三河口拱坝底孔闸墩预应力锚索布置方案设计研究

魏克武，赵 玮

(陕西省水利电力勘测设计研究院， 陕西 西安 710001)

随着我国水利技术的发展，预应力技术在大推力闸墩结构设计中，已在多项工程中成功应用，选择合适的锚索布置形式、张拉吨位，仍是预应力闸墩结构设计的重要课题之一[1]。

三河口拱坝底孔工作弧门承受最大水头93 m，弧门最大推力3.3×104kN，出口闸墩为大悬臂的复杂受力结构[2]，闸墩最大悬挑长度25 m。

为确保工作弧门运行安全，满足闸墩结构设计要求，改善闸墩受力条件及应力分布状态，采用预应力设计对闸墩结构进行优化，即在闸墩弧门拉应力区及闸墩出口段顶面布置预应力锚索[3]。由于底孔下游悬臂较长，预应力闸墩结构受力复杂，因此制定不同的锚索方案，采用ANSYS三维有限元分析评价各方案锚索布置参数、张拉顺序、应力影响范围等对闸墩应力状态的影响，以此为依据确定最终预应力系统锚索设计方案，并进一步对选定锚索方案在各种工况下的整体应力状态进行分析研究，论证了底孔出口闸墩预应力锚索布置方案及闸墩结构形式。

1 底孔闸墩结构设计

1.1 体型设计

大坝设两个放空泄洪底孔，布置在550 m高程，相间布置在三个泄洪表孔之间，最大下泄流量1 560 m3/s，进口设置检修闸门，孔口尺寸4 m×6 m(宽×高)，出口设置弧形工作闸门，孔口尺寸4 m×5 m(宽×高)，最大流速高达40 m/s左右，底孔出口采用窄缝挑流消能，增加消能率，底孔闸墩采用C40混凝土[4-5]，设计图见图1、图2。

图1 底孔下游立视图

图2 底孔纵剖面图

1.2 计算模型

计算采用六面体八节点的Solid 65实体单元选取拱坝整体及左右坝肩山体建立完整三维有限元模型，充分考虑各种工况下大坝自身变形对底孔闸墩的影响，模拟底孔真实运行状态[6]。有限元模型见图3、图4，单元总数70.74万个，节点总数77.9万个。

图3 大坝整体有限元模型图

图4 底孔有限元模型图

1.3 非预应力底孔闸墩受力状态

底孔闸墩采用普通钢筋混凝土结构时，在底孔闸墩拉应力较大部位主要有：一是底孔闸墩与大梁上游面交接处，二是底孔边墩与大梁上游面交接处下部,最大拉应力值见表1，具体部位见图5—图7。

表1 闸墩最大拉应力值区 单位：MPa

以正常运行工况为参考，根据结果可见，闸墩最大主应力达到2.4 MPa，远超C40混凝土最大抗拉强度设计值1.71 MPa。底孔作为大坝坝身影响大坝安全的关键结构部位，同时又在大坝变形、自身悬挑结构、水压力及水冲击荷载等复杂因素影响下[7]，结构拉应力较大，并形成一定范围的大拉应力区。作为1级建筑物，其基本组合的承载力安全系数K>1.35，采用普通钢筋混凝土配筋，在合理配筋率范围内，很难满足闸墩限裂要求[8-9]。《水工预应力锚固设计规范》中7.2.1规定，当弧形闸门承受的总推力超过2.5×104KN时，可考虑采用预应力式闸墩[10]。因此采用预应力结构改善闸墩受力状态是非常值得探究的设计思路，也是目前高水头、大推力闸墩结构设计的主流技术手段。

图5 第一主应力云图(单位：MPa)

图6 X向应力云图 (单位：MPa)

图7 Y向应力云图(单位：MPa)

2 拟定预应力闸墩设计方案

2.1 设计原则

设计控制标准：闸墩结构预应力设计，在正常使用极限状态下，允许出现的最大拉应力应不大于混凝土抗拉强度标准值的1/2，拉锚系数控制值为1.8～2.3[11]；锚索预应力应在满足混凝土应力控制标准条件下，施加最小预应力值。

设计思路：以正常运行工况为参考工况，通过逐次、分批增设主锚索、次锚索和闸墩顶部锚索，单独研究增加每种锚索不同参数方案后闸墩应力状态，确定每种锚索设计参数，最终选定锚索系统布设方案，并进一步验算选定方案在底孔各运行工况下的受力特性，验证锚索方案的合理性。

系统锚索可分为斜拉主锚索、侧向次锚索和闸墩顶部锚索，锚索布置简图见图8、图9。

图8 锚索分布立面图

图9 锚索分布平面图(单位：mm)

