山岩抗力在黄藏寺枢纽工程稳定计算中的应用

2015-06-12严克兵霍鹤飞黄河勘测规划设计有限公司

河南水利与南水北调 2015年16期

□严克兵 □霍鹤飞 □田丰（黄河勘测规划设计有限公司）

1 基本资料

黄藏寺水利枢纽工程属于大（2）型II等工程，主要建筑物包括面板坝、供水泄洪洞、溢洪道、引水发电洞进口等。供水泄洪洞进口与引水发电洞进口放在一起组成联合进口。供水泄洪洞在右侧，进口底高程2558.00m，洞径6.00m；引水发电洞在左侧，进口底高程2569.00m，洞径5.00m。

联合进口塔架基础呈矩形，顺水流向长度为31.00m，宽度为34.20m，塔基基岩面高程2554.00m，塔顶高程2633.50m，塔体高度为79.50m，塔体后部有8.00m伸入岩体。塔体洞口底板以上为井筒结构，以下为大体积混凝土结构，高程2579.00m和2589.00m之间为渐变段，渐变段以上塔架顺水流向长度18.00m，宽度26.20m。塔架两侧及塔后回填混凝土，与周边山体相靠。进口塔架作为泄洪洞和发电洞的进口控制工程，其整体稳定安全非常重要。

2 计算条件

2.1 相关水位

黄藏寺水利枢纽建成后，各运用水位为：死水位：2580.00m；正常蓄水位：2628.00m；设计洪水位：2627.03m；校核洪水位：2631.39m；检修水位：2628.00m。

2.2 地质条件

联合进口塔架基础坐落在微风化～新鲜绿泥石白云母石英片岩中，塔基岩石总体属较坚硬岩，完整性较好。按坝基岩体分类，塔基岩体属于BⅢ1类岩体，基本满足塔基变形要求。

2.3 计算参数

进口塔架基础依据地质专业建议值，混凝土与岩体摩擦系数f′取1.00，粘结力C′取0.90MPa，岩石承载力取2.50～3.50MPa。由于塔基是新鲜岩石，本计算采用抗剪断强度公式。

非汛期水密度10.00kN/m3；汛期、设计洪水以及校核洪水浑水密度10.30kN/m3；混凝土密度25.00kN/m3；基本风压0.40kN/m2；波浪压力按风速v＝19.00m/s，吹程1.60km考虑；抗震设计烈度为8°，按地震动峰值加速度0.19g进行地震荷载计算。

联合进口塔架左右两侧素混凝土回填至2579.00m高程，塔架背后素混凝土回填至2613.50m高程。

3 计算方法、内容

3.1 常规方法、内容

联合进口塔架整体稳定应力常规计算方法采用拟静力法。联合塔架为2级建筑物，根据《水利水电工程进水口设计规范》（SL285－2003）规定的整体稳定安全标准、计算内容、计算工况和荷载组合进行计算。分别计算不考虑侧向岩体抗力和考虑侧向岩体抗力时的情形。

3.2 塔体侧向山岩抗力计算理论

塔体在计算侧向稳定时，塔架与岩石或者回填混凝土间将产生抗力，阻止其侧向倾覆，进而影响基底应力分布。计算左右抗力有以下假定：①地基变形符合文克尔假定；②塔架为绝对刚体；③忽略基础面的水平剪切变形；④弹性抗力为线形分布。

塔侧与混凝土或岩石间紧密连接，不考虑缝隙。计算简图见图1。

根据力的平衡条件，可推导出公式：

式中：MC—不计抗力时，外力对基础面形心的力矩之和（kN·m）；B—联合塔架宽度，取平均值（m）；H—塔侧抗力高度（m）；K1—塔基与混凝土之间的弹性抗力系数（kN/m3），根据地质建议，计算中取为5.50×106kN/m3；K2—塔侧与岩石之间的弹性抗力系数（kN/m3），考虑塔后上部为回填混凝土，下部为岩石，塔两侧回填混凝土较少，主要为岩石。根据地质建议，横向弹抗计算中取为5.00×106kN/m3，顺水流向综合取1.50×106kN/m3；q—弹性抗力强度（kN/m2）；A1—抗力作用面面积（m2）；A2—地基反力作用面面积（m2）；f—基底摩擦系数。

4 计算结果

4.1 不考虑山岩抗力时的计算结果

不考虑侧向山岩抗力时的稳定应力计算结果见表1。从表1中可以看出，在不考虑山岩抗力的情况下：

表1 不考虑侧向山岩抗力时的稳定应力计算结果汇总表

一是在设计洪水位工况下，塔架对后趾的抗倾覆稳定不符合规范要求；二是在正常蓄水位工况+顺河向地震工况下，塔架对后趾的抗倾覆稳定以及对前趾的拉应力，均不符合规范要求；三是在正常蓄水位工况+横河向地震工况下，塔架对前趾的抗滑稳定以及对前趾的拉应力，均不符合规范要求。对于上述情况，由于塔架三面靠山，而且底部有8m嵌入岩石中，所以出现这样的结果是不可能的。经分析，这是由于没有考虑侧向山岩抗力的结果。

4.2 考虑山岩抗力时的计算结果

对于计算结果不符合规范规定的情况，考虑山岩抗力，稳定应力计算结果见表2。从表2中可以看出，考虑山岩抗力之后：

一是联合塔架建基面应力在各种工况下均小于地基允许压应力且均未出现拉应力；二是各工况下抗滑、抗倾覆、抗浮稳定安全系数均满足规范要求。这说明，考虑山岩抗力之后，计算结果是合理的。因此，在塔架侧向靠山时，不考虑山岩抗力时，如果塔架的稳定应力计算满足规范要求，则计算是很保守的；如果计算结果不满足规范要求，则需要考虑侧向山岩抗力。