李团部
摘 要：该文先分析了河畔水库工程的现状和除险加固必要性，之后阐述了塔式进水口设计任务和指导思想，最后详细分析了塔式进水口的设计要点和运行工况。旨在水利工程设计人员进水口设计中对设计方案进行进一步优化提供参考。
关键词：水库除险加固 塔式进水口 要点分析
中图分类号：TV222 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（c）-0039-02
新中国成立以来，我国在水库枢纽建设领域取得了巨大的成就，水库的兴建提高了下游的防洪安全，为农业的发展创造了条件，提高了河道通航条件，水力发电量也与日俱增，保障居民生产生活用水，水库枢纽带动了我国经济和社会的发展。大坝、溢洪道、放水洞通常称为水库三大件。
1 工程概况和除险加固必要性
河畔水库位于芦河支流东芦河上游，水库大坝位于靖边县杨米涧乡河畔村，距靖边县城46 km。水库是以防洪、拦沙为主的中型Ⅲ等水利枢纽，水库原设计总库容2 010万m3，水库工程由大坝和放水建筑物组成，大坝原设计为水坠均质土坝，泄水洞于1980年建成，位于大坝右岸，进口无控制设施，洞壁无任何衬砌，出口无消能设施。1999年7月原泄水洞中部塌方，阻断库水下泄，当年10月当地村委组织群众在原泄水洞塌方段右侧重新开了一条土质旁洞，其进出口段仍利用原泄水洞，暂时保证了库水下泄，但仍未对洞内断面进行衬砌。遂洞围岩为黄土状壤土，因长期的风化、水流冲刷和围岩压力作用使原断面不断塌落扩大，有时因土洞塌落而阻断下泄水流，威胁大坝安全，难以满足防洪泄水要求。为确保河畔水库大坝安全运行和下游库坝群的防洪安全，充分发挥水库的效益和科学管理水库，对水库除险加固十分必要。
2 塔式进水口设计任务和指导思想
从放水建筑物的塔式进水口曲线段到进水口末端与放水洞连接处止的设计，设计的内容包含设计参数选择、进水口总体布置、水力计算、细部构造设计、施工技术要求、工程量计算以及其他辅助设施的设计。
塔式进水口是建造不依靠岸坡的塔，常用于岸坡岩石较差，覆盖层较厚，不宜采用靠岸设进水口的情况。塔底设闸门，塔顶设操作平台和启闭机室，通过工作桥与坝顶或岸坡相连。塔身采用封闭式塔，水平断面采用圆形；封闭式塔可在不同的高程设进水口，可进行“分层取水”，圆形断面的受力条件较好，在实际工程中采用较多，根据该工程特点和地质条件，选用封闭式塔式进水口最合理。
3 塔式进水口设计要点和工况
根据该工程规模，按照水利水电枢纽工程等级划分及设计标准，河畔水库属中型水库三等工程，进水口为该工程之重要建筑，应按3级建筑物设计，次要建筑物级别为4级，临时建筑物按5级建筑物设计。洪水标准及相应流量见表1。
放水塔地基土表层有薄层全新统崩、坡积物，厚度2～3 m，下部为中更新统风洪积黄土状壤土（Q2 eol+pl），其承载力标准值fk=150～160 kPa，建议清除表层崩、坡积物及疏松黄土状壤土，基础置于中密的黄土状壤土上。
工作运行状况及分析：该放水建筑物进水口为塔式进水，放水塔底孔进口高程1 448.0 m，工作平台高程取1 469.0 m，承台高程1 446.8 m，塔高22.2 m；放水塔形状为圆形，内径3.0 m。考虑到水库的主要功能为拦泥，淤积面将逐年抬高，设三层进口和一个出口，进口孔口尺寸为1.2 m×1.2 m，三层进口之间间距为6 m，下层进口底部高程为1 448.0 m，中层进口底部高程为1 455.2 m，上层进口底部高程为1 462.4 m。在使用年限内，按淤积的不同程度，淤积面与上一层进口底齐平时，废弃下一层进口，在放水塔运行时，考虑到放水洞的过流要求，下一层进口运行时，应将相临上一层进口封堵，以免放水流量过大，破坏放水建筑物。
通过查库容曲线，考虑设计和校核情况下的洪水总量，计算出上、中、下层进口的设计和校核洪水位。采用公式Q=σSцenb[2g（HO-εe）]0.5计算设计和校核情况下各层进口最大水头时过流流量。见表2。
闸门泄水规模复核：闸门泄水规模按最不利情况下（最上层进水）30天泄完坝址以上流域设计三日总洪量的要求计算，坝址以上设计三日总洪量294万m3（河畔水库设计三日洪量），30天泄完。
平均每秒泄量=2 940 000/（30×24×60×60）=1.14 m3/s。
由于泄水的过程是一个逐渐变小的过程，经计算，放水塔泄水是流量随水位降低而变小的一个下凹曲线，故保守期间，取2倍的平均泄量为泄水规模：
Q泄水规模=2×1.14=2.28 m3/s，取3 m3/s。泄水规模小于设计洪水时上层进口的泄量，故进口尺寸满足泄水规模的要求。
放水能力按照闸孔出流水力计算公式计算，计算公式如为：
Q=μbe
闸门运行中，最大水头为11.52 m，出现在运用底孔时，上游淤积面达到中孔，遇校核洪水，此时开度0.3 m。考虑闸门安全运行，根据实际需要合理开启闸门，流量控制在3 m3/s以内，以免对放水建筑物造成破坏。
放水塔内径为3 m，故采用一些工程措施来减小水流对塔壁、塔底的破坏，措施是增大塔壁厚度为50 cm，增大保护层厚度为8 cm，取跌坑深度为1.2 m，承台厚1.5 m。
闸门启闭力计算：根据《水利水电工程钢闸门设计规范》选用公式如下。
闭门力计算公式：Fw=nT（Tzd+Tzs）-nGG+Pt；
啟门力计算公式：FQ=nT（Tzd+Tzs）+PZ+nGG+Gj+Ws。
经计算闭门力为13.51 T，启门力18.22 T，根据计算结果选用20 T手电两用螺杆式启闭机。
水库正常运行时塔外有水，塔身犹如壳体，承受了很大的浮托力，设计时应计算其浮托力，如果塔体自重小于浮托力，塔体将极为不稳定，故大多放水塔都在设计中有灌注桩基础，不但增加自重，而且具有一定的抗拔摩擦力。
放水塔刚建成或放空水库后塔外无水，塔身自重全部由地基承担，应计算其地基承载力，一般塔身坐落在放大基础承台上，如果承台计算尺寸过大，也可在承台下再增加灌注桩基础，以端承桩最好，如基岩埋藏太深，则应计算出摩擦桩的根数（灌注桩根数不少于3根）、直径和长度，以满足塔基安全稳定要求。
4 结语
根据目前已建成的水库，大部分放水建筑物进口应用的是塔式进水口。20世纪50、60年代建成的许多水库工程用的是卧管取水，取水不便，存在安全隐患，在水库除险加固中大多都改建成塔式进水口，提高了水库取水效率和安全性。
参考文献
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