芙蓉江角木塘水电站表孔预应力闸墩设计浅析

王力，张娜，景孟旗

（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳550002）

芙蓉江角木塘水电站表孔预应力闸墩设计浅析

王力，张娜，景孟旗

（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳550002）

结合角木塘水电站表孔闸墩设计情况，对其结构尺寸、应力分布以及锚索布置和用量的合理性进行分析，通过闸墩三维有限元实体模型进行辅助验算。结果表明，该闸墩采用预应力结构可改善闸墩的应力状态和变形，同时降低了工程造价，并保证工程安全运行。

闸墩；预应力；锚束；角木塘水电站

1 工程概况

角木塘水电站为碾压混凝土重力坝，采用坝身表孔泄洪，共设5个表孔。中墩长38.080 m，厚3.5 m；左边墩长48.018 m，右边墩长49.386 m，边墩厚3 m。孔口采用12.5 m×19.6 m（宽×高）弧形工作门。角木塘水电站表孔最大单宽泄量为217.6 m3/s（P=0.2%，校核工况），表孔孔口尺寸12.5 m×19.6 m（宽×高），最大弧门推力为35220 kN，单支铰弧门推力详见表1。

表1 角木塘水电站表孔闸墩单支铰弧门推力表

由于弧门推力较大，同时受地形条件限制，常规的钢筋混凝土结构无法满足运行要求，因此需对闸墩结构形式、应力分布及锚索布置等设计问题进行分析。

2 闸墩结构形式

2.1 锚墩锚块形式

预应力闸墩支撑结构形式主要有两种，分布是深梁式和锚块式。结合本工程弧门跨度（12.5 m），选用锚块式支撑结构。锚块式主要优点是体型简单，施工方便。角木塘水电站表孔预应力闸墩考虑自身结构受力特点，并结合锚束的布置形式（详见第三部分）以及施工条件，采用了简单锚块式，材料采用C45钢筋混凝土。锚块型式见图1。

2.2 锚块底部与闸墩连接方式

目前常用的工程预应力闸墩锚块底部与闸墩的连接方式主要有两种：完全连接；铺设三油二毡的弹性垫层连接。已建工程中漫湾、喜河、天生桥一级和安康等工程采用了弹性垫层的连接方式。设置弹性垫层可减小锚块底部约束，有利于预应力锚束更加有效的发挥其抵消弧门推力的作用，同时减小锚块底部闸墩混凝土拉应力，经综合分析研究和工程类比，角木塘水电站预应力闸墩锚块用弹性垫层的连接方式。

3 闸墩主锚束布置型式及张拉吨位

3.1 主锚束布置原则及扩散角的确定

锚束在立面布置上大都沿弧门水推力合力方向布置，根据力学常识，为充分发挥预应力抵消水推力的作用，尽可能使预应力合力与水推力重合以达到有效和经济的目的；其次考虑闸墩内部应力尽可能达到均匀分布，使支铰区附近应力集中得以扩散，并结合闸墩尺寸，预应力锚束采用扇形布置。统计国内闸墩预应力锚束在里面布置的扩散角为5°～15°。如喜河闸墩为9°，水口闸墩为10°，安康闸墩为8°，角木塘水电站表孔闸墩综合考虑闸墩锚块的尺寸及结构设计要求，采用扩散角为6°。

3.2 主锚束平面布置方式及张拉吨位

锚束沿弧门推力方向的平面布置，主要有平行、交叉、弯曲和发散等四种布置方式。近年从发展趋势来看是以平行布置为主。研究结果表明，弧门推力在闸墩内产生的拉应力是外侧大，内部小。因此锚束布置应尽量靠闸墩外侧布置，以得到更有效的预应力效果。

角木塘水电站表孔闸墩的锚束布置方式，结合采用的简单锚块型式，经综合分析比较，锚束布置确定采用平行布置方式，通过紧缩锚块，达到了很好的预应力效果。另外，采用平行布置施工方便，节省工期，且能有效减少张拉时的预应力损失。表孔中墩厚度为3.5 m，边墩厚度为3 m，根据闸墩和锚块的结构尺寸，弧门推力和三维有限元计算成果，最终确定主锚束沿闸墩中心线对称布置，中墩共布设28根，共4层，每层7排；边墩共布设21根，共3层，每层7排。

根据工程经验，考虑预应力损失，闸墩拉锚系数（预应力总拉力与弧形闸门总推力的比值）一般在2.0左右。表孔闸墩预应力闸墩设计拉锚系数为2.25。每根主锚束采用16根（中墩）、14根（边墩）7φ5钢绞线，设计永存吨位：中墩为2440 kN，边墩为2110 kN；设计张拉吨位：中墩为3000 kN，边墩为2600 kN；超张拉吨位：中墩为3300 kN，边墩为2860 kN。

