安 娜

（遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧本溪117199）

勝利水電站進(jìn)水塔抗震穩(wěn)定性校核評(píng)價(jià)

安 娜

（遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧本溪117199）

進(jìn)水塔主要用于水電站引水發(fā)電和泄洪，在水電樞紐中具有重要作用。文章利用分項(xiàng)系數(shù)法對(duì)勝利水電站進(jìn)水塔的抗震安全性進(jìn)行了研究，計(jì)算結(jié)果顯示進(jìn)水塔的抗滑穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性以及地基承載力均符合設(shè)計(jì)要求。

進(jìn)水塔；抗震穩(wěn)定性；分項(xiàng)系數(shù)法

1 工程概況

勝利水電站位于新賓縣勝利村境內(nèi)的蘇子河上，是遼寧省規(guī)劃的蘇子河梯級(jí)開發(fā)中的最后一級(jí)［1］。勝利水電站是一座以發(fā)電為主，兼具防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的大型水利樞紐工程。該工程設(shè)計(jì)庫容為6.98億m3，工程等別為Ⅳ等。該水利樞紐的擋水建筑物為混凝土重力壩，大壩的泄水建筑物主要由4表孔與2中孔組成。水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為500年一遇，設(shè)計(jì)洪水流量為9420m3。根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡卣鹳Y料，工程所在地的地震烈度為7度，主要水工建筑設(shè)計(jì)地震參數(shù)水平加速度為113.7gal，超越概率為10%。

2 計(jì)算模型與計(jì)算條件

2.1 有限元模型

勝利水電站進(jìn)水塔為岸塔式進(jìn)水塔，塔頂高程為194.90m，建筑基礎(chǔ)面高程為153.40m，塔高為41.5m，塔長(zhǎng)與塔寬均為28m。由于抗震校核計(jì)算的計(jì)算模型需要包括進(jìn)水塔的部分地基，按照抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定［2］，本次計(jì)算過程中，下游、兩側(cè)及深度方向均取1.5倍塔高，由于上游方向?qū)嶋H地基范圍較大，因此按實(shí)際地基范圍模擬。這樣計(jì)算模型中順流方向進(jìn)水塔的地基范圍為103m至108m，垂直與水流方向的地基范圍為152.5m，深度方向的地基范圍為62.25m。模型采用直角三維坐標(biāo)系，其中豎直向上的方向?yàn)槟Ｐ偷腪軸正向，水平面為XOY坐標(biāo)平面，其中，順流方向?yàn)閅軸正向，右岸方向?yàn)閄軸正向。整個(gè)進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模擬，共分為13052個(gè)單元，13806個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2 材料參數(shù)

勝利水電站塔體材料為C25混凝土，考慮結(jié)構(gòu)分區(qū)以及壩基和斷層的實(shí)際情況，本次研究采用3種材料進(jìn)行模擬，其力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算載荷

校核計(jì)算中的計(jì)算載荷主要考慮進(jìn)水塔塔體自重、閘門和門機(jī)等進(jìn)水塔設(shè)備自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、地震作用力以及地震動(dòng)水壓力?？紤]到地震與校核洪水都屬于偶發(fā)情況，且兩者疊加的可能性微乎其微，因此計(jì)算采用187.00m的正常蓄水位。在進(jìn)行地震波的動(dòng)力計(jì)算時(shí)，主要考慮順流向與垂直流向兩種典型工況。

3 進(jìn)水塔整體穩(wěn)定性分析

根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求［3］，本次校核計(jì)算主要對(duì)進(jìn)水塔抗滑穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性以及地基承載力等三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算，并將驗(yàn)算結(jié)果作為評(píng)價(jià)勝利水電站進(jìn)水塔抗震安全性的主要依據(jù)。在計(jì)算過程中需要用到進(jìn)水塔的動(dòng)力地震作用效應(yīng)，按照相關(guān)規(guī)定和經(jīng)驗(yàn)值，要將上述結(jié)果乘以0.35倍的折減系數(shù)。

3.1 抗滑穩(wěn)定性計(jì)算與分析

以《水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》為依據(jù)［4］，結(jié)合抗剪斷強(qiáng)度理論，勝利水電站進(jìn)水塔抗滑穩(wěn)定系數(shù)k利用如下公式計(jì)算：

式中，γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.0；φ—設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，取0.85；γb—抗滑穩(wěn)定性系數(shù)，取2.7；f′RK—混凝土的抗剪斷系數(shù)，取0.95；C′RK—混凝土的抗剪斷凝聚力，取0.75KP；γ′f、γ′f—材料性能系數(shù)，取1.0；AR—進(jìn)水塔建基面面積；ΣWR—進(jìn)水塔建基面切向力總和；ΣPR—進(jìn)水塔建基面豎向力總和。

利用上述公式計(jì)算正常水位與地震工況疊加情況下的抗滑穩(wěn)定性結(jié)果如表2所示。結(jié)果顯示，靜力與地震工況疊加工況下，勝利水電站進(jìn)水塔的抗滑穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還有較高的富裕度。

表2 進(jìn)水塔抗滑穩(wěn)定性校核計(jì)算結(jié)果

3.2 抗傾覆穩(wěn)定性分析

以《水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》為依據(jù)，進(jìn)行勝利水電站進(jìn)水塔抗傾覆穩(wěn)定性校核計(jì)算，抗傾覆安全系數(shù)K采用如下公式計(jì)算：

式中，γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，計(jì)算中取1.0；φ—設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，取0.85；γd—抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，取1.40；ΣMs—進(jìn)水塔建筑基面抗傾覆力矩總和；ΣM0—進(jìn)水塔建筑基面傾覆力矩總和。

