淺析落久水利樞紐工程預應力閘墩設計

馮振鵬（柳州水利電力勘測設計研究院，廣西 柳州 545000）

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淺析落久水利樞紐工程預應力閘墩設計

馮振鵬（柳州水利電力勘測設計研究院，廣西 柳州 545000）

在預應力技術快速發展的背景下，預應力閘墩得到了廣泛的應用，在水電工程中，它扮演著重要的角色。本文結合落久水利樞紐工程，介紹了預應力閘墩的設計，對水工預應力閘墩設計的相關問題進行了初步分析，旨在提高水工預應力閘墩設計的合理性與可靠性。

水工預應力；閘墩；設計

引言

目前，在水利水電工程建設中預應力結構的應用越來越多，在此背景下，水工預應力閘墩的設計問題得到了廣泛的關注。本文對落久水利樞紐工程在預應力閘墩設計過程中的一些問題進行了初步分析，包括錨索預應力損失的確定、閘墩錨塊與頸部的設計等。處理好這幾方面的問題，對水工預應力閘墩設計的合理性與可靠性具有重大的意義。

1　落久水利樞紐工程的概況

落久水利樞紐工程位于廣西壯族自治區柳州市融水苗族自治縣境內的柳江流域融江支流貝江下游，是一個以防洪為主，兼顧灌溉、城鎮供水、發電和航運等任務的綜合性水利樞紐工程，是國務院以國函［2007］40號文批準的《珠江流域防洪規劃》中確定的廣西柳江防洪控制性工程之一。落久水利樞紐工程攔河主壩為碾壓混凝土重力壩，由左岸非溢流重力壩段、溢流重力壩段、右岸非溢流重力壩段等組成，大壩總長312.40m，最大壩高62.8m。溢流重力壩段布置在河床中間，總長79.0m，采用中孔泄洪方式，泄洪孔共設5孔，孔口尺寸為10m×12m。溢流堰為帶胸墻的實用堰，每孔設有弧型閘門，采用固定卷揚式啟閉機操作。

2　錨索預應力損失的確定

錨索預應力損失主要取決于鎖定損失、預應力鋼筋的應力松弛及混凝土收縮和徐變引起的應力損失。是否能合理的確定錨索在張拉、鎖定及運行等階段的預應力損失，關系到預應力的施加效果，直接影響到工程設計的安全與否和經濟合理，需引起足夠的重視。

實際上，后期預應力損失仍會隨著時間的增長而不斷變化，由于預應力閘墩的使用壽命較長，錨索后期預應力損失還需要通過長期監測來確定最終結果，目前的設計宜留有一定的富余。

3　預應力閘墩的錨塊設計

考慮到便于主、次錨索的布置，落久水利樞紐工程預應力閘墩錨塊的高度為6.0m，寬度為5.0m，錨塊混凝土強度等級為C40。

按照《規范》規定，混凝土錨塊的截面尺寸應符合以下要求：錨塊的斜截面抗裂控制：Fk≤0.75ftkbh。式中：Fk：閘墩一側弧門推力標準值；ftk：混凝土軸心抗拉強度標準值；b：弧門支座寬度；h：弧門支座高度。錨塊的剪跨比a/h0宜控制在0.2左右，a為弧門推力作用點至閘墩邊緣的距離，h0為錨塊的有效高度。結構尺寸驗算成果見表1，錨塊的結構尺寸滿足要求。

表1　錨塊結構尺寸驗算成果表

錨塊與閘墩頸部采用相同的混凝土強度等級，可避免在高應力區域形成不同混凝土強度等級的分界區，保證混凝土材料的均質，從而降低施工難度，減少由于彈模不同產生的應力波動。

本工程在錨塊底面還設置一層厚1cm的瀝青油氈墊層作為軟縫與閘墩隔開，采用此軟縫可以減小錨塊與頸部的接觸面，改善錨塊的受力條件，增大預壓縮效果。

4　預應力閘墩的頸部設計

弧形閘門預應力閘墩為空間結構，閘墩頸部結構型式特殊，外形尺寸和邊界條件復雜，在弧門推力和預應力作用下呈三向應力狀態。由于截面上的應變不符合平截面假定，故《水工混凝土結構設計規范》（DLT5057-2009）（以下簡稱《規范》）規定，閘墩頸部抗裂驗算時，頸部應力宜采用有限元法進行計算；在估算預應力鋼筋數量及錨束布置的初步設計時，可采用以材料力學公式為基礎的“應力修正法”來計算閘墩頸部的應力，進而對弧形閘門預應力閘墩頸部進行抗裂驗算。下面以落久水利樞紐工程預應力閘墩為例進行初步的探討。

相關參數：閘墩混凝土強度等級為C30，頸部混凝土采用C40，中墩厚度為4.0m，邊墩厚度為3.5m。閘墩主錨束扇形布置，總擴散角為16°，其中中墩采用兩側對稱布置形式，每側2 排5層，共20根；邊墩采用兩側非對稱布置形式，臨水側2排5層，非臨水側1排3層，共13根。主錨束單束均由30根1× 7φs15.2高強度低松弛鋼絞線組成，強度標準值1860N/mm2，單束鎖定噸位為5859kN，永存噸位為4947kN，預應力損失為16%。閘墩除預應力錨束外，同時沿弧門推力方向配置扇形非預應力鋼筋，總擴散角為32°，中墩每側布置2排，邊墩臨水側布置2排，非臨水側布置1排，主筋φ36@2°，分布筋φ25@400。

