某水電站溢洪道預應力閘墩計算分析

裴松偉，唐克東

（華北水利水電學院，鄭州450008）

某水電站溢洪道預應力閘墩計算分析

裴松偉，唐克東

（華北水利水電學院，鄭州450008）

應用三維有限元方法對某水電站溢洪道預應力閘墩進行了計算分析，論證了預應力錨索上游錨固端位置和形式的合理性，優(yōu)化了預應力錨索的布置方案和永存噸位.研究結果可為同類結構的設計提供參考.

溢洪道；預應力閘墩；錨索；錨塊；永存噸位

20世紀50年代，在突尼斯的梅列格溢洪道修建中，預應力技術開始被應用于水利工程上的大型弧形閘門閘墩結構.20世紀60年代，美國在修建瓦納堡溢洪道時，對預應力混凝土閘墩結構進行了比較系統(tǒng)的應力分析和試驗研究.20世紀70年代，我國首次將預應力技術成功應用于葛洲壩樞紐，隨后在龍羊峽、魯布革、巖灘、二灘等工程中采用了預應力閘墩［1］.溢洪道預應力閘墩結構受力十分復雜，處于三維受力狀態(tài)；若采用平面結構力學法進行計算分析，計算結果不能反映結構的實際受力狀態(tài)，所以，采用三維有限元法對溢洪道預應力閘墩進行計算分析研究是十分必要的.

某水電站溢洪道設4孔閘，每孔尺寸為15m×21.09m.共有3個中墩和2個邊墩，閘墩沿閘室中心線分縫，邊墩為重力擋土墻式結構.閘孔設疊梁檢修門和弧形工作門，在正常運行情況下，單鉸最大弧門推力高達21326.5kN.由于水推力大，閘墩采用一般的鋼筋混凝土結構強度難以滿足設計要求.因此，溢洪道閘墩采用預應力混凝土結構，混凝土強度等級為C40.為了確定溢洪道閘墩預應力錨索上游錨固端的位置和形式，優(yōu)化溢洪道閘墩預應力錨索的布置和永存噸位，本文采用三維有限元法對溢洪道預應力閘墩進行了計算分析.

1 上游錨固端位置和錨索布置

根據(jù)國內外水電站工程建設經驗，選取錨固豎井和錨拉洞預應力主錨索上游端錨固方案進行優(yōu)化.主錨束的布置在閘墩立面方向采用扇形，共5層，沿弧門推力方向布置，其上下邊緣層錨束的擴散角為16°；平面方向采用平行布置，共4排，中墩兩側對稱布置，邊墩一側按中墩單側的原則布置，另一側布置一排平衡索.次錨束的布置采用水平布置方式，在錨塊頸部附近布置兩排橫向水平次錨束（每排4束），錨塊下游布置一排橫向水平次錨束.

2 閘墩三維有限元分析

閘墩沿閘室中心線分縫，閘墩順水流方向長50m，閘墩段與其上游引渠段和下游泄槽段之間均設橫縫，中墩末端厚度4m，上游端厚度6.4m.預應力閘墩結構錨索布置和受力比較復雜，若采用材料力學和平面有限元法計算，會有較大的誤差.為了解弧門推力及預應力荷載對閘墩和錨塊應力分布的影響，評價預應力錨束布置的合理性，采用三維有限元法對溢洪道中墩進行了詳細的分析研究.

2.1 基本假定和混凝土應力控制標準

閘室混凝土及基礎結構材料符合小變形情況下的線彈性基本假定，即按線彈性理論進行結構體有限元計算分析；不考慮基礎巖石中的夾層等破碎帶，認為基礎結構為均質、連續(xù)、各向同性材料［2］.閘墩按部分預應力混凝土結構設計，其應力控制標準為：在正常使用條件下，結構內部的最大拉應力不應大于混凝土抗拉強度標準值的1／2［3－4］.

2.2 計算荷載

自重荷載：按體積考慮.

預應力荷載：計算中預應力荷載均按永存噸位考慮.

水荷載：一部分作用于閘墩表面，一部分通過弧門支臂傳到支鉸.

溫度荷載：按溫度下降5℃考慮.

2.3 計算范圍

取中墩整體結構（即中墩兩側分別帶有一半閘室底板）進行計算，基礎深度取一倍閘室高度50m，基礎上下游延伸長度（順水流方向）均取50m，基礎沿垂直水流方向的寬度同閘室.

2.4 計算工況

工況1：自重＋水荷載＋兩側弧門推力.

工況2：自重＋水荷載＋兩側弧門推力＋預應力.

工況3：自重＋水荷載＋左側弧門推力＋預應力.

工況4：自重＋預應力.

工況5：自重＋水荷載＋左側弧門推力＋預應力＋溫降.

2.5 計算方法

計算采用通用結構分析程序ANSYS進行三維有限元計算分析，單元采用8節(jié)點實體單元.錨塊部位和閘墩表面沿主錨索C方向的結果分析，是按局部坐標系x′－y′－z′給出的［2］.

2.6 單元網格劃分

依據(jù)確定的中墩計算范圍，對中墩整體進行了有限元網格剖分.中墩有限元整體網格圖如圖1所示，錨塊局部網格剖分圖如圖2所示.

