大藤峡水利工程泄水闸高孔预应力闸墩设计

唐振华，周荣磊，陈 良

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021;2.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西桂平537200）

1 工程概况

大藤峡工程位于珠江流域红水河下游黔江至浔江河段的大藤峡峡谷末端，枢纽工程建设任务主要以防洪、航运、发电等功能为主。枢纽建筑物主要由右岸挡水重力坝、左右岸发电厂房、混凝土闸坝、左岸船闸坝段、左岸挡水副坝（土石坝）、南木江副坝（土石坝）、黔江鱼道和南木江鱼道组成，主要建筑物级别为1 级。

枢纽工程泄水闸布置在主河床偏左岸，共26孔泄水闸泄水高孔堰型为开敞式实用堰，闸孔净宽14.00 m；左岸高孔边墩厚度分别为12.30 m和4.00 m，右岸高孔边墩厚度分别为12.80 m和4.00 m，坝段长30.30 m（左岸）和30.80 m（右岸），闸墩长均为67.00 m。

大藤峡水利枢纽工程正常蓄水位61.00 m，泄水闸高孔弧门全部关闭时启门瞬间的锚块单侧推力标准值为31000 kN，水推力方向与水平方向夹角为7.817°。在弧门推力作用下，闸门支撑体（锚块）上游闸墩立面拉应力区面积较大。由于工作闸门总推力巨大，类比工程经验并结合相关规程规范，该工程泄水高孔弧门支承结构采用预应力钢筋混凝土结构。

2 泄水闸高孔预应力闸墩结构设计

预应力锚索布置型式较多，根据闸墩结构的布置、施工难易程度及预应力损失等各种因素，参考国内外其他大推力预应力闸墩设计情况，通过对预应力锚索在闸墩立面上采用放射状和平行布置、平面上平行和交叉布置等方案进行分析比较，该工程泄水闸高孔预应力闸墩锚索采用立面上放射状设置、平面上平行排列的布置方式。

泄水闸高孔预应力闸墩主锚索在立面上布设5 层，采用长短相间、“上二下三”的布置方式，相邻锚索层间夹角为4°，群锚体系合力作用线平行于弧门推力作用线。为简化施工，主锚索设计采用后张法施工，在闸墩立面上共预留直径1.50 m 的5层施工平洞，闸墩施工期可通过预留平洞进行锚索上游锚固端垫板、锚具及张拉设备的安装、施工张拉操作。主锚索施工完成且具备封锚条件后采用混凝土回填并灌浆。泄水闸高孔预应力闸墩平面上靠流道侧每层布置3 束主锚索，并在2～4 层临结构分缝侧设置1 束平衡锚索，共计18 束。通过调整主锚索拉锚系数控制闸墩结构应力，确定主锚索永存张拉力应大于4600 kN。结合工程合理使用年限及材料特性，选定设计张拉力5600 kN。结合相关规程规范及工程经验，考虑锚索施工过程中进行一定程度的超张拉，通过现场锚索张拉试验，最终确定锚索超张拉力为6100 kN。

次锚索在锚块范围内沿弧门K3 组锚索方向平行布置3 排，每排布置4 束，共12 束。其中第一排与第二排靠近上游侧，排距1.0 m。第三排布置于锚块下游侧。参考主锚索的分析计算过程，单根次锚索永存张拉力应大于2300 kN，经计算设计张拉力采用2800 kN，通过现场张拉试验，确定超张拉力采用3100 kN。

3 预应力闸墩三维有限元分析

预应力钢筋混凝土闸墩结构受力情况特别复杂，对结构应力分布情况的把握是泄水闸结构设计中应充分重视的关键技术。为充分了解闸墩上游预留锚固平孔、闸墩与锚块连接颈部、锚块及闸墩结构本身的应力情况，进行三维有限元分析计算是非常必要的。

