芙蓉江角木塘水電站表孔預應力閘墩設計淺析

王力，張娜，景孟旗

（貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州貴陽550002）

芙蓉江角木塘水電站表孔預應力閘墩設計淺析

王力，張娜，景孟旗

（貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州貴陽550002）

結合角木塘水電站表孔閘墩設計情況，對其結構尺寸、應力分布以及錨索布置和用量的合理性進行分析，通過閘墩三維有限元實體模型進行輔助驗算。結果表明，該閘墩采用預應力結構可改善閘墩的應力狀態和變形，同時降低了工程造價，并保證工程安全運行。

閘墩；預應力；錨束；角木塘水電站

1 工程概況

角木塘水電站為碾壓混凝土重力壩，采用壩身表孔泄洪，共設5個表孔。中墩長38.080 m，厚3.5 m；左邊墩長48.018 m，右邊墩長49.386 m，邊墩厚3 m。孔口采用12.5 m×19.6 m（寬×高）弧形工作門。角木塘水電站表孔最大單寬泄量為217.6 m3/s（P=0.2%，校核工況），表孔孔口尺寸12.5 m×19.6 m（寬×高），最大弧門推力為35220 kN，單支鉸弧門推力詳見表1。

表1 角木塘水電站表孔閘墩單支鉸弧門推力表

由于弧門推力較大，同時受地形條件限制，常規的鋼筋混凝土結構無法滿足運行要求，因此需對閘墩結構形式、應力分布及錨索布置等設計問題進行分析。

2 閘墩結構形式

2.1 錨墩錨塊形式

預應力閘墩支撐結構形式主要有兩種，分布是深梁式和錨塊式。結合本工程弧門跨度（12.5 m），選用錨塊式支撐結構。錨塊式主要優點是體型簡單，施工方便。角木塘水電站表孔預應力閘墩考慮自身結構受力特點，并結合錨束的布置形式（詳見第三部分）以及施工條件，采用了簡單錨塊式，材料采用C45鋼筋混凝土。錨塊型式見圖1。

2.2 錨塊底部與閘墩連接方式

目前常用的工程預應力閘墩錨塊底部與閘墩的連接方式主要有兩種：完全連接；鋪設三油二氈的彈性墊層連接。已建工程中漫灣、喜河、天生橋一級和安康等工程采用了彈性墊層的連接方式。設置彈性墊層可減小錨塊底部約束，有利于預應力錨束更加有效的發揮其抵消弧門推力的作用，同時減小錨塊底部閘墩混凝土拉應力，經綜合分析研究和工程類比，角木塘水電站預應力閘墩錨塊用彈性墊層的連接方式。

3 閘墩主錨束布置型式及張拉噸位

3.1 主錨束布置原則及擴散角的確定

錨束在立面布置上大都沿弧門水推力合力方向布置，根據力學常識，為充分發揮預應力抵消水推力的作用，盡可能使預應力合力與水推力重合以達到有效和經濟的目的；其次考慮閘墩內部應力盡可能達到均勻分布，使支鉸區附近應力集中得以擴散，并結合閘墩尺寸，預應力錨束采用扇形布置。統計國內閘墩預應力錨束在里面布置的擴散角為5°～15°。如喜河閘墩為9°，水口閘墩為10°，安康閘墩為8°，角木塘水電站表孔閘墩綜合考慮閘墩錨塊的尺寸及結構設計要求，采用擴散角為6°。

3.2 主錨束平面布置方式及張拉噸位

錨束沿弧門推力方向的平面布置，主要有平行、交叉、彎曲和發散等四種布置方式。近年從發展趨勢來看是以平行布置為主。研究結果表明，弧門推力在閘墩內產生的拉應力是外側大，內部小。因此錨束布置應盡量靠閘墩外側布置，以得到更有效的預應力效果。

角木塘水電站表孔閘墩的錨束布置方式，結合采用的簡單錨塊型式，經綜合分析比較，錨束布置確定采用平行布置方式，通過緊縮錨塊，達到了很好的預應力效果。另外，采用平行布置施工方便，節省工期，且能有效減少張拉時的預應力損失。表孔中墩厚度為3.5 m，邊墩厚度為3 m，根據閘墩和錨塊的結構尺寸，弧門推力和三維有限元計算成果，最終確定主錨束沿閘墩中心線對稱布置，中墩共布設28根，共4層，每層7排；邊墩共布設21根，共3層，每層7排。

根據工程經驗，考慮預應力損失，閘墩拉錨系數（預應力總拉力與弧形閘門總推力的比值）一般在2.0左右。表孔閘墩預應力閘墩設計拉錨系數為2.25。每根主錨束采用16根（中墩）、14根（邊墩）7φ5鋼絞線，設計永存噸位：中墩為2440 kN，邊墩為2110 kN；設計張拉噸位：中墩為3000 kN，邊墩為2600 kN；超張拉噸位：中墩為3300 kN，邊墩為2860 kN。

