浩口水电站表孔预应力闸墩设计

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(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 北部新区，401120)

1 工程概况

浩口水电站是芙蓉江干流梯级开发规划的第11级，水库总库容8962万m3，总装机容量135MW。枢纽布置格局由碾压混凝土重力、左岸引水系统和左岸地面厂房组成。泄水建筑物按100年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核，其洪峰流量分别为11200m3/s、16200m3/s。溢流坝段总长87.0m，溢流净宽65.0m，堰顶高程331.0m，堰型采用WES堰。在堰顶布置5孔13m×21m的溢流表孔。浩口水电站河谷狭窄，泄洪建筑物布置紧凑，设计闸墩为等厚预应力闸墩，中墩厚4.0m，边墩厚3.0m。

2 闸墩支撑结构体系的选择

2.1 预应力技术的采用

许多工程由于泄洪流量大，往往采用大跨度大弧形闸门以减少闸墩的数量，增大泄洪孔口净宽以满足泄洪需要。泄洪孔口尺寸加大后，弧形闸门所承受的推力也随之加大。随着弧门推力的加大，闸墩受力也随着加大，但由于受溢流宽度的限制，闸墩尺寸不可能设计得过大，这势必恶化了闸墩的应力状态。为改善弧门支撑结构的应力状态，确保建筑物安全，便将预应力技术应用于大型弧门的钢筋混凝土闸墩上。实践证明，在大型弧门的支撑结构中采用预应力锚索，对改善闸墩的应力状态、限制闸墩的变形、降低工程造价及保证工程安全运行是最合理的技术措施。

《水电工程预应力锚固设计规范》(DL/T 5176-2003)和《水工预应力锚固设计规范》(SL 212-2012)均规定：当弧门承受的总推力设计值达到25000kN以上时，可考虑采用预应力混凝土闸墩。浩口水电站弧门总推力达到40734kN，通过国内预应力闸墩的应用情况，与本工程推力相当的工程多采用了预应力结构。经技术经济比较，本工程采用了预应力闸墩。

表1 国内部分预应力闸墩应用情况统计

2.2 锚块选型及尺寸初拟

锚块是闸墩预应力锚索外锚固端，型式主要有深梁式和锚块式。深梁式一般用于高水头泄洪孔口，锚块式一般用于弧门跨度较大的情况。根据浩口水电站的情况，设计选用的型式为简单锚块。

锚块尺寸初拟根据《水工混凝土结构设计规范》(DL/T 5057-2009)进行计算。

(1)斜截面抗裂控制应满足下式：

Fk≤0.75ftkbh

(2)剪跨比a/h0应宜控制在0.2左右。

本工程弧门支铰到闸墩距离a为1.7m，根据规范计算初定支座高度h为7.0m，根据锚索布置锚块的上游端宽度B为5.4m，下游端宽度B为3.4m，剪跨比0.2677。

2.3 预应力锚束初步计算

为使弧门支铰颈部的集中应力合理分散，主锚束的布置应尽量使预压应力的合力方向和弧门推力线一致。主锚索在立面上以“2长3短”布置，以中间一排和弧门关闭状态推力线重合为基准，分为5排扇形布置，布置在夹角15°范围内，每排之间夹角3.75°。主锚索在闸墩平面内的布置主要有平行、交叉、弯曲和倾斜等四种布置。平行布置有利于施工，倾斜布置有利于改善应力，因此，本工程结合平行和倾斜两种布置采用小倾斜的布置形式。中墩主锚索与闸墩边线夹角0.87°，每侧两排，每排5根。边墩主锚索与闸墩边线夹角0.87°，迎水侧两排，每排5根。每个中墩布置预应力主锚索20根，每个边墩布置预应力主锚索10根。

图2 锚索平面布置示意

预应力锚索初步计算按照DL/T 5057-2009公式进行。

2.3.1 主锚索初步计算

(1)闸墩颈部抗裂控制宜符合下列规定：

σck-σpc≤0.7ftk

(2)闸墩颈部正截面手拉承载力计算

①中墩颈部对称配筋，在双侧弧门推力作用下使用下式计算：

在单侧弧门推力作用下使用下式计算：

②边墩颈部采用非对称配筋时使用下式计算：

经过初步计算主锚索单束永存吨位取为3000kN，控制张拉力3300kN。单侧总施加预应力30000kN，拉锚系数1.47。目前我国已建成或在建的大型水利水电工程预应力闸墩设计标准较高，拉锚系数一般在1.6～3.0左右，而国外为1.2～1.8。如将其控制在1.5左右，可节约锚索投资。本工程采用拉锚系数为1.47，相比国内而言偏小，但结构设计满足规范DL/T 5057-2009的要求。

