杨房沟拱坝表孔大梁施工方案及受力分析

魏 海 宁， 宋 志 伟， 吴 阳， 李 啟 常， 戴 永 琪

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610000；3.河海大学，江苏 南京 210000)

1 概 述

杨房沟水电站挡水建筑物采用混凝土双曲拱坝，坝顶高程2 102 m，坝高155 m，拱冠梁顶宽9 m，底宽32 m，厚高比0.206。坝顶中心线弧长362.17 m，共分17个坝段。坝身布置4个表孔和3个中孔，表孔采用自由溢流WES堰接出口收缩的跌流型式，中孔采用有压流接出口窄缝出流的射流型式。4个跨横缝布置的表孔尺寸10 m×14 m(宽×高)，表孔弧门支撑大梁既可以作为弧门的支撑结构及坝顶公路，更重要的是能在一定程度上恢复拱坝顶部拱圈，减小开孔对拱坝结构的不利影响，提高拱坝上部结构的整体性，对保持拱坝良好的工作性态有重要作用。由于表孔流道两侧闸墩难以同步上升，且为了减小温度应力，表孔支撑大梁不能在施工期初期连成整体，需要对大梁先预留宽缝再回填，若宽缝回填不密实，则将形成其两侧悬臂梁各自单独受力的状况。鉴于表孔大梁的以上特点，其受力条件十分复杂，施工难度大，有必要对其分缝方案及受力状况进行分析。杨房沟拱坝表孔结构平面布置及表孔沿流道中心线剖面见图1、2。

图1 表孔结构平面布置图(单位：高程m，结构尺寸cm)

图2 表孔沿流道中心线剖面图(单位：高程m，结构尺寸cm)

2 表孔大梁施工期分缝方案

表孔大梁一般的施工期分缝方式有两种，即大梁跨中分缝和闸墩分缝[1]。目前，以上两种分缝方案在国内高拱坝中均有采用，跨中分缝的工程有构皮滩[2]、锦屏一级[3]等，闸墩分缝的工程有二滩[4]、溪洛渡、乌东德、白鹤滩等。大梁跨中分缝具有以下优点：(1)大梁与闸墩可以整体浇筑，大梁与闸墩连接可靠；(2)施工期闸墩两侧大梁为悬臂结构，可自由伸缩，从而充分释放施工期温度应力；(3)由于结构对称，跨中缝面剪力为零，缝面处理难度较小；(4)表孔流道两侧闸墩不需要同步上升，各坝段施工互不影响。鉴于此，杨房沟表孔弧门支撑大梁施工采用跨中分缝。分缝形式采用“瓶塞形”宽缝，顶宽2.5 m，底宽2.0 m，并预留钢筋接头。考虑宽缝宽度较小，混凝土回填后收缩量较小，其两侧缝面不设接缝灌浆系统。

3 大梁分缝对表孔受力影响分析

首先，按宽缝回填后大梁形成整体计算大梁及闸墩应力、变形。其次，按宽缝回填不密实，宽缝两侧悬臂梁各自单独受力计算，并对两种受力状况进行对比，以判断宽缝回填不密实对孔口结构的影响。计算采用三维有限元子模型法[5]，即先建立包含大坝、坝基、孔口、闸墩等结构整体模型，然后对重点关注的孔口、闸墩、大梁范围进行网格加密处理，建立精细子模型，以满足计算精度。在子模型上施加位移边界条件及相应荷载进行计算，位移边界取整体模型的计算成果(图3～5)。

3.1 计算工况及参数

上游水位取正常蓄水位2 094 m，此时表孔弧门单个支铰推力P=1 040 t。表孔闸墩和大梁采用C30混凝土，容重γ=24 kN/m3，弹模E=22 GPa，泊松比λ=0.167。

图3 杨房沟拱坝整体模型

图4 表孔闸墩及大梁子模型(无宽缝)

图5 表孔闸墩及大梁子模型(有宽缝)

3.2 计算结果及受力特点

(1)大梁应力。大梁无宽缝时，其拉应力水平很小，主要分布在大梁与闸墩结合处附近、大梁下游面和底面，大梁上游面由于弧门推力的作用主要为压应力。大梁有宽缝时，其压应力水平很小，主要分布在弧门推力作用面以及大梁下游面与两侧闸墩结合处附近，而大梁上游面与两侧闸墩结合处附近的拉应力较大。表1列出表孔大梁主应力最大值对比情况，图6、7为两种工况大梁第一主应力分布。

图6 大梁第一主应力(Pa)(无宽缝)

图7 大梁第一主应力(Pa)(有宽缝)

(2)闸墩应力。大梁无宽缝时，表孔闸墩拉应力主要分布在闸墩与大梁、孔身段结合处周围，其中左侧闸墩与大梁结合处附近的拉应力较大，成贝壳状分布且应力值逐层向外递减，压应力主要分布在闸墩与孔身段、坝体结合处。大梁有宽缝时，闸墩与大梁、堰面结合处的拉应力增大，其中堰面与左侧闸墩结合处附近的拉应力较大，闸墩与孔身段结合处的压应力增大，其中下游堰面闸墩与左侧闸墩结合处的压应力较大。表2列出三种工况作用下大梁有无宽缝时的表孔闸墩主应力最值对比情况，图8、9为两种工况闸墩第一主应力分布。

