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【摘要】黑河水利枢纽工程引水洞放水塔为高耸箱型钢筋混凝土悬臂结构。初设时为六层取水，施工阶段根据初设报告的批复，对分层取水进行了优化，采用三层取水，简化了结构，节省了投资，但也带来塔体稳定性的变化。本文就优化设计后塔体的稳定性进行了计算分析评价，并在此基础上提出了塔处理的措施。
【关键词】黑河；引水工程；放水塔；优化设计；安全评价
[文章编号]1619-2737（2016）01-30-610
1. 工程简况
黑河水利枢纽工程位于陕西省周至县城南约14Km的黑河峪口处。该工程是一项以西安市城市供水为主，兼有灌溉、发电和防洪等综合利用的大（Ⅱ）型水利枢纽工程。主要由粘土心墙砂砾石大坝，左岸泄洪洞，右岸溢洪洞、引水洞及坝后电站等组成。最大坝高127.5m，总库容2.0亿m3，建成后每年可向西安市提供城市用水3.05亿m3，提供农业用水1.23亿m3，多年平均发电量为7308万KW.h，具有显著的社会效益和经济效益。
引水洞位于大坝右岸，由进口引渠、放水塔、压力洞、工作弧门闸室、无压洞（含洞内消力池）、出口明渠等部分组成，全长792.96m。
引水洞放水塔位于大坝右岸上游，是分层取水引水系统的控制性建筑物，塔体设计为高耸箱型钢筋混凝土悬臂结构。塔顶高程600m，塔基高程508.3m，上部启闭机闸房高23m，塔体总高度114.7m，外缘尺寸9.5×18m，塔体的长细比达12.1，属细长的高耸建筑物，为目前我国同类型建筑物中最高的塔体之一。沿塔高设置三个取水孔，孔口底板高程分别为571.0m、554.0m、514.3m，各孔口尺寸均为3.5×3.5m，每孔均设平面钢闸门一扇。塔后设有工作桥，与岸边永久道路相接。放水塔塔体下部及基础为C30钢筋混凝土结构，放水塔上部与工作桥的排架、梁、板为C25钢筋混凝土结构。
根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》SL252-2000的有关规定，确定黑河水利枢纽工程为大（Ⅱ）型工程，引水洞作为其主要建筑物，建筑物等级为2级，抗震烈度按7度设防。
放水塔塔座及基础岩性为云母石英片岩（Se）、钙质石英岩（Qe）和绿泥石片岩（Sc）。其中塔基础置于厚层弱风化绿泥石片岩上，该片岩呈灰绿色，加有白色石英条带，完整性好，岩石强度较高，允许承载力[R]=2.0MPa，基础混凝土与岩石的摩擦系数（f）为0.65。F4断层穿过塔基础下的岩体，断层及裂隙置埋于塔基础底面以下约21～25m处。
2. 问题的提出
引水洞放水塔位于大坝右岸上游，该塔为引水系统进口控制建筑物，塔体为高耸箱型钢筋混凝土悬臂结构。初步设计时设计为六层取水，施工图阶段根据初设报告的批复精神，对分层取水进行了进一步的简化和优化，采用三层取水。主要考虑以下几方面的因素：
（1）城市用水主要考虑水温、浊度、浮游生物、溶解氧的分布情况，希望引用易处理、浊度低、浮游生物等杂质含量小的中层水。从目前西安市多水源引水的实际来看，黑河水库作为主要水源地，为了保证供水质量，减少水厂处理工作量，对其实行分层取水是很有必要的，但可考虑减少取水层数。根据水位变化情况，设三层取水，取水口的底板高程分别为571.0m、554.0m、514.3m。从水库运行情况来看，水库的调蓄最少一年一次，浮游生物、藻类不具备生长繁殖条件，所以采用表层、中层和深层三种分层法取水就足够了。另一方面，从水工建筑物的结构布置及运行管理方面看，减少了取水层数后，省去了中墩，改善了塔内的水流条件，减少了闸门、拦污栅及其启闭设备，给运行管理带来了方便，也使塔体结构趋于简单化，使工程设计更加合理、经济。
