浩口水電站表孔預應力閘墩設計

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(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，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，總裝機容量135MW。樞紐布置格局由碾壓混凝土重力、左岸引水系統和左岸地面廠房組成。泄水建筑物按100年一遇洪水設計，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，設計閘墩為等厚預應力閘墩，中墩厚4.0m，邊墩厚3.0m。

2 閘墩支撐結構體系的選擇

2.1 預應力技術的采用

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，閘墩尺寸不可能設計得過大，這勢必惡化了閘墩的應力狀態(tài)。為改善弧門支撐結構的應力狀態(tài)，確保建筑物安全，便將預應力技術應用于大型弧門的鋼筋混凝土閘墩上。實踐證明，在大型弧門的支撐結構中采用預應力錨索，對改善閘墩的應力狀態(tài)、限制閘墩的變形、降低工程造價及保證工程安全運行是最合理的技術措施。

《水電工程預應力錨固設計規(guī)范》(DL/T 5176-2003)和《水工預應力錨固設計規(guī)范》(SL 212-2012)均規(guī)定：當弧門承受的總推力設計值達到25000kN以上時，可考慮采用預應力混凝土閘墩。浩口水電站弧門總推力達到40734kN，通過國內預應力閘墩的應用情況，與本工程推力相當的工程多采用了預應力結構。經技術經濟比較，本工程采用了預應力閘墩。

表1 國內部分預應力閘墩應用情況統計

2.2 錨塊選型及尺寸初擬

錨塊是閘墩預應力錨索外錨固端，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。根據浩口水電站的情況，設計選用的型式為簡單錨塊。

錨塊尺寸初擬根據《水工混凝土結構設計規(guī)范》(DL/T 5057-2009)進行計算。

(1)斜截面抗裂控制應滿足下式：

Fk≤0.75ftkbh

(2)剪跨比a/h0應宜控制在0.2左右。

本工程弧門支鉸到閘墩距離a為1.7m，根據規(guī)范計算初定支座高度h為7.0m，根據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 預應力錨束初步計算

為使弧門支鉸頸部的集中應力合理分散，主錨束的布置應盡量使預壓應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閉狀態(tài)推力線重合為基準，分為5排扇形布置，布置在夾角15°范圍內，每排之間夾角3.75°。主錨索在閘墩平面內的布置主要有平行、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力，因此，本工程結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°，每側兩排，每排5根。邊墩主錨索與閘墩邊線夾角0.87°，迎水側兩排，每排5根。每個中墩布置預應力主錨索20根，每個邊墩布置預應力主錨索10根。

圖2 錨索平面布置示意

預應力錨索初步計算按照DL/T 5057-2009公式進行。

2.3.1 主錨索初步計算

(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算

①中墩頸部對稱配筋，在雙側弧門推力作用下使用下式計算：

在單側弧門推力作用下使用下式計算：

②邊墩頸部采用非對稱配筋時使用下式計算：

經過初步計算主錨索單束永存噸位取為3000kN，控制張拉力3300kN。單側總施加預應力30000kN，拉錨系數1.47。目前我國已建成或在建的大型水利水電工程預應力閘墩設計標準較高，拉錨系數一般在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為1.47，相比國內而言偏小，但結構設計滿足規(guī)范DL/T 5057-2009的要求。

2.3.2 次錨索初步計算

根據規(guī)范DL/T5057-2009，第一排水平次錨索按下式計算：

根據計算，第一排水平次錨索布置4根，扣除預應力損失后單束永存噸位取為1800kN，控制張拉力2000kN。根據規(guī)范預應力水平次錨索不宜少于3排，其它各排的預應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。總計布置次錨索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。然后根據孔口、閘墩、大梁、門槽、預應力錨索等結構布置，對設計關注的范圍進行網格加密處理，建立精細模型，以滿足配筋設計和裂縫分析的計算精度。模型建立時充分考慮動力分析的適應性。

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)點六面體單元。模型中共有409861個單元，380479個節(jié)點。X正向為上游指向下游，Y正向為右岸指向左岸，Z正向為豎直向上。

圖3 壩段模型

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

2.4.1 計算工況

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

(2)正常運行期庫水位352m時弧門關閉擋水的持久工況。該工況閘墩兩側無水，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，另外弧門全關閉的持久工況。該工況閘墩一側有水，另外一側無水。其中中墩一側受水壓另外一側受支鉸水推力。水壓按照P=2%水面線計算。弧門關閉側單鉸18008kN，弧門開啟側支鉸推力418kN。

2.4.2 計算荷載組合

計算荷載組合如表2。

表2 計算荷載組合

2.5 計算成果

經過四種工況的分析計算，工況(1)是最不利工況，預應力閘墩有限元分析重點分析該工況。分析結果如下：

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

圖4 中墩5#錨固洞應力分布等值線圖(MPa)

(2)閘墩頸部抗裂有限元計算表明，邊墩應力最大，是抗裂計算的控制部位。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 邊墩截面法向應力圖(Pa)

(3)支座的拉應力主要是由弧門推力產生，最大拉應力發(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方向應力分量控制，最大主拉應力為5.02MPa，出現在支座與邊墩銜接處，超過混凝土的抗拉強度，但部分范圍小，其余位置大多為0.5MPa-3.4MPa。考慮到主拉應力全部由預應力錨索承擔不太經濟，為了節(jié)省投資，方便施工，按部分預應力進行設計即允許閘墩出現一定的裂縫，配置鋼筋限制裂縫寬度。配置鋼筋后，鋼筋承擔了部分拉應力，鋼筋最大的拉應力為35.48MPa，混凝土拉應力則有了明顯減小，最大主拉應力為2.42MPa，其余位置大多小于1.3MPa。配置鋼筋后混凝土計算最大裂縫寬度為0.02mm，滿足規(guī)范DL-T 5057-2009的要求。

圖6 邊墩支座第一主應力圖(MPa)

圖7 邊墩支座鋼筋應力分布(MPa)

3 結論

(1)浩口水電站表孔弧門推力巨大，閘墩按照常規(guī)鋼筋混凝土結構設計很難解決結構安全問題，因此，采用預應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，并按照部分預應力進行設計，限制閘墩的裂縫寬度，降低了工程造價。