芙蓉江角木塘水電站表孔預應力閘墩設計淺析

王力，張娜，景孟旗

（貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州貴陽550002）

芙蓉江角木塘水電站表孔預應力閘墩設計淺析

王力，張娜，景孟旗

（貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州貴陽550002）

結(jié)合角木塘水電站表孔閘墩設計情況，對其結(jié)構(gòu)尺寸、應力分布以及錨索布置和用量的合理性進行分析，通過閘墩三維有限元實體模型進行輔助驗算。結(jié)果表明，該閘墩采用預應力結(jié)構(gòu)可改善閘墩的應力狀態(tài)和變形，同時降低了工程造價，并保證工程安全運行。

閘墩；預應力；錨束；角木塘水電站

1 工程概況

角木塘水電站為碾壓混凝土重力壩，采用壩身表孔泄洪，共設5個表孔。中墩長38.080 m，厚3.5 m；左邊墩長48.018 m，右邊墩長49.386 m，邊墩厚3 m。孔口采用12.5 m×19.6 m（寬×高）弧形工作門。角木塘水電站表孔最大單寬泄量為217.6 m3/s（P=0.2%，校核工況），表孔孔口尺寸12.5 m×19.6 m（寬×高），最大弧門推力為35220 kN，單支鉸弧門推力詳見表1。

表1 角木塘水電站表孔閘墩單支鉸弧門推力表

由于弧門推力較大，同時受地形條件限制，常規(guī)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)無法滿足運行要求，因此需對閘墩結(jié)構(gòu)形式、應力分布及錨索布置等設計問題進行分析。

2 閘墩結(jié)構(gòu)形式

2.1 錨墩錨塊形式

預應力閘墩支撐結(jié)構(gòu)形式主要有兩種，分布是深梁式和錨塊式。結(jié)合本工程弧門跨度（12.5 m），選用錨塊式支撐結(jié)構(gòu)。錨塊式主要優(yōu)點是體型簡單，施工方便。角木塘水電站表孔預應力閘墩考慮自身結(jié)構(gòu)受力特點，并結(jié)合錨束的布置形式（詳見第三部分）以及施工條件，采用了簡單錨塊式，材料采用C45鋼筋混凝土。錨塊型式見圖1。

2.2 錨塊底部與閘墩連接方式

目前常用的工程預應力閘墩錨塊底部與閘墩的連接方式主要有兩種：完全連接；鋪設三油二氈的彈性墊層連接。已建工程中漫灣、喜河、天生橋一級和安康等工程采用了彈性墊層的連接方式。設置彈性墊層可減小錨塊底部約束，有利于預應力錨束更加有效的發(fā)揮其抵消弧門推力的作用，同時減小錨塊底部閘墩混凝土拉應力，經(jīng)綜合分析研究和工程類比，角木塘水電站預應力閘墩錨塊用彈性墊層的連接方式。

3 閘墩主錨束布置型式及張拉噸位

3.1 主錨束布置原則及擴散角的確定

錨束在立面布置上大都沿弧門水推力合力方向布置，根據(jù)力學常識，為充分發(fā)揮預應力抵消水推力的作用，盡可能使預應力合力與水推力重合以達到有效和經(jīng)濟的目的；其次考慮閘墩內(nèi)部應力盡可能達到均勻分布，使支鉸區(qū)附近應力集中得以擴散，并結(jié)合閘墩尺寸，預應力錨束采用扇形布置。統(tǒng)計國內(nèi)閘墩預應力錨束在里面布置的擴散角為5°～15°。如喜河閘墩為9°，水口閘墩為10°，安康閘墩為8°，角木塘水電站表孔閘墩綜合考慮閘墩錨塊的尺寸及結(jié)構(gòu)設計要求，采用擴散角為6°。

3.2 主錨束平面布置方式及張拉噸位

錨束沿弧門推力方向的平面布置，主要有平行、交叉、彎曲和發(fā)散等四種布置方式。近年從發(fā)展趨勢來看是以平行布置為主。研究結(jié)果表明，弧門推力在閘墩內(nèi)產(chǎn)生的拉應力是外側(cè)大，內(nèi)部小。因此錨束布置應盡量靠閘墩外側(cè)布置，以得到更有效的預應力效果。

角木塘水電站表孔閘墩的錨束布置方式，結(jié)合采用的簡單錨塊型式，經(jīng)綜合分析比較，錨束布置確定采用平行布置方式，通過緊縮錨塊，達到了很好的預應力效果。另外，采用平行布置施工方便，節(jié)省工期，且能有效減少張拉時的預應力損失。表孔中墩厚度為3.5 m，邊墩厚度為3 m，根據(jù)閘墩和錨塊的結(jié)構(gòu)尺寸，弧門推力和三維有限元計算成果，最終確定主錨束沿閘墩中心線對稱布置，中墩共布設28根，共4層，每層7排；邊墩共布設21根，共3層，每層7排。

根據(jù)工程經(jīng)驗，考慮預應力損失，閘墩拉錨系數(shù)（預應力總拉力與弧形閘門總推力的比值）一般在2.0左右。表孔閘墩預應力閘墩設計拉錨系數(shù)為2.25。每根主錨束采用16根（中墩）、14根（邊墩）7φ5鋼絞線，設計永存噸位：中墩為2440 kN，邊墩為2110 kN；設計張拉噸位：中墩為3000 kN，邊墩為2600 kN；超張拉噸位：中墩為3300 kN，邊墩為2860 kN。

