深溪沟水电站泄洪闸预应力闸墩设计

石太军，杨德超

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 工程概况

深溪沟水电站位于四川省大渡河中游汉源县和甘洛县接壤处，为大渡河干流规划的第十八级电站，电站的主要任务为发电，兼有对瀑布沟水电站调峰下泄流量过程进行反调节要求。水库正常蓄水位660.00m，相应库容3 227万 m3，调节库容787万m3，最大水头38.60m，引用流量2 619m3/s，电站装机容量660MW，年发电量32.35亿kW·h，枯期电量9.18亿kW·h，设计枯水年枯水期平均出力253MW，为河床式电站，工程等别为二等工程，枢纽主要建筑物按2级设计。

枢纽主要建筑物由1孔排污闸、3孔泄洪闸、河床式厂房、2条泄洪冲沙洞(与导流洞全结合)及右岸挡水坝段组成。坝顶高程662.50m，坝顶全长223.0m，挡水坝采用混凝土闸坝，最大闸高54.5m，正常蓄水位为660.00m，工作弧门挡水高度40.0m。3孔泄洪闸和1孔排污闸为一闸室单元，底板垂直于水流向宽41.5m，顺水流方向长65.0m，底板厚7m。泄洪闸为胸墙式平底板宽顶堰，底板高程620.00m，孔口尺寸为7.0m ×17.0 m(宽 × 高)，中墩厚5.0m，边墩厚4.0m。

深溪沟水电站泄洪闸在正常挡水工况时，上游水位为660.00 m，一台机正常发电时，下游水位为620.85 m，此时上下游水位差最大，工作弧门将对泄洪闸闸墩牛腿产生2×30 250kN的推力，弧门支铰单侧推力为30 250kN。深溪沟水电站泄洪闸工作弧门总水推力吨位目前在中国水电工程中位列前茅(见表1)。由于工作弧门总水推力巨大，所以泄洪闸闸墩必须采用预应力结构。

表1 部分国内水电站弧门总推力统计

2 预应力闸墩结构设计

为了方便施工，泄洪闸预应力闸墩与锚块的连接形式采用简单式结构，主锚索在闸墩平面综合平行、弯曲、交叉、倾斜等布置方式的利弊，考虑施工条件，采用平行布置(见图1～3，单位mm)，主锚索在闸墩立面上采用辐射状布置，共设5层，总扩散角为18°，相邻两层主锚索扩散角为4.5°，预应力主锚索合力作用线通过弧门支铰中心，方向与弧门支铰推力相反。泄洪闸中墩每层布置4排主锚索，边墩每层布置3排主锚索。主锚索通过不同拉锚系数(预应力总永存吨位与弧门总水推力比值)的比选，最终确定拉锚系数为1.8。主锚索采用OVM15－42锚固体系，单束主锚索由42根高强度、低松弛无粘结钢绞线(7φ5)组成，强度标准值1 860MPa，公称直径15.24mm，单束设计张拉吨位为6 640kN，超张拉吨位为7 304kN，永存吨位为5 445kN，预应力损失为18%。

图1 泄洪闸中墩锚索立面布置示意

主锚索上游锚固端在弧门下游侧闸墩内的预留平孔内，预留平孔沿闸墩高程方向布置5层，预留平孔直径1.5m，可通过预留平孔进行主锚索的安装、张拉，预留平孔在主锚索施工完成后用同强度微膨胀混凝土回填，并进行回填灌浆。

图2 泄洪闸中墩锚索平面布置示意

图3 泄洪闸边墩锚索平面布置

锚块在受到弧门水推力和主锚索张拉力的作用下，在垂直主锚索方向会出现较大范围和较大量值的次生拉应力，为抵消该部分次生拉应力对锚块结构的不利影响，改善其应力状态，在锚块里布置了一定数量的水平次锚索，次锚索分3排在垂直弧门推力方向共布置了12束，每排均布置4束，每束布置在相邻两层主锚索中间，次锚索的锚固端在锚块的外侧，待锚索张拉完毕后用二期混凝土封闭。次锚索采用OVM15－15锚固体系，单束次锚索由15根高强度、低松弛无粘结钢绞线(7φ5)组成，强度标准值1 860MPa，公称直径15.24mm，单束设计张拉吨位为2 325kN，超张拉吨位为2 555kN，永存吨位为1 905kN，预应力损失为18%。

预应力闸墩混凝土分区:预应力锚块采用C45混凝土，闸墩采用C30混凝土。

3 三维有限元计算分析

根据现有工程经验表明:深溪沟水电站泄洪闸坝段中的闸墩具有中孔的工作水头、表孔的孔口尺寸的结构特点，因此，对闸墩结构应力分布和变形性态了解与把握已经成为整个泄洪闸坝段结构设计中应解决的关键技术问题之一。为对泄洪闸坝段的中墩、边墩等结构进行较为全面的应力变形分析，在确保结构安全的前提下，对闸室结构进行优化，合理确定泄洪闸坝段结构体型与尺寸、布置预应力锚索体系、选择锚块尺寸与型式、评价闸墩预应力效果、确定主锚索拉系数和保证工作弧门正常启闭等关键设计要素，我们进行了三维有限元分析计算，计算模型范围为3孔泄洪闸和1孔排污闸，模型中包括了两个边墩和两个中墩。计算工况有施工完建期、运行期、检修期、运行期+地震等，其中运行期、检修期中包含了3孔泄洪闸各闸孔的工作闸门、检修闸门的启闭组合。

