大噸位預應力錨固技術在落久水利樞紐泄水閘閘墩中的應用

廖宏騫

（廣西壯族自治區柳州水利電力勘測設計研究院，廣西 柳州 545005）

1 工程概況

落久水利樞紐位于廣西融水苗族自治縣境內的貝江下游，主壩距下游融水鎮長賴村約600 m，距融水縣城約8 km。水庫總庫容3.46億m3，電站總裝機容量42 MW，工程規模為大（2）型，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、供水、發電和航運等綜合利用的水利工程。落久水利樞紐工程由攔河主壩區和欖口副壩區組成。主壩區布置有擋水、泄水、發電、過魚等建筑物；欖口副壩區布置有擋水建筑物、灌溉及供水取水建筑物、灌溉抽水泵站等。水庫正常蓄水位153.5 m，設計洪水位161 m，校核洪水位161.13 m，汛期運行限制水位（死水位）142 m。

工程主壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高59.8 m，主要建筑物有：擋水壩段、泄水壩段、發電廠房和魚道等建筑物。主壩壩軸線全長322.90 m，壩頂高程161.80 m，主要由8 個擋水壩段、3 個泄水壩段、2個門庫壩段、1個廠房壩段共14個壩段組成。

2 樞紐運行調度及泄洪要求

落久水利樞紐是以防洪為主的綜合利用樞紐工程，其防洪的主要對象為柳州市，即通過擬建柳州市上游洋溪、落久兩庫水庫聯合防洪調度，與城區已建防洪堤相結合，使柳州市的防洪標準達到100 年一遇。規劃確定落久水庫的防洪庫容為2.5億m3。根據防洪調度需要，落久水庫在防洪限汛水位142.00 m 時，表孔溢洪時最大下泄流量需達到3500 m3/s。堰頂高程及閘孔尺寸設計必須滿足以上要求。

3 泄水壩段結構布置設計

貝江是柳江干流融江河段的支流之一，發源于黔桂交界的九萬大山，于融水縣境內的江門村附近匯入融江。貝江流域氣候溫和，雨量充沛，水力資源豐富，多年平均降雨量為1755 mm。流域地處深山峽谷，主峰元寶山是廣西第三高峰，是廣西的主要暴雨中心。落久水利樞紐主壩位于貝江下游，河床寬度只有120 m左右，而壩址處50年一遇洪峰流量為6750 m3/s，設計100年一遇洪峰流量達7550 m3/s，校核1000年一遇洪峰流量達10 200 m3/s，主壩區屬典型的窄河床、大流量山區型河道，為滿足泄洪及工程布置需要，應盡量布置大孔口的泄水建筑物。經多方案綜合比選，大壩泄水建筑物結構布置如下：

泄水閘壩段總長79 m，布置在河床中左側，采用深胸墻泄水孔的布置型式。泄水孔共設5 孔，孔口尺寸為10.0 m×12.0 m。堰頂高程131.0 m，為實用堰，最大堰高29.0 m，孔口頂高程以上為鋼筋砼胸墻擋水，胸墻最大擋水高度達18.13 m。泄水閘壩分3個壩段布置，即5#、6#、7#壩段。左側5#壩段采用兩孔一聯，寬31 m；中間6#壩段采用單孔一聯，寬17 m；右側7#壩段采用兩孔一聯，寬31 m。溢流壩段共設置8 個閘墩，其中邊墩6 個，中墩2 個，邊墩厚度3.5 m，中墩厚度4.0 m，閘墩長度69.27 m。

閘室上游側設平面檢修閘門，其后設弧形工作閘門。墩頂下游端布置液壓啟閉機裝置，上游端布置門機梁、檢修平臺和交通橋。弧門采用斜支臂，支鉸的支撐結構采用鋼筋混凝土錨塊。弧門向下游水平總推力標準值為47 571.4 kN，垂直閘墩的側推力標準值為1 319.2 kN，由于弧門總推力大于25 000 kN，根據相關規范要求，閘墩需采用預應力結構。

4 預應力閘墩結構設計

落久水利樞紐工程規模為大（2）型，工程等別為Ⅱ等。其主要建筑物攔河主壩泄水建筑物級別為2級，設計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為1000年一遇。

