守口堡水库泄洪冲沙底孔进水塔结构分析计算

闫丹青

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

1 工程概况

守口堡水库位于阳高县黑水河上游段，属小（1）型水库，工程等别为Ⅳ等，洪水设计标准重现期为50年一遇，校核标准重现期为500年一遇，以工业供水、农业灌溉及防洪等综合利用为主。工程由枢纽工程和供水工程组成，建成后可向工业供水，改善农业灌溉，同时保护水库下游阳高县城和沿河乡镇行政村耕地和人民的生命财产安全，改善两岸的生态环境，具有显著的社会效益和经济效益。

2 进水塔结构布置

进水塔的布置既要满足结构布置的要求，又要满足闸门、启闭机等机电设备布置和运用的要求，同时又要防止泥沙淤积，保证水流顺畅。

守口堡水库大坝桩号 0+127.00～0+145.00、0+207.00～0+225.00段为底孔坝，下部布设泄洪冲沙底孔，共4孔。底孔分进口段、洞身段和出口段三部分，进口段设事故检修闸门，出口段设弧形工作闸门，进口闸室为封闭式进水塔，紧临上游坝面。

进水塔塔身采用矩形断面的箱形结构，顺水方向长6.8m，塔身最大高度33.6m，塔体相对高程18m以下宽16.2m，筒壁厚1.5m，相对高程18m以上宽15.6m，，筒壁厚1.2m，塔顶相对高程33.6m。塔筒前部设事故检修闸门，其底板相对高程为0.00m，后部为通气孔，与检修门槽之间用1m厚隔墙隔开，每个通气孔在相对高程18.0m以下中间设隔墩，隔墩厚500mm，其结构布置型式见图1。

图1 进水塔结构布置图

3 结构计算

由结构布置表明，进水塔体型复杂，截面变化部位多，受力复杂，根据同类工程的设计经验，对进水塔典型断面简化为平面刚桁架采用结构力学方法进行计算，如图2。

图2 计算简图

3.1 计算工况

根据底孔的运行情况分析，主要有以下几种工况。

工况1：在校核洪水位情况下，工作门开启，利用泄洪冲沙底孔泄洪，由于检修门槽与通气孔处的位置水头转化为流速水头，故水位下降，此时，检修门槽内的水位与通气孔内水位相同，均低于库水位。

工况2：在正常蓄水位情况下，工作门检修，利用检修门挡水，此时闸门槽内水位与库水位相同，通气孔内无水。

工况3：在正常运行期遇地震情况下，工作门关闭，底孔内充满水，此时，检修门槽和通气孔内水位相同，且都等于库水位，塔筒受水平地震惯性力作用。

3.2 计算荷载

对于塔筒截面的荷载，在前两种工况下，仅受水压力作用，由初步计算可知，工况1和工况2为控制工况。计算断面应根据水位、断面形式等选取最不利断面，故选取工况1下相对高程7.4m、18.0m、23.0m断面，工况2下相对高程4.8m、18.0m、23.0m断面进行计算。以相对高程18.0m断面为例，荷载分布如图3。

图3 相对高程18.0m断面荷载分布图（单位kN/m）

各典型断面主要内力计算成果见表1。

表1 各典型断面主要内力计算结果

根据以上计算结果，初步选配钢筋形式见表2。

表2 各典型断面截面配筋形式

3.3 裂缝宽度验算

根据以上结构计算成果，按实际情况，在考虑抗裂及裂缝验算要求下进行实际配筋。根据初配钢筋形式，对杆件进行抗裂及裂缝验算计算。

构件为偏心受压构件，根据《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008），抗裂验算应符合下式规定：

式中：Nk——按荷载标准值计算的轴力值，N；

γm——截面抵抗矩塑性系数；

αct——混凝土拉应力限制系数，对荷载效应的标准组合，取0.85；

ftk——混凝土轴心抗拉强度标准值，N/mm2；

e0——轴向力对截面重心的偏心距，mm；

A0——换算截面面积，mm2；

αE——钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值，即

A0——换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩，mm3；即

y0——换算截面重心至受压边缘的距离，mm；

I0——换算截面重心对其重心轴的惯性矩，mm4；

Ac——混凝土截面面积，mm2；

As、A′s——受拉、受压钢筋截面面积，mm2；

h——截面全高,mm；

偏心受压混凝土构件在荷载效应标准组合下的最大裂缝宽度ωmax(mm)按下式计算：

式中：α——考虑构件受力特征和荷载长期作用的综合影响系数，取2.1；

c——最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区边缘的距离，mm；

d——钢筋直径，mm；

ρte——纵向受拉钢筋的有效配筋率；

σsk——按荷载标准值计算的构件纵向受拉钢筋应力，N/mm2。

根据《水工混凝土结构设计规范》，二类环境下，钢筋混凝土结构构件的最大裂缝宽度限值ωlim=0.3mm。进水塔的抗裂及裂缝宽度计算见表3。

表3 截面设计、抗裂及缝宽度验算结果表

4 结论

由上述计算可知，在工况1校核洪水位情况下，塔筒四壁受静水压力作用，通气孔隔墙不受力；工况2检修期，在正常蓄水位下，通气孔隔墙前后水位差较大，受力情况不佳，故在通气孔内相对高程18.0m以下增设隔墩，改善受力条件，提高隔墙的承载能力。

综上，进水塔的总体结构设计满足要求，根据抗裂及裂缝验算结果，裂缝宽度均小于允许值，限裂计算满足要求。