勝利水電站進水塔抗震穩定性校核評價

安 娜

（遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧本溪117199）

勝利水電站進水塔抗震穩定性校核評價

安 娜

（遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧本溪117199）

進水塔主要用于水電站引水發電和泄洪，在水電樞紐中具有重要作用。文章利用分項系數法對勝利水電站進水塔的抗震安全性進行了研究，計算結果顯示進水塔的抗滑穩定性、抗傾覆穩定性以及地基承載力均符合設計要求。

進水塔；抗震穩定性；分項系數法

1 工程概況

勝利水電站位于新賓縣勝利村境內的蘇子河上，是遼寧省規劃的蘇子河梯級開發中的最后一級［1］。勝利水電站是一座以發電為主，兼具防洪、養殖等綜合效益的大型水利樞紐工程。該工程設計庫容為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。水庫防洪標準設計為500年一遇，設計洪水流量為9420m3。根據當地的地震資料，工程所在地的地震烈度為7度，主要水工建筑設計地震參數水平加速度為113.7gal，超越概率為10%。

2 計算模型與計算條件

2.1 有限元模型

勝利水電站進水塔為岸塔式進水塔，塔頂高程為194.90m，建筑基礎面高程為153.40m，塔高為41.5m，塔長與塔寬均為28m。由于抗震校核計算的計算模型需要包括進水塔的部分地基，按照抗震設計規范的相關規定［2］，本次計算過程中，下游、兩側及深度方向均取1.5倍塔高，由于上游方向實際地基范圍較大，因此按實際地基范圍模擬。這樣計算模型中順流方向進水塔的地基范圍為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系，其中豎直向上的方向為模型的Z軸正向，水平面為XOY坐標平面，其中，順流方向為Y軸正向，右岸方向為X軸正向。整個進水塔結構采用實體單元模擬，共分為13052個單元，13806個節點。

2.2 材料參數

勝利水電站塔體材料為C25混凝土，考慮結構分區以及壩基和斷層的實際情況，本次研究采用3種材料進行模擬，其力學參數如表1所示。

表1 材料力學參數

2.3 計算載荷

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

3 進水塔整體穩定性分析

根據《水工建筑物抗震設計規范》的相關要求［3］，本次校核計算主要對進水塔抗滑穩定性、抗傾覆穩定性以及地基承載力等三個指標進行驗算，并將驗算結果作為評價勝利水電站進水塔抗震安全性的主要依據。在計算過程中需要用到進水塔的動力地震作用效應，按照相關規定和經驗值，要將上述結果乘以0.35倍的折減系數。

3.1 抗滑穩定性計算與分析

以《水電站進水口設計規范》為依據［4］，結合抗剪斷強度理論，勝利水電站進水塔抗滑穩定系數k利用如下公式計算：

式中，γ0—結構重要性系數，取1.0；φ—設計狀況系數，取0.85；γb—抗滑穩定性系數，取2.7；f′RK—混凝土的抗剪斷系數，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，取1.0；AR—進水塔建基面面積；ΣWR—進水塔建基面切向力總和；ΣPR—進水塔建基面豎向力總和。

利用上述公式計算正常水位與地震工況疊加情況下的抗滑穩定性結果如表2所示。結果顯示，靜力與地震工況疊加工況下，勝利水電站進水塔的抗滑穩定性滿足設計要求，同時還有較高的富裕度。

表2 進水塔抗滑穩定性校核計算結果

3.2 抗傾覆穩定性分析

以《水電站進水口設計規范》為依據，進行勝利水電站進水塔抗傾覆穩定性校核計算，抗傾覆安全系數K采用如下公式計算：

式中，γ0—結構重要性系數，計算中取1.0；φ—設計狀況系數，取0.85；γd—抗傾覆穩定性系數，取1.40；ΣMs—進水塔建筑基面抗傾覆力矩總和；ΣM0—進水塔建筑基面傾覆力矩總和。

當K＞1時，說明勝利水電站的進水塔塔體和地基之間不會由于地震作用而產生提離現象，進水塔塔體的抗傾覆穩定性完全滿足設計要求，在地震工況下不存在傾覆危險；當K＜1時，說明塔進水塔的塔體部分與地基之間存在提離現象，塔體已經開始發生轉動，抗傾覆穩定達不到設計要求，在地震工況下存在傾覆危險。