工程共設置5個泄水孔，單孔或隔孔開閘泄洪是常見的情況，此情況中的閘墩結構處于最不利的受力狀態［1］。閘墩結構設計計算分別采用材料力學法和有限元法，主要依據材料力學法計算成果進行設計，有限元法計算成果作復核。閘墩與錨塊連接部位（頸部）是大推力弧門閘墩結構的薄弱部位，也是整個閘墩應力控制的關鍵部分［2］。以下詳細介紹弧形工作閘門支座錨塊選擇及閘墩預應力錨索的設計。

4.1 計算工況

根據弧形工作閘門的受力條件，弧形閘門支座錨塊及閘墩預應力錨索需分別按單側弧門推力及雙側弧門推力兩種工況進行計算。取其大值作為錨塊及錨索的設計控制值。

4.2 計算依據

錨索及錨具的選擇依據《水工預應力錨固設計規范》（SL/T212-2012），預應力損失計算依據《水工混凝土結構設計規范》（SL191-2008），因其它水利規范均無錨塊及閘墩頸部等結構計算的相關內容，該部分計算依據《水工混凝土結構設計規范》（DL/T 5057-2009）相關規定。

4.3 錨塊選擇及斷面尺寸的確定

大型弧門預應力閘墩支承結構形式主要有深梁式（簡支梁、固端梁）和錨塊式（簡單型、復雜型）［3］。弧門支承體結構形式和尺寸大小對閘墩和支承體本身應力狀態的影響作用很大［4］，本工程閘門孔口凈寬為10.0 m，弧門向下游水平總推力標準值為47 571.4 kN，參照類似工程經驗，弧門支座采用簡單鋼筋混凝土錨塊，錨塊混凝土強度等級為C45，頸部區域閘墩混凝土強度等級采用C40。初步擬定錨塊高度為6.0 m，寬度為5.0 m，錨塊從臨水側閘墩邊緣外懸2.0 m。

4.4 錨索的布置

主錨索布置的基本原則是：在通過主錨索施加預壓應力后，能有效地抵消弧門水推力在閘墩與錨塊的連接部位（頸部）及其附近區域引起的拉應力［5］。根據規范對閘墩頸部主錨索在閘墩體內的布置要求，參照類似工程經驗，預應力閘墩的主錨索在閘墩立面上扇形布置，沿弧門推力方向呈輻射狀擴散，主錨索總擴散角為16°，長度長短相間布置。錨索沿弧門推力方向的平面內的布置主要有平行、交叉和彎曲等三種布置方式［6］，本工程選用平行布置方式，在閘墩平面上中墩主錨索對稱布置，受閘墩結構尺寸的限制，每側2 排5 層，共20 束；邊墩非對稱布置，臨水側設2排5層，非臨水側1排3層，共布設13 束。主錨索在閘墩平面上的投影平行于閘墩側立面，主錨索距閘墩外側面500 mm，水平間距亦為500 mm。單束主錨索均由36 根1×7Φ15.2 高強度低松弛鋼絞線組成，強度標準值1860 N/mm2。每個錨塊布置3 排4 層共12 束水平次錨索，單束次錨索均由1 根Φ75 高強螺紋鋼筋組成，強度標準值1030 N/mm2。閘墩除布置預應力錨索外，同時沿弧門推力方向配置扇形非預應力鋼筋。

4.5 設計張拉力及設計錨固力的確定

本工程錨索均屬后張法構件，經計算其主錨索預應力總損失值為159.16 N/mm2；次錨索預應力總損失值為110.48 N/mm2。單束主錨索設計張拉力為5860 kN（鎖定噸位）、設計錨固力（永存噸位）不小于5060 kN，預應力損失為14%；單束次錨索設計張拉力為2850 kN，設計錨固力為2370 kN，預應力損失為17%。

4.6 相關的設計驗算

根據弧門推力、初步擬定的錨塊斷面尺寸、混凝土強度等級、錨索的布置、數量、材料、錨頭、設計張拉力、設計錨固力等，按照規范的要求對錨塊的斜截面抗裂控制、閘墩頸部抗裂控制、閘墩頸部正截面受拉承載力等進行驗算及錨塊的計算。閘墩預應力錨索布置示意圖見圖1。

