大藤峽水利工程泄水閘高孔預應力閘墩設(shè)計

唐振華，周榮磊，陳 良

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林長春130021;2.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責任公司，廣西桂平537200）

1 工程概況

大藤峽工程位于珠江流域紅水河下游黔江至潯江河段的大藤峽峽谷末端，樞紐工程建設(shè)任務(wù)主要以防洪、航運、發(fā)電等功能為主。樞紐建筑物主要由右岸擋水重力壩、左右岸發(fā)電廠房、混凝土閘壩、左岸船閘壩段、左岸擋水副壩（土石壩）、南木江副壩（土石壩）、黔江魚道和南木江魚道組成，主要建筑物級別為1 級。

樞紐工程泄水閘布置在主河床偏左岸，共26孔泄水閘泄水高孔堰型為開敞式實用堰，閘孔凈寬14.00 m；左岸高孔邊墩厚度分別為12.30 m和4.00 m，右岸高孔邊墩厚度分別為12.80 m和4.00 m，壩段長30.30 m（左岸）和30.80 m（右岸），閘墩長均為67.00 m。

大藤峽水利樞紐工程正常蓄水位61.00 m，泄水閘高孔弧門全部關(guān)閉時啟門瞬間的錨塊單側(cè)推力標準值為31000 kN，水推力方向與水平方向夾角為7.817°。在弧門推力作用下，閘門支撐體（錨塊）上游閘墩立面拉應力區(qū)面積較大。由于工作閘門總推力巨大，類比工程經(jīng)驗并結(jié)合相關(guān)規(guī)程規(guī)范，該工程泄水高孔弧門支承結(jié)構(gòu)采用預應力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2 泄水閘高孔預應力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計

預應力錨索布置型式較多，根據(jù)閘墩結(jié)構(gòu)的布置、施工難易程度及預應力損失等各種因素，參考國內(nèi)外其他大推力預應力閘墩設(shè)計情況，通過對預應力錨索在閘墩立面上采用放射狀和平行布置、平面上平行和交叉布置等方案進行分析比較，該工程泄水閘高孔預應力閘墩錨索采用立面上放射狀設(shè)置、平面上平行排列的布置方式。

泄水閘高孔預應力閘墩主錨索在立面上布設(shè)5 層，采用長短相間、“上二下三”的布置方式，相鄰錨索層間夾角為4°，群錨體系合力作用線平行于弧門推力作用線。為簡化施工，主錨索設(shè)計采用后張法施工，在閘墩立面上共預留直徑1.50 m 的5層施工平洞，閘墩施工期可通過預留平洞進行錨索上游錨固端墊板、錨具及張拉設(shè)備的安裝、施工張拉操作。主錨索施工完成且具備封錨條件后采用混凝土回填并灌漿。泄水閘高孔預應力閘墩平面上靠流道側(cè)每層布置3 束主錨索，并在2～4 層臨結(jié)構(gòu)分縫側(cè)設(shè)置1 束平衡錨索，共計18 束。通過調(diào)整主錨索拉錨系數(shù)控制閘墩結(jié)構(gòu)應力，確定主錨索永存張拉力應大于4600 kN。結(jié)合工程合理使用年限及材料特性，選定設(shè)計張拉力5600 kN。結(jié)合相關(guān)規(guī)程規(guī)范及工程經(jīng)驗，考慮錨索施工過程中進行一定程度的超張拉，通過現(xiàn)場錨索張拉試驗，最終確定錨索超張拉力為6100 kN。

次錨索在錨塊范圍內(nèi)沿弧門K3 組錨索方向平行布置3 排，每排布置4 束，共12 束。其中第一排與第二排靠近上游側(cè)，排距1.0 m。第三排布置于錨塊下游側(cè)。參考主錨索的分析計算過程，單根次錨索永存張拉力應大于2300 kN，經(jīng)計算設(shè)計張拉力采用2800 kN，通過現(xiàn)場張拉試驗，確定超張拉力采用3100 kN。

3 預應力閘墩三維有限元分析

預應力鋼筋混凝土閘墩結(jié)構(gòu)受力情況特別復雜，對結(jié)構(gòu)應力分布情況的把握是泄水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計中應充分重視的關(guān)鍵技術(shù)。為充分了解閘墩上游預留錨固平孔、閘墩與錨塊連接頸部、錨塊及閘墩結(jié)構(gòu)本身的應力情況，進行三維有限元分析計算是非常必要的。

