石匣水库泄洪设施完善工程进水塔稳定计算

·设计与施工2019年第11期

石匣水库泄洪设施完善工程进水塔稳定计算王

雅

太原

032400）

山西（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，

文章介绍［摘要］石匣水库是清漳河主流上一座以防洪为主兼顾农业灌溉和工业供水、发电的中型控制性骨干工程。并通过抗滑、确定了了石匣水库的工程概况，分析了进水塔的结构尺寸和地质条件；抗倾稳定计算和基底应力计算，进水塔的结构尺寸满足要求。

抗滑移稳定；抗倾覆稳定［关键词］石匣水库；进水塔；整体稳定；［中图分类号］TV732.1

［文献标识码］C

［文章编号］1004-7042（2019）11-0025-03

左权县石匣水库位于海河流域南运河水系清漳

西源中游，地处左权县城西北约9km的石匣村北。是发电的中一座以防洪为主兼顾农业灌溉和工业供水、

副坝、溢洪道、输水洞、型水库。枢纽工程包括：主坝、导流洞和电站。

石匣水库是清漳河主流上一座控制性骨干工程，坝址以上控制流域面积7km2。其中：黄土丘陵区流域平均宽13.46km，流域长度56.85km。总库容1208.86万m3，调洪库容3319.46万m3。

进水塔布置及结构设计

5099.46万m3，其中死库容571.14万m3，兴利库容142.74km2，土石山区14.38km2，石山区596.88km2。

1工程概况

隔墙厚1.5m，工作闸门后进水塔下游侧壁厚1.2m；

（门槽部位）厚0.70m，闸门两侧塔壁混凝土最薄处最厚处1.0m。进水塔中隔墙内埋设两孔渍400mm的通

气孔。

进水塔检修平台高程1155.50m，与上坝路前平

检修台高程齐平，塔身外边缘悬挑出1.2m宽走道板，平台尺寸为11.9伊9.0m（长伊宽）。检修平台下游侧设置

牛腿长4.0m，钢筋混凝土牛腿，宽0.7m，其上放置桥面板，将进水塔与上坝公路相连接。

检检修平台上为C25钢筋混凝土排架，共3榀，

根据修平台和启闭平台之间为钢筋混凝土排架结构，闸门检修净空要求，排架高10.0m。立柱截面尺寸800mm伊800mm；横梁截面尺寸为800mm伊1000mm。

启闭机平台高启闭机房位于钢筋混凝土排架顶，

2

有压箱涵后接进水塔，进水塔采用矩形塔式钢筋

混凝土结构，顺水流方向底板长18m，垂直水流方向底板宽6.6m，塔底板高程1128.0m，塔顶（检修平台）高程为1155.50m，塔高29.0m。塔身高程1138.0m以下及底板均采用C35钢筋混凝土结构；塔身高程1138.00m以上部分均为C25钢筋混凝土结构，塔壁悬臂式踏步楼梯，宽度900mm。

进水塔上游接有压箱涵，下游接无压洞。塔内从上游至下游依次布设平板事故检修钢闸门和弧形工作钢闸门，其中事故检修闸门孔口尺寸为4.0m伊4.4m（宽伊高），工作闸门孔口尺寸为4.0m伊3.5m（宽伊高），底高程为1128.0m。检修门上游为矩形进水口，检修门与工作门之间设置长3.6m的有压短洞，洞顶压板坡度为1颐4。

