大噸位預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)在落久水利樞紐泄水閘閘墩中的應(yīng)用

廖宏騫

（廣西壯族自治區(qū)柳州水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣西 柳州 545005）

1 工程概況

落久水利樞紐位于廣西融水苗族自治縣境內(nèi)的貝江下游，主壩距下游融水鎮(zhèn)長(zhǎng)賴村約600 m，距融水縣城約8 km。水庫(kù)總庫(kù)容3.46億m3，電站總裝機(jī)容量42 MW，工程規(guī)模為大（2）型，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、供水、發(fā)電和航運(yùn)等綜合利用的水利工程。落久水利樞紐工程由攔河主壩區(qū)和欖口副壩區(qū)組成。主壩區(qū)布置有擋水、泄水、發(fā)電、過魚等建筑物；欖口副壩區(qū)布置有擋水建筑物、灌溉及供水取水建筑物、灌溉抽水泵站等。水庫(kù)正常蓄水位153.5 m，設(shè)計(jì)洪水位161 m，校核洪水位161.13 m，汛期運(yùn)行限制水位（死水位）142 m。

工程主壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高59.8 m，主要建筑物有：擋水壩段、泄水壩段、發(fā)電廠房和魚道等建筑物。主壩壩軸線全長(zhǎng)322.90 m，壩頂高程161.80 m，主要由8 個(gè)擋水壩段、3 個(gè)泄水壩段、2個(gè)門庫(kù)壩段、1個(gè)廠房壩段共14個(gè)壩段組成。

2 樞紐運(yùn)行調(diào)度及泄洪要求

落久水利樞紐是以防洪為主的綜合利用樞紐工程，其防洪的主要對(duì)象為柳州市，即通過擬建柳州市上游洋溪、落久兩庫(kù)水庫(kù)聯(lián)合防洪調(diào)度，與城區(qū)已建防洪堤相結(jié)合，使柳州市的防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到100 年一遇。規(guī)劃確定落久水庫(kù)的防洪庫(kù)容為2.5億m3。根據(jù)防洪調(diào)度需要，落久水庫(kù)在防洪限汛水位142.00 m 時(shí)，表孔溢洪時(shí)最大下泄流量需達(dá)到3500 m3/s。堰頂高程及閘孔尺寸設(shè)計(jì)必須滿足以上要求。

3 泄水壩段結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)

貝江是柳江干流融江河段的支流之一，發(fā)源于黔桂交界的九萬大山，于融水縣境內(nèi)的江門村附近匯入融江。貝江流域氣候溫和，雨量充沛，水力資源豐富，多年平均降雨量為1755 mm。流域地處深山峽谷，主峰元寶山是廣西第三高峰，是廣西的主要暴雨中心。落久水利樞紐主壩位于貝江下游，河床寬度只有120 m左右，而壩址處50年一遇洪峰流量為6750 m3/s，設(shè)計(jì)100年一遇洪峰流量達(dá)7550 m3/s，校核1000年一遇洪峰流量達(dá)10 200 m3/s，主壩區(qū)屬典型的窄河床、大流量山區(qū)型河道，為滿足泄洪及工程布置需要，應(yīng)盡量布置大孔口的泄水建筑物。經(jīng)多方案綜合比選，大壩泄水建筑物結(jié)構(gòu)布置如下：

泄水閘壩段總長(zhǎng)79 m，布置在河床中左側(cè)，采用深胸墻泄水孔的布置型式。泄水孔共設(shè)5 孔，孔口尺寸為10.0 m×12.0 m。堰頂高程131.0 m，為實(shí)用堰，最大堰高29.0 m，孔口頂高程以上為鋼筋砼胸墻擋水，胸墻最大擋水高度達(dá)18.13 m。泄水閘壩分3個(gè)壩段布置，即5#、6#、7#壩段。左側(cè)5#壩段采用兩孔一聯(lián)，寬31 m；中間6#壩段采用單孔一聯(lián)，寬17 m；右側(cè)7#壩段采用兩孔一聯(lián)，寬31 m。溢流壩段共設(shè)置8 個(gè)閘墩，其中邊墩6 個(gè)，中墩2 個(gè)，邊墩厚度3.5 m，中墩厚度4.0 m，閘墩長(zhǎng)度69.27 m。

