某水电站溢洪道预应力闸墩计算分析

裴松伟，唐克东

（华北水利水电学院，郑州450008）

某水电站溢洪道预应力闸墩计算分析

裴松伟，唐克东

（华北水利水电学院，郑州450008）

应用三维有限元方法对某水电站溢洪道预应力闸墩进行了计算分析，论证了预应力锚索上游锚固端位置和形式的合理性，优化了预应力锚索的布置方案和永存吨位.研究结果可为同类结构的设计提供参考.

溢洪道；预应力闸墩；锚索；锚块；永存吨位

20世纪50年代，在突尼斯的梅列格溢洪道修建中，预应力技术开始被应用于水利工程上的大型弧形闸门闸墩结构.20世纪60年代，美国在修建瓦纳堡溢洪道时，对预应力混凝土闸墩结构进行了比较系统的应力分析和试验研究.20世纪70年代，我国首次将预应力技术成功应用于葛洲坝枢纽，随后在龙羊峡、鲁布革、岩滩、二滩等工程中采用了预应力闸墩［1］.溢洪道预应力闸墩结构受力十分复杂，处于三维受力状态；若采用平面结构力学法进行计算分析，计算结果不能反映结构的实际受力状态，所以，采用三维有限元法对溢洪道预应力闸墩进行计算分析研究是十分必要的.

某水电站溢洪道设4孔闸，每孔尺寸为15m×21.09m.共有3个中墩和2个边墩，闸墩沿闸室中心线分缝，边墩为重力挡土墙式结构.闸孔设叠梁检修门和弧形工作门，在正常运行情况下，单铰最大弧门推力高达21326.5kN.由于水推力大，闸墩采用一般的钢筋混凝土结构强度难以满足设计要求.因此，溢洪道闸墩采用预应力混凝土结构，混凝土强度等级为C40.为了确定溢洪道闸墩预应力锚索上游锚固端的位置和形式，优化溢洪道闸墩预应力锚索的布置和永存吨位，本文采用三维有限元法对溢洪道预应力闸墩进行了计算分析.

1 上游锚固端位置和锚索布置

根据国内外水电站工程建设经验，选取锚固竖井和锚拉洞预应力主锚索上游端锚固方案进行优化.主锚束的布置在闸墩立面方向采用扇形，共5层，沿弧门推力方向布置，其上下边缘层锚束的扩散角为16°；平面方向采用平行布置，共4排，中墩两侧对称布置，边墩一侧按中墩单侧的原则布置，另一侧布置一排平衡索.次锚束的布置采用水平布置方式，在锚块颈部附近布置两排横向水平次锚束（每排4束），锚块下游布置一排横向水平次锚束.

2 闸墩三维有限元分析

闸墩沿闸室中心线分缝，闸墩顺水流方向长50m，闸墩段与其上游引渠段和下游泄槽段之间均设横缝，中墩末端厚度4m，上游端厚度6.4m.预应力闸墩结构锚索布置和受力比较复杂，若采用材料力学和平面有限元法计算，会有较大的误差.为了解弧门推力及预应力荷载对闸墩和锚块应力分布的影响，评价预应力锚束布置的合理性，采用三维有限元法对溢洪道中墩进行了详细的分析研究.

2.1 基本假定和混凝土应力控制标准

闸室混凝土及基础结构材料符合小变形情况下的线弹性基本假定，即按线弹性理论进行结构体有限元计算分析；不考虑基础岩石中的夹层等破碎带，认为基础结构为均质、连续、各向同性材料［2］.闸墩按部分预应力混凝土结构设计，其应力控制标准为：在正常使用条件下，结构内部的最大拉应力不应大于混凝土抗拉强度标准值的1／2［3－4］.

2.2 计算荷载

自重荷载：按体积考虑.

预应力荷载：计算中预应力荷载均按永存吨位考虑.

水荷载：一部分作用于闸墩表面，一部分通过弧门支臂传到支铰.

温度荷载：按温度下降5℃考虑.

2.3 计算范围

取中墩整体结构（即中墩两侧分别带有一半闸室底板）进行计算，基础深度取一倍闸室高度50m，基础上下游延伸长度（顺水流方向）均取50m，基础沿垂直水流方向的宽度同闸室.

2.4 计算工况

工况1：自重＋水荷载＋两侧弧门推力.

工况2：自重＋水荷载＋两侧弧门推力＋预应力.

工况3：自重＋水荷载＋左侧弧门推力＋预应力.

工况4：自重＋预应力.

工况5：自重＋水荷载＋左侧弧门推力＋预应力＋温降.

2.5 计算方法

计算采用通用结构分析程序ANSYS进行三维有限元计算分析，单元采用8节点实体单元.锚块部位和闸墩表面沿主锚索C方向的结果分析，是按局部坐标系x′－y′－z′给出的［2］.

2.6 单元网格划分

依据确定的中墩计算范围，对中墩整体进行了有限元网格剖分.中墩有限元整体网格图如图1所示，锚块局部网格剖分图如图2所示.

图1 中墩有限元整体网格图

图2 锚块局部网格图

2.7 边界条件

在中墩计算模型中，在4个侧向地基表面分别施加与侧面相垂直的刚性链杆约束，在底面施加竖向刚性链杆约束.其余结构表面均为自由面.

2.8 计算结果分析

2.8.1 上游锚固端位置的选择

在工况1无预应力的情况下，中墩墩体左侧表面σx等值线分布如图3所示.从图3可知，准备选作锚固竖井和锚拉洞区域的部位已处于零应力状态，说明选择该部位作为锚固竖井区和锚拉洞区是合适的.