检修门前进水塔上游侧壁厚1.0m，两闸门间中最小厚度0.8m、底板厚度1.5m。塔内上下交通采用

程为1165.50m，启闭机房平面尺寸为9.5m伊6.6m

高4.0m，（长伊宽），建筑面积为62.7m2，为砖混结构。启闭启闭机房墙体采用自重较轻的混凝土空心砌块，

机房内设QPQ-800kN固定卷扬式启闭机两台，分别用于事故检修门、工作闸门的启闭及检修起吊。检修

启闭平台与启闭机平台之间采用钢梯连接上下交通；以便人员进行房顶结机房顶至启闭机平台间设爬梯，

构的维修。

进水塔交通桥采用C30装配式先张法预应力混凝土简支空心板梁（荷载为公路-域级，跨径16m，单跨长16m，总长32m，1.25m板宽），共2跨，桥面

共两跨，单跨长度宽3.5m，上下游两侧设置桥栏杆，10.0m，桥面铺装由下到上分别为100mm厚C40混

凝土现浇层、防水层和80mm厚沥青混凝土桥面铺排架高10.0m，装。交通桥排架为C25钢筋混凝土，岸

2019年11月25设计与施工SHANXIWATERRESOURCES桥台高2.00m，边采用C25钢筋混凝土桥台，长4.5m，

其下设100mm厚C15混凝土垫层，桥台后原土回填并至1155.5m高程，其后开挖宽度为6.0m回车场，

长度40m，修建道路与上坝路连通，路宽3.5m。根据地质资料，进水塔持力层为二叠系上统石千

岩体基本质量级峰组P2sh-2岩组砂岩，岩性较坚硬，岩体承载力标准值别为郁级，基本能满足基础要求，

为了使地基应为800耀1000kPa，经进水塔稳定计算，

3

3.1

进水塔稳定计算

根据《水利水电工程进水口设计规范》的规定，进

进水塔稳定计算

水塔稳定计算包括抗滑稳定、抗倾覆稳定、抗浮稳定及基底应力验算。

作用于进水塔上的荷载主要有结构自重、静水压力、扬压力、浪压力、风压力等。因本地区地震裂度为6度，计算不考虑地震力。算。

荷载组合分为基本荷载及特殊荷载组合两类。前者取正常蓄水位、设计洪水位工况下放水和防洪高水位挡水的组合；后者取施工完建期、（正常蓄水位）检修期、校核洪水位情况泄水的组合。荷载组合见表1。

扬压力根据地勘资料常年地下水位1135.0m计

力均匀，进水塔基岩面以下塔身及底板基岩均设置锚

基岩面杆，锚杆长3.0m，间排距2.0m，梅花型布置，以下塔身一次支护采用挂钢筋网和喷120mm厚C20

混凝土组合式结构，钢筋网采用玉级钢筋，直径为

椎8，网格间距为150mm。进水塔交通桥墩排架柱基础位于低液限黏土层，为减小基地应力及桥身沉降量，排架采用扩大基础4.7m伊3.0m（长伊宽）。

表1

荷载组合

计算工况正常蓄水位

基本组合

防洪高水位设计洪水位施工完建期

特殊组合

检修期校核洪水位

荷载组合表

荷载

自重姨姨姨姨姨姨

水重姨姨姨

静水压力

姨姨姨

风压力姨姨姨姨

扬压力姨姨姨

浪压力姨姨姨

地震力

姨姨

姨姨

姨姨

姨姨

姨姨

进水口建筑物泄洪洞进水口按3级建筑物设计，座落在土基上，按照《水利水电工程进水口设计规范》（SL285-2003）的规定，应参照《水闸设计规范》

基本组合（SL265—2001）采用。稳定安全系数允许值：时抗滑稳定允许值3.0，抗倾覆稳定允许值1.3；特殊组合时抗滑稳定允许值2.5，抗倾覆稳定允许值1.15；3.1.2

（SL265-2001）抗滑稳定计算按《水闸设计规范》

中的公式：

Kc=f忆移G+c忆A移H式中：Kc———沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；

f忆———闸室基底面与地基之间的抗剪断摩擦系

取0.7；数，c忆———闸室基底面与岩石地基之间的抗剪断粘结力，kPa，取0.3；26山西水利3.1.1整体稳定安全标准移G———作用在闸室上的全部竖向荷载（包括扬移H———作用在闸室上的全部水平向荷载，kN。

故只对其考虑施工完建期不存在抗滑稳定问题，他工况进行计算：

不同荷载组合下顺水流方向计算抗滑稳定安全

系数如下：

基本组合：正常蓄水位计算值11.5，防洪高水位3.0；特殊组合：施工完建期计算值8.1，检修期计算值11.1，校核洪水位计算值5.3，均大于允许值2.5。不同荷载组合下垂直流方向计算抗滑稳定安全系数如下：

基本组合：正常蓄水位计算值18.4，防洪高水位3.0；特殊组合：施工完建期计算值56.2，检修期计算值计算值80.4，设计洪水位计算值80.5，均大于允许值计算值9.3，设计洪水位计算值11.5，均大于允许值

