大吨位预应力锚固技术在落久水利枢纽泄水闸闸墩中的应用

廖宏骞

（广西壮族自治区柳州水利电力勘测设计研究院，广西 柳州 545005）

1 工程概况

落久水利枢纽位于广西融水苗族自治县境内的贝江下游，主坝距下游融水镇长赖村约600 m，距融水县城约8 km。水库总库容3.46亿m3，电站总装机容量42 MW，工程规模为大（2）型，是一座以防洪为主，兼顾灌溉、供水、发电和航运等综合利用的水利工程。落久水利枢纽工程由拦河主坝区和榄口副坝区组成。主坝区布置有挡水、泄水、发电、过鱼等建筑物；榄口副坝区布置有挡水建筑物、灌溉及供水取水建筑物、灌溉抽水泵站等。水库正常蓄水位153.5 m，设计洪水位161 m，校核洪水位161.13 m，汛期运行限制水位（死水位）142 m。

工程主坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高59.8 m，主要建筑物有：挡水坝段、泄水坝段、发电厂房和鱼道等建筑物。主坝坝轴线全长322.90 m，坝顶高程161.80 m，主要由8 个挡水坝段、3 个泄水坝段、2个门库坝段、1个厂房坝段共14个坝段组成。

2 枢纽运行调度及泄洪要求

落久水利枢纽是以防洪为主的综合利用枢纽工程，其防洪的主要对象为柳州市，即通过拟建柳州市上游洋溪、落久两库水库联合防洪调度，与城区已建防洪堤相结合，使柳州市的防洪标准达到100 年一遇。规划确定落久水库的防洪库容为2.5亿m3。根据防洪调度需要，落久水库在防洪限汛水位142.00 m 时，表孔溢洪时最大下泄流量需达到3500 m3/s。堰顶高程及闸孔尺寸设计必须满足以上要求。

3 泄水坝段结构布置设计

贝江是柳江干流融江河段的支流之一，发源于黔桂交界的九万大山，于融水县境内的江门村附近汇入融江。贝江流域气候温和，雨量充沛，水力资源丰富，多年平均降雨量为1755 mm。流域地处深山峡谷，主峰元宝山是广西第三高峰，是广西的主要暴雨中心。落久水利枢纽主坝位于贝江下游，河床宽度只有120 m左右，而坝址处50年一遇洪峰流量为6750 m3/s，设计100年一遇洪峰流量达7550 m3/s，校核1000年一遇洪峰流量达10 200 m3/s，主坝区属典型的窄河床、大流量山区型河道，为满足泄洪及工程布置需要，应尽量布置大孔口的泄水建筑物。经多方案综合比选，大坝泄水建筑物结构布置如下：

泄水闸坝段总长79 m，布置在河床中左侧，采用深胸墙泄水孔的布置型式。泄水孔共设5 孔，孔口尺寸为10.0 m×12.0 m。堰顶高程131.0 m，为实用堰，最大堰高29.0 m，孔口顶高程以上为钢筋砼胸墙挡水，胸墙最大挡水高度达18.13 m。泄水闸坝分3个坝段布置，即5#、6#、7#坝段。左侧5#坝段采用两孔一联，宽31 m；中间6#坝段采用单孔一联，宽17 m；右侧7#坝段采用两孔一联，宽31 m。溢流坝段共设置8 个闸墩，其中边墩6 个，中墩2 个，边墩厚度3.5 m，中墩厚度4.0 m，闸墩长度69.27 m。

闸室上游侧设平面检修闸门，其后设弧形工作闸门。墩顶下游端布置液压启闭机装置，上游端布置门机梁、检修平台和交通桥。弧门采用斜支臂，支铰的支撑结构采用钢筋混凝土锚块。弧门向下游水平总推力标准值为47 571.4 kN，垂直闸墩的侧推力标准值为1 319.2 kN，由于弧门总推力大于25 000 kN，根据相关规范要求，闸墩需采用预应力结构。

4 预应力闸墩结构设计

落久水利枢纽工程规模为大（2）型，工程等别为Ⅱ等。其主要建筑物拦河主坝泄水建筑物级别为2级，设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1000年一遇。