閘室上游側(cè)設(shè)平面檢修閘門，其后設(shè)弧形工作閘門。墩頂下游端布置液壓?jiǎn)㈤]機(jī)裝置，上游端布置門機(jī)梁、檢修平臺(tái)和交通橋?；￠T采用斜支臂，支鉸的支撐結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土錨塊?；￠T向下游水平總推力標(biāo)準(zhǔn)值為47 571.4 kN，垂直閘墩的側(cè)推力標(biāo)準(zhǔn)值為1 319.2 kN，由于弧門總推力大于25 000 kN，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，閘墩需采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

4 預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

落久水利樞紐工程規(guī)模為大（2）型，工程等別為Ⅱ等。其主要建筑物攔河主壩泄水建筑物級(jí)別為2級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇。

工程共設(shè)置5個(gè)泄水孔，單孔或隔孔開閘泄洪是常見的情況，此情況中的閘墩結(jié)構(gòu)處于最不利的受力狀態(tài)［1］。閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算分別采用材料力學(xué)法和有限元法，主要依據(jù)材料力學(xué)法計(jì)算成果進(jìn)行設(shè)計(jì)，有限元法計(jì)算成果作復(fù)核。閘墩與錨塊連接部位（頸部）是大推力弧門閘墩結(jié)構(gòu)的薄弱部位，也是整個(gè)閘墩應(yīng)力控制的關(guān)鍵部分［2］。以下詳細(xì)介紹弧形工作閘門支座錨塊選擇及閘墩預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)。

4.1 計(jì)算工況

根據(jù)弧形工作閘門的受力條件，弧形閘門支座錨塊及閘墩預(yù)應(yīng)力錨索需分別按單側(cè)弧門推力及雙側(cè)弧門推力兩種工況進(jìn)行計(jì)算。取其大值作為錨塊及錨索的設(shè)計(jì)控制值。

4.2 計(jì)算依據(jù)

錨索及錨具的選擇依據(jù)《水工預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL/T212-2012），預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191-2008），因其它水利規(guī)范均無錨塊及閘墩頸部等結(jié)構(gòu)計(jì)算的相關(guān)內(nèi)容，該部分計(jì)算依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5057-2009）相關(guān)規(guī)定。

4.3 錨塊選擇及斷面尺寸的確定

大型弧門預(yù)應(yīng)力閘墩支承結(jié)構(gòu)形式主要有深梁式（簡(jiǎn)支梁、固端梁）和錨塊式（簡(jiǎn)單型、復(fù)雜型）［3］?；￠T支承體結(jié)構(gòu)形式和尺寸大小對(duì)閘墩和支承體本身應(yīng)力狀態(tài)的影響作用很大［4］，本工程閘門孔口凈寬為10.0 m，弧門向下游水平總推力標(biāo)準(zhǔn)值為47 571.4 kN，參照類似工程經(jīng)驗(yàn)，弧門支座采用簡(jiǎn)單鋼筋混凝土錨塊，錨塊混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45，頸部區(qū)域閘墩混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C40。初步擬定錨塊高度為6.0 m，寬度為5.0 m，錨塊從臨水側(cè)閘墩邊緣外懸2.0 m。

