沙河水库分层取水塔稳定分析与结构计算

黄小艳，邹德兵，熊 瑶

(长江水利委员会长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

1 概 述

1.1 工程概况

沙河水库位于乌江左岸一级支流长头河北支流板桥沟渔家坝下游约500 m处，距板桥沟沟口约1.2 km，是1座以城乡供水为主，兼有农田灌溉功能的中型水利工程，工程等别为Ⅲ等。水库正常蓄水位为412.00 m，设计洪水位为412.14 m，校核洪水位为414.34 m，总库容1 064.9万m3(正常蓄水位库容972.5万m3)。混凝土面板堆石坝坝顶高程416.00 m，最大坝高77 m，溢洪道布置于右岸，取水建筑物布置于左岸。

1.2 取水型式分析

通过对已建水利工程的调查研究发现[1-3]，水库中深层水较表层水具有较高浓度的磷酸盐、氨、硫化氢等，从水库深层取水时，水质较差，将增加供水处理的难度和成本；且水库垂向水温基本呈分层分布，深层水温相对较低，用于灌溉时则影响下游农作物生长。为了保障供水水质和灌溉水温，沙河水库应取上层水，取水宜采用分层设计。

结合国内水电站及水库分层取水经验，常用的分层取水设施分为水力控制和机械控制[4]。水力控制分层取水设施利用水的自身压力为动力操纵取水口，进行分层取水，一般采用浮板式、浮管式、多层水力自动翻板式取水装置，结构简单，但耐久性较差，比较适用于小型水利工程。机械控制分层取水设施通过外力启闭不同深度的闸(阀)门，得到不同深度的水，一般包括多层闸门式、多层阀门式、叠梁门式等，耐久性较好，适用于大中型水利水电工程。

综合考虑工程特性，选取多层闸门式、多层拍门式与多层阀门式分层取水型式，从结构布置特点、取水效果、运行管理、操作检修、工程投资等方面进行比选后，最终确定沙河水库取水塔采用多层闸门式分层取水方案[5-6]。取水塔通过汇流竖井与输水隧洞连接，输水隧洞出口处接一段输水钢管，钢管后连接输水管线前池。

1.3 分层取水塔设计概况

取水塔布置于大坝轴线上游约140 m、靠近左岸岸坡的库内，建筑物级别为3级。为方便运行管理，取水塔工作平台高程与混凝土面板堆石坝坝顶高程一致，即416.00 m。工作平台以上为启闭机房，采用2层框架结构。取水塔内设6层孔口取水，孔口中心线高程从上往下依次为407.00、399.00、391.00、383.00、375.00 m和366.25 m(见图1)。各层取水口顺水流向错落布置，水平间距1.6 m，通过汇流竖井连通。各取水口孔口尺寸均为2.5 m×2.5 m，孔口设平板钢闸门。取水塔上游设固定式拦污栅。

取水塔的结构尺寸初拟为：长(顺水流向)14.0 m，宽(垂直水流向)5.3 m(两边墩各厚1.4 m)，高51.95 m，建基面高程364.05 m。施工详图阶段经稳定分析与结构计算，发现由于取水塔顺水流向尺寸较大，在检修工况(塔内放空，塔外正常蓄水位)下，取水塔下部(尤其6号取水口部位)结构在外水压力作用下承受的弯矩较大，致使配筋难以满足要求。

针对该情况，对取水塔结构型式进行调整：长度不变，上部仍宽5.3 m，下部加宽为5.9 m(上部边墩仍各厚1.4 m，下部边墩各厚1.7 m)；为减小基底应力，将底板加宽为7.3 m，同时加厚底板，建基面高程调整为363.20 m；为减小检修工况下取水塔下部结构承受的外水压力，取水塔外两侧及靠近库岸一侧与边坡之间采用C15混凝土填充至高程380.00 m。

调整后的取水塔的布置及结构型式如图1、图2所示。

图1 取水塔顺水流向剖面图(单位：m)

图2 取水塔上游立视图(单位：m)

2 稳定分析

2.1 设计安全标准及荷载组合

2.1.1设计安全标准

根据《水利水电工程进水口设计规范》(SL 285-2003)[7]，独立布置进水口的建筑物级别为3级时，整体抗滑稳定安全系数(采用抗剪断强度计算公式)为：基本组合3.0，特殊组合2.5；抗倾覆稳定安全系数为：基本组合1.30，特殊组合1.15；抗浮稳定安全系数为：基本组合1.10，特殊组合1.05。沙河水库取水塔布置于岩基上，建基面应力标准为：最大压应力小于地基允许压应力；最大拉应力基本组合小于0.1 MPa，特殊组合小于0.2 MPa。

2.1.2材料参数

取水塔建基面高程为363.20 m，建基岩体为志留系罗惹坪组(S2Lr)弱风化粉砂质页岩，其物理力学参数见表1。

表1 志留系(S)弱风化粉砂质页岩物理力学参数表

2.1.3荷载与荷载组合

1)荷载。作用在取水塔上的荷载包括：①基本荷载。自重，设计运行水位时的静水压力、扬压力、浪压力，风压力，活荷载；②特殊荷载。校核运行水位时的静水压力、扬压力、浪压力。

本工程地震设计烈度为Ⅵ度，根据《水工建筑物抗震设计规范》(SL 203-97)[8]，可不进行抗震设计，故不考虑地震荷载。

2)荷载组合。荷载组合分为基本组合与特殊组合两类[9]，根据本工程实际情况，取水塔荷载组合见表2。其中，取水塔在运行时，其内外承受的水压力相互平衡，因此不考虑设计洪水位、正常蓄水位及校核洪水位工况下的静水压力。