3.1 計算工況及荷載組合

為掌握預應力閘墩結(jié)構(gòu)的預應力效果，主要對閘墩在施工期、運行期各控制工況進行了分析研究，分析主要考慮的工況如下：

1）正常擋水工況。結(jié)構(gòu)自重+閘門水推力+錨索預應力+閘墩側(cè)向靜水壓力+浪壓力+基底揚壓力+溫度荷載。

2）弧門啟閉工況。結(jié)構(gòu)自重+閘門水推力+啟閉力+錨索預應力+閘墩側(cè)向靜水壓力+浪壓力+基底揚壓力+溫度荷載。

3）施工張拉工況。結(jié)構(gòu)自重+施工超張拉預應力+溫度荷載。

4）檢修工況。結(jié)構(gòu)自重+錨索預應力+閘墩側(cè)向靜水壓力+浪壓力+基底揚壓力+溫度荷載。

5）正常擋水遇地震工況。結(jié)構(gòu)自重+閘門水推力+錨索預應力+閘墩側(cè)向靜水壓力+浪壓力+基底揚壓力+地震荷載。

3.2 三維有限元應力分析成果

1）沿弧門推力方向的頸部應力。在施工期的超張拉時，閘墩頸部根部附近出現(xiàn)拉應力峰值達13.4 MPa，原因是由超張拉預應力作用和閘墩頸部根部的幾何尺寸突變。沿推力方向約為3.5 m范圍超過混凝土抗拉強度標準值，上下游方向約1.4 m 范圍超過混凝土抗拉強度標準值；深度方向約為0.45 m 范圍超過混凝土抗拉強度標準值。溫升和溫降荷載作用下頸部根部拉應力峰值略微增大和減小，應力分布和范圍變化不大。運行期工況中頸部區(qū)域拉應力的控制工況為正常蓄水位遇地震工況，拉應力峰值出現(xiàn)在頸部根部和牛腿交界處，拉應力峰值為9.31 MPa。拉應力沿弧門推力方向約為2.88 m 的范圍超過混凝土抗拉強度標準值；上下方向約6.4 m 的范圍超過混凝土標準值；沿壩軸線方向超過標準值范圍約為0.45 m。

2）沿壩軸線方向的頸部應力。在施工期的超張拉工況（無溫度），閘墩頸部根部附近出現(xiàn)拉應力峰值，拉應力峰值為4.02 MPa；但超過抗拉強度范圍較小，向四周延伸0.25 m 范圍內(nèi)超過混凝土抗拉強度標準值。運行期工況中頸部區(qū)域拉應力的控制工況為正常蓄水位遇地震工況，拉應力峰值為3.95 MPa，出現(xiàn)在頸部和錨塊連接的頂部，超過抗拉強度范圍較小。

3）沿壩軸線方向的頸部應力。在施工期的超張拉工況（無溫度），在閘墩頸部側(cè)面出現(xiàn)拉應力峰值，拉應力峰值為2.76 MPa；上下方向延伸約2.5 m 范圍超過混凝土抗拉強度標準值；沿壩軸向方向延伸約為0.35 m 范圍；向上游只延伸0.1 m 范圍。運行期工況中頸部區(qū)域拉應力的控制工況為正常蓄水位遇地震工況，拉應力峰值為7.43 MPa，出現(xiàn)在頸部根部附近。沿弧門推力方向延伸約為0.26 m的范圍超過混凝土抗拉強度標準值；上下方向延伸約3.0 m 的范圍超過混凝土標準值；沿壩軸線方向延伸約0.45 m的范圍超過混凝土標準值。

4）預留平洞應力。錨索張拉過程中容易造成上游預留平洞的拉壓應力超標，施工期的錨索張拉至超張拉噸位為最不利工況。超張拉工況無溫度作用下，平孔第一主應力峰值為6.41 MPa，出現(xiàn)在K5號孔。拉應力集中在各孔周邊上下，環(huán)向延伸0.94 m 的范圍內(nèi)應力超過標準值，沿錨索深度方向延伸約0.25 m 的范圍超過設(shè)計值；垂直于閘門推力方向，拉應力從閘墩臨水側(cè)邊緣向閘墩內(nèi)部延伸3.25 m 的范圍超過混凝土抗拉強度標準值。預留平洞錨墊板下第三主應力峰值都為-23.7 MPa，出現(xiàn)在第K4號平洞中，集中在錨墊板下，墊板上下延伸0.4 m 的范圍超過混凝土抗壓強度標準值；順水流方向延伸約0.18 m；沿壩軸線方向壓應力在各錨墊板中心附近0.5 m 的范圍內(nèi)超過標準值。

5）閘門頸部抗裂驗算。根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范的規(guī)定，閘墩頸部應力宜滿足σck-σpc≤0.7ftk；經(jīng)分析計算，標準組合工況下閘墩頸部σck-σpc為0.97 MPa，滿足規(guī)范推薦控制標準；考慮地震作用時，閘墩頸部σck-σpc為1.80 MPa，略大于0.7ftk，經(jīng)分析計算，可采用非預應力鋼筋解決局部應力超標問題。

4 結(jié)論

通過對大藤峽水利樞紐工程泄水閘高孔預應力閘墩頸部應力進行三維有限元分析計算發(fā)現(xiàn)：閘墩頸部應力滿足規(guī)程規(guī)范控制標準要求，存在局部應力超標現(xiàn)象，但影響深度均控制在第一排錨索范圍以外，且超標范圍較小，具體實施時可考慮采用非預應力鋼筋進行處理，對應力稍大的部位做好防腐措施，保證受力結(jié)構(gòu)耐久性。