3.1 静力计算成果

3.1.1 位移计算成果

(1)闸墩沿坝轴线水平位移。当闸墩两边为对称荷载工况时，所引起沿坝轴线向水平位移相互抵消了，所以沿坝轴线位移一般只有1－2mm。当闸墩两侧弧门一开一关时，为闸墩两侧受力不对称工况，所以闸墩顶部沿坝轴线方向的水平位移较大，在闸墩各计算工况中最大达到4.886mm。

(2)闸墩沿水流方向水平位移。闸墩各计算工况中，沿水流方向水平位移达到最大值3.219mm，闸墩整体位移较小，各部位均未超过4mm，较为安全。

(3)闸墩垂直位移。闸墩各垂直位移主要由其自身混凝土重力引起，整体看来，各种工况下最大位移发生在闸墩尾部，均在4mm左右。

(4)锚块位移。主锚索预应力和弧门推力沿水流方向分力是引起锚块沿主锚索向位移的主要原因。运行工况中，弧门推力都较大，部分抵消了主锚预应力，出现了沿锚索正向位移，且在施加推力作用点的锚块颈部正向位移最大。左中墩锚块沿弧门推力沿水流方向不均匀变形最大，为4.718mm。

弧门推力、次锚预应力、侧水压力是引起闸墩锚块沿坝轴线方向位移的主要因素。弧门一侧开启一侧关闭工况，两侧弧门支座受力不对称，在锚块部位，有较大的弧门推力作用，但在弧门后段，开门侧有侧水压力且较大，故锚块向关门侧位移较大。左边墩锚块沿坝轴线方向不均匀变形最大，为3.725mm。

3.1.2 应力计算成果

(1)闸墩顺水流向正应力。两个边墩颈部边缘由于预应力锚索拉应力的作用产生了较大的拉应力，施工期峰值达到5.275MPa，运行期工况中左中墩拉应力峰值达到6.388MPa，但其影响范围都很小，不超过其峰值周边0.5m，闸墩整体拉应力值均在抗拉强度设计值之内。

(2)闸墩整体垂直向正应力。竖向拉应力峰值仍然是出现在颈部与锚块相交处，闸墩左侧边墙，胸墙和闸墩交界处为高应力区，但范围都很小。

(3)闸墩整体沿坝轴线方向正应力。沿坝轴线方向正应力拉应力高峰主要集中在闸墩尾部、底板尾部流道、平孔周边和胸墙尾部。运行期边墩最大拉应力峰值为5.987MPa，发生在平孔周边，但影响范围极小，中墩由于左右两边水压力的平衡作用，沿坝轴线方向拉应力较小，闸墩整体拉应力均在抗拉强度设计值之内。

(4)预应力锚块应力。对闸墩锚块而言，在弧门推力作用下，最大拉应力均出现在锚块伸出段的安装支座部位。拉应力方向主要沿主锚方向，最大压应力出现在钢锚头与锚块接触部位沿主锚方向，峰值达到4.587 MPa，影响范围在周边0.5m范围之内。

(5)预留平孔周边应力。预留孔周边及孔口附近应力分布具有明显的局部特性。其分布特点为:在预应力锚头接触部位，有较大的压应力;在周边有较大的拉应力。由于预留孔周边应力主要是由主锚索拉应力吨位决定，故各墩在其不同运行工况下，应力相差很小。

(6)闸墩颈部应力。闸墩颈部峰值主要出现在与锚块相交边缘和与锚块牛腿交接处，主要还是由于锚索预应力和弧门推力引起，运行期由于弧门推力不对称，峰值达到6.832 MPa，高拉应力区影响范围较小，作用较浅，从边缘向内影响不超过0.5m。

3.1.3 静力计算结论

(1)各工况组合条件下，泄洪闸结构的位移和相对变形量级较小，均出现在各墩的尾部，结构具有相当的刚度。

(2)在各工况组合条件下，混凝土结构大多数部位拉应力未超过相应混凝土材料的设计标准值。

(3)由于弧门推力作用，混凝土锚块的颈部、闸墩立面上出现了局部、浅表层的拉应力，其拉应力值超过了设计标准值。

(4)主锚预留平孔的混凝土除环向拉应力较大外，在锚头作用部位有径向和沿闸墩厚度方向的拉应力。环向拉应力和径向拉应力由结构配筋解决。沿闸墩厚度方向的拉应力应由锚头的环向钢筋和锚头的钢垫块承担。

3.2 地震作用计算成果

(1)沿坝轴线方向地震作用对闸墩和锚块位移影响明显，尤其是沿坝轴线水平位移和不均匀变形有很大幅度增大，一般峰值在20～30mm，但闸墩和锚块的相对位移较小。

(2)地震作用下，闸墩应力分布有所改变，在闸墩尾部下方产生较大的拉应力，混凝土与锚块的颈部，胸墙尾部，底板流道尾部峰值应力由于地震作用有所增大，但仍然影响范围较小。

4 结 论

深溪沟水电站泄洪闸工作弧门水推力巨大，闸墩必须采用预应力结构。预应力闸墩与锚块的连接形式采用简单式结构，主锚索在闸墩平面上采用平行布置，在施工时简单可靠，有利于施工质量的控制，加快了施工进度，为深溪沟水电站提前发电创造了有利条件。同时通过三维有限元计算分析也验证了其布置的合理性和可靠性。

目前深溪沟水电站已投产发电。泄洪闸运行正常，锚索监测数据正常，泄洪闸闸墩和锚块没有出现裂缝等不良现象。