3.1 计算工况及荷载组合

为掌握预应力闸墩结构的预应力效果，主要对闸墩在施工期、运行期各控制工况进行了分析研究，分析主要考虑的工况如下：

1）正常挡水工况。结构自重+闸门水推力+锚索预应力+闸墩侧向静水压力+浪压力+基底扬压力+温度荷载。

2）弧门启闭工况。结构自重+闸门水推力+启闭力+锚索预应力+闸墩侧向静水压力+浪压力+基底扬压力+温度荷载。

3）施工张拉工况。结构自重+施工超张拉预应力+温度荷载。

4）检修工况。结构自重+锚索预应力+闸墩侧向静水压力+浪压力+基底扬压力+温度荷载。

5）正常挡水遇地震工况。结构自重+闸门水推力+锚索预应力+闸墩侧向静水压力+浪压力+基底扬压力+地震荷载。

3.2 三维有限元应力分析成果

1）沿弧门推力方向的颈部应力。在施工期的超张拉时，闸墩颈部根部附近出现拉应力峰值达13.4 MPa，原因是由超张拉预应力作用和闸墩颈部根部的几何尺寸突变。沿推力方向约为3.5 m范围超过混凝土抗拉强度标准值，上下游方向约1.4 m 范围超过混凝土抗拉强度标准值；深度方向约为0.45 m 范围超过混凝土抗拉强度标准值。温升和温降荷载作用下颈部根部拉应力峰值略微增大和减小，应力分布和范围变化不大。运行期工况中颈部区域拉应力的控制工况为正常蓄水位遇地震工况，拉应力峰值出现在颈部根部和牛腿交界处，拉应力峰值为9.31 MPa。拉应力沿弧门推力方向约为2.88 m 的范围超过混凝土抗拉强度标准值；上下方向约6.4 m 的范围超过混凝土标准值；沿坝轴线方向超过标准值范围约为0.45 m。

2）沿坝轴线方向的颈部应力。在施工期的超张拉工况（无温度），闸墩颈部根部附近出现拉应力峰值，拉应力峰值为4.02 MPa；但超过抗拉强度范围较小，向四周延伸0.25 m 范围内超过混凝土抗拉强度标准值。运行期工况中颈部区域拉应力的控制工况为正常蓄水位遇地震工况，拉应力峰值为3.95 MPa，出现在颈部和锚块连接的顶部，超过抗拉强度范围较小。

3）沿坝轴线方向的颈部应力。在施工期的超张拉工况（无温度），在闸墩颈部侧面出现拉应力峰值，拉应力峰值为2.76 MPa；上下方向延伸约2.5 m 范围超过混凝土抗拉强度标准值；沿坝轴向方向延伸约为0.35 m 范围；向上游只延伸0.1 m 范围。运行期工况中颈部区域拉应力的控制工况为正常蓄水位遇地震工况，拉应力峰值为7.43 MPa，出现在颈部根部附近。沿弧门推力方向延伸约为0.26 m的范围超过混凝土抗拉强度标准值；上下方向延伸约3.0 m 的范围超过混凝土标准值；沿坝轴线方向延伸约0.45 m的范围超过混凝土标准值。

4）预留平洞应力。锚索张拉过程中容易造成上游预留平洞的拉压应力超标，施工期的锚索张拉至超张拉吨位为最不利工况。超张拉工况无温度作用下，平孔第一主应力峰值为6.41 MPa，出现在K5号孔。拉应力集中在各孔周边上下，环向延伸0.94 m 的范围内应力超过标准值，沿锚索深度方向延伸约0.25 m 的范围超过设计值；垂直于闸门推力方向，拉应力从闸墩临水侧边缘向闸墩内部延伸3.25 m 的范围超过混凝土抗拉强度标准值。预留平洞锚垫板下第三主应力峰值都为-23.7 MPa，出现在第K4号平洞中，集中在锚垫板下，垫板上下延伸0.4 m 的范围超过混凝土抗压强度标准值；顺水流方向延伸约0.18 m；沿坝轴线方向压应力在各锚垫板中心附近0.5 m 的范围内超过标准值。

5）闸门颈部抗裂验算。根据相关规程规范的规定，闸墩颈部应力宜满足σck-σpc≤0.7ftk；经分析计算，标准组合工况下闸墩颈部σck-σpc为0.97 MPa，满足规范推荐控制标准；考虑地震作用时，闸墩颈部σck-σpc为1.80 MPa，略大于0.7ftk，经分析计算，可采用非预应力钢筋解决局部应力超标问题。

4 结论

通过对大藤峡水利枢纽工程泄水闸高孔预应力闸墩颈部应力进行三维有限元分析计算发现：闸墩颈部应力满足规程规范控制标准要求，存在局部应力超标现象，但影响深度均控制在第一排锚索范围以外，且超标范围较小，具体实施时可考虑采用非预应力钢筋进行处理，对应力稍大的部位做好防腐措施，保证受力结构耐久性。