大藤峡水利枢纽工程泄水闸低孔弧门支承体型式选择

唐振华，姜 军，张冬冬，周荣磊

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

1 工程概况

大藤峡工程位于珠江流域红水河下游大藤峡峡谷末端。枢纽工程泄水闸布置在主河床偏左岸，其中设置泄水低孔24个。泄水闸低孔主要任务是泄洪与排沙，采用宽顶堰，堰顶高程为22.00m，孔宽9.0m，孔高18.0m，低孔分缝采用2孔1联的墩中分缝型式，边墩厚度为4.0m，中墩厚度为5.3m，闸墩长67.0m，坝段宽31.3m。低孔胸墙及闸墩按坝身泄水孔体型设计，上游设双胸墙，第一道胸墙厚3.0m，第二道胸墙厚5.0m，胸墙最低处底高程为40.00m。进口段的顶部曲线采用椭圆曲线，后接1.0∶5.0直线段，压坡段顶坡1.0∶4.0，侧面曲线采用1/4椭圆。为了与消力池水流平顺衔接，堰顶与消力池底板采用抛物线y=0.009x2和半径为25.0m的反弧相接。为了满足1000年一遇洪水不冲击弧门支铰及支承结构，弧门支铰中心高程选定47.00m，弧门最大推力设计值为76272kN。

由于弧形闸门承受水压力巨大，门轴推力大，选用大吨位的预应力锚索将铰支座支承体与闸墩相连接，结合国内已建的同类工程，确定支承体的结构型式。

2 国内已建同类工程支承体布置情况

通过现场实地调研并查阅大量文献资料发现：国内已建或在建工程泄水建筑物大型弧门预应力混凝土闸墩的支承结构型式主要有锚块式和深梁式两种。国内部分已建工程中泄水建筑物弧门支承体结构特性见表1。

表1 国内部分已建同类工程预应力

3 弧门支承体型式方案拟定

据相关资料分析，预应力闸墩锚块式支承结构预应力闸墩和深梁式支承结构预应力闸墩各具特点：锚块式支承结构多为简单四边形，结构体型简单，受力性能好，施工较为方便，多应用于大跨度、多孔口结构。深梁式支承结构多应用于高水头泄洪孔或孔口宽度较小或孔口闸墩为缝墩的闸室结构中，它可以改善闸墩受力偏心状态，提高闸室刚度，减小变形，并具有抵御高烈度地震或高速水流强烈振动的良好性能。结合国内外已建或在建的同类工程，大藤峡预应力闸墩弧门支承结构分析比选钢梁方案与混凝土锚块方案。

3.1 钢梁方案

钢梁支承体结构采用梯形断面简支钢箱梁结构，根据钢梁抗剪承载力要求，拟定钢梁梁高为3.8m，弧门支铰支座处设置厚60mm、宽2100 mm、高2500mm的钢垫板一块。根据锚索布置要求，钢梁上游面大翼缘板宽4.714m，下游面小翼缘板宽3.612m，其间设置一定间排距、不同厚度的隔板和肋板等等。为满足钢梁的焊接施工要求，在梁内腹板开设进人孔。此方案通过三维有限元计算分析，比较两孔一联、单孔简支两种钢梁型式，对两种结构型式分别进行静力分析和动力分析计算，并对温度荷载进行应力应变分析。根据静力计算、动力响应分析及动静叠加分析计算成果，考虑钢梁制作安装等因素选择采用单孔简支钢梁型式。

3.2 混凝土锚块方案

弧门推力作用点至闸墩边缘的距离为1.4m，根据DL/T5057-2009《水工混凝土结构设计规范》和水工预应力锚固设计规范中的相关规定，拟定锚块总高度为7.2m。主锚索排间距为0.6m。次锚索分3排在垂直弧门推力方向共布置了18束，每排均布置6束，每束布置在相邻两层主锚索中间。第一排次锚索距锚块上游面距离为1.4m，第二排次锚索距锚块上游面为2.4m，第三排锚索位于锚块下游面，距锚块下游面为1.0m。混凝土锚块方案在锚块部位预留0.5m厚的二期空间用于锚索张拉施工。

