深溪溝水電站泄洪閘預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計

石太軍，楊德超

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，四川成都 610072)

1 工程概況

深溪溝水電站位于四川省大渡河中游漢源縣和甘洛縣接壤處，為大渡河干流規(guī)劃的第十八級電站，電站的主要任務(wù)為發(fā)電，兼有對瀑布溝水電站調(diào)峰下泄流量過程進(jìn)行反調(diào)節(jié)要求。水庫正常蓄水位660.00m，相應(yīng)庫容3 227萬 m3，調(diào)節(jié)庫容787萬m3，最大水頭38.60m，引用流量2 619m3/s，電站裝機容量660MW，年發(fā)電量32.35億kW·h，枯期電量9.18億kW·h，設(shè)計枯水年枯水期平均出力253MW，為河床式電站，工程等別為二等工程，樞紐主要建筑物按2級設(shè)計。

樞紐主要建筑物由1孔排污閘、3孔泄洪閘、河床式廠房、2條泄洪沖沙洞(與導(dǎo)流洞全結(jié)合)及右岸擋水壩段組成。壩頂高程662.50m，壩頂全長223.0m，擋水壩采用混凝土閘壩，最大閘高54.5m，正常蓄水位為660.00m，工作弧門擋水高度40.0m。3孔泄洪閘和1孔排污閘為一閘室單元，底板垂直于水流向?qū)?1.5m，順?biāo)鞣较蜷L65.0m，底板厚7m。泄洪閘為胸墻式平底板寬頂堰，底板高程620.00m，孔口尺寸為7.0m ×17.0 m(寬 × 高)，中墩厚5.0m，邊墩厚4.0m。

深溪溝水電站泄洪閘在正常擋水工況時，上游水位為660.00 m，一臺機正常發(fā)電時，下游水位為620.85 m，此時上下游水位差最大，工作弧門將對泄洪閘閘墩牛腿產(chǎn)生2×30 250kN的推力，弧門支鉸單側(cè)推力為30 250kN。深溪溝水電站泄洪閘工作弧門總水推力噸位目前在中國水電工程中位列前茅(見表1)。由于工作弧門總水推力巨大，所以泄洪閘閘墩必須采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

表1 部分國內(nèi)水電站弧門總推力統(tǒng)計

2 預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了方便施工，泄洪閘預(yù)應(yīng)力閘墩與錨塊的連接形式采用簡單式結(jié)構(gòu)，主錨索在閘墩平面綜合平行、彎曲、交叉、傾斜等布置方式的利弊，考慮施工條件，采用平行布置(見圖1～3，單位mm)，主錨索在閘墩立面上采用輻射狀布置，共設(shè)5層，總擴散角為18°，相鄰兩層主錨索擴散角為4.5°，預(yù)應(yīng)力主錨索合力作用線通過弧門支鉸中心，方向與弧門支鉸推力相反。泄洪閘中墩每層布置4排主錨索，邊墩每層布置3排主錨索。主錨索通過不同拉錨系數(shù)(預(yù)應(yīng)力總永存噸位與弧門總水推力比值)的比選，最終確定拉錨系數(shù)為1.8。主錨索采用OVM15－42錨固體系，單束主錨索由42根高強度、低松弛無粘結(jié)鋼絞線(7φ5)組成，強度標(biāo)準(zhǔn)值1 860MPa，公稱直徑15.24mm，單束設(shè)計張拉噸位為6 640kN，超張拉噸位為7 304kN，永存噸位為5 445kN，預(yù)應(yīng)力損失為18%。

圖1 泄洪閘中墩錨索立面布置示意

主錨索上游錨固端在弧門下游側(cè)閘墩內(nèi)的預(yù)留平孔內(nèi)，預(yù)留平孔沿閘墩高程方向布置5層，預(yù)留平孔直徑1.5m，可通過預(yù)留平孔進(jìn)行主錨索的安裝、張拉，預(yù)留平孔在主錨索施工完成后用同強度微膨脹混凝土回填，并進(jìn)行回填灌漿。