（2）经过优化后的引水洞放水塔，虽然满足了城市供水的取水要求，从节省投资，简化结构，便于管理等方面取得了较好的效果，但也带来了一定的问题，主要表现在塔体的稳定性安全系数由于塔体长细比的变化而减小，基础承载力在有地震力荷载工况，采用传统的结构力学方法计算，产生拉应力，且压应力较大不满足要求。
3. 塔体稳定及应力分析
3.1采用结构力学方法计算
3.1.1基本假定。
（1） 计算塔体顺水流和垂直水流两个方向的稳定应力分析；
（2） 计算滑动面仅考虑塔基底板与基岩接触面之间的滑动面；
（3） 岸坡岩体经加固处理后已处于稳定状态，对塔体无荷载作用；
（4） 塔体内水体重量的水柱高度取相应库水位时的水柱高，忽略水位差引起的水柱高度变化；
（5） 扬压力计算从基底算起；
（6） 浪压力经计算很小，所以忽略不计；
（7） 风压力按600、594、520m以上荷载分别计算。
3.1.2计算工况。
（1） 库水位处于死水位520 m，闸门关闭；
（2） 库水位处于正常蓄水位594 m，闸门关闭；
（3） 库水位处于正常蓄水位594 m，闸门开启；
（4） 地震情况下，库水位处于正常蓄水位594 m，闸门关闭；
（5） 地震情况下，库水位处于正常蓄水位594 m，闸门开启。
3.1.3计算结果。
计算结果如表1。
由表1可以看出，在工况4和工况5，基础面出现了0.955～1.644MPa的拉应力，而且基础的压应力值也较大，不满足要求。考虑到传统的结构力学方法计算的局限性，采用三维有限元分析计算。
3.2三维有限元计算。
由于塔体为高耸的箱型悬臂结构体型，受力状态复杂，采用结构力学方法进行结构分析时，简化了体型，难以准确反映塔体的真实受力状态，其计算结果只能近似反映塔体的受力特性。为此我们采用三维有限元法对引水洞塔体结构进行了分析计算，有限元计算所建立的力学模型，节点总数和单元总数分别为6148和4350个，能较好地模拟结构体型、边界条件等，从而保证了计算结果的正确性和可靠性。三维有限元计算考虑了塔基回填混凝土的嵌固作用，比较接近真实的塔体受力。计算结果基础底面全部处于受压状态，无拉应力出现，各种工况最大应力差别不大，其中最大主压应力为1.34MPa，最大法向压应力为1.98MPa。塔顶最大（600m高程）位移2.488cm，出现在特殊荷载组合的工况4。
4. 加固措施
引水洞放水塔塔体结构复杂，采用多种方法多种运行工况进行了分析计算，实际施工过程中，针对计算所显示的薄弱环节，进行了特殊处理。主要采取了以下方法对塔基进行了加固：
（1） 塔基加深。初步设计时设计塔基厚度为3m，本次设计加深至6m，使塔基完全置于较坚硬的绿泥石片岩层上。
（2） 对塔基下岩石，进行固结灌浆，固结灌浆的深度为10m。以提高基础的承载能力。
（3） 对塔基下的F4断层进行了可灌性试验，并对其在承载前后的变形情况进行了分析计算，确认在塔体作用后F4变形很小。
（4） 对塔前沿进行了预应力锚杆加固处理，防止水库蓄水后塔体前沿失稳。
（5） 540m高程以下，塔体与进口坡面围岩均采用C15混凝土回填，回填混凝土与坡面岩体间进行固结灌浆和接触灌浆，以保证混凝土与岩体结合紧密。回填混凝土与塔体间的衔接是采用在塔体540m高程以下设键槽，布设接触灌浆管。目的是通过接触灌浆使塔体与回填混凝土协调受力，并将塔体的力有效地传递给回填混凝土和岸坡岩体，以使塔基受力均匀，满足地震情况下的受力要求。
（6） 塔体540m以下回填混凝土为结构承受动力荷载提供了有效的措施。
5. 结语