在進行進水塔抗傾覆穩定性分析時，可以將塔體視為內外均被水包圍的剛性結構［5］，在順流地震載荷的作用下，塔體可能發生圍繞底板上游的O點或下游的Q點發生旋轉，并導致傾覆情況發生（如圖1所示）。由于勝利水電站的進水塔屬于岸塔式設計，相鄰塔體與岸坡會對進水塔塔體產生約束作用，因此，在垂直于水流方向的地震動力作用下，塔體幾乎沒有發生傾覆的可能性［6］。鑒于上述分析，校核計算過程中沒有必要對垂直于水流方向的抗震傾覆穩定性進行計算。

圖1 進水塔抗傾覆驗算示意圖

進水塔塔體抗傾覆作用主要是由塔體自身的重力、靜水壓力以及揚壓力產生的，其力矩計算結果如表3所示。

表3 勝利水電站進水塔塔體抗傾覆力矩計算結果

對前10階振型傾覆慣性力及其力矩進行計算，并最終求得地震作用對塔體本身的傾覆力矩，計算方法采用的平方和開方法［7］，計算公式如下：

式中，Mj—地震慣性力矩；Fji—振型水平地震慣性力；dji—單元到旋轉軸的力臂；k—地震系數；βj—動力放大系數；Φji—質點位移量；γj—振型參與系數。

對順流方向地震動作用下，進水塔塔體可能繞O點發生轉動的前10階振型進行計算，并乘以0.35倍折減系數后所得的地震慣性力和力矩的數值如表4所示。

表4 地震慣性力和地震慣性力矩各階計算結果

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

表5 進水塔抗傾覆穩定性校核計算結果

式中，γ0—結構重要性系數，此處取1.0；S—地震作用效應；R—進水塔地基結構抗力；γd—地基承載結構系數。

根據勝利水電站的相關設計資料，進水塔巖石地基的飽和抗壓范圍為20～38Mpa，按照基巖抗壓強度20Mpa標準值的最不利工況，進水塔基巖的承載力許可值為：

由公式（4）可得，進水塔地基承載力安全系數K的計算公式為：

3.3 地基承載力校核計算

根據《水電站進水口設計規范》，勝利水電站進水塔的作用效應與抗力應滿足公式（4）的要求。在具體計算過程中，將進水塔的塔基視為剛性平面［8］，地震作用的效應折減系數仍取0.35。

根據順流向和垂直流向反應譜分別與靜力疊加產生的基礎面Z向應力值，可以得到進水塔塔基邊緣垂直正應力的平均值和最大值，并將其列于表6中。結果顯示，勝利水電站進水塔的地基承載力不僅合乎設計要求，并且具有較高的富裕度，地震安全性良好。

表6 進水塔地基承載力計算結果

4 結語

本研究依照DL/T 5398-2007《水電站進水口設計規范》的要求，利用分項系數法對勝利水電站進水塔的整體穩定性進行了校核計算。結果顯示該進水塔的整體結構在抗滑穩定性、抗傾覆穩定性以及地基承載力等三個方面滿足水電站的設計要求，并且還有較高的富余度，因此，進水塔在地震工況下的整體穩定性良好，具有較高的安全性。文章的計算過程對結果類似工程的設計與施工具有重要的參考價值。

［1］羅坡.勝利水電站正常蓄水位方案選擇［J］.吉林水利，2014（05）：22-24.

［2］陳厚群.水工建筑物抗震設計規范修編的若干問題研究［J］.水力發電學報，2011（06）：4-10+15.

［3］NB 35047-2015.中華人民共和國能源行業標準水電工程水工建筑物抗震設計規范［S］.

［4］DL/T 5398-2007.水電站進水口設計規范［S］.

［5］祁勇峰，崔建華，謝曉玲.緬甸高震區某進水塔抗震與穩定性研究［J］.水電能源科學，2012（01）：77-79.

［6］卞全.岸塔式進水口整體穩定計算方法的探討［J］.西北水電，2008（05）：11-14.

［7］趙海濤，駱勇軍，王潘繡，等.高聳鋼筋混凝土進水塔結構抗震穩定性分析與安全評估［J］.水利與建筑工程學報，2012（06）：106-109.

［8］楊文超，張愛軍，徐龍飛，等.某高聳進水塔地基處理方案優選［J］.水電能源科學，2014（08）：116-119.

TV698

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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。