4.4 錨索的布置

主錨索布置的基本原則是：在通過主錨索施加預(yù)壓應(yīng)力后，能有效地抵消弧門水推力在閘墩與錨塊的連接部位（頸部）及其附近區(qū)域引起的拉應(yīng)力［5］。根據(jù)規(guī)范對(duì)閘墩頸部主錨索在閘墩體內(nèi)的布置要求，參照類似工程經(jīng)驗(yàn)，預(yù)應(yīng)力閘墩的主錨索在閘墩立面上扇形布置，沿弧門推力方向呈輻射狀擴(kuò)散，主錨索總擴(kuò)散角為16°，長(zhǎng)度長(zhǎng)短相間布置。錨索沿弧門推力方向的平面內(nèi)的布置主要有平行、交叉和彎曲等三種布置方式［6］，本工程選用平行布置方式，在閘墩平面上中墩主錨索對(duì)稱布置，受閘墩結(jié)構(gòu)尺寸的限制，每側(cè)2 排5 層，共20 束；邊墩非對(duì)稱布置，臨水側(cè)設(shè)2排5層，非臨水側(cè)1排3層，共布設(shè)13 束。主錨索在閘墩平面上的投影平行于閘墩側(cè)立面，主錨索距閘墩外側(cè)面500 mm，水平間距亦為500 mm。單束主錨索均由36 根1×7Φ15.2 高強(qiáng)度低松弛鋼絞線組成，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1860 N/mm2。每個(gè)錨塊布置3 排4 層共12 束水平次錨索，單束次錨索均由1 根Φ75 高強(qiáng)螺紋鋼筋組成，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1030 N/mm2。閘墩除布置預(yù)應(yīng)力錨索外，同時(shí)沿弧門推力方向配置扇形非預(yù)應(yīng)力鋼筋。

4.5 設(shè)計(jì)張拉力及設(shè)計(jì)錨固力的確定

本工程錨索均屬后張法構(gòu)件，經(jīng)計(jì)算其主錨索預(yù)應(yīng)力總損失值為159.16 N/mm2；次錨索預(yù)應(yīng)力總損失值為110.48 N/mm2。單束主錨索設(shè)計(jì)張拉力為5860 kN（鎖定噸位）、設(shè)計(jì)錨固力（永存噸位）不小于5060 kN，預(yù)應(yīng)力損失為14%；單束次錨索設(shè)計(jì)張拉力為2850 kN，設(shè)計(jì)錨固力為2370 kN，預(yù)應(yīng)力損失為17%。

4.6 相關(guān)的設(shè)計(jì)驗(yàn)算

根據(jù)弧門推力、初步擬定的錨塊斷面尺寸、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、錨索的布置、數(shù)量、材料、錨頭、設(shè)計(jì)張拉力、設(shè)計(jì)錨固力等，按照規(guī)范的要求對(duì)錨塊的斜截面抗裂控制、閘墩頸部抗裂控制、閘墩頸部正截面受拉承載力等進(jìn)行驗(yàn)算及錨塊的計(jì)算。閘墩預(yù)應(yīng)力錨索布置示意圖見圖1。

閘墩共布置118束主錨索（含16束監(jiān)測(cè)錨索），其中Ⅰ、Ⅴ型錨索52束（單束長(zhǎng)26.067 m），Ⅱ、Ⅳ型錨索40 束（單束長(zhǎng)31.247 m），Ⅲ型錨索26 束（單束長(zhǎng)26.008 m）。根據(jù)受力需要及錨具的定型尺寸，單束主錨索由36根1×7Φ15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線組成，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1860 N/mm2，設(shè)計(jì)張拉力5860 kN、設(shè)計(jì)錨固力不小于5060 kN。

次錨索布置在閘墩錨塊上，8 個(gè)錨塊各布置12束次錨索，共布置96束錨索（含16束監(jiān)測(cè)錨索），其中邊墩單束長(zhǎng)5.5 m的次錨索24束，單束長(zhǎng)5.1 m的次錨索48束，中墩單束長(zhǎng)8.0 m的次錨索24束。每束次錨索均由1 根Φ75 高強(qiáng)螺紋鋼筋組成，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1030 N/mm2，設(shè)計(jì)張拉力2850 kN、設(shè)計(jì)錨固力不小于2370 kN。

監(jiān)測(cè)錨索均為無黏結(jié)錨索，主錨索監(jiān)測(cè)錨索由36 根1×7Φ15.2 高強(qiáng)度無黏結(jié)低松弛鋼絞線組成，次錨索監(jiān)測(cè)錨索由1根Φ75高強(qiáng)螺紋鋼筋組成。兩端錨板設(shè)置灌油孔和排氣孔，兩端密封壓板設(shè)置灌漿孔和排氣孔；監(jiān)測(cè)主錨索預(yù)埋鋼管內(nèi)灌注水泥漿，次錨索內(nèi)灌注專用油脂，監(jiān)測(cè)錨索兩端保護(hù)蓋內(nèi)均灌注油脂。