工程共设置5个泄水孔，单孔或隔孔开闸泄洪是常见的情况，此情况中的闸墩结构处于最不利的受力状态［1］。闸墩结构设计计算分别采用材料力学法和有限元法，主要依据材料力学法计算成果进行设计，有限元法计算成果作复核。闸墩与锚块连接部位（颈部）是大推力弧门闸墩结构的薄弱部位，也是整个闸墩应力控制的关键部分［2］。以下详细介绍弧形工作闸门支座锚块选择及闸墩预应力锚索的设计。

4.1 计算工况

根据弧形工作闸门的受力条件，弧形闸门支座锚块及闸墩预应力锚索需分别按单侧弧门推力及双侧弧门推力两种工况进行计算。取其大值作为锚块及锚索的设计控制值。

4.2 计算依据

锚索及锚具的选择依据《水工预应力锚固设计规范》（SL/T212-2012），预应力损失计算依据《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008），因其它水利规范均无锚块及闸墩颈部等结构计算的相关内容，该部分计算依据《水工混凝土结构设计规范》（DL/T 5057-2009）相关规定。

4.3 锚块选择及断面尺寸的确定

大型弧门预应力闸墩支承结构形式主要有深梁式（简支梁、固端梁）和锚块式（简单型、复杂型）［3］。弧门支承体结构形式和尺寸大小对闸墩和支承体本身应力状态的影响作用很大［4］，本工程闸门孔口净宽为10.0 m，弧门向下游水平总推力标准值为47 571.4 kN，参照类似工程经验，弧门支座采用简单钢筋混凝土锚块，锚块混凝土强度等级为C45，颈部区域闸墩混凝土强度等级采用C40。初步拟定锚块高度为6.0 m，宽度为5.0 m，锚块从临水侧闸墩边缘外悬2.0 m。

4.4 锚索的布置

主锚索布置的基本原则是：在通过主锚索施加预压应力后，能有效地抵消弧门水推力在闸墩与锚块的连接部位（颈部）及其附近区域引起的拉应力［5］。根据规范对闸墩颈部主锚索在闸墩体内的布置要求，参照类似工程经验，预应力闸墩的主锚索在闸墩立面上扇形布置，沿弧门推力方向呈辐射状扩散，主锚索总扩散角为16°，长度长短相间布置。锚索沿弧门推力方向的平面内的布置主要有平行、交叉和弯曲等三种布置方式［6］，本工程选用平行布置方式，在闸墩平面上中墩主锚索对称布置，受闸墩结构尺寸的限制，每侧2 排5 层，共20 束；边墩非对称布置，临水侧设2排5层，非临水侧1排3层，共布设13 束。主锚索在闸墩平面上的投影平行于闸墩侧立面，主锚索距闸墩外侧面500 mm，水平间距亦为500 mm。单束主锚索均由36 根1×7Φ15.2 高强度低松弛钢绞线组成，强度标准值1860 N/mm2。每个锚块布置3 排4 层共12 束水平次锚索，单束次锚索均由1 根Φ75 高强螺纹钢筋组成，强度标准值1030 N/mm2。闸墩除布置预应力锚索外，同时沿弧门推力方向配置扇形非预应力钢筋。

4.5 设计张拉力及设计锚固力的确定

本工程锚索均属后张法构件，经计算其主锚索预应力总损失值为159.16 N/mm2；次锚索预应力总损失值为110.48 N/mm2。单束主锚索设计张拉力为5860 kN（锁定吨位）、设计锚固力（永存吨位）不小于5060 kN，预应力损失为14%；单束次锚索设计张拉力为2850 kN，设计锚固力为2370 kN，预应力损失为17%。

4.6 相关的设计验算

根据弧门推力、初步拟定的锚块断面尺寸、混凝土强度等级、锚索的布置、数量、材料、锚头、设计张拉力、设计锚固力等，按照规范的要求对锚块的斜截面抗裂控制、闸墩颈部抗裂控制、闸墩颈部正截面受拉承载力等进行验算及锚块的计算。闸墩预应力锚索布置示意图见图1。