根據《規范》，在弧門推力標準組合下，閘墩頸部抗裂控制宜符合下列規定：σck-σpc≤0.7ftk。式中：σck：弧門推力標準組合下頸部截面受拉區邊緣混凝土的法向拉應力；σpc：扣除全部預應力損失后頸部截面受拉區邊緣混凝土的法向預壓應力；ftk：混凝土軸心抗拉強度標準值。σck及σpc值在初步計算時按以材料力學公式為基礎的“應力修正法”計算。中墩及邊墩頸部抗裂控制驗算成果分別見表2～4，均滿足《規范》要求。

表2　中墩頸部抗裂控制驗算成果表（受雙側弧門推力作用時）

表3　中墩頸部抗裂控制驗算成果表（受單側弧門推力作用時）

根據《規范》，閘墩頸部正截面受拉承載力應分別符合下列規定：

（1）中墩頸部采用對稱配筋時，應同時滿足下列要求：

在雙側弧門推力設計值作用下，其正截面受拉承載力應符合下列規定：

Asi：頸部受拉區一側第i根非預應力鋼筋的截面面積；

Apj：頸部受拉區一側第j根預應力鋼筋的截面面積；

θi：頸部受拉區一側第i根非預應力鋼筋在立面上與弧門推力方向投影的夾角；

βj：頸部受拉區一側第j根預應力鋼筋在立面上與弧門推力方向投影的夾角；

fy：非預應力鋼筋抗拉強度設計值；

fpy：預應力鋼筋抗拉強度設計值。

在單側弧門推力設計值作用下，其正截面受拉承載力應符合下列規定：

式中：e′：弧門推力作用點至受壓區非預應力鋼筋和預應力鋼筋合力作用點之間的距離；

B′0：頸部截面有效高度，即受壓區非預應力鋼筋和預應力鋼筋合力作用點至受拉邊緣的距離；

asi：頸部受拉區一側第i根非預應力鋼筋合力作用點至受拉邊緣的距離；

apj：頸部受拉區一側第j根預應力鋼筋合力作用點至受拉邊緣的距離。

（2）邊墩頸部采用非對稱配筋時，在單側弧門推力設計值作用下，其正截面受拉承載力應符合下列規定：

式中：A′si：頸部受壓區一側第i根非預應力鋼筋的截面面積；

A′pj：頸部受壓區一側第j根預應力鋼筋的截面面積；

θ′i：頸部受壓區一側第i根非預應力鋼筋在立面上與弧門推力方向投影的夾角；

β′j：頸部受壓區一側第j根預應力鋼筋在立面上與弧門推力方向投影的夾角；

f′y：受壓區非預應力鋼筋的抗壓強度設計值；

f′py：受壓區預應力鋼筋的抗壓強度設計值；

fc：混凝土軸心抗壓強度設計值；

b：弧門支座寬度；

e：弧門推力作用點至受拉區非預應力鋼筋和預應力鋼筋合力作用點之間的距離；

B0：頸部截面有效高度，即受拉區非預應力鋼筋和預應力鋼筋合力作用點至受壓邊緣的距離；

中墩及邊墩頸部正截面受拉承載力驗算成果分別見表5～7，均滿足《規范》要求。

表4　邊墩頸部抗裂控制驗算成果表

表5　中墩頸部正截面受拉承載力驗算成果表（受雙側弧門推力作用時）

表6　中墩頸部正截面受拉承載力驗算成果表（受單側弧門推力作用時）

表7　邊墩頸部正截面受拉承載力驗算成果表

此前，國內弧形閘門預應力閘墩設計，主要是用半理論、半經驗的拉錨系數法 （即預應力的有效總拉力與弧形閘門總推力的比值的方法）。它是將結構的正常使用和承載能力兩個極限狀態的不同要求合二為一，且采用此法時國內多取1.5～3.0之間，選擇隨意性較大，存在不夠嚴謹精確的問題。而在初步計算時采用 《規范》所述方法可以更好地確定閘墩頸部尺寸、材料強度、預應力錨束的噸位及布置等，并有效減少下一階段使用有限元方法進行精確計算時的工作量。

采用《規范》推薦的方法將結構按正常使用和承載能力兩個極限狀態分開進行設計后，在閘墩的設計過程中就可以更好地貫徹部分預應力混凝土的設計理念。部分預應力混凝土是介于全預應力混凝土和鋼筋混凝土之間的一種預應力混凝土，具有如下的一些優點：部分預應力混凝土結構由于所施加的預應力較小，可減少預應力鋼筋數量，能用非預應力鋼筋代替部分預應力鋼筋，降低造價；在大跨度結構中，部分預應力混凝土可以減少過大的反拱；部分預應力混凝土結構的延性較好，有利于結構抗震。落久水利樞紐工程預應力閘墩的計算中，在受拉區的預應力錨束已能使頸部滿足裂縫控制要求后，按正截面受拉承載力計算所需的其余受拉鋼筋均采用非預應力鋼筋，即采用預應力筋和非預應力筋的混合配筋方案，以充分發揮部分預應力混凝土的優勢。

5　結語

本文簡要介紹了落久水利樞紐工程預應力閘墩的設計過程，結合筆者的工作實踐，在錨索預應力損失的確定、閘墩錨塊與頸部的設計等方面談了一些體會和筆者認為需要注意的問題，供同行參考。

［1］中華人民共和國行業標準.《水工混凝土結構設計規范》（DLT5057-2009）［S］.北京：中國電力出版社，2009.

［2］劉志明，溫續余.《水工設計手冊》（第二版）第七卷泄水與過壩建筑物［M］.北京：中國水利水電出版社，2014.

馮振鵬（1983-），男，漢族，廣西柳州人，中級，本科，主要從事水利電力設計工作。

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2095-2066（2016）16-0021-03

2016-5-10