表1 表孔大梁主应力

表2 表孔闸墩主应力

图8 闸墩第一主应力(Pa)(无宽缝)

图9 闸墩第一主应力(Pa)(有宽缝)

(3)大梁变形。大梁无宽缝时，x向位移最大值出现在大梁顶面与左侧闸墩结合处，y向位移最大值出现在大梁下游面与右侧闸墩结合处，z向位移最大值出现在大梁顶面与右侧闸墩结合处。大梁有宽缝时，大梁位移分布情况变化不大。表3列出三种工况作用下有无宽缝时的表孔大梁最大位移对比情况，图10、11为两种工况大梁y向位移情况。

图10 大梁y向位移(m)(无宽缝)

图11 大梁y向位移(m)(有宽缝)

(4)闸墩变形。大梁无宽缝时，x向位移最大值出现在左侧闸墩上游面，y向位移最大值出现在右侧闸墩下游面，z向位移最大值出现在右侧闸墩。大梁有宽缝时，表孔闸墩位移分布情况变化不大。表4列出三种工况作用下大梁有无宽缝时的闸墩最大位移对比情况，图12、13为两种工况闸墩y向位移分布。

表3 表孔大梁最大位移

表4 表孔闸墩最大位移

图12 闸墩y向位移(m)(无宽缝)

图13 闸墩y向位移(m)(有宽缝)

(5)经计算分析，在大梁无宽缝、有宽缝两种受力状况下，大梁及闸墩应力分布存在一定差异，应力极值均在可控范围，通过配筋均可满足受力要求，位移分布和极值差异不大。

4 宽缝回填施工技术要求

为保证回填混凝土施工质量，使宽缝回填密实，需要明确回填混凝土时间与拱坝横缝接缝灌浆的关系、混凝土温控要求、分层要求等施工技术要求。

(1)宽缝回填时机。大梁底高程为2 089 m，宽缝回填应在第十五层灌区(高程2 079～2 092 m)接缝灌浆后进行，且第十六层灌区(高程2 092～2 102 m)拱坝及大梁混凝土冷却至接缝灌浆温度，混凝土龄期不小于90 d。应先完成宽缝回填(1～4号表孔宽缝回填施工应同步进行)，待回填混凝土龄期满28 d后，再进行两侧横缝的接缝灌浆(按照由中间向两岸逐步推进的要求进行接缝灌浆)。

(2)宽缝回填前缝面处理。应将宽缝两侧缝面深凿毛处理，需凿除深度1～2 cm，达到“微露小石”标准。宽缝内钢筋连接应在大梁混凝土温度降至封拱温度后开始，以充分释放施工期混凝土温度应力。

(3)宽缝回填混凝土及浇筑方式。采用C30F200W10二级配混凝土。回填混凝土采用分层浇筑的方式，层厚宜采用3～4.5 m。

(4)回填混凝土温度控制。浇筑温度按照不超过14 ℃控制且不能低于7 ℃，最高温度按不超过29 ℃控制，回填混凝土至少冷却至15 ℃后再进行两侧横缝的接缝灌浆。回填混凝土中埋设冷却水管(1 m×1 m)，冷却水管入口处参考通水温度为8 ℃～10 ℃，宜分两期通水冷却，之间宜间歇或控温5～10 d，一期通水冷却目标温度为21 ℃，日最大降温不宜超过1 ℃，且日平均降温不宜超过0.6 ℃。二期通水冷却目标温度为15 ℃，日最大降温不宜超过0.6 ℃，且日平均降温不宜超过0.4 ℃。若采用小流量连续通水，通水总时间不宜低于25 d。

(5)表孔弧门支撑大梁施工需搭设大量型钢或脚手架支撑。由于支架高度及承受荷载较大，且为高空作业，施工安全风险高。表孔大梁混凝土浇筑层厚第一层采用1.5 m，第二层1.5 m，第三层及以上按不超过4.5 m控制，层间间歇期按5～10 d控制(其中第一层、第二层浇筑满7 d龄期后方可浇筑下一层)，不宜超过14 d。

5 结 语

高拱坝表孔大梁受力条件复杂，施工难度大，笔者对其分缝方案及受力状况进行分析。表孔大梁施工期采用跨中“瓶塞形”分缝施工方案，与闸墩分缝方案相比，具有结构可靠且便于施工的特点，可在同类工程中推广使用。

对大梁无宽缝、有宽缝进行的对比分析表明，两种受力状况下大梁及闸墩应力分布存在一定差异，应力极值均在可控范围，通过配筋均可满足受力要求。位移分布和极值差异不大。按照控制工况进行配筋设计后，即使大梁回填施工存在不密实的情况，孔口结构仍能正常工作。

为保证回填混凝土施工质量，对回填时间与拱坝横缝接缝灌浆的关系、混凝土温控、分层等提出了技术要求。目前杨房沟表孔大梁、闸墩已浇筑完成，宽缝回填已部分完成，施工过程顺利、质量优良，可为类似工程提供借鉴。