大紅溝水庫進水塔穩定計算分析及地基處理

姚富強

（山西省水利水電勘測設計研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程布置

大紅溝水庫特征水位校核洪水位以下庫容為557萬m3，工程等別為Ⅳ等，建筑物的級別為4 級。校核洪水位1 021.41 m、設計洪水位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。

進水塔的右邊設置一泄洪洞進水口，其底板高程為994.00 m，左邊設置一供水管線進水口，其底高程為1 002.0 m，供水管埋設在塔身混凝土內。進水塔混凝土強度等級為C30，平面尺寸為13.14 m×7.95 m×28.1 m（長×寬×高），近水側混凝土厚度為1.0 m，遠水側混凝土厚度為1.2 m，泄洪洞與供水管線中間的混凝土厚度為1.75 m。

泄洪洞的進口從上游至下游布有長2.54 m 的喇叭型進水口、1.5 m×2.3 m（寬×高）的檢修閘門、1.5 m×1.8 m（寬×高）的工作閘門；供水管線進口從上游至下游布有攔污柵、長2.62 m 喇叭型進水口、1.0 m×1.0 m（寬×高）工作閘門、DN300 塔身埋管。

高程1 022.10 m 處為進水塔的檢修平臺，塔身外邊源設置1.2 m 的寬走道板，檢修平臺尺寸為8.74 m×7.95 m（長×寬）。檢修平臺下游側布有2.6 m×0.6 m（長×寬）鋼筋混凝土牛腿，其上放置預制C25 鋼筋混凝土T梁橋，進水塔通過交通橋與壩頂相連。

檢修平臺上為C25 鋼筋混凝土排架，共3 榀，一榀兩跨，左跨用于供水管線工作閘門的啟閉設備布設與受力。右跨用于泄洪洞的檢修閘門和工作閘門的啟閉設備布設與受力。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。

排架上部為啟閉機房，高程為1 028.30 m，平面尺寸同檢修平臺，高度為4.1 m，房內設有3 臺固定式卷揚啟閉機，用于檢修閘門和工作閘門的啟閉及檢修。

2 進水塔穩定計算

2.1 穩定計算

作用在進水塔的荷載分為基本組合和特殊組合，荷載組合見表1。

表1 荷載組合表

1）整體穩定安全標準

穩定安全標準見表2。

表2 穩定安全允許值

2）抗滑穩定計算

式中 Kc——安全系數；

f——摩擦系數，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）。

計算的安全系數見表3，由表3 可知，兩組合工況下進水塔均能滿足抗滑穩定要求。

表3 安全系數表

3）抗傾覆穩定計算

式中 K0——抗傾覆穩定安全系數；

∑Ms——建基面上穩定力矩總和（kN/m）；

∑M0——建基面上傾覆力矩總和（kN/m）。

計算的安全系數見表4，由表4 可知，兩組合工況下進水塔均能滿足抗傾覆穩定要求。

表4 安全系數表

4）基底應力計算

式中 ∑G——豎向全部荷載（kN）；

A——基底面積（m2）；

∑Mx——全部荷載對形心軸x 的力矩（kN/m）；

∑My——全部荷載對形心軸y 的力矩（kN/m）；

Wx——對底面形心軸x 的截面矩（m3）；

Wy——對底面形心軸y 的截面矩（m3）。

計算成果見表5。

表5 應力成果表 kPa

由地質資料可知，地基允許承載力為120～150 kPa，經計算發現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，進水塔最大基底應力比地基允許承載力的1.2 倍還大，平均應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

進水塔地基為N2低液限粘土，本次設計采用C30混凝土灌注樁來提高地基承載力，初擬16 根樁徑1.0 m，樁長18.0 m，中心距3.0 m 的灌注樁。

1）計算工況

工況①：施工完建期；

工況②：正常蓄水位+地震。

2）計算應符合下列要求

荷載效應標準組合：

地震工況荷載效應標準組合：

式中 Nk——荷載效應標準組合下樁基平均豎向力（kN）；

Nkmax——荷載效應標準組合下樁頂最大豎向力（kN）；

NEk——地震工況荷載效應組合下樁基平均豎向力（kN）；

NEkmax——地震工況荷載效應組合下樁頂最大豎向力（kN）；

Ra——樁基豎向承載力特征值。

3）計算承載力特征值

式中 Quk——極限承載力標準值（kN）；

K——安全系數，取K＝2。

4）計算極限承載力

大紅溝水庫泄洪洞進水塔底板下灌注樁為摩擦型灌注樁，不考慮端阻力。因為沒有實驗的數據，本文采用經驗參數方法計算單樁豎向的極限承載力值。

式中 qsik——第i 層土的側阻力值（kPa）；

qpk——極限端阻力值（kPa）；

u——樁身周長（m）；

li——樁周第i 層土的厚度（m）；

Ap——樁端面積（m2）；

ψsi——側阻尺寸效應系數；

ψp——端阻尺寸效應系數。

計算結果見表6。

表6 計算極限承載力值

由表7 得出選擇16 根直徑為1.0 m，長度為18.0 m 的C30 混凝土灌注樁能夠滿足樁身豎向承載力的要求。

表7 復核表

3 結 論

經過計算發現進水塔在基本組合和特殊組合兩種工況下抗滑和抗傾覆穩定均能滿足規范要求，但基底應力在施工完建期和正常蓄水位遇地震兩種工況下存在問題不能滿足規范要求，地基需要處理。本文選擇灌注樁進行地基處理，經計算選擇16 根直徑為1.0 m，長度為18.0 m，中心距為3.0 m 的C30 混凝土灌注樁能夠滿足豎向承載力的要求，解決了基底應力問題。本文研究成果為大壩進水塔的設計提供理論支持，也為大壩的安全運行提供技術支撐，類似工程可以借鑒。