，因此地基需要處理。

2.2 地基處理

進(jìn)水塔地基為N2低液限粘土，本次設(shè)計(jì)采用C30混凝土灌注樁來提高地基承載力，初擬16 根樁徑1.0 m，樁長18.0 m，中心距3.0 m 的灌注樁。

1）計(jì)算工況

工況①：施工完建期；

工況②：正常蓄水位+地震。

2）計(jì)算應(yīng)符合下列要求

荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合：

地震工況荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合：

式中 Nk——荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下樁基平均豎向力（kN）；

Nkmax——荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下樁頂最大豎向力（kN）；

NEk——地震工況荷載效應(yīng)組合下樁基平均豎向力（kN）；

NEkmax——地震工況荷載效應(yīng)組合下樁頂最大豎向力（kN）；

Ra——樁基豎向承載力特征值。

3）計(jì)算承載力特征值

式中 Quk——極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；

K——安全系數(shù)，取K＝2。

4）計(jì)算極限承載力

大紅溝水庫泄洪洞進(jìn)水塔底板下灌注樁為摩擦型灌注樁，不考慮端阻力。因?yàn)闆]有實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，本文采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)方法計(jì)算單樁豎向的極限承載力值。

式中 qsik——第i 層土的側(cè)阻力值（kPa）；

qpk——極限端阻力值（kPa）；

u——樁身周長（m）；

li——樁周第i 層土的厚度（m）；

Ap——樁端面積（m2）；

ψsi——側(cè)阻尺寸效應(yīng)系數(shù)；

ψp——端阻尺寸效應(yīng)系數(shù)。

計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 計(jì)算極限承載力值

由表7 得出選擇16 根直徑為1.0 m，長度為18.0 m 的C30 混凝土灌注樁能夠滿足樁身豎向承載力的要求。

表7 復(fù)核表

3 結(jié) 論

經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)進(jìn)水塔在基本組合和特殊組合兩種工況下抗滑和抗傾覆穩(wěn)定均能滿足規(guī)范要求，但基底應(yīng)力在施工完建期和正常蓄水位遇地震兩種工況下存在問題不能滿足規(guī)范要求，地基需要處理。本文選擇灌注樁進(jìn)行地基處理，經(jīng)計(jì)算選擇16 根直徑為1.0 m，長度為18.0 m，中心距為3.0 m 的C30 混凝土灌注樁能夠滿足豎向承載力的要求，解決了基底應(yīng)力問題。本文研究成果為大壩進(jìn)水塔的設(shè)計(jì)提供理論支持，也為大壩的安全運(yùn)行提供技術(shù)支撐，類似工程可以借鑒。