浩口水電站表孔預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計(jì)

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(重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計(jì)研究院，重慶 北部新區(qū)，401120)

1 工程概況

浩口水電站是芙蓉江干流梯級開發(fā)規(guī)劃的第11級，水庫總庫容8962萬m3，總裝機(jī)容量135MW。樞紐布置格局由碾壓混凝土重力、左岸引水系統(tǒng)和左岸地面廠房組成。泄水建筑物按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，1000年一遇洪水校核，其洪峰流量分別為11200m3/s、16200m3/s。溢流壩段總長87.0m，溢流凈寬65.0m，堰頂高程331.0m，堰型采用WES堰。在堰頂布置5孔13m×21m的溢流表孔。浩口水電站河谷狹窄，泄洪建筑物布置緊湊，設(shè)計(jì)閘墩為等厚預(yù)應(yīng)力閘墩，中墩厚4.0m，邊墩厚3.0m。

2 閘墩支撐結(jié)構(gòu)體系的選擇

2.1 預(yù)應(yīng)力技術(shù)的采用

許多工程由于泄洪流量大，往往采用大跨度大弧形閘門以減少閘墩的數(shù)量，增大泄洪孔口凈寬以滿足泄洪需要。泄洪孔口尺寸加大后，弧形閘門所承受的推力也隨之加大。隨著弧門推力的加大，閘墩受力也隨著加大，但由于受溢流寬度的限制，閘墩尺寸不可能設(shè)計(jì)得過大，這勢必惡化了閘墩的應(yīng)力狀態(tài)。為改善弧門支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，確保建筑物安全，便將預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于大型弧門的鋼筋混凝土閘墩上。實(shí)踐證明，在大型弧門的支撐結(jié)構(gòu)中采用預(yù)應(yīng)力錨索，對改善閘墩的應(yīng)力狀態(tài)、限制閘墩的變形、降低工程造價(jià)及保證工程安全運(yùn)行是最合理的技術(shù)措施。

《水電工程預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5176-2003)和《水工預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 212-2012)均規(guī)定：當(dāng)弧門承受的總推力設(shè)計(jì)值達(dá)到25000kN以上時(shí)，可考慮采用預(yù)應(yīng)力混凝土閘墩。浩口水電站弧門總推力達(dá)到40734kN，通過國內(nèi)預(yù)應(yīng)力閘墩的應(yīng)用情況，與本工程推力相當(dāng)?shù)墓こ潭嗖捎昧祟A(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，本工程采用了預(yù)應(yīng)力閘墩。

表1 國內(nèi)部分預(yù)應(yīng)力閘墩應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)

2.2 錨塊選型及尺寸初擬

錨塊是閘墩預(yù)應(yīng)力錨索外錨固端，型式主要有深梁式和錨塊式。深梁式一般用于高水頭泄洪孔口，錨塊式一般用于弧門跨度較大的情況。根據(jù)浩口水電站的情況，設(shè)計(jì)選用的型式為簡單錨塊。

錨塊尺寸初擬根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5057-2009)進(jìn)行計(jì)算。

(1)斜截面抗裂控制應(yīng)滿足下式：

Fk≤0.75ftkbh

(2)剪跨比a/h0應(yīng)宜控制在0.2左右。

本工程弧門支鉸到閘墩距離a為1.7m，根據(jù)規(guī)范計(jì)算初定支座高度h為7.0m，根據(jù)錨索布置錨塊的上游端寬度B為5.4m，下游端寬度B為3.4m，剪跨比0.2677。