5 預(yù)應(yīng)錨索的施工技術(shù)要求

同一閘墩錨索先張拉次錨索后張拉主錨索；同一批次錨索先張拉監(jiān)測(cè)錨索，根據(jù)監(jiān)測(cè)錨索測(cè)力傳感器實(shí)測(cè)分級(jí)力值和千斤頂張拉力值比較，得出該測(cè)力計(jì)和千斤頂?shù)闹本€回歸方程，根據(jù)回歸方程求得千斤頂實(shí)際張拉力值和油壓表實(shí)際應(yīng)讀數(shù)，使千斤頂實(shí)際張拉力值與測(cè)力計(jì)實(shí)測(cè)力值達(dá)到統(tǒng)一，以控制下一步該批次錨索張拉力值。

6 預(yù)應(yīng)錨索監(jiān)測(cè)成果

本工程錨索于2019 年8 月8 日開始施工，2019年11 月7 日完成全部錨索施工，共歷時(shí)3 個(gè)月。落久水利樞紐工程于2020年10月13日正式下閘蓄水試運(yùn)行，至目前，監(jiān)測(cè)錨索觀測(cè)到的主錨索最低測(cè)值為5443 kN，預(yù)應(yīng)力損失率為1.00%～4.70%，次錨索最低測(cè)值為2551 kN，預(yù)應(yīng)力損失率0.58%～4.09%，均在設(shè)計(jì)要求的錨固力（主錨索設(shè)計(jì)錨固力不小于5060 kN、次錨索設(shè)計(jì)錨固力不小于2370 kN）范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求，且閘墩錨索預(yù)應(yīng)力損失均較小，運(yùn)行良好。

7 結(jié)語

廣西落久水利樞紐預(yù)應(yīng)力閘墩單束主錨索設(shè)計(jì)錨固力達(dá)到6000 kN 級(jí)，是目前廣西區(qū)內(nèi)已建水利水電工程預(yù)應(yīng)力閘墩中單束錨索設(shè)計(jì)錨固力最大的工程。預(yù)應(yīng)高強(qiáng)螺紋鋼筋相對(duì)于鋼絞線在回縮預(yù)應(yīng)力損失、松弛率、錨下錨口摩阻損失、索力均勻性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，且高強(qiáng)螺紋鋼筋下料簡(jiǎn)單、可采用螺母直接錨固等，大大方便了預(yù)應(yīng)力錨索的施工，能有效地降低施工過程的預(yù)應(yīng)力損失及由于施工復(fù)雜造成的施工安全風(fēng)險(xiǎn)。由于以前生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)高強(qiáng)螺紋鋼筋最大直徑只有Φ50，無法滿足較大設(shè)計(jì)錨固力主錨索的要求，且錨索只能采用鋼絞線，造成施工過程較為復(fù)雜，施工預(yù)應(yīng)力損失及施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大。本工程次錨索采用的Φ75高強(qiáng)螺紋鋼筋為廣西柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司在港珠澳大橋建設(shè)中開發(fā)出來的新產(chǎn)品，使得本工程次錨索的施工非常方便，并有效地減少了次錨索的預(yù)應(yīng)力損失。根據(jù)目前工程試運(yùn)行的觀測(cè)結(jié)果來看，主次錨索的預(yù)應(yīng)力損失均較小，設(shè)計(jì)錨固力均滿足設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行良好。說明落久水利樞紐泄水閘閘墩大噸位預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)及施工均取得了成功，可為今后相類似工程的設(shè)計(jì)及施工提供參考。同時(shí)，大直徑高強(qiáng)螺紋鋼筋的開發(fā)和使用，使得次錨索施工方便，預(yù)應(yīng)力損失及施工安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，相對(duì)相同設(shè)計(jì)錨固力的鋼絞線有明顯的優(yōu)勢(shì)，值得工程推廣。