某电站底孔预应力闸墩三维有限元计算

谭显文

（四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，四川成都 610000）

随着我国“一带一路”的开展，中国的水电事业逐步由国内向国外发展，国外水电站往往很多都面临着高流量，相应的孔口尺寸和弧形门推力也在加大。巨大的弧门推力在闸门支座颈部产生大的拉应力，单靠增加结构尺寸和配筋往往是不经济的，借鉴国内项目成功经验[1-10]，往往采用预应力技术实现改善闸墩应力状态，确保结构安全。

1 工程概况

某水电站由中国建设单位总承包，项目位于乌干达南部。水电站采用河床式开发，装机容量183.2 MW。电站工程主要建筑物包括粘土心墙堆石坝、接头混凝土重力坝、发电厂房、溢洪道及132 kV地面开关站。

枢纽工程溢洪道布置在主河床右岸，分为表孔和底孔，其中底孔孔宽9.5 m×3.0 m，底板顶高程1 029.00 m，闸顶高程1 057.50 m，边墩厚2.5 m，中墩厚3.0 m，墩长38.5 m。

工程正常蓄水位1 054.5 m，校核洪水位1 055.0 m，弧门全部关闭时，启门瞬间的锚块单侧最大推力标准值为27 965.35 kN，水推力方向与水平方向夹角为37.39°。由于工作闸门总推力较大，类比工程经验并结合规范DL/T 5057-2009《水工混凝土结构设计规范》中规定，该工程泄水弧门支承结构应采用预应力钢筋混凝土结构。

2 溢洪道预应力闸墩结构设计

预应力闸墩目前成熟的技术主要有3种类型：竖井对拉式、胶结式锚固、U形锚固[11]。竖井对拉式一般采用直线形式布置锚索，采用非粘结型对拉，一般在坝体内部设置竖井或者廊道。张拉过程都是开敞式操作，安装设备和施工张拉都比较方便。但是，由于竖井的存在，会在一定程度上削弱混凝土结构的强度，同时，由于锚固为“点对点”形式，两端锚固处会形成一定的应力集中，锚固力在结构中扩散不是很均匀。胶结式锚固是将锚固头预埋在上游侧，类似工程中的预应力锚杆，由于主锚索预埋在混凝土内部，所以不会对结构造成削弱。由于上游侧依靠锚头与混凝土的接触摩擦力来形成锚索预应力，这种粘合强度保证率不高，且一般应用于较小临时工程中。U形锚固是采用埋设环形钢管作为预留位置，不会削弱结构的强度，同时，由于采用的是“点对线”的锚固形式，这样预应力在闸墩中的扩散比较均匀，且预应力集中明显降低。由于U形预应力对施工要求技术高，且对U形锚索的半径有要求，一般由锚索厂家给出建议值，这点往往会影响穿索的效率。经综合考虑，此项目采用U形预应力锚索形式。

边墩共布置6支索主锚索，其中两侧主锚索半径采用2.2 m，一共4支，闸墩中部主锚索半径采用3.0 m，一共2支，次锚索13支。中墩共布置10支索主锚索，其中两侧主锚索半径采用2.2 m，一共8支，闸墩中部主锚索半径采用3.0 m，一共2支，次锚索13支。超张拉力中，主锚索超张拉力为3 730 kN；次锚索超张拉力为2 130 kN。永存锚索张拉力中，主锚索张拉力为3 000 kN，次锚索张拉力为1 730 kN。具体布置形式见图1。

图1 预应力闸墩锚索布置立视图

为了更有效地使预应力更多集中在支座颈部，在支座上下面与闸墩固结位置进行预留结构缝隙，缝隙中埋设弹性垫层，该垫层主要由两层沥青牛毛毡组成（图2）。这样来自支座背部的预应力会多集中在支座颈部，不会沿着两边扩展到闸墩上，而导致预应力利用率不高。