當(dāng)K＞1時(shí)，說明勝利水電站的進(jìn)水塔塔體和地基之間不會(huì)由于地震作用而產(chǎn)生提離現(xiàn)象，進(jìn)水塔塔體的抗傾覆穩(wěn)定性完全滿足設(shè)計(jì)要求，在地震工況下不存在傾覆危險(xiǎn)；當(dāng)K＜1時(shí)，說明塔進(jìn)水塔的塔體部分與地基之間存在提離現(xiàn)象，塔體已經(jīng)開始發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，抗傾覆穩(wěn)定達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，在地震工況下存在傾覆危險(xiǎn)。

在進(jìn)行進(jìn)水塔抗傾覆穩(wěn)定性分析時(shí)，可以將塔體視為內(nèi)外均被水包圍的剛性結(jié)構(gòu)［5］，在順流地震載荷的作用下，塔體可能發(fā)生圍繞底板上游的O點(diǎn)或下游的Q點(diǎn)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，并導(dǎo)致傾覆情況發(fā)生（如圖1所示）。由于勝利水電站的進(jìn)水塔屬于岸塔式設(shè)計(jì)，相鄰塔體與岸坡會(huì)對(duì)進(jìn)水塔塔體產(chǎn)生約束作用，因此，在垂直于水流方向的地震動(dòng)力作用下，塔體幾乎沒有發(fā)生傾覆的可能性［6］。鑒于上述分析，校核計(jì)算過程中沒有必要對(duì)垂直于水流方向的抗震傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。

圖1 進(jìn)水塔抗傾覆驗(yàn)算示意圖

進(jìn)水塔塔體抗傾覆作用主要是由塔體自身的重力、靜水壓力以及揚(yáng)壓力產(chǎn)生的，其力矩計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 勝利水電站進(jìn)水塔塔體抗傾覆力矩計(jì)算結(jié)果

對(duì)前10階振型傾覆慣性力及其力矩進(jìn)行計(jì)算，并最終求得地震作用對(duì)塔體本身的傾覆力矩，計(jì)算方法采用的平方和開方法［7］，計(jì)算公式如下：

式中，Mj—地震慣性力矩；Fji—振型水平地震慣性力；dji—單元到旋轉(zhuǎn)軸的力臂；k—地震系數(shù)；βj—?jiǎng)恿Ψ糯笙禂?shù)；Φji—質(zhì)點(diǎn)位移量；γj—振型參與系數(shù)。

對(duì)順流方向地震動(dòng)作用下，進(jìn)水塔塔體可能繞O點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的前10階振型進(jìn)行計(jì)算，并乘以0.35倍折減系數(shù)后所得的地震慣性力和力矩的數(shù)值如表4所示。

表4 地震慣性力和地震慣性力矩各階計(jì)算結(jié)果

將表3和表4中的結(jié)果代入公式（2）和公式（3），計(jì)算獲得如表5所示的勝利水電站進(jìn)水塔抗傾覆校核結(jié)果。結(jié)果顯示，在水靜力與地震工況疊加的情況下，進(jìn)水塔抗傾覆穩(wěn)定性完全滿足設(shè)計(jì)要求，并且具有相當(dāng)程度的富裕度，具有較高的抗震安全系數(shù)。

表5 進(jìn)水塔抗傾覆穩(wěn)定性校核計(jì)算結(jié)果

式中，γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，此處取1.0；S—地震作用效應(yīng)；R—進(jìn)水塔地基結(jié)構(gòu)抗力；γd—地基承載結(jié)構(gòu)系數(shù)。

根據(jù)勝利水電站的相關(guān)設(shè)計(jì)資料，進(jìn)水塔巖石地基的飽和抗壓范圍為20～38Mpa，按照基巖抗壓強(qiáng)度20Mpa標(biāo)準(zhǔn)值的最不利工況，進(jìn)水塔基巖的承載力許可值為：

由公式（4）可得，進(jìn)水塔地基承載力安全系數(shù)K的計(jì)算公式為：

3.3 地基承載力校核計(jì)算

根據(jù)《水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》，勝利水電站進(jìn)水塔的作用效應(yīng)與抗力應(yīng)滿足公式（4）的要求。在具體計(jì)算過程中，將進(jìn)水塔的塔基視為剛性平面［8］，地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)仍取0.35。

根據(jù)順流向和垂直流向反應(yīng)譜分別與靜力疊加產(chǎn)生的基礎(chǔ)面Z向應(yīng)力值，可以得到進(jìn)水塔塔基邊緣垂直正應(yīng)力的平均值和最大值，并將其列于表6中。結(jié)果顯示，勝利水電站進(jìn)水塔的地基承載力不僅合乎設(shè)計(jì)要求，并且具有較高的富裕度，地震安全性良好。

表6 進(jìn)水塔地基承載力計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

本研究依照DL/T 5398-2007《水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，利用分項(xiàng)系數(shù)法對(duì)勝利水電站進(jìn)水塔的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了校核計(jì)算。結(jié)果顯示該進(jìn)水塔的整體結(jié)構(gòu)在抗滑穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性以及地基承載力等三個(gè)方面滿足水電站的設(shè)計(jì)要求，并且還有較高的富余度，因此，進(jìn)水塔在地震工況下的整體穩(wěn)定性良好，具有較高的安全性。文章的計(jì)算過程對(duì)結(jié)果類似工程的設(shè)計(jì)與施工具有重要的參考價(jià)值。

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TV698

A

1008-1305（2017）01-0052-03

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.017

2016-01-30

安 娜（1983年—），女，工程師。