河口村水庫1#聯合進口塔架整體穩定性分析

□ 杜全勝 □陳 娜（黃河勘測規劃設計有限公司）

1 工程布置

河口村水庫是一座以防洪、供水為主，兼顧灌溉、發電、改善河道基流等綜合利用的大（2）型水利樞紐工程。泄洪洞及發電洞進口建筑物按2級設計。1#泄洪洞兼用施工導流、泄洪排沙及保證發電洞進口“門前清”的運用要求，經綜合比選，最終確定把1#泄洪洞進口與發電洞進口放在一起組成聯合進口的布置方案（以下簡稱1#聯合進口塔架）。1#聯合進口塔架基礎呈“L型”，順水流向最大長度為49.00m，最大寬度為33.00m，塔基基巖高程191.00～186.09m，塔頂高程291.00m，塔體最大高度為104.913m，泄洪洞側塔體后部有13.85m伸入巖體。塔體兩側及塔后回填混凝土，與周邊山體相靠。其體型見圖1。進口塔架作為泄洪洞和發電洞的進口控制工程，其整體穩定安全尤為重要。

圖1 1#聯合進口塔架體型簡圖

2 基本資料

2.1 庫水位

河口村水庫特征水位為：死水位225.00m；正常蓄水位275.00m；校核洪水位285.43m；設計洪水位285.43m；檢修水位275.00m。

2.2 地質條件

1#聯合進口塔架基礎坐落在中元古界汝陽群石英礫巖及太古界登封群花崗片麻巖巖體上，塔基巖體屬堅硬巖，耐風化性強，但受岸坡卸荷及構造作用影響巖體中高角度節理裂隙較發育，按壩基巖體分類可劃分為

2.3 計算參數

為方便整體穩定計算，未考慮泥沙壓力的作用，用渾水容重代替。

非汛期水容重10.00 kN/m3；

汛期、設計洪水以及校核洪水渾水容重10.30 kN/m3；

混凝土容重25.00 kN/m3；

花崗片麻巖基礎承載力[R]＝4000 kN/m3；

基礎抗剪斷強度指標：摩擦系數f′＝0.70，粘結力C′＝550 kN/m3；

基本風壓0.42 kN/m2；

地震設計烈度為7度，按地震動峰值加速度1.22×10-1 g進行地震荷載計算。

3 計算理論和方法

1#聯合進口塔架整體穩定計算采用擬靜力法和反應譜法有限元動力分析。側重介紹擬靜力法，并將有限元計算成果加以簡述。

擬靜力法穩定計算的內容包括：塔基基底應力；塔體沿基礎面的抗滑安全系數；塔體的抗傾覆安全系數；塔體的抗浮安全系數。

計算時，按剛體極限平衡理論進行，且不考慮周邊巖體的抗力。

1#聯合進口塔架滑動面假定為191.00m高程，基礎面為“L型”，擬靜力法塔基應力按規范給定公式進行，如下：

式中：ΣMx、ΣMy定義為建基面上垂直力對形心軸X、Y軸的力矩總和；考慮到塔體實際受力情況，不能忽略水平向荷載對基底應力的影響，因此ΣMx、ΣMy應為作用在塔架上的全部豎向和水平荷載對于基礎底面垂直水流方向的形心軸的力矩總和，這一點在工程經常用到，值得探討。

4 計算工況

河口村水庫在確定開發任務的時候，充分考慮到與黃河干流小浪底水庫、支流陸渾水庫及故縣水庫聯調，完善黃河中下游防洪減淤體系，確保黃河下游防御花園口洪峰流量22000m3/s堤防不決口。鑒于以上防洪的特殊要求，河口村水庫留有2.00×108m3以上的調洪庫容，因此，河口村水庫具有設計水位285.43m滯洪的工況。