引水洞放水塔是一座规模较大，结构复杂的重要建筑物，是城市供水和农田灌溉引水系统的控制性建筑物，其结构的安全可靠性对工程能否正常运行其着关键的作用，通过以上分析计算和采取的加固处理措施，完全能够使塔体安全运行。
【关键词】黑河；引水工程；放水塔；优化设计；安全评价
[文章编号]1619-2737（2016）01-30-610
1. 工程简况
黑河水利枢纽工程位于陕西省周至县城南约14Km的黑河峪口处。该工程是一项以西安市城市供水为主，兼有灌溉、发电和防洪等综合利用的大（Ⅱ）型水利枢纽工程。主要由粘土心墙砂砾石大坝，左岸泄洪洞，右岸溢洪洞、引水洞及坝后电站等组成。最大坝高127.5m，总库容2.0亿m3，建成后每年可向西安市提供城市用水3.05亿m3，提供农业用水1.23亿m3，多年平均发电量为7308万KW.h，具有显著的社会效益和经济效益。
引水洞位于大坝右岸，由进口引渠、放水塔、压力洞、工作弧门闸室、无压洞（含洞内消力池）、出口明渠等部分组成，全长792.96m。
引水洞放水塔位于大坝右岸上游，是分层取水引水系统的控制性建筑物，塔体设计为高耸箱型钢筋混凝土悬臂结构。塔顶高程600m，塔基高程508.3m，上部启闭机闸房高23m，塔体总高度114.7m，外缘尺寸9.5×18m，塔体的长细比达12.1，属细长的高耸建筑物，为目前我国同类型建筑物中最高的塔体之一。沿塔高设置三个取水孔，孔口底板高程分别为571.0m、554.0m、514.3m，各孔口尺寸均为3.5×3.5m，每孔均设平面钢闸门一扇。塔后设有工作桥，与岸边永久道路相接。放水塔塔体下部及基础为C30钢筋混凝土结构，放水塔上部与工作桥的排架、梁、板为C25钢筋混凝土结构。
根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》SL252-2000的有关规定，确定黑河水利枢纽工程为大（Ⅱ）型工程，引水洞作为其主要建筑物，建筑物等级为2级，抗震烈度按7度设防。
放水塔塔座及基础岩性为云母石英片岩（Se）、钙质石英岩（Qe）和绿泥石片岩（Sc）。其中塔基础置于厚层弱风化绿泥石片岩上，该片岩呈灰绿色，加有白色石英条带，完整性好，岩石强度较高，允许承载力[R]=2.0MPa，基础混凝土与岩石的摩擦系数（f）为0.65。F4断层穿过塔基础下的岩体，断层及裂隙置埋于塔基础底面以下约21～25m处。
2. 问题的提出
引水洞放水塔位于大坝右岸上游，该塔为引水系统进口控制建筑物，塔体为高耸箱型钢筋混凝土悬臂结构。初步设计时设计为六层取水，施工图阶段根据初设报告的批复精神，对分层取水进行了进一步的简化和优化，采用三层取水。主要考虑以下几方面的因素：
（1）城市用水主要考虑水温、浊度、浮游生物、溶解氧的分布情况，希望引用易处理、浊度低、浮游生物等杂质含量小的中层水。从目前西安市多水源引水的实际来看，黑河水库作为主要水源地，为了保证供水质量，减少水厂处理工作量，对其实行分层取水是很有必要的，但可考虑减少取水层数。根据水位变化情况，设三层取水，取水口的底板高程分别为571.0m、554.0m、514.3m。从水库运行情况来看，水库的调蓄最少一年一次，浮游生物、藻类不具备生长繁殖条件，所以采用表层、中层和深层三种分层法取水就足够了。另一方面，从水工建筑物的结构布置及运行管理方面看，减少了取水层数后，省去了中墩，改善了塔内的水流条件，减少了闸门、拦污栅及其启闭设备，给运行管理带来了方便，也使塔体结构趋于简单化，使工程设计更加合理、经济。