2.2 主锚索参数选定

主锚索在闸墩立面上呈扇形布置，内侧2排，外侧1排，其合力方向沿弧门推力方向，扩散角为12°，设计吨位为2 250 kN～2 800 kN，张拉吨位2 650 kN～3 350 kN。主锚索分别选取三个设计吨位2 250 kN、2 525 kN、2 800 kN进行计算分析，不设次锚索[12-13]。

经计算，增设主锚索后，闸墩拉应力区分布基本不变，但拉应力区及最大拉应力值大幅减小，说明沿拉应力分布区布设的主锚索对拉应力减小效果明显，同时，随着锚索吨位的增加，拉应力值的减小并不明显，可见锚索拉力在达到一定吨位后，仅单独增加主锚索吨位效果并不理想，也不经济，主锚索选方案中最小吨位2 250 kN即可，计算结果见表2。

表2 主锚索各方案最大拉应力值区

2.3 次锚索参数选定

次锚索水平布置于弧门支承大梁内，并通过大梁与闸墩相连接。次锚索主要是消除主锚索在闸墩与大梁结合部位产生的次生应力[14]，并增加弧门支承大梁对闸墩的约束性。次锚索沿垂直弧门推力方向分三排布置，每排4束，共12束。次锚索设计吨位为1 700 kN～2 250 kN，张拉吨位2 000 kN～2 650 kN，次锚索分别选取三个设计吨位1 700 kN、1 975 kN、2 250 kN进行计算分析，主锚索选用已定吨位2 250 kN。

经计算，在选定主锚索后，增设次锚索，闸墩拉应力进一步降低，同样，在达到一定吨位后，随着锚索吨位的增加，拉应力值的减小并不明显，次锚索可选方案中最小吨位1 700 kN即可。计算结果见表3。

表3 次锚索各方案(主锚索2 250 kN)最大拉应力值区

然而，在完成主、次锚索的布设后，闸墩的主拉应区虽得到明显改善，但在闸墩大梁上游面以及闸墩顶部和坝体下游面交接部位产生新的拉应力区，最大应力值1.7 MPa，说明由于锚索作用闸墩应力进行了重新分配，见图10、图11。

因此，进一步考虑增设闸墩顶部锚索，以期消除次生拉应力区。

图10 大梁下游面第一主应力云图

图11 大梁上游面第一主应力云图

2.4 闸顶锚索参数选定

在主、次锚索的基础上，闸墩顶部布设5根预应力锚索，设计吨位为2 500 kN，用于消除次生拉应力区。经过计算，闸墩应力有：①闸墩顶部外侧与坝体下游面交接处；②闸墩顶部预应力锚索下游锚固面与闸墩顶面相交部位；③闸墩顶部内侧与坝体下游面交接处；④闸墩内侧面与大梁上游面交接处。具体位置见图12。

在系统布设主锚索、次锚索及闸墩顶部锚索后，闸墩的主受力区拉应力值均较小，并且顶部锚索进一步消除了主、次锚索产生的次生应力区。然而，应力的约束和分配是此消彼长的，在消除闸墩主要受力区后，在图中4个部位仍出现较大的拉应力，在②部位最大应力达到1.9 MPa。经分析，上述部位均为拐角、交角或相交部位，属于浅层应力集中现象，虽应力值较大但深度较浅，不会危及结构安全，可在通过加强局部配筋解决。

图12 底孔闸墩主要受力部位示意图

3 选定锚索方案各运行工况分析

综合上述分析后，文章选定了主、次锚索加闸墩顶部锚索的系统锚索方案，根据水库运行的长期工况和短暂不利工况，进一步验证方案的合理性，选取计算工况见表4。

表4 计算工况表

计算后可知，各运行工况下底孔闸墩各关键部位的应力均小于相应部位混凝土强度标准值，预应力结构部位主要受力区应力值满足锚索设计的应力控制标准。地震工况是设计控制工况，仅在闸墩顶部与坝体下游面交接的非重要部位，出现浅层应力集中，最大主应力2.2 MPa，但拉应力分布范围小于2 m，分布深度小于0.4 m，不会造成结构破坏。

因此，三河口拱坝泄洪放空底孔出口预应力闸墩结构设计是安全、合理的。

4 结 语

文章通过逐次分批增设主锚索、次锚索和闸墩顶部锚索的设计思路，较系统的研究了拱坝底孔预应力闸墩锚索的布置形式及设计参数，得出如下结论：

(1) 在高水头、大推力的底孔闸墩设计时，宜将预应力结构作为设计方案之一进行比选。

(2) 在系统、合理布设预应力锚索后，闸墩受力状态得到明显改善，结构主要受力部位拉应力区及最大拉应力均大幅减小。

(3) 应通过仿真分析研究锚索合理的布置型式及参数，宜采用较低吨位、多维度的系统锚索布置，使闸墩整体均处于较低应力状态，避免在高应力区采用集中的、大吨位锚索解决局部应力区问题，引起其他部位的次生应力或集中应力，从而破坏闸墩的整体应力状态。