錨束布置方式見圖1、圖2。

圖1 表孔預應力閘墩主錨束縱剖面圖

圖2 表孔預應力閘墩中墩主、次錨束平面布置圖

3.3 主錨束上游張拉端的布置方式

國內(nèi)工程上游端的布置方式主要有3種：①上游端錨束分散布置于閘墩中段兩側(cè)的蜂窩狀預留小槽中。該方案在預留槽周邊會產(chǎn)生嚴重應力集中，且預留槽對墩體消弱大，施工時極易發(fā)生貫穿性裂縫，且預留槽布置在高速水流區(qū)，混凝土回填質(zhì)量難以保證。②上游端設一長條形預留槽，錨束集中設于槽內(nèi)。有兩種方法，一種是在將長條形預留槽設置在閘墩側(cè)壁。另一種方法是將長形預留槽設置在閘墩內(nèi)部，形成墩內(nèi)豎井。③上游端布置大預留槽方案。改方案預留槽底部下游拐角處會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象。角木塘水電站表孔閘墩根據(jù)上述分析研究并結(jié)合自身閘墩特點，采用了上述第二種預留長條圓形槽內(nèi)，后期用混凝土回填。

4 預應力閘墩次錨束布置型式及張拉噸位

次錨束布置主要有兩種：一種為水平布置，一種為垂直布置。有些工程水平和垂直次錨束同時布置。綜合分析目前國內(nèi)已建工程實踐來看，豎向次錨束作用不明顯，水平次錨束的作用主要是抵消主錨束在錨塊內(nèi)產(chǎn)生的水平次生拉應力和弧門推力對錨塊彎曲作用產(chǎn)生的拉應力。角木塘水電站表孔閘墩錨塊，通過三維有限元分析計算表明，布置次錨束是非常必要的，可以有效改善錨塊的受力狀態(tài)。經(jīng)多種方案的計算分析，水平次錨束最終采用水平布置方式，布置3層，每層在豎向布置5排，共15根。每根次錨束采用8根7φ5鋼絞線，設計永存噸位：中墩為1160 kN，邊墩為1090 kN；設計張拉噸位1500 kN；超張拉噸位1650 kN。次錨束布置詳見圖2。

5 三維有限元輔助計算

為確保整個預應力結(jié)構(gòu)在施工和運行中的安全，采取三維有限元的方法對結(jié)構(gòu)進行較為全面的應力、變形分析，為確保結(jié)構(gòu)安全，合理布置預應力錨索體系，評價閘墩預應力效果，計算結(jié)果：

（1）錨塊前方預應力施加區(qū)閘墩混凝土應力，沿主錨束方向（偏水平向）最大拉應力為2.43 MPa，應力衰減很快，沿厚度從頸部兩側(cè)向頸部中間，在0.2 m內(nèi)降至1.58 MPa，0.5 m內(nèi)拉應力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯χ怠４怪庇谥麇^束方向次生拉應力不大，一般不超過0.5 MPa。拉應力的產(chǎn)生主要是因為在正常蓄水位，一側(cè)閘門開啟，一側(cè)閘門關(guān)閉時不對稱荷載作用下，在弧門關(guān)閉一側(cè)產(chǎn)生的拉應力。

（2）預應力錨塊頸部，受弧門推力和預應力錨束張拉力作用，受力較為復雜。計算結(jié)果表明在主錨索施加預應力位置平均壓應力約為-4 MPa，沿厚度方向向兩側(cè)及內(nèi)部，壓應力值遞減。頸部斷面底部還出現(xiàn)了較為明顯的局部壓應力集中，最大值可達-8.13 Mpa，并未超過C35混凝土的極限抗壓強度16.7 MPa。

（3）錨塊上部混凝土閘墩應力，由于錨塊變位引起的整體效應，鄰近錨塊上部混凝土，局部出現(xiàn)0.1 MPa的拉應力。鄰近錨塊下部閘墩混凝土，因設有彈性墊層，拉應力較小。

6 結(jié)語

角木塘水電站表孔孔口尺寸較大，使閘門水推力較大，閘墩結(jié)構(gòu)設計復雜，經(jīng)多種方案的計算分析，表孔閘墩設計采用設有彈性墊層的簡單錨塊式預應力閘墩結(jié)構(gòu)形式，主錨束采用近年發(fā)展趨勢以平行布置為主的布置形式，次錨束采用水平布置。經(jīng)三維有限元計算輔助分析，角木塘水電站表孔閘墩各項技術(shù)指標均在規(guī)范及設計要求范圍內(nèi)，工程建成后還需根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析進一步驗證閘墩運行情況。

[1]謝偉，李樹山.預應力閘墩結(jié)構(gòu)試驗及理論[M].北京：中國水利水電出版社，2010：36-48，121-126

[2]趙長海.預應力錨固技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2001，196-215.

TV622.2

B

1673-9000（2017）04-0140-02

2

王力（1987-），男，貴州遵義人，大學本科，工程師，主要從事水工設計工作。

景孟旗（1987-），男，山西運城人，碩士研究生，助理工程師，主要從事水工設計工作；

張娜（1990-），女，河北衡水人，碩士研究生，助理工程師，主要從事水工設計工作。