圖2 泄洪閘中墩錨索平面布置示意

圖3 泄洪閘邊墩錨索平面布置

錨塊在受到弧門水推力和主錨索張拉力的作用下，在垂直主錨索方向會出現(xiàn)較大范圍和較大量值的次生拉應(yīng)力，為抵消該部分次生拉應(yīng)力對錨塊結(jié)構(gòu)的不利影響，改善其應(yīng)力狀態(tài)，在錨塊里布置了一定數(shù)量的水平次錨索，次錨索分3排在垂直弧門推力方向共布置了12束，每排均布置4束，每束布置在相鄰兩層主錨索中間，次錨索的錨固端在錨塊的外側(cè)，待錨索張拉完畢后用二期混凝土封閉。次錨索采用OVM15－15錨固體系，單束次錨索由15根高強度、低松弛無粘結(jié)鋼絞線(7φ5)組成，強度標(biāo)準(zhǔn)值1 860MPa，公稱直徑15.24mm，單束設(shè)計張拉噸位為2 325kN，超張拉噸位為2 555kN，永存噸位為1 905kN，預(yù)應(yīng)力損失為18%。

預(yù)應(yīng)力閘墩混凝土分區(qū):預(yù)應(yīng)力錨塊采用C45混凝土，閘墩采用C30混凝土。

3 三維有限元計算分析

根據(jù)現(xiàn)有工程經(jīng)驗表明:深溪溝水電站泄洪閘壩段中的閘墩具有中孔的工作水頭、表孔的孔口尺寸的結(jié)構(gòu)特點，因此，對閘墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和變形性態(tài)了解與把握已經(jīng)成為整個泄洪閘壩段結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。為對泄洪閘壩段的中墩、邊墩等結(jié)構(gòu)進(jìn)行較為全面的應(yīng)力變形分析，在確保結(jié)構(gòu)安全的前提下，對閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，合理確定泄洪閘壩段結(jié)構(gòu)體型與尺寸、布置預(yù)應(yīng)力錨索體系、選擇錨塊尺寸與型式、評價閘墩預(yù)應(yīng)力效果、確定主錨索拉系數(shù)和保證工作弧門正常啟閉等關(guān)鍵設(shè)計要素，我們進(jìn)行了三維有限元分析計算，計算模型范圍為3孔泄洪閘和1孔排污閘，模型中包括了兩個邊墩和兩個中墩。計算工況有施工完建期、運行期、檢修期、運行期+地震等，其中運行期、檢修期中包含了3孔泄洪閘各閘孔的工作閘門、檢修閘門的啟閉組合。

3.1 靜力計算成果

3.1.1 位移計算成果

(1)閘墩沿壩軸線水平位移。當(dāng)閘墩兩邊為對稱荷載工況時，所引起沿壩軸線向水平位移相互抵消了，所以沿壩軸線位移一般只有1－2mm。當(dāng)閘墩兩側(cè)弧門一開一關(guān)時，為閘墩兩側(cè)受力不對稱工況，所以閘墩頂部沿壩軸線方向的水平位移較大，在閘墩各計算工況中最大達(dá)到4.886mm。

(2)閘墩沿水流方向水平位移。閘墩各計算工況中，沿水流方向水平位移達(dá)到最大值3.219mm，閘墩整體位移較小，各部位均未超過4mm，較為安全。

(3)閘墩垂直位移。閘墩各垂直位移主要由其自身混凝土重力引起，整體看來，各種工況下最大位移發(fā)生在閘墩尾部，均在4mm左右。

(4)錨塊位移。主錨索預(yù)應(yīng)力和弧門推力沿水流方向分力是引起錨塊沿主錨索向位移的主要原因。運行工況中，弧門推力都較大，部分抵消了主錨預(yù)應(yīng)力，出現(xiàn)了沿錨索正向位移，且在施加推力作用點的錨塊頸部正向位移最大。左中墩錨塊沿弧門推力沿水流方向不均勻變形最大，為4.718mm。

弧門推力、次錨預(yù)應(yīng)力、側(cè)水壓力是引起閘墩錨塊沿壩軸線方向位移的主要因素?；￠T一側(cè)開啟一側(cè)關(guān)閉工況，兩側(cè)弧門支座受力不對稱，在錨塊部位，有較大的弧門推力作用，但在弧門后段，開門側(cè)有側(cè)水壓力且較大，故錨塊向關(guān)門側(cè)位移較大。左邊墩錨塊沿壩軸線方向不均勻變形最大，為3.725mm。

3.1.2 應(yīng)力計算成果

(1)閘墩順?biāo)飨蛘龖?yīng)力。兩個邊墩頸部邊緣由于預(yù)應(yīng)力錨索拉應(yīng)力的作用產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，施工期峰值達(dá)到5.275MPa，運行期工況中左中墩拉應(yīng)力峰值達(dá)到6.388MPa，但其影響范圍都很小，不超過其峰值周邊0.5m，閘墩整體拉應(yīng)力值均在抗拉強度設(shè)計值之內(nèi)。