闸墩共布置118束主锚索（含16束监测锚索），其中Ⅰ、Ⅴ型锚索52束（单束长26.067 m），Ⅱ、Ⅳ型锚索40 束（单束长31.247 m），Ⅲ型锚索26 束（单束长26.008 m）。根据受力需要及锚具的定型尺寸，单束主锚索由36根1×7Φ15.2高强度低松弛钢绞线组成，强度标准值1860 N/mm2，设计张拉力5860 kN、设计锚固力不小于5060 kN。

次锚索布置在闸墩锚块上，8 个锚块各布置12束次锚索，共布置96束锚索（含16束监测锚索），其中边墩单束长5.5 m的次锚索24束，单束长5.1 m的次锚索48束，中墩单束长8.0 m的次锚索24束。每束次锚索均由1 根Φ75 高强螺纹钢筋组成，强度标准值1030 N/mm2，设计张拉力2850 kN、设计锚固力不小于2370 kN。

监测锚索均为无黏结锚索，主锚索监测锚索由36 根1×7Φ15.2 高强度无黏结低松弛钢绞线组成，次锚索监测锚索由1根Φ75高强螺纹钢筋组成。两端锚板设置灌油孔和排气孔，两端密封压板设置灌浆孔和排气孔；监测主锚索预埋钢管内灌注水泥浆，次锚索内灌注专用油脂，监测锚索两端保护盖内均灌注油脂。

5 预应锚索的施工技术要求

同一闸墩锚索先张拉次锚索后张拉主锚索；同一批次锚索先张拉监测锚索，根据监测锚索测力传感器实测分级力值和千斤顶张拉力值比较，得出该测力计和千斤顶的直线回归方程，根据回归方程求得千斤顶实际张拉力值和油压表实际应读数，使千斤顶实际张拉力值与测力计实测力值达到统一，以控制下一步该批次锚索张拉力值。

6 预应锚索监测成果

本工程锚索于2019 年8 月8 日开始施工，2019年11 月7 日完成全部锚索施工，共历时3 个月。落久水利枢纽工程于2020年10月13日正式下闸蓄水试运行，至目前，监测锚索观测到的主锚索最低测值为5443 kN，预应力损失率为1.00%～4.70%，次锚索最低测值为2551 kN，预应力损失率0.58%～4.09%，均在设计要求的锚固力（主锚索设计锚固力不小于5060 kN、次锚索设计锚固力不小于2370 kN）范围内，满足设计要求，且闸墩锚索预应力损失均较小，运行良好。

7 结语

广西落久水利枢纽预应力闸墩单束主锚索设计锚固力达到6000 kN 级，是目前广西区内已建水利水电工程预应力闸墩中单束锚索设计锚固力最大的工程。预应高强螺纹钢筋相对于钢绞线在回缩预应力损失、松弛率、锚下锚口摩阻损失、索力均匀性等方面具有明显优势，且高强螺纹钢筋下料简单、可采用螺母直接锚固等，大大方便了预应力锚索的施工，能有效地降低施工过程的预应力损失及由于施工复杂造成的施工安全风险。由于以前生产的预应高强螺纹钢筋最大直径只有Φ50，无法满足较大设计锚固力主锚索的要求，且锚索只能采用钢绞线，造成施工过程较为复杂，施工预应力损失及施工安全风险较大。本工程次锚索采用的Φ75高强螺纹钢筋为广西柳州欧维姆机械股份有限公司在港珠澳大桥建设中开发出来的新产品，使得本工程次锚索的施工非常方便，并有效地减少了次锚索的预应力损失。根据目前工程试运行的观测结果来看，主次锚索的预应力损失均较小，设计锚固力均满足设计要求，运行良好。说明落久水利枢纽泄水闸闸墩大吨位预应力锚索设计及施工均取得了成功，可为今后相类似工程的设计及施工提供参考。同时，大直径高强螺纹钢筋的开发和使用，使得次锚索施工方便，预应力损失及施工安全风险相对较小，相对相同设计锚固力的钢绞线有明显的优势，值得工程推广。