2.3.2 次锚索初步计算

根据规范DL/T5057-2009，第一排水平次锚索按下式计算：

根据计算，第一排水平次锚索布置4根，扣除预应力损失后单束永存吨位取为1800kN，控制张拉力2000kN。根据规范预应力水平次锚索不宜少于3排，其它各排的预应力次锚索的面积宜与第一排水平次锚索相同。因此，本工程总共布置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。总计布置次锚索12根。

2.4 有限元分析

三维有限元方法，首先选择5#表孔坝段作为代表，建立坝基及孔口、闸墩等整体模型。模型包括溢流坝、闸墩及坝基等。然后根据孔口、闸墩、大梁、门槽、预应力锚索等结构布置，对设计关注的范围进行网格加密处理，建立精细模型，以满足配筋设计和裂缝分析的计算精度。模型建立时充分考虑动力分析的适应性。

整体模型包括：溢流坝段及其上的闸墩、坝顶桥和连系梁等，地基向上游、下游及底部方向均延伸了2倍坝体高度。模型均采用八节点六面体单元。模型中共有409861个单元，380479个节点。X正向为上游指向下游，Y正向为右岸指向左岸，Z正向为竖直向上。

图3 坝段模型

计算方法采用应力图形法进行配筋量计算，最后选取支座颈部配筋量最大的工况为控制工况，采用单弹簧粘结单元法，同时引入混凝土四参数损伤模型，对牛腿颈部进行钢筋混凝土三维非线性有限元计算。

2.4.1 计算工况

(1)正常运行期库水位352m时弧门开启的短暂工况。该工况闸墩两侧无水，支铰总推力40734kN，单铰20367kN，推力与水平夹角11.97°；

(2)正常运行期库水位352m时弧门关闭挡水的持久工况。该工况闸墩两侧无水，支铰总推力36017kN，单铰18008kN，推力与水平夹角11.9403°；

(3)水库宣泄校核洪水，弧门全开的持久工况。该工况闸墩两侧有水，支铰总推力836kN，单铰418kN；

(4)水库宣泄校核洪水，一扇弧门全开，另外弧门全关闭的持久工况。该工况闸墩一侧有水，另外一侧无水。其中中墩一侧受水压另外一侧受支铰水推力。水压按照P=2%水面线计算。弧门关闭侧单铰18008kN，弧门开启侧支铰推力418kN。

2.4.2 计算荷载组合

计算荷载组合如表2。

表2 计算荷载组合

2.5 计算成果

经过四种工况的分析计算，工况(1)是最不利工况，预应力闸墩有限元分析重点分析该工况。分析结果如下：

(1)锚固洞的最大拉应力为4.67MPa，出现在中墩5#锚固洞中。超过混凝土的抗拉强度，需要配置钢筋。锚固洞水平向配筋面积不小于10696mm2，竖直向按照构造配筋。

图4 中墩5#锚固洞应力分布等值线图(MPa)

(2)闸墩颈部抗裂有限元计算表明，边墩应力最大，是抗裂计算的控制部位。边墩最大的σck-σck为1.495MPa，小于允许值1.673MPa，颈部抗裂满足要求。

图5 边墩截面法向应力图(Pa)

(3)支座的拉应力主要是由弧门推力产生，最大拉应力发生在弧门推力施加处周边和支座与边墩的衔接处，主要是由y方向应力分量控制，最大主拉应力为5.02MPa，出现在支座与边墩衔接处，超过混凝土的抗拉强度，但部分范围小，其余位置大多为0.5MPa-3.4MPa。考虑到主拉应力全部由预应力锚索承担不太经济，为了节省投资，方便施工，按部分预应力进行设计即允许闸墩出现一定的裂缝，配置钢筋限制裂缝宽度。配置钢筋后，钢筋承担了部分拉应力，钢筋最大的拉应力为35.48MPa，混凝土拉应力则有了明显减小，最大主拉应力为2.42MPa，其余位置大多小于1.3MPa。配置钢筋后混凝土计算最大裂缝宽度为0.02mm，满足规范DL-T 5057-2009的要求。

图6 边墩支座第一主应力图(MPa)

图7 边墩支座钢筋应力分布(MPa)

3 结论

(1)浩口水电站表孔弧门推力巨大，闸墩按照常规钢筋混凝土结构设计很难解决结构安全问题，因此，采用预应力闸墩是必要合理的。

(2)闸墩和锚块的连接形式为简单锚块，主锚索在竖向布置为扇形，水平面布置为微倾斜，简化方便了施工。

(3)采用了较低的拉锚系数，并按照部分预应力进行设计，限制闸墩的裂缝宽度，降低了工程造价。