表2 荷载组合表

2.2 抗滑稳定计算

按抗剪断强度公式计算：

计算结果(表3)表明，在各组合工况下，取水塔均满足抗滑稳定要求，其中控制工况为完建未挡水工况。

表3 抗滑稳定计算结果表

2.3 抗倾覆稳定计算

计算公式为

计算结果(表4)表明，在各组合工况下，取水塔正向和侧向均满足抗倾覆稳定要求，其中正向抗倾覆稳定的控制工况为检修工况，侧向抗倾覆稳定的控制工况为设计洪水位与正常蓄水位工况。

表4 抗倾覆稳定计算结果表

2.4 抗浮稳定计算

计算公式为

式中：Kf为抗浮稳定安全系数；∑V为建基面上垂直力总和(不含设备重量)；∑U为建基面上扬压力总和。

计算结果(表5)表明，在各组合工况下，取水塔均满足抗浮稳定要求，其中控制工况为检修工况。

表5 抗浮稳定计算结果表

2.5 基底应力计算

取水塔结构及受力两侧对称，则∑My=0，故取水塔建基面上垂直正应力计算公式可简化为

式中：σ为建基面上计算点垂直应力；∑V为建基面上垂直力总和；∑Mx为建基面上垂直力对形心轴X轴的力矩总和；y为建基面上计算点至形心轴X轴的距离；Jx为建基面对形心轴X的惯性矩；A为建基面面积。

计算结果(表6)表明，在各组合工况下，取水塔均不出现拉应力，且最大压应力均小于弱风化粉砂质页岩容许承载力1.0 MPa，故取水塔基底承载力满足设计要求。由于完建未挡水工况下无扬压力，取水塔建基面最大压应力发生在完建未挡水工况时。

表6 基底应力计算结果表

完建未挡水工况下，取水塔建基面最大压应力为0.93MPa，接近地基容许承载力1.0MPa。本工程设计要求对取水塔基础做固结灌浆处理，可适当提高地基承载力；另在施工过程中，对紧邻建基面的部位严格要求采用预留保护层、分层爆破的开挖方法，可使开挖后的岩基质量得到有效的保障。基于以上考虑，不再对取水塔基础采取其他处理措施。

3 塔身结构计算

3.1 计算模型简化

取水塔塔身由边墩、胸墙及后墙组成框架结构，自下而上6～1号胸墙顺水流向次第错开1.6～1.55 m，因此将塔身沿高度方向自下而上分段建立模型计算内力及配筋，各段名称及对应的高程范围如表7和图3所示。分别对每段取单宽，简化为平面刚架，采用结构力学方法计算内力。

表7 塔身分段编号及高程范围表

3.2 内力及配筋计算结果

在完建未挡水工况下，对取水塔塔身的不利荷载主要为风压力，其作用值远小于静水压力；在设计洪水位、正常蓄水位、校核洪水位下，塔身边墩、胸墙及后墙内外的静水压力相互平衡；仅在检修工况下，取水塔塔外四面临水、塔内无水，边墩、胸墙及后墙均承受单侧水压力。因此，塔身内力计算的控制工况为检修工况。

取水塔边墩下部在单侧水压力作用下产生的弯矩较大，致使配筋难以满足要求。为避免取水塔下部结构承受较大的不平衡水压力，待取水塔建成后，在塔周及边坡之间回填C15混凝土至高程380.00 m，使得塔身高程365.00～380.00 m(第①、②段)在检修工况下仅胸墙外侧作用水压力(见图4、图5)。

塔身高程373.75～381.75 m段(第②、③段)剖面图及计算简图见图3～图5，计算弯矩图见图6、图7。①～⑦各段弯矩及配筋计算结果见表8。

图3 塔身高程373.75～381.75 m(第②、③段)剖面图

图4 塔身高程373.75～380.00 m(第②段)计算简图

图5 塔身高程380.00～381.75 m(第③段)计算简图

图6 塔身高程373.75～380.00 m(第②段)弯矩图

图7 塔身高程380.00～381.75 m(第③段)弯矩图

表8 塔身分段弯矩及配筋计算表

表8为既满足承载能力极限状态要求又满足正常使用极限状态下的裂缝宽度要求的配筋计算结果。其中，底板顶面至5号胸墙顶面高程范围内，第③段的配筋量大于第①段和第②段，为方便施工，第①～③段的配筋方式以第③段为准。塔身分段配筋方案见表9。

表9 塔身分段配筋方案统计表

4 结 语

本工程主要任务为供水、灌溉，为保证水质、水温，取水塔从上至下设6层闸孔，确保不同库水位时均能取表层水。多层闸孔在顺水流向次第错开布置，由此带来取水塔顺水流向尺寸较大的问题。此结构特点导致检修工况下取水塔的下部边墩、胸墙及后墙均承受较大的单侧水压力，给结构配筋带来困难。而完建未挡水工况下，取水塔基底最大压应力已接近地基容许承载力，若加大结构尺寸，地基承载力可能无法满足要求。

综上分析，本工程采用在取水塔外两侧及靠近库岸一侧与边坡之间填充C15混凝土至高程380.00 m的方式，通过回填混凝土的传力实现取水塔与库岸边坡联合受力的目的，以此回避取水塔下部结构在检修工况下承受较大单侧水压力的问题，以在不增大取水塔下部结构尺寸的前提下，有效减小配筋量，使取水塔稳定分析、结构计算结果均能满足规范要求。此种利用边坡与取水塔联合受力的思路可为其他类似工程，尤其是高度较大、分层取水口较多的取水建筑物的设计提供参考。