閘墩共布置118束主錨索（含16束監測錨索），其中Ⅰ、Ⅴ型錨索52束（單束長26.067 m），Ⅱ、Ⅳ型錨索40 束（單束長31.247 m），Ⅲ型錨索26 束（單束長26.008 m）。根據受力需要及錨具的定型尺寸，單束主錨索由36根1×7Φ15.2高強度低松弛鋼絞線組成，強度標準值1860 N/mm2，設計張拉力5860 kN、設計錨固力不小于5060 kN。

次錨索布置在閘墩錨塊上，8 個錨塊各布置12束次錨索，共布置96束錨索（含16束監測錨索），其中邊墩單束長5.5 m的次錨索24束，單束長5.1 m的次錨索48束，中墩單束長8.0 m的次錨索24束。每束次錨索均由1 根Φ75 高強螺紋鋼筋組成，強度標準值1030 N/mm2，設計張拉力2850 kN、設計錨固力不小于2370 kN。

監測錨索均為無黏結錨索，主錨索監測錨索由36 根1×7Φ15.2 高強度無黏結低松弛鋼絞線組成，次錨索監測錨索由1根Φ75高強螺紋鋼筋組成。兩端錨板設置灌油孔和排氣孔，兩端密封壓板設置灌漿孔和排氣孔；監測主錨索預埋鋼管內灌注水泥漿，次錨索內灌注專用油脂，監測錨索兩端保護蓋內均灌注油脂。

5 預應錨索的施工技術要求

同一閘墩錨索先張拉次錨索后張拉主錨索；同一批次錨索先張拉監測錨索，根據監測錨索測力傳感器實測分級力值和千斤頂張拉力值比較，得出該測力計和千斤頂的直線回歸方程，根據回歸方程求得千斤頂實際張拉力值和油壓表實際應讀數，使千斤頂實際張拉力值與測力計實測力值達到統一，以控制下一步該批次錨索張拉力值。

6 預應錨索監測成果

本工程錨索于2019 年8 月8 日開始施工，2019年11 月7 日完成全部錨索施工，共歷時3 個月。落久水利樞紐工程于2020年10月13日正式下閘蓄水試運行，至目前，監測錨索觀測到的主錨索最低測值為5443 kN，預應力損失率為1.00%～4.70%，次錨索最低測值為2551 kN，預應力損失率0.58%～4.09%，均在設計要求的錨固力（主錨索設計錨固力不小于5060 kN、次錨索設計錨固力不小于2370 kN）范圍內，滿足設計要求，且閘墩錨索預應力損失均較小，運行良好。

7 結語

廣西落久水利樞紐預應力閘墩單束主錨索設計錨固力達到6000 kN 級，是目前廣西區內已建水利水電工程預應力閘墩中單束錨索設計錨固力最大的工程。預應高強螺紋鋼筋相對于鋼絞線在回縮預應力損失、松弛率、錨下錨口摩阻損失、索力均勻性等方面具有明顯優勢，且高強螺紋鋼筋下料簡單、可采用螺母直接錨固等，大大方便了預應力錨索的施工，能有效地降低施工過程的預應力損失及由于施工復雜造成的施工安全風險。由于以前生產的預應高強螺紋鋼筋最大直徑只有Φ50，無法滿足較大設計錨固力主錨索的要求，且錨索只能采用鋼絞線，造成施工過程較為復雜，施工預應力損失及施工安全風險較大。本工程次錨索采用的Φ75高強螺紋鋼筋為廣西柳州歐維姆機械股份有限公司在港珠澳大橋建設中開發出來的新產品，使得本工程次錨索的施工非常方便，并有效地減少了次錨索的預應力損失。根據目前工程試運行的觀測結果來看，主次錨索的預應力損失均較小，設計錨固力均滿足設計要求，運行良好。說明落久水利樞紐泄水閘閘墩大噸位預應力錨索設計及施工均取得了成功，可為今后相類似工程的設計及施工提供參考。同時，大直徑高強螺紋鋼筋的開發和使用，使得次錨索施工方便，預應力損失及施工安全風險相對較小，相對相同設計錨固力的鋼絞線有明顯的優勢，值得工程推廣。