大紅溝水庫(kù)進(jìn)水塔穩(wěn)定計(jì)算分析及地基處理

姚富強(qiáng)

（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 030024）

1 工程布置

大紅溝水庫(kù)特征水位校核洪水位以下庫(kù)容為557萬(wàn)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(xiàn)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(zhǎng)×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(xiàn)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(zhǎng)2.54 m 的喇叭型進(jìn)水口、1.5 m×2.3 m（寬×高）的檢修閘門(mén)、1.5 m×1.8 m（寬×高）的工作閘門(mén)；供水管線(xiàn)進(jìn)口從上游至下游布有攔污柵、長(zhǎng)2.62 m 喇叭型進(jìn)水口、1.0 m×1.0 m（寬×高）工作閘門(mén)、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(zhǎng)×寬）。檢修平臺(tái)下游側(cè)布有2.6 m×0.6 m（長(zhǎng)×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(guò)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(xiàn)工作閘門(mén)的啟閉設(shè)備布設(shè)與受力。右跨用于泄洪洞的檢修閘門(mén)和工作閘門(mén)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?jī)?nèi)設(shè)有3 臺(tái)固定式卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)，用于檢修閘門(mén)和工作閘門(mén)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)表3，由表3 可知，兩組合工況下進(jìn)水塔均能滿(mǎn)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(jiàn)表4，由表4 可知，兩組合工況下進(jìn)水塔均能滿(mǎn)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(duì)形心軸x 的力矩（kN/m）；

∑My——全部荷載對(duì)形心軸y 的力矩（kN/m）；

Wx——對(duì)底面形心軸x 的截面矩（m3）；

Wy——對(duì)底面形心軸y 的截面矩（m3）。

計(jì)算成果見(jiàn)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(lái)提高地基承載力，初擬16 根樁徑1.0 m，樁長(zhǎng)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(kù)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](méi)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(zhǎng)（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(jiàn)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(zhǎng)度為18.0 m 的C30 混凝土灌注樁能夠滿(mǎn)足樁身豎向承載力的要求。

表7 復(fù)核表

3 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)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(mǎn)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(wèn)題不能滿(mǎn)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(zhǎng)度為18.0 m，中心距為3.0 m 的C30 混凝土灌注樁能夠滿(mǎn)足豎向承載力的要求，解決了基底應(yīng)力問(wèn)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(lèi)似工程可以借鑒。