錨束布置方式見圖1、圖2。

圖1 表孔預應力閘墩主錨束縱剖面圖

圖2 表孔預應力閘墩中墩主、次錨束平面布置圖

3.3 主錨束上游張拉端的布置方式

國內工程上游端的布置方式主要有3種：①上游端錨束分散布置于閘墩中段兩側的蜂窩狀預留小槽中。該方案在預留槽周邊會產生嚴重應力集中，且預留槽對墩體消弱大，施工時極易發生貫穿性裂縫，且預留槽布置在高速水流區，混凝土回填質量難以保證。②上游端設一長條形預留槽，錨束集中設于槽內。有兩種方法，一種是在將長條形預留槽設置在閘墩側壁。另一種方法是將長形預留槽設置在閘墩內部，形成墩內豎井。③上游端布置大預留槽方案。改方案預留槽底部下游拐角處會產生應力集中現象。角木塘水電站表孔閘墩根據上述分析研究并結合自身閘墩特點，采用了上述第二種預留長條圓形槽內，后期用混凝土回填。

4 預應力閘墩次錨束布置型式及張拉噸位

次錨束布置主要有兩種：一種為水平布置，一種為垂直布置。有些工程水平和垂直次錨束同時布置。綜合分析目前國內已建工程實踐來看，豎向次錨束作用不明顯，水平次錨束的作用主要是抵消主錨束在錨塊內產生的水平次生拉應力和弧門推力對錨塊彎曲作用產生的拉應力。角木塘水電站表孔閘墩錨塊，通過三維有限元分析計算表明，布置次錨束是非常必要的，可以有效改善錨塊的受力狀態。經多種方案的計算分析，水平次錨束最終采用水平布置方式，布置3層，每層在豎向布置5排，共15根。每根次錨束采用8根7φ5鋼絞線，設計永存噸位：中墩為1160 kN，邊墩為1090 kN；設計張拉噸位1500 kN；超張拉噸位1650 kN。次錨束布置詳見圖2。

5 三維有限元輔助計算

為確保整個預應力結構在施工和運行中的安全，采取三維有限元的方法對結構進行較為全面的應力、變形分析，為確保結構安全，合理布置預應力錨索體系，評價閘墩預應力效果，計算結果：

（1）錨塊前方預應力施加區閘墩混凝土應力，沿主錨束方向（偏水平向）最大拉應力為2.43 MPa，應力衰減很快，沿厚度從頸部兩側向頸部中間，在0.2 m內降至1.58 MPa，0.5 m內拉應力轉變為壓應力值。垂直于主錨束方向次生拉應力不大，一般不超過0.5 MPa。拉應力的產生主要是因為在正常蓄水位，一側閘門開啟，一側閘門關閉時不對稱荷載作用下，在弧門關閉一側產生的拉應力。

（2）預應力錨塊頸部，受弧門推力和預應力錨束張拉力作用，受力較為復雜。計算結果表明在主錨索施加預應力位置平均壓應力約為-4 MPa，沿厚度方向向兩側及內部，壓應力值遞減。頸部斷面底部還出現了較為明顯的局部壓應力集中，最大值可達-8.13 Mpa，并未超過C35混凝土的極限抗壓強度16.7 MPa。

（3）錨塊上部混凝土閘墩應力，由于錨塊變位引起的整體效應，鄰近錨塊上部混凝土，局部出現0.1 MPa的拉應力。鄰近錨塊下部閘墩混凝土，因設有彈性墊層，拉應力較小。

6 結語

角木塘水電站表孔孔口尺寸較大，使閘門水推力較大，閘墩結構設計復雜，經多種方案的計算分析，表孔閘墩設計采用設有彈性墊層的簡單錨塊式預應力閘墩結構形式，主錨束采用近年發展趨勢以平行布置為主的布置形式，次錨束采用水平布置。經三維有限元計算輔助分析，角木塘水電站表孔閘墩各項技術指標均在規范及設計要求范圍內，工程建成后還需根據監測數據分析進一步驗證閘墩運行情況。

[1]謝偉，李樹山.預應力閘墩結構試驗及理論[M].北京：中國水利水電出版社，2010：36-48，121-126

[2]趙長海.預應力錨固技術[M].北京：中國水利水電出版社，2001，196-215.

TV622.2

B

1673-9000（2017）04-0140-02

2

王力（1987-），男，貴州遵義人，大學本科，工程師，主要從事水工設計工作。

景孟旗（1987-），男，山西運城人，碩士研究生，助理工程師，主要從事水工設計工作；

張娜（1990-），女，河北衡水人，碩士研究生，助理工程師，主要從事水工設計工作。