(2)閘墩整體垂直向正應(yīng)力。豎向拉應(yīng)力峰值仍然是出現(xiàn)在頸部與錨塊相交處，閘墩左側(cè)邊墻，胸墻和閘墩交界處為高應(yīng)力區(qū)，但范圍都很小。

(3)閘墩整體沿壩軸線方向正應(yīng)力。沿壩軸線方向正應(yīng)力拉應(yīng)力高峰主要集中在閘墩尾部、底板尾部流道、平孔周邊和胸墻尾部。運行期邊墩最大拉應(yīng)力峰值為5.987MPa，發(fā)生在平孔周邊，但影響范圍極小，中墩由于左右兩邊水壓力的平衡作用，沿壩軸線方向拉應(yīng)力較小，閘墩整體拉應(yīng)力均在抗拉強度設(shè)計值之內(nèi)。

(4)預(yù)應(yīng)力錨塊應(yīng)力。對閘墩錨塊而言，在弧門推力作用下，最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在錨塊伸出段的安裝支座部位。拉應(yīng)力方向主要沿主錨方向，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在鋼錨頭與錨塊接觸部位沿主錨方向，峰值達(dá)到4.587 MPa，影響范圍在周邊0.5m范圍之內(nèi)。

(5)預(yù)留平孔周邊應(yīng)力。預(yù)留孔周邊及孔口附近應(yīng)力分布具有明顯的局部特性。其分布特點為:在預(yù)應(yīng)力錨頭接觸部位，有較大的壓應(yīng)力;在周邊有較大的拉應(yīng)力。由于預(yù)留孔周邊應(yīng)力主要是由主錨索拉應(yīng)力噸位決定，故各墩在其不同運行工況下，應(yīng)力相差很小。

(6)閘墩頸部應(yīng)力。閘墩頸部峰值主要出現(xiàn)在與錨塊相交邊緣和與錨塊牛腿交接處，主要還是由于錨索預(yù)應(yīng)力和弧門推力引起，運行期由于弧門推力不對稱，峰值達(dá)到6.832 MPa，高拉應(yīng)力區(qū)影響范圍較小，作用較淺，從邊緣向內(nèi)影響不超過0.5m。

3.1.3 靜力計算結(jié)論

(1)各工況組合條件下，泄洪閘結(jié)構(gòu)的位移和相對變形量級較小，均出現(xiàn)在各墩的尾部，結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)?shù)膭偠取?/p>

(2)在各工況組合條件下，混凝土結(jié)構(gòu)大多數(shù)部位拉應(yīng)力未超過相應(yīng)混凝土材料的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值。

(3)由于弧門推力作用，混凝土錨塊的頸部、閘墩立面上出現(xiàn)了局部、淺表層的拉應(yīng)力，其拉應(yīng)力值超過了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值。

(4)主錨預(yù)留平孔的混凝土除環(huán)向拉應(yīng)力較大外，在錨頭作用部位有徑向和沿閘墩厚度方向的拉應(yīng)力。環(huán)向拉應(yīng)力和徑向拉應(yīng)力由結(jié)構(gòu)配筋解決。沿閘墩厚度方向的拉應(yīng)力應(yīng)由錨頭的環(huán)向鋼筋和錨頭的鋼墊塊承擔(dān)。

3.2 地震作用計算成果

(1)沿壩軸線方向地震作用對閘墩和錨塊位移影響明顯，尤其是沿壩軸線水平位移和不均勻變形有很大幅度增大，一般峰值在20～30mm，但閘墩和錨塊的相對位移較小。

(2)地震作用下，閘墩應(yīng)力分布有所改變，在閘墩尾部下方產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，混凝土與錨塊的頸部，胸墻尾部，底板流道尾部峰值應(yīng)力由于地震作用有所增大，但仍然影響范圍較小。

4 結(jié) 論

深溪溝水電站泄洪閘工作弧門水推力巨大，閘墩必須采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力閘墩與錨塊的連接形式采用簡單式結(jié)構(gòu)，主錨索在閘墩平面上采用平行布置，在施工時簡單可靠，有利于施工質(zhì)量的控制，加快了施工進(jìn)度，為深溪溝水電站提前發(fā)電創(chuàng)造了有利條件。同時通過三維有限元計算分析也驗證了其布置的合理性和可靠性。

目前深溪溝水電站已投產(chǎn)發(fā)電。泄洪閘運行正常，錨索監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，泄洪閘閘墩和錨塊沒有出現(xiàn)裂縫等不良現(xiàn)象。