基于三維非線性有限元分析的某水電站預應力閘墩錨索布置方案

何小敏，汪李艷，張 浩，劉 鵬

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司, 西安 710065)

1 工程概述

某水電站總庫容14.7億m3，總裝機容量1 200 MW，為Ⅰ等大(1)型工程。電站設計洪水重現期為1 000年，校核洪水采用PMF，相應洪峰流量分別為6 790 m3/s和10 000 m3/s。溢洪道共布置3孔，由引渠段、堰閘段、泄槽及挑流鼻坎等組成。

堰閘段沿中孔中心線分縫，分為2個中邊墩壩段。溢洪道孔口尺寸為15.0 m×17.5 m(寬×高)，每孔布置1扇平板檢修門及1扇弧形工作門，中墩及邊墩厚度均為4 m，為改善弧門支撐結構的應力條件，閘墩按預應力結構設計[1]。右邊墩錨索布置如圖1～2所示，原設計主錨索共11根，其中外側7根(A1～A7)，內側4根(B1～B4)；主錨索設計噸位3 000 kN，鎖定噸位3 550 kN，超張拉噸位3 850 kN。次錨索位于錨塊上，靠近上游布置2排，每排4層，共8根；次錨索設計噸位1 500 kN，鎖定噸位1 850 kN，超張拉噸位2 090 kN。

圖1 溢洪道右邊墩主錨索立面布置圖

圖2 溢洪道右邊墩主錨索點位圖 單位：cm

由于施工過程造成的偏差，右邊墩錨塊底部預應力錨索中心距底部僅18 cm，為保證溢洪道安全運行，擬對右邊墩錨索布置進行調整，具體調整方案見表1。結合ADINA軟件[2]，對不同方案進行三維應力分析，最終確定錨索布置方案。

2 基本假定及邊界條件

2.1 模型邊界條件

建立預應力閘墩模型時，橫河向按結構縫分界，采用左邊孔整孔+中孔半孔進行模擬。

結合泄洪閘工程[3]三維有限元分析經驗，地基深度取2倍閘高、上下游地基長度取1倍閘高時，閘室應力應變響應趨于穩定，故本工程地基深度取堰閘段高度2倍，上下游基礎長度分別取堰閘段順水流長度的1倍，左右邊界與閘室寬度相同。模型底部視為全約束，堰體橫河向側面為法向約束，上游面以及下游面為自由面。

為了模擬溢流堰體、閘墩、弧門支撐錨塊和預應力錨索耦合作用下的閘墩結構整體復雜受力和變形特征，單元剖分中，將錨塊以及頸部單元進行細化。為了使計算規模得到有效控制，提高計算效率，在錨塊以外，向上游、下游方向和閘墩底部方向逐漸放大單元尺寸[4-5]。

表1 錨索布置方案表

2.2 基本假定

預應力混凝土閘墩分析過程中，不考慮鋼筋和混凝土的應力重分布。采用3D-SOLID單元模擬混凝土[6]、地基結構，其中混凝土按線彈性材料模擬，地基按摩爾-庫倫材料本構模擬；采用CONTACT單元[2]模擬混凝土與地基、閘墩與錨塊間的聯結。

分析過程中假定：① 小位移、小應變受力模式；② 地基按無質量地基考慮[7]；③ 錨固洞二期回填混凝土，為設計保守起見，不考慮其對結構完整性的有利影響，回填混凝土自重按荷載形式施加于錨固洞底部；④ 弧門推力直接作用于錨塊支鉸，模型中不考慮弧門結構的響應[3]；⑤ 預應力錨索采用等效荷載法[2]進行模擬，通過施加在錨墊板上的均布荷載實現對錨索預應力的模擬；⑥ 水體按荷載施加，模型中不考慮水體單元[8-10]。

3 研究成果及分析

結合本工程的特性，選取最不利工況--正常蓄水、工作門開啟瞬間工況，進行閘室三維有限元分析。鑒于閘墩混凝土已澆筑至錨塊底部高程，造成右邊墩預應力錨索無法按設計噸位張拉，考慮局部承壓的問題，底部2根主錨索(A7、B4錨索)按50%設計噸位張拉；以此為基礎，形成3個方案，詳見表1。應力應變分析過程中，以右邊墩為主要研究對象。

3.1 位移分析成果

預應力閘墩在正常蓄水、工作門開啟瞬間工況下，各方案右邊墩頂部及錨塊位移見表2。

表2 各方案右邊墩頂部及錨塊位移表

注：相對施工完建工況，邊墩最大值。

由表2可知：① 錨塊豎向位移(Z向)受錨索布置方案影響較大，其中方案3最小；② 受側向水壓力及弧門推力作用，順水流向(X向)及橫河向(Y向)位移較大，其中方案3相對位移較?。虎?不同方案邊墩頂部位移相差不大，說明不同錨索調整方案對右邊墩整體剛度影響較小。

3.2 應力分析結果

3.2.1 壓應力分析結果

正常蓄水、工作門開啟瞬間工況下，對各方案進行了三維應力應變分析，典型部位的壓應力分析結果見表3及圖3。

表3 各方案典型部位壓應力表(最大值) /MPa

由上述分析可知，各典型部位壓應力值均小于混凝土允許壓應力；不同方案對錨固洞壓應力分布有較大影響，同一部位壓應力最大差值達到38%。

圖3 各方案典型部位壓應力圖

3.2.2 拉應力分析結果

典型部位的拉應力分析結果見表4及圖4。

表4 各方案典型部位拉應力表(最大值) /MPa

圖4 錨塊下游面拉應力圖

由上述分析可知：① 由于錨索布置方案的變化，導致錨固洞及錨固洞下游壁面拉應力分布有所變化，拉應力值受臨近錨索預應力影響較大；其中方案3錨固洞拉應力最大值為2.21 MPa，主要是由應力集中等原因造成；② 方案3的閘墩頸部拉應力最小，最大值為1.21 MPa，需采取一定配筋措施；方案1(施工現狀)頸部拉應力最大，最大值為1.63 MPa，增加幅度為35%；③ 案2與方案3的錨塊底滑移縫拉應力方相差較小，拉應力最大值分別為1.10 MPa和1.25 MPa；④ 方案2與方案3的錨塊下游面及錨塊預留扁孔處拉應力相差較小，均小于結構允許的安全范圍。

4 結 語

(1) 綜合各方案位移、應力分析結果，確定方案3為錨索調整推薦方案：主錨索采用單側雙排布置，外側8層，內側4層，右邊墩預應力主錨索總計12根；外側上部7根及內側上部3根主錨索設計噸位3 000 kN；考慮到局部承壓的問題，外側底部1根及內側底部1根主錨索設計噸位1 500 kN。

(2) 不同錨索布置方案邊墩頂部位移相差不大，說明不同錨索調整方案對右邊墩整體剛度影響較小。

(3) 右邊墩預應力錨索調整后，閘墩錨固洞、錨塊、閘墩頸部等關鍵部位應力整體處于安全范圍內，局部應力較大處，通過配筋措施可到達安全運行的要求。

(4) 受錨索預應力影響，錨固洞、錨塊等部分壓應力分布受錨索布置位置影響較大，今后在類似工程設計過程中，應注意錨索間距的合理設計。