刘杰 张静(水 工 设 计 处)

〔摘要〕小浪底南岸引水工程进水塔结构复杂，本文分析了进水塔的整体稳定性和浅层抗滑稳定，计算结果表明：进水塔在设计水位及7度地震作用下，抗浮、抗滑、抗倾和地基承载力均满足设计要求，浅层抗滑稳定亦满足要求。

〔关键词〕进水塔 稳定 抗倾 地基应力

1 进水塔体型布置

    小浪底南岸引水工程进水塔为深式岸塔式进水口。进口采用分级取水的方式，三级取水口底坎高程分别为240m、246m、252m。进水塔内设有拦污栅、检修闸门、事故闸门。塔体总长33.0m、底宽15.0m(在高程253m以上收缩为12.0m)、总高51.0m。

    进水塔253m高程以下左右侧及下游侧开挖边坡为1：0.4，考虑稳定的需要，在进水塔左右侧及下游侧回填混凝土至253.0m高程，使进水塔边墙紧靠山体。进水塔布置图见图1。

2 进水口工程地质条件

    进水口施工开挖揭露的地层为二迭系上统上石盒子组P₂^3-2～P₂^3-6岩组，整个进水口场地宏观表现为暗紫红色粉砂质粘土岩与黄绿色砂岩呈互层状，地层为单斜构造产状：走向NE35°～45°、倾向SE，倾角5°～7°。

    进水塔基础为黄绿色泥钙质、钙硅质细砂岩P₂^3-2岩组。

    进水口场地施工开挖仅揭露两条小断层f₅¹、f₅²，均发育在进水塔塔后山体边坡上，由于其规模很小，对塔后边坡稳定影响不大。

    进水塔在设计基准期(100年)内，在任何设计工况下，应满足设计要求，能正常运用。在遭遇设计地震作用时，进水塔能够抗御或如有局部损坏，经一般处理后，仍可正常运用。

    采用常规的刚体极限平衡理论方法对进水塔进行整体稳定分析，以确定结构的轮廓尺寸及稳定安全度。进水塔整体稳定分析包括抗浮、抗滑、抗倾及地基应力计算。

    根据计算方法的不同，塔体稳定性标准也不同。参考混凝土重力坝设计规范（SDJ21-78）、水工建筑物抗震设计规范、建筑物地基基础设计规范，综合考虑确定了本工程的稳定分析准则，见表3-1。

表3-1 进水塔稳定及地基应力安全系数标准

3.3 设计基本参数

(1) 工程等别及建筑物级别

    按照SL252—2000规范，该水利水电枢纽工程划分为大（2）型引水工程，工程等别为Ⅱ等。进水塔为主要建筑物，建筑物级别为2级。

    考虑进水塔位于小浪底库区内，其安全运用完全受小浪底水库的制约，一旦发生失事的情况，虽然对下游不会造成生命财产威胁，但不具备进水塔的修复条件，且影响小浪底水库的正常运用。同时南岸进水塔地质条件比较复杂，基础设计参数。

    不易准确确定，按其重要性，施工图阶段对进水塔稳定性按2级建筑物设计，控制工况按1级建筑物复核。

(2) 岩体物理力学指标

    计算采用的岩体物理力学指标值如下：

岩体(塔基P₂^3-2岩组)综合抗剪强度： f=0.4 c=0.3MPa；

泥化夹层抗剪强度 天然： f=0.23 c=0.005MPa；

    饱和： f=0.2 c=0.005MPa；

塔基与层面间摩擦系数f=0.5；

基岩弹性抗力系数K=7.0 MPa/cm；

岩石湿容重为25.0 kN /m³，饱和容重为27.0 kN /m³。

(3) 设计水位及水容重

    设计洪水位 （P=0.1％） 274m；浑水容重γ=10.55kN/m³

    校核洪水位 （P=0.01％） 275m；浑水容重γ=10.33kN/m³

    正常高水位 275m；清水容重γ=10.0kN/m³

(4) 地震设防标准

    小浪底坝址区的地震基本烈度划定为7度，本工程主要建筑物按7度地震设防。

    根据小浪底工程的区域构造稳定分析，小浪底水库具备发生水库诱发地震的条件。南岸引水口工程在小浪底工程的区域范围内，进水塔作为南岸工程的咽喉，对枢纽抗震安全性的影响更为突出。要求进水塔的稳定分析按水平加速度为0.1g设计，按0.215g进行复核。

(5) 混凝土

    混凝土强度等级：260m高程以下采用C25，260m高程以上采用C20；

    钢筋混凝土容重γ=25.0kN/m³

3.4 计算工况

    进水塔整体稳定分析计算了抗浮稳定、抗滑稳定(包括沿塔基面抗滑稳定和沿基岩层面浅层抗滑稳定)、抗倾稳定及基底应力。当有地震荷载作用、稳定不满足要求时，考虑侧向山体抗力。

    考虑了两种组合，8种计算工况，见表3-2。

表3-2 进水塔整体稳定计算工况及荷载组合表

3.5 计算成果及分析

    经计算抗浮稳定满足设计要求、各工况下抗滑稳定、地基应力也满足要求。抗倾稳定：顺水流方向满足要求。垂直水流方向稳定计算成果见表3-3。

表3-3 垂直流向稳定计算成果汇总

*注：表中括号内数字为考虑弹性抗力情况下的计算结果,负号为地基拉应力。

    从表中看出：正常蓄水位关检修门遇地震（0.215g）对右侧抗倾安全系数1.11，正常蓄水位关工作门遇地震（0.215g）对右侧抗倾安全系数1.14，因此，垂直水流向在地震（0.215g）的情况下，抗倾稳定安全系数不满足要求，其余均满足设计要求。但是实际塔体边界在塔左右侧237～253m高程与山体相靠，山体的弹性抗力对抗倾稳定有一定的安全储备，如考虑弹性抗力作用后抗倾稳定安全系数均有所提高，分别为1.20、1.23。综上所述，在考虑塔侧弹性抗力情况下，塔体抗倾稳定安全系数满足设计要求。

4 进水塔浅层抗滑稳定计算

4.1 计算情况

    位于进水塔P₂^3-2岩层中的泥化夹层有四层，其中在塔后坡面出露有三层，高程分别为232.5m、231.4m和230.2m。由于进水塔进口为龙抬头的型式，塔基前半部分座在泥化夹层之上，距离建基面5～7m。考虑泥化夹层230.2m层位于P₂^3-2岩层中下部，该层泥化率和连续率均较高，对进水塔浅层抗滑稳定起控制作用。塔基以下沿泥化夹层假定在塔基前缘按60°、45°、30°切岩层滑出。

    设计参数见第3.3节。

4.2 计算工况

    浅层抗滑稳定按表3-2中6种计算工况进行计算，即工况2、工况3、工况5、工况6、工况7和工况8等。

4.3 计算成果及其分析

    计算成果见表4-1。

    表4-1 浅层滑动稳定计算成果表

    由上述计算结果可知，向上游的三个浅层滑出点以45°滑出面安全系数偏小，相对比较为最危险，但抗滑稳定安全系数都满足设计要求，均未构成向上游的浅层滑动，认为浅层抗滑稳定满足要求。

5 结论

    小浪底南岸引水进水塔于2001年12月施工完毕，已经受了施工期和初期运用的考验，在设计水位及7度地震作用下，抗浮、抗滑、抗倾、地基承载力和浅层抗滑稳定均满足规范标准要求。

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