2.3 預(yù)應(yīng)力錨束初步計(jì)算

為使弧門支鉸頸部的集中應(yīng)力合理分散，主錨束的布置應(yīng)盡量使預(yù)壓應(yīng)力的合力方向和弧門推力線一致。主錨索在立面上以“2長3短”布置，以中間一排和弧門關(guān)閉狀態(tài)推力線重合為基準(zhǔn)，分為5排扇形布置，布置在夾角15°范圍內(nèi)，每排之間夾角3.75°。主錨索在閘墩平面內(nèi)的布置主要有平行、交叉、彎曲和傾斜等四種布置。平行布置有利于施工，傾斜布置有利于改善應(yīng)力，因此，本工程結(jié)合平行和傾斜兩種布置采用小傾斜的布置形式。中墩主錨索與閘墩邊線夾角0.87°，每側(cè)兩排，每排5根。邊墩主錨索與閘墩邊線夾角0.87°，迎水側(cè)兩排，每排5根。每個(gè)中墩布置預(yù)應(yīng)力主錨索20根，每個(gè)邊墩布置預(yù)應(yīng)力主錨索10根。

圖2 錨索平面布置示意

預(yù)應(yīng)力錨索初步計(jì)算按照DL/T 5057-2009公式進(jìn)行。

2.3.1 主錨索初步計(jì)算

(1)閘墩頸部抗裂控制宜符合下列規(guī)定：

σck-σpc≤0.7ftk

(2)閘墩頸部正截面手拉承載力計(jì)算

①中墩頸部對稱配筋，在雙側(cè)弧門推力作用下使用下式計(jì)算：

在單側(cè)弧門推力作用下使用下式計(jì)算：

②邊墩頸部采用非對稱配筋時(shí)使用下式計(jì)算：

經(jīng)過初步計(jì)算主錨索單束永存噸位取為3000kN，控制張拉力3300kN。單側(cè)總施加預(yù)應(yīng)力30000kN，拉錨系數(shù)1.47。目前我國已建成或在建的大型水利水電工程預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較高，拉錨系數(shù)一般在1.6～3.0左右，而國外為1.2～1.8。如將其控制在1.5左右，可節(jié)約錨索投資。本工程采用拉錨系數(shù)為1.47，相比國內(nèi)而言偏小，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范DL/T 5057-2009的要求。

2.3.2 次錨索初步計(jì)算

根據(jù)規(guī)范DL/T5057-2009，第一排水平次錨索按下式計(jì)算：

根據(jù)計(jì)算，第一排水平次錨索布置4根，扣除預(yù)應(yīng)力損失后單束永存噸位取為1800kN，控制張拉力2000kN。根據(jù)規(guī)范預(yù)應(yīng)力水平次錨索不宜少于3排，其它各排的預(yù)應(yīng)力次錨索的面積宜與第一排水平次錨索相同。因此，本工程總共布置3排，第一排布置在距支座混凝土上游面1.3m的位置，第二排布置在第一排下游1.0m位置，第三排布置在第二排下游2.05m位置?？傆?jì)布置次錨索12根。

2.4 有限元分析

三維有限元方法，首先選擇5#表孔壩段作為代表，建立壩基及孔口、閘墩等整體模型。模型包括溢流壩、閘墩及壩基等。然后根據(jù)孔口、閘墩、大梁、門槽、預(yù)應(yīng)力錨索等結(jié)構(gòu)布置，對設(shè)計(jì)關(guān)注的范圍進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，建立精細(xì)模型，以滿足配筋設(shè)計(jì)和裂縫分析的計(jì)算精度。模型建立時(shí)充分考慮動力分析的適應(yīng)性。

整體模型包括：溢流壩段及其上的閘墩、壩頂橋和連系梁等，地基向上游、下游及底部方向均延伸了2倍壩體高度。模型均采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元。模型中共有409861個(gè)單元，380479個(gè)節(jié)點(diǎn)。X正向?yàn)樯嫌沃赶蛳掠?，Y正向?yàn)橛野吨赶蜃蟀叮琙正向?yàn)樨Q直向上。

圖3 壩段模型

計(jì)算方法采用應(yīng)力圖形法進(jìn)行配筋量計(jì)算，最后選取支座頸部配筋量最大的工況為控制工況，采用單彈簧粘結(jié)單元法，同時(shí)引入混凝土四參數(shù)損傷模型，對牛腿頸部進(jìn)行鋼筋混凝土三維非線性有限元計(jì)算。