1#聯合進口塔架穩定計算工況見表1。

表1 1#聯合進口塔架整體穩定計算工況描述表

特殊組合檢修工況的定義：河口村水庫有檢修時間，所以水庫未專門設置檢修水位，為工程安全計，檢修工況對應的水位按正常蓄水位275.00m計。

5 荷載計算及荷載組合

作用在塔體上的荷載有靜荷載和動荷載。靜荷載主要有塔體自重、設備重、塔體內部水重、塔后巖體重、揚壓力及靜水壓力；動荷載有塔體地震慣性力、地震動水壓力、浪壓力及風壓力。見表1。

表2 1＃聯合進口塔架各工況穩定計算結果表

5.1 揚壓力及靜水壓力

塔體基礎揚壓力按全水頭計入，根據相關研究結論渾水對揚壓力的影響不明顯，校核、設計洪水位時揚壓力所用水容重仍按10 kN/m3考慮。

渾水對建筑物的靜水壓力影響是存在的，為簡化計算，校核、設計水位時渾水容重按10.30 kN/m3計入。

對深式進水口塔架穩定最難滿足的是地震側向抗傾覆工況，很難使計算的安全系數滿足規范要求；這時設計人員通常在上下游靜水壓力是否抵消方面猶豫，結合計算分析，認為靜水壓力對抗傾覆安全系數的影響較大，應充分考慮其作用，以保證塔體的抗傾安全度。

5.2 塔后巖體重

1#聯合進口塔架泄洪洞側伸入基巖13.85m，在未考慮巖石彈抗的作用下，不能忽略該部位的巖體重量，巖石飽和容重為25.50 kN/m3。

5.3 地震動水壓力

塔體地震動水壓力應按《水工建筑物抗震設計規范》（SL203-97）規定的進水塔相關公式計算，塔體內部的動水壓力按水體的地震慣性力計入。

6 擬靜力法穩定計算結果

擬靜力法各工況穩定計算結果見表2。

由結果分析，抗傾覆是塔體穩定計算的控制條件；完建無水控制最大基底應力，可以驗證基底承載力能否滿足要求。各工況抗滑、抗浮及基底應力均滿足規范要求。

擬靜力法計算中未考慮巖體的彈性抗力，以及塔后基礎部位以上巖體的剪力作用，留有一定的安全儲備。

7 反應譜法有限元動力分析

反應譜法有限元分析工況及荷載組合等同擬靜力法。動力有限元計算模型不考慮塔體與基巖的摩擦，即塔體與基巖作為連續體處理，基礎不考慮質量和慣性，只考慮彈性；計算模型剖分大部分用六面體單元剖分，局部用二次四面體單元剖分，共剖分72474個單元，95114個節點。

動力分析僅考慮有地震的工況。在垂直水流向地震作用下，水平向（垂直水流向）最大位移為102.42mm，豎向最大位移為16.82mm，順水流向最大位移為5.99mm；在順水流向地震作用下，水平向（順水流向）最大位移為61.97mm，豎向最大位移為13.38mm，順水流向最大位移為2.56mm；兩種工況最大位移均發生在塔頂，與靜力有限元分析結果相比，地震作用對塔體位移的影響較大，且垂直水流向地震位移較順水流向大。

有限元動力分析對塔體的穩定性進行計算，計算結果顯示垂直水流向地震和順水流向地震抗滑穩定最小安全系數分別為2.32與2.23，大于規范要求的1.05（按抗剪公式計算）。

8 結語

通過分析，考慮水平向荷載對基底應力的作用，完善了規范計算公式。通過分析河口村水庫的防洪要求，對1#聯合進口塔架整體穩定計算工況進行分析和確認。通過擬靜力法和反應譜法有限元動力分析，基底應力、抗傾覆穩定系數、抗滑穩定系數及抗浮穩定安全系數均滿足規范要求。

[1]董海釗，陳昭友，申相水，等.小浪底工程孔板泄洪洞進水塔整體穩定性分析[J].人民黃河，1998,20（5）:38-40.

[2]黃河勘測規劃設計有限公司巖土工程與材料科學研究院.河口村水庫泄洪洞進水塔靜動力有限元分析[R].2011.