压力），kN；

抗滑移稳定计算

75.0，校核洪水位计算值106.8，均大于允许值2.5。

在天然地基由以上计算结果可知，各种工况下，

山西水利

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抗倾安全系数为所有荷载对进水塔底板下游边

线的抗倾力矩和倾覆力矩之比。计算公式如下：

K0=移M移M0

3.1.3

条件下进水塔抗滑稳定均满足要求。

抗倾覆稳定计算

要求。3.1.5

基底应力计算采用公式如下：

基底应力计算

max

Pmin=移G依移Mx依移MyAWxWy

式中：K0———抗倾覆稳定安全系数；

不同荷载组合下顺水流方向抗倾覆计算安全系

数如下：

基本组合：防洪高水位计算值5.32，设计洪水位

施工完建计算值5.33，均大于允许值1.3；特殊组合：期计算值7.21，检修期计算值4.70，校核洪水位计算值5.4，均大于允许值1.15。

不同荷载组合下垂直水流方向抗倾覆计算安全

系数如下：

基本组合：防洪高水位计算值4.37，设计洪水位计算值4.32，均大于允许值1.3；特殊组合：施工完建期计算值3.14，检修期计算值4.44，校核洪水位计算值4.42，均大于允许值1.15。

由以上计算结果可知，进水塔抗倾覆稳定满足要求。3.1.4

抗浮稳定计算

移M0———建基面上倾覆力矩总和，kN·m；

移Ms———建基面上稳定力矩总和，kN·m；

式中：移G冥冥作用在进水塔上的全部竖向荷载，kN；

A冥冥进水塔基底面的面积；—作用在进水塔上的全部竖向和水平向移Mx、移My——

荷载对于基础底面形心轴x、y的力

Wy、Wy冥冥进水塔基底面对于该底面形心轴x、y的

截面矩，m3。

不同荷载组合下荷载作用在进水塔身时最不利情况下基底应力计算成果见下表2。

表2

荷载组合

矩，kN·m；

进水塔基底应力计算成果表

最小基底应力最大基底应力

PminPmax

77103701307576

556532567623518562

单位：kPa

平均基

底应力317317318376297319

计算工况正常蓄水位

基本组合防洪高水位设计洪水位施工完建期

特殊组合检修期校核洪水位

抗浮稳定计算计算公式如下：

Kf=移V移U计算得基底最大应力为623kPa，小于地基承载力800耀1000kPa，最小应力为70kPa，无拉应力出现，满足要求。4

经计算，进根据地质条件，拟定进水塔结构尺寸，

抗倾覆稳定、抗浮稳水塔的整体稳定、抗滑移稳定、从而确定进水塔的结定、基底应力均满足规范要求，

构尺寸满足要求。

（1974-）［作者简介］王雅，女，1998年毕业于武汉水利电力大学水利水电建筑工程专业，高级工程师。

［收稿日期］2019-09-06；［修回日期］2019-10-17

式中：Kf———抗浮安全系数；

移V———建基面上垂直总和，kN；

结论

移U———建基面上扬压力总和，kN；

不同荷载组合计算安全系数如下：

基本组合：防洪高水位计算值4.85，设计洪水位

检修期计计算值4.86，均大于允许值1.1；特殊组合：1.05。

算值4.60，校核洪水位计算值4.87，均大于允许值

由以上计算结果可知，进水塔满足抗浮稳定

（上接第24页）停止打压，并进行全线检查分析，排除应立即停止故障后方可继续打压。若出现明显渗水，

卸压后且在安全条件下进行检修。打压，打开排水阀，6

打压结果

本项目严格按照拟定流程打压完成后，根据试压

7西范灌区东扩工程和井泵站DN1000PCCP水压

合理采取镇试验中，通过合理准确的受力计算分析，保证了高压力打压试验顺墩加宽及增加后靠背措施，

利完成，可为后续类似工程提供参考经验。

（1985-）［作者简介］刘婧，2010年毕业于太原理工大学水工程师。利水电工程专业，

［收稿日期］2019-09-18；［修回日期］2019-10-27

2019年11月结论过程记录数据进行计算，实测渗水量q越W*1000/（TL）

可=0.2L/min·km，远小于允许渗水量4.42L/min·km，判断本次水压试验合格。

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