（2）经过优化后的引水洞放水塔，虽然满足了城市供水的取水要求，从节省投资，简化结构，便于管理等方面取得了较好的效果，但也带来了一定的问题，主要表现在塔体的稳定性安全系数由于塔体长细比的变化而减小，基础承载力在有地震力荷载工况，采用传统的结构力学方法计算，产生拉应力，且压应力较大不满足要求。
3. 塔体稳定及应力分析
3.1采用结构力学方法计算
3.1.1基本假定。
（1） 计算塔体顺水流和垂直水流两个方向的稳定应力分析；
（2） 计算滑动面仅考虑塔基底板与基岩接触面之间的滑动面；
（3） 岸坡岩体经加固处理后已处于稳定状态，对塔体无荷载作用；
（4） 塔体内水体重量的水柱高度取相应库水位时的水柱高，忽略水位差引起的水柱高度变化；
（5） 扬压力计算从基底算起；
（6） 浪压力经计算很小，所以忽略不计；
（7） 风压力按600、594、520m以上荷载分别计算。
3.1.2计算工况。
（1） 库水位处于死水位520 m，闸门关闭；
（2） 库水位处于正常蓄水位594 m，闸门关闭；
（3） 库水位处于正常蓄水位594 m，闸门开启；
（4） 地震情况下，库水位处于正常蓄水位594 m，闸门关闭；
（5） 地震情况下，库水位处于正常蓄水位594 m，闸门开启。
3.1.3计算结果。
计算结果如表1。
由表1可以看出，在工况4和工况5，基础面出现了0.955～1.644MPa的拉应力，而且基础的压应力值也较大，不满足要求。考虑到传统的结构力学方法计算的局限性，采用三维有限元分析计算。
3.2三维有限元计算。
由于塔体为高耸的箱型悬臂结构体型，受力状态复杂，采用结构力学方法进行结构分析时，简化了体型，难以准确反映塔体的真实受力状态，其计算结果只能近似反映塔体的受力特性。为此我们采用三维有限元法对引水洞塔体结构进行了分析计算，有限元计算所建立的力学模型，节点总数和单元总数分别为6148和4350个，能较好地模拟结构体型、边界条件等，从而保证了计算结果的正确性和可靠性。三维有限元计算考虑了塔基回填混凝土的嵌固作用，比较接近真实的塔体受力。计算结果基础底面全部处于受压状态，无拉应力出现，各种工况最大应力差别不大，其中最大主压应力为1.34MPa，最大法向压应力为1.98MPa。塔顶最大（600m高程）位移2.488cm，出现在特殊荷载组合的工况4。
4. 加固措施
引水洞放水塔塔体结构复杂，采用多种方法多种运行工况进行了分析计算，实际施工过程中，针对计算所显示的薄弱环节，进行了特殊处理。主要采取了以下方法对塔基进行了加固：
（1） 塔基加深。初步设计时设计塔基厚度为3m，本次设计加深至6m，使塔基完全置于较坚硬的绿泥石片岩层上。
（2） 对塔基下岩石，进行固结灌浆，固结灌浆的深度为10m。以提高基础的承载能力。
（3） 对塔基下的F4断层进行了可灌性试验，并对其在承载前后的变形情况进行了分析计算，确认在塔体作用后F4变形很小。
（4） 对塔前沿进行了预应力锚杆加固处理，防止水库蓄水后塔体前沿失稳。
（5） 540m高程以下，塔体与进口坡面围岩均采用C15混凝土回填，回填混凝土与坡面岩体间进行固结灌浆和接触灌浆，以保证混凝土与岩体结合紧密。回填混凝土与塔体间的衔接是采用在塔体540m高程以下设键槽，布设接触灌浆管。目的是通过接触灌浆使塔体与回填混凝土协调受力，并将塔体的力有效地传递给回填混凝土和岸坡岩体，以使塔基受力均匀，满足地震情况下的受力要求。
（6） 塔体540m以下回填混凝土为结构承受动力荷载提供了有效的措施。
5. 结语
引水洞放水塔是一座规模较大，结构复杂的重要建筑物，是城市供水和农田灌溉引水系统的控制性建筑物，其结构的安全可靠性对工程能否正常运行其着关键的作用，通过以上分析计算和采取的加固处理措施，完全能够使塔体安全运行。