山巖抗力在黃藏寺樞紐工程穩定計算中的應用

□嚴克兵 □霍鶴飛 □田 豐（黃河勘測規劃設計有限公司）

1 基本資料

黃藏寺水利樞紐工程屬于大（2）型II等工程，主要建筑物包括面板壩、供水泄洪洞、溢洪道、引水發電洞進口等。供水泄洪洞進口與引水發電洞進口放在一起組成聯合進口。供水泄洪洞在右側，進口底高程2558.00m，洞徑6.00m；引水發電洞在左側，進口底高程2569.00m，洞徑5.00m。

聯合進口塔架基礎呈矩形，順水流向長度為31.00m，寬度為34.20m，塔基基巖面高程2554.00m，塔頂高程2633.50m，塔體高度為79.50m，塔體后部有8.00m伸入巖體。塔體洞口底板以上為井筒結構，以下為大體積混凝土結構，高程2579.00m和2589.00m之間為漸變段，漸變段以上塔架順水流向長度18.00m，寬度26.20m。塔架兩側及塔后回填混凝土，與周邊山體相靠。進口塔架作為泄洪洞和發電洞的進口控制工程，其整體穩定安全非常重要。

2 計算條件

2.1 相關水位

黃藏寺水利樞紐建成后，各運用水位為：死水位：2580.00m；正常蓄水位：2628.00m；設計洪水位：2627.03m；校核洪水位：2631.39m；檢修水位：2628.00m。

2.2 地質條件

聯合進口塔架基礎坐落在微風化～新鮮綠泥石白云母石英片巖中，塔基巖石總體屬較堅硬巖，完整性較好。按壩基巖體分類，塔基巖體屬于BⅢ1類巖體，基本滿足塔基變形要求。

2.3 計算參數

進口塔架基礎依據地質專業建議值，混凝土與巖體摩擦系數f′取1.00，粘結力C′取0.90MPa，巖石承載力取2.50～3.50MPa。由于塔基是新鮮巖石，本計算采用抗剪斷強度公式。

非汛期水密度10.00kN/m3；汛期、設計洪水以及校核洪水渾水密度10.30kN/m3；混凝土密度25.00kN/m3；基本風壓0.40kN/m2；波浪壓力按風速v＝19.00m/s，吹程1.60km考慮；抗震設計烈度為8°，按地震動峰值加速度0.19g進行地震荷載計算。

聯合進口塔架左右兩側素混凝土回填至2579.00m高程，塔架背后素混凝土回填至2613.50m高程。

3 計算方法、內容

3.1 常規方法、內容

聯合進口塔架整體穩定應力常規計算方法采用擬靜力法。聯合塔架為2級建筑物，根據《水利水電工程進水口設計規范》（SL285－2003）規定的整體穩定安全標準、計算內容、計算工況和荷載組合進行計算。分別計算不考慮側向巖體抗力和考慮側向巖體抗力時的情形。

3.2 塔體側向山巖抗力計算理論

塔體在計算側向穩定時，塔架與巖石或者回填混凝土間將產生抗力，阻止其側向傾覆，進而影響基底應力分布。計算左右抗力有以下假定：①地基變形符合文克爾假定；②塔架為絕對剛體；③忽略基礎面的水平剪切變形；④彈性抗力為線形分布。

塔側與混凝土或巖石間緊密連接，不考慮縫隙。計算簡圖見圖1。

根據力的平衡條件，可推導出公式：

式中：MC—不計抗力時，外力對基礎面形心的力矩之和（kN·m）；B—聯合塔架寬度，取平均值（m）；H—塔側抗力高度（m）；K1—塔基與混凝土之間的彈性抗力系數（kN/m3），根據地質建議，計算中取為5.50×106kN/m3；K2—塔側與巖石之間的彈性抗力系數（kN/m3），考慮塔后上部為回填混凝土，下部為巖石，塔兩側回填混凝土較少，主要為巖石。根據地質建議，橫向彈抗計算中取為5.00×106kN/m3，順水流向綜合取1.50×106kN/m3；q—彈性抗力強度（kN/m2）；A1—抗力作用面面積（m2）；A2—地基反力作用面面積（m2）；f—基底摩擦系數。

4 計算結果

4.1 不考慮山巖抗力時的計算結果

不考慮側向山巖抗力時的穩定應力計算結果見表1。從表1中可以看出，在不考慮山巖抗力的情況下：

表1 不考慮側向山巖抗力時的穩定應力計算結果匯總表

一是在設計洪水位工況下，塔架對后趾的抗傾覆穩定不符合規范要求；二是在正常蓄水位工況+順河向地震工況下，塔架對后趾的抗傾覆穩定以及對前趾的拉應力，均不符合規范要求；三是在正常蓄水位工況+橫河向地震工況下，塔架對前趾的抗滑穩定以及對前趾的拉應力，均不符合規范要求。對于上述情況，由于塔架三面靠山，而且底部有8m嵌入巖石中，所以出現這樣的結果是不可能的。經分析，這是由于沒有考慮側向山巖抗力的結果。

4.2 考慮山巖抗力時的計算結果

對于計算結果不符合規范規定的情況，考慮山巖抗力，穩定應力計算結果見表2。從表2中可以看出，考慮山巖抗力之后：

一是聯合塔架建基面應力在各種工況下均小于地基允許壓應力且均未出現拉應力；二是各工況下抗滑、抗傾覆、抗浮穩定安全系數均滿足規范要求。這說明，考慮山巖抗力之后，計算結果是合理的。因此，在塔架側向靠山時，不考慮山巖抗力時，如果塔架的穩定應力計算滿足規范要求，則計算是很保守的；如果計算結果不滿足規范要求，則需要考慮側向山巖抗力。

表2 考慮側向山巖抗力時的穩定應力計算結果匯總表

5 結語

較高的塔架，進行穩定應力計算時出于保守考慮，一般不計山巖抗力，計算結果不滿足規范要求時再考慮；考慮山巖抗力后，穩定應力計算結果一般滿足規范要求。考慮山巖抗力是符合實際情況的。其他工程可以參考該理論進行計算。