2.4.1 計(jì)算工況

(1)正常運(yùn)行期庫水位352m時(shí)弧門開啟的短暫工況。該工況閘墩兩側(cè)無水，支鉸總推力40734kN，單鉸20367kN，推力與水平夾角11.97°；

(2)正常運(yùn)行期庫水位352m時(shí)弧門關(guān)閉擋水的持久工況。該工況閘墩兩側(cè)無水，支鉸總推力36017kN，單鉸18008kN，推力與水平夾角11.9403°；

(3)水庫宣泄校核洪水，弧門全開的持久工況。該工況閘墩兩側(cè)有水，支鉸總推力836kN，單鉸418kN；

(4)水庫宣泄校核洪水，一扇弧門全開，另外弧門全關(guān)閉的持久工況。該工況閘墩一側(cè)有水，另外一側(cè)無水。其中中墩一側(cè)受水壓另外一側(cè)受支鉸水推力。水壓按照P=2%水面線計(jì)算?；￠T關(guān)閉側(cè)單鉸18008kN，弧門開啟側(cè)支鉸推力418kN。

2.4.2 計(jì)算荷載組合

計(jì)算荷載組合如表2。

表2 計(jì)算荷載組合

2.5 計(jì)算成果

經(jīng)過四種工況的分析計(jì)算，工況(1)是最不利工況，預(yù)應(yīng)力閘墩有限元分析重點(diǎn)分析該工況。分析結(jié)果如下：

(1)錨固洞的最大拉應(yīng)力為4.67MPa，出現(xiàn)在中墩5#錨固洞中。超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，需要配置鋼筋。錨固洞水平向配筋面積不小于10696mm2，豎直向按照構(gòu)造配筋。

圖4 中墩5#錨固洞應(yīng)力分布等值線圖(MPa)

(2)閘墩頸部抗裂有限元計(jì)算表明，邊墩應(yīng)力最大，是抗裂計(jì)算的控制部位。邊墩最大的σck-σck為1.495MPa，小于允許值1.673MPa，頸部抗裂滿足要求。

圖5 邊墩截面法向應(yīng)力圖(Pa)

(3)支座的拉應(yīng)力主要是由弧門推力產(chǎn)生，最大拉應(yīng)力發(fā)生在弧門推力施加處周邊和支座與邊墩的銜接處，主要是由y方向應(yīng)力分量控制，最大主拉應(yīng)力為5.02MPa，出現(xiàn)在支座與邊墩銜接處，超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，但部分范圍小，其余位置大多為0.5MPa-3.4MPa。考慮到主拉應(yīng)力全部由預(yù)應(yīng)力錨索承擔(dān)不太經(jīng)濟(jì)，為了節(jié)省投資，方便施工，按部分預(yù)應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)即允許閘墩出現(xiàn)一定的裂縫，配置鋼筋限制裂縫寬度。配置鋼筋后，鋼筋承擔(dān)了部分拉應(yīng)力，鋼筋最大的拉應(yīng)力為35.48MPa，混凝土拉應(yīng)力則有了明顯減小，最大主拉應(yīng)力為2.42MPa，其余位置大多小于1.3MPa。配置鋼筋后混凝土計(jì)算最大裂縫寬度為0.02mm，滿足規(guī)范DL-T 5057-2009的要求。

圖6 邊墩支座第一主應(yīng)力圖(MPa)

圖7 邊墩支座鋼筋應(yīng)力分布(MPa)

3 結(jié)論

(1)浩口水電站表孔弧門推力巨大，閘墩按照常規(guī)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很難解決結(jié)構(gòu)安全問題，因此，采用預(yù)應(yīng)力閘墩是必要合理的。

(2)閘墩和錨塊的連接形式為簡單錨塊，主錨索在豎向布置為扇形，水平面布置為微傾斜，簡化方便了施工。

(3)采用了較低的拉錨系數(shù)，并按照部分預(yù)應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)，限制閘墩的裂縫寬度，降低了工程造價(jià)。