4 弧门支承体型式比选

4.1 方案对枢纽总体布置及施工导流的影响

泄水闸弧门支承体钢梁方案对整个枢纽布置影响很小，不会增加坝段长度，不会影响施工导流布置方案。混凝土锚块方案坝段宽度加大，溢流前沿宽度增加，对施工导流设施的纵向混凝土围堰的位置影响较大，投资变化相应增大。

4.2 对闸墩应力的影响

弧门支承体系采用钢梁时，由于钢与混凝土是两种弹模相差很大的材料，在接触面上钢与混凝土是脱开的，完全靠预应力锚索将钢锚块与闸墩锚固在一起。闸墩颈部未出现局部拉应力，整个闸墩处于受压状态，仅预应力下游锚固端及闸墩预留孔口处出现相对较大的拉应力，从预应力闸墩三维有限元分析计算过程及结果可以看出，在闸室结构布置相同的情况下，闸墩应力及位移大小受主锚索吨位大小的控制。为满足钢锚块与闸墩间张开缝控制在不影响第一排锚索的条件，所需锚索吨位大，拉锚系数较大；由于钢梁简支结构自身条件比悬臂结构的锚块要好，所需锚索吨位相对较小，拉锚系数较小。

混凝土锚块与闸墩是同一种材料，且混凝土锚块与闸墩连成整体，在锚块与闸墩的连接部位出现局部拉应力。其节点应力相对较大，亦有一定的超标范围，导致预应力闸墩基本处于带缝工作的状态。

4.3 施工及安装方面差异

钢梁及钢锚块是由不同厚度的钢板焊接而成的箱型结构。为了消除钢梁或钢锚块焊接时温度应力，钢板焊接时可预热加温、红外线退火，但焊接时温度高，且箱型格子尺寸小，焊接工人施工困难，焊接工艺要求高，同时焊缝应力监测也较困难。根据国内已有起吊设备能力，钢梁基本都能采用整体吊装。吊装至相应平台后，需在空间有限的闸墩尾部进行钢梁拼装。钢梁的制作、加工、吊装、索孔对位等相对复杂，尤其在场地狭窄的闸墩处拼装还要采取一定的安全措施。钢梁方案与混凝土锚块方案相比，不存在次锚索张拉，施工工期相对较短。

混凝土锚块的施工在国内外已有不少先例，有成熟的施工经验，但弧门推力总吨位超过70000 kN以上支承体采用混凝土锚块的预应力闸墩设计施工国内少见。混凝土锚块需要用C40以上的高强度混凝土，并做好锚块混凝土的温控及防裂工作，同时混凝土锚块模板的架设、埋件安装、混凝土浇筑等亦有一定难度。为了满足施工要求，在缝墩预留1.0～1.5m的施工空间，不仅消弱了闸墩厚度，对闸墩的变形及应力不利，且次锚索施工空间相对狭窄，难度较大，施工穿索张拉过程中一旦出现不利情况，处理相对困难。

4.4 运行维护优缺点分析

钢梁建成后，暴露在空气中，受气温影响较大。由于钢梁与混凝土闸墩主要靠预应力锚索锚固，为防止钢梁或钢锚块中的预应力锚索受气温影响而产生应力松弛，在钢梁锚固端箱型结构内回填低强度混凝土。此外，坝址区雨量充沛，在钢梁外表面还应加强防腐防锈措施，并定期维护。

混凝土锚块结构建成后，同样在气温骤降时存在一定的热胀冷缩现象，但影响较小，使得预应力锚索出现应力松弛的程度大大降低。混凝土结构预应力闸墩同样会出现一定的裂缝，但在潮湿的环境中比钢结构耐腐蚀，可以通过相对简单的工程措施和较小的投入予以保护。

5 结语

通过对钢梁及混凝土锚块2种支承体结构型式的结构分析，从工程角度来看各方案均可行。从支承体对枢纽布置的影响、对闸墩应力的影响、支承体施工难易程度、运行维护等方面综合分析，大藤峡泄水闸低孔弧门支承体采用了单孔简支钢梁的支承型式。目前左岸20孔泄水闸低孔已全部施工完成，投入电站的先期运行中。