图2 弹性垫层

3 计算工况与荷载组合

由于采用的是国际标准，这里按工程业主指定执行美国标准EM 1110-2-2104《水工钢筋混凝土结构强度设计规范》，在结构承载极限状况下，荷载工况的组合见表1。

表1 计算工况与荷载组合

4 有限元模型

此次计算采用有限元计算软件ANSYS，建立预应力闸墩三孔一联整体模型（图3，图4），采用无质量地基，地震荷载采用规范规定的拟静力法进行。主次锚索直线段采用Link10单元，混凝土采用Solid95单位，线单元可以直接设置单向受力，这样可以模拟锚索受拉不受压的实际状态。另外，该单位可以直接施加预应力和初应变，这样可以直接模拟需要施加的预应力。对于锚索U形段采用实体单元模拟，这样可以真实地模拟锚索与U形预埋钢管之间的接触关系，这对正确模拟锚索预应力在闸墩中扩散尤为重要。

图3 溢洪道总体有限元模型

图4 预应力锚索三维体系

5 计算成果

结构运行工况主要有7个工况：工况1为施工完毕预应力张拉工况，工况2为正常运行工况，工况3为运行基本地震（OBE）工况，工况4为最大可信地震（MCE），工况5为泄水工况1，工况6为泄水工况2，工况7为检修工况。选取结构的各个构件在以上7个工况中的控制工况，要使得结构在承载力极限状态和正常使用极限状态都满足规范规定要求，并采用应力面积进行结构配筋计算。

5.1 结构位移结果

溢洪道结构各个工况最大位移结果见表2，从计算结果看出，溢洪道各个位置的位移满足规范使用要求，变形符合正常规律。

表2 最大位移计算结果mm

5.2 结构应力结果

根据应力配筋原则：

式中：As——受拉钢筋面积；T——拉应力的合力，T=Ab；fy——钢筋抗拉强度设计值，取420 MPa；A——拉应力区面积；b——截面宽度，取单位宽度1.0 m。

根据以上原则进行计算配筋（图5），结构各个部件配筋能满足承载力极限状态。由有限元计算分析结果，预应力闸墩具有以下特点：

图5 按应力图形配筋示意图

1）推力方向颈部应力

在工况1施工期超张拉时，铰支座根部推力方向最大压应力为18.00 MPa，闸墩支座颈部压应力分布呈泡状分布，越靠近支座中心，压应力越大，预压应力较为集中，预压效果明显，且支座部位的拉压应力均未超过混凝土极限值。在其它工作工况中，支座根部推力方向最大应力控制工况为工况6，最大拉应力为2.08 MPa，这表明需要增设法向扇形钢筋。

2）垂直水流方向应力

在工况1施工期超张拉时，铰支座最大拉应力为0.20 MPa，这个主要是由于张拉导致支座鼓胀产生的次生拉应力，主要集中在次锚索锚板两侧位置。在其它工作工况中，该方向的拉应力都很小，基本都在0.20 MPa以内，说明该项目设计的次锚索产生的压应力有效地抵消次生拉应力。

3）预留U形管周围应力

在各个工况中，以U形管中心建立极坐标系，该坐标系下U形管切向剪应力和法向应力分布呈现从U形管端头开始，逐渐向内递减的规律，U形管预压侧为压应力，预压侧对面为拉应力分布，在各个工况中，最大控制工况为工况4。由于钢管包裹，抗压完全能满足要求，但需要配置一定的构造钢筋。

4）闸墩竖向应力

闸墩竖向拉应力最大控制工况为工况4，最大拉应力为5.68 MPa，这是由于此时地震加速度为0.213g。按照美国规范进行应力配筋，此时最大竖向配筋为15 475 mm2。

6 结语

该工程借鉴了我国10余座水电站中预应力闸墩设计经验[12-16]，通过对闸墩进行三维有限元的数值仿真模拟，成功地解决了薄闸墩、大推力的关键性技术难题。该项目闸墩设计满足国内外标准，从经济性和工程的安全性两方面比较，U形预应力闸墩更适合中水头电站，这对以后开展国外类似项目具有指导与借鉴意义。