图3 工况1下中墩墩体左侧表面σx（kPa）分布图

2.8.2 锚拉洞和锚固竖井的选择

在工况4情况下，竖井方案墩体左侧表面σx等值线分布如图4所示，锚拉洞方案墩体左侧表面σx等值线分布如图5所示.从图4和图5可以看出，竖井方案和锚拉洞方案对闸墩关键部位支铰区的影响基本一样，而竖井方案比锚拉洞方案在闸墩上形成的压应力区范围略大.又由于相对于锚拉洞方案，竖井方案中预应力施工操作空间大，便于二期混凝土工程施工，混凝土施工质量容易得到保证，因此推荐采用竖井方案.

2.8.3 锚索布置和永存吨位的优化

通过中墩5种工况下的锚固竖井方案的计算分析，在原锚索布置方案中，中墩支铰区在工况3下的最大拉应力达到了2 098kPa，超过了该区域C40混凝土的0.5倍抗拉强度标准值（标准值为ftk＝2 450kPa）.为降低中墩支铰区拉应力，对原锚索布置情况及永存吨位进行了调整.经过对锚索扩散角、布置形式、永存吨位进行各种方案的计算分析，确定调整后的溢洪道预应力闸墩锚索布置方案为：主锚索扩散角由16°改为13°，单束主锚索的永存吨位由3 200kN改为3 900kN，拉锚系数为1.83，次锚索位置、吨位不变.2.8.4 闸墩主要部位的应力分布（优化后方案）

2.8.4.1 锚 块

在各种工况下，除工况1没有施加预应力的情况外，锚块部位的应力在工况3条件下最不利，其他工况的应力均好于工况3.

在工况2下，锚块x′方向、z′方向基本处于受压状态，y′方向大部分区域处于受拉状态，拉应力值较小，基本在300kPa以内.

在工况3下，锚块x′方向、z′方向大部分区域处于受压状态，x′方向在闸墩受力侧与锚块交接部位出现了一个宽40cm、高40cm的局部受拉区，最大拉应力为1 295kPa（如图6所示），略高于0.5 ftk，小于ftk.

图6 锚块上游面与推力方向剖面交线上的σx＇分布图

2.8.4.2 闸墩支铰区

在工况2下，闸墩支铰区在靠近锚块的小范围（沿x′方向约1m，沿y′方向约1.7m，沿z′方向闸墩表面两侧深约0.3m）内，存在x′方向的拉应力，拉应力最大值为400kPa，其他部位各方向基本处于受压状态或零应力状态.

在工况3下，受力侧闸墩支铰区（沿x′方向约3.3m，沿y′方向约4.5m，沿z′方向闸墩表面两侧深约0.5m），存在x′方向的拉应力，拉应力最大值1485.1kPa（如图7所示），大于0.5 ftk，小于ftk，最大拉应力区域很小，为了结构的耐久性考虑，应适当配置非预应力钢筋；其他部位各方向基本处于受压状态或零应力状态.

图7 左侧支铰区表面与推力方向剖面交线上的σx′分布图

2.8.4.3 锚固竖井区

在工况2下，锚固竖井在x方向和y方向均处于受压应力状态，在z方向出现很小的拉应力σz，局部最大拉应力为194.17kPa.

在工况4下，锚固竖井左边壁、右边壁x方向出现了次生拉应力，拉应力小于300kPa.锚固竖井中隔墙x方向的拉应力最大值为852.83kPa，y方向基本处于受压状态.z方向中隔墙部位产生了次生拉应力，且局部拉应力达到了2540.4kPa（如图8所示），略高于ftk，因此，该区域应按局部承压设计配置非预应力钢筋.

图8 竖井下游面与墩体中心剖面交线上的σz分布图

3 结 语

通过计算分析，确定了锚索上游锚固端位置和形式，优化了预应力锚索的布置形式和永存吨位，并对优化后的方案进行了计算分析，分析结果表明优化后的方案满足结构设计要求.

（1）闸墩支铰区应呈扇形配置非预应力钢筋或敷设钢板，以承担最不利工况出现的大于0.5 ftk的拉应力；预留锚固竖井内角宜采用圆弧形光滑过渡，以尽量降低施工期因应力集中产生的次生拉应力；在闸墩根部适当配置非预应力钢筋，以便承受施工期和运行期复杂的温度作用及地震作用的影响.检修门槽亦应适当配置非预应力钢筋，以便承受检修期检修门推力.

（2）主锚索力施加时的张拉顺序不同，将会在闸墩体内产生不同的应力状态.设计及施工中应考虑先施加中部锚索预应力，再同时对称施加两侧锚索预应力；且每束锚索应采用分级施加的方法，以减小由于施加锚索力而对闸墩结构应力状态产生的不利影响.

［1］ 孙志恒，刘致彬.预应力厚闸墩的试验研究［J］.水利水电技术，1992（11）：52－57.

［2］ 唐克东，郭雪莽.巴贡水电站溢洪道预应力闸墩三维有限元计算分析［R］.郑州：华北水利水电学院，2004.

［3］ DL／T5057—1996，水工混凝土结构设计规范［S］.

［4］ SL253—2000，溢洪道设计规范［S］.

Optimal Design for the Prestressed Pier of Hydropower Project

PEI Song－wei，TANG Ke－dong
（North Chian Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450008，China）

Three dimensional finite element analysis is adopted on the piers calculation of Hydropower Project.The place and the type of the tendons upstream end are discussed，the arrangement and permanent tonnage of the anchor groups are optimized.The results can provide refereuce for the same type frames.

spillway；prestressed pier；anchor group；anchorage block；permanent tonnage

TV314

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2012.02.013

1671－6906（2012）02－0058－04

2012－03－22

裴松伟（1979－），男，河南鄢陵人，硕士生.