锚束布置方式见图1、图2。

图1 表孔预应力闸墩主锚束纵剖面图

图2 表孔预应力闸墩中墩主、次锚束平面布置图

3.3 主锚束上游张拉端的布置方式

国内工程上游端的布置方式主要有3种：①上游端锚束分散布置于闸墩中段两侧的蜂窝状预留小槽中。该方案在预留槽周边会产生严重应力集中，且预留槽对墩体消弱大，施工时极易发生贯穿性裂缝，且预留槽布置在高速水流区，混凝土回填质量难以保证。②上游端设一长条形预留槽，锚束集中设于槽内。有两种方法，一种是在将长条形预留槽设置在闸墩侧壁。另一种方法是将长形预留槽设置在闸墩内部，形成墩内竖井。③上游端布置大预留槽方案。改方案预留槽底部下游拐角处会产生应力集中现象。角木塘水电站表孔闸墩根据上述分析研究并结合自身闸墩特点，采用了上述第二种预留长条圆形槽内，后期用混凝土回填。

4 预应力闸墩次锚束布置型式及张拉吨位

次锚束布置主要有两种：一种为水平布置，一种为垂直布置。有些工程水平和垂直次锚束同时布置。综合分析目前国内已建工程实践来看，竖向次锚束作用不明显，水平次锚束的作用主要是抵消主锚束在锚块内产生的水平次生拉应力和弧门推力对锚块弯曲作用产生的拉应力。角木塘水电站表孔闸墩锚块，通过三维有限元分析计算表明，布置次锚束是非常必要的，可以有效改善锚块的受力状态。经多种方案的计算分析，水平次锚束最终采用水平布置方式，布置3层，每层在竖向布置5排，共15根。每根次锚束采用8根7φ5钢绞线，设计永存吨位：中墩为1160 kN，边墩为1090 kN；设计张拉吨位1500 kN；超张拉吨位1650 kN。次锚束布置详见图2。

5 三维有限元辅助计算

为确保整个预应力结构在施工和运行中的安全，采取三维有限元的方法对结构进行较为全面的应力、变形分析，为确保结构安全，合理布置预应力锚索体系，评价闸墩预应力效果，计算结果：

（1）锚块前方预应力施加区闸墩混凝土应力，沿主锚束方向（偏水平向）最大拉应力为2.43 MPa，应力衰减很快，沿厚度从颈部两侧向颈部中间，在0.2 m内降至1.58 MPa，0.5 m内拉应力转变为压应力值。垂直于主锚束方向次生拉应力不大，一般不超过0.5 MPa。拉应力的产生主要是因为在正常蓄水位，一侧闸门开启，一侧闸门关闭时不对称荷载作用下，在弧门关闭一侧产生的拉应力。

（2）预应力锚块颈部，受弧门推力和预应力锚束张拉力作用，受力较为复杂。计算结果表明在主锚索施加预应力位置平均压应力约为-4 MPa，沿厚度方向向两侧及内部，压应力值递减。颈部断面底部还出现了较为明显的局部压应力集中，最大值可达-8.13 Mpa，并未超过C35混凝土的极限抗压强度16.7 MPa。

（3）锚块上部混凝土闸墩应力，由于锚块变位引起的整体效应，邻近锚块上部混凝土，局部出现0.1 MPa的拉应力。邻近锚块下部闸墩混凝土，因设有弹性垫层，拉应力较小。

6 结语

角木塘水电站表孔孔口尺寸较大，使闸门水推力较大，闸墩结构设计复杂，经多种方案的计算分析，表孔闸墩设计采用设有弹性垫层的简单锚块式预应力闸墩结构形式，主锚束采用近年发展趋势以平行布置为主的布置形式，次锚束采用水平布置。经三维有限元计算辅助分析，角木塘水电站表孔闸墩各项技术指标均在规范及设计要求范围内，工程建成后还需根据监测数据分析进一步验证闸墩运行情况。

[1]谢伟，李树山.预应力闸墩结构试验及理论[M].北京：中国水利水电出版社，2010：36-48，121-126

[2]赵长海.预应力锚固技术[M].北京：中国水利水电出版社，2001，196-215.

TV622.2

B

1673-9000（2017）04-0140-02

2

王力（1987-），男，贵州遵义人，大学本科，工程师，主要从事水工设计工作。

景孟旗（1987-），男，山西运城人，硕士研究生，助理工程师，主要从事水工设计工作；

张娜（1990-），女，河北衡水人，硕士研究生，助理工程师，主要从事水工设计工作。