圖1 中墩有限元整體網格圖

圖2 錨塊局部網格圖

2.7 邊界條件

在中墩計算模型中，在4個側向地基表面分別施加與側面相垂直的剛性鏈桿約束，在底面施加豎向剛性鏈桿約束.其余結構表面均為自由面.

2.8 計算結果分析

2.8.1 上游錨固端位置的選擇

在工況1無預應力的情況下，中墩墩體左側表面σx等值線分布如圖3所示.從圖3可知，準備選作錨固豎井和錨拉洞區(qū)域的部位已處于零應力狀態(tài)，說明選擇該部位作為錨固豎井區(qū)和錨拉洞區(qū)是合適的.

圖3 工況1下中墩墩體左側表面σx（kPa）分布圖

2.8.2 錨拉洞和錨固豎井的選擇

在工況4情況下，豎井方案墩體左側表面σx等值線分布如圖4所示，錨拉洞方案墩體左側表面σx等值線分布如圖5所示.從圖4和圖5可以看出，豎井方案和錨拉洞方案對閘墩關鍵部位支鉸區(qū)的影響基本一樣，而豎井方案比錨拉洞方案在閘墩上形成的壓應力區(qū)范圍略大.又由于相對于錨拉洞方案，豎井方案中預應力施工操作空間大，便于二期混凝土工程施工，混凝土施工質量容易得到保證，因此推薦采用豎井方案.

2.8.3 錨索布置和永存噸位的優(yōu)化

通過中墩5種工況下的錨固豎井方案的計算分析，在原錨索布置方案中，中墩支鉸區(qū)在工況3下的最大拉應力達到了2 098kPa，超過了該區(qū)域C40混凝土的0.5倍抗拉強度標準值（標準值為ftk＝2 450kPa）.為降低中墩支鉸區(qū)拉應力，對原錨索布置情況及永存噸位進行了調整.經過對錨索擴散角、布置形式、永存噸位進行各種方案的計算分析，確定調整后的溢洪道預應力閘墩錨索布置方案為：主錨索擴散角由16°改為13°，單束主錨索的永存噸位由3 200kN改為3 900kN，拉錨系數(shù)為1.83，次錨索位置、噸位不變.2.8.4 閘墩主要部位的應力分布（優(yōu)化后方案）

2.8.4.1 錨 塊

在各種工況下，除工況1沒有施加預應力的情況外，錨塊部位的應力在工況3條件下最不利，其他工況的應力均好于工況3.

在工況2下，錨塊x′方向、z′方向基本處于受壓狀態(tài)，y′方向大部分區(qū)域處于受拉狀態(tài)，拉應力值較小，基本在300kPa以內.

在工況3下，錨塊x′方向、z′方向大部分區(qū)域處于受壓狀態(tài)，x′方向在閘墩受力側與錨塊交接部位出現(xiàn)了一個寬40cm、高40cm的局部受拉區(qū)，最大拉應力為1 295kPa（如圖6所示），略高于0.5 ftk，小于ftk.

圖6 錨塊上游面與推力方向剖面交線上的σx＇分布圖

2.8.4.2 閘墩支鉸區(qū)

在工況2下，閘墩支鉸區(qū)在靠近錨塊的小范圍（沿x′方向約1m，沿y′方向約1.7m，沿z′方向閘墩表面兩側深約0.3m）內，存在x′方向的拉應力，拉應力最大值為400kPa，其他部位各方向基本處于受壓狀態(tài)或零應力狀態(tài).

在工況3下，受力側閘墩支鉸區(qū)（沿x′方向約3.3m，沿y′方向約4.5m，沿z′方向閘墩表面兩側深約0.5m），存在x′方向的拉應力，拉應力最大值1485.1kPa（如圖7所示），大于0.5 ftk，小于ftk，最大拉應力區(qū)域很小，為了結構的耐久性考慮，應適當配置非預應力鋼筋；其他部位各方向基本處于受壓狀態(tài)或零應力狀態(tài).

圖7 左側支鉸區(qū)表面與推力方向剖面交線上的σx′分布圖

2.8.4.3 錨固豎井區(qū)

在工況2下，錨固豎井在x方向和y方向均處于受壓應力狀態(tài)，在z方向出現(xiàn)很小的拉應力σz，局部最大拉應力為194.17kPa.

在工況4下，錨固豎井左邊壁、右邊壁x方向出現(xiàn)了次生拉應力，拉應力小于300kPa.錨固豎井中隔墻x方向的拉應力最大值為852.83kPa，y方向基本處于受壓狀態(tài).z方向中隔墻部位產生了次生拉應力，且局部拉應力達到了2540.4kPa（如圖8所示），略高于ftk，因此，該區(qū)域應按局部承壓設計配置非預應力鋼筋.

圖8 豎井下游面與墩體中心剖面交線上的σz分布圖

3 結 語

通過計算分析，確定了錨索上游錨固端位置和形式，優(yōu)化了預應力錨索的布置形式和永存噸位，并對優(yōu)化后的方案進行了計算分析，分析結果表明優(yōu)化后的方案滿足結構設計要求.

（1）閘墩支鉸區(qū)應呈扇形配置非預應力鋼筋或敷設鋼板，以承擔最不利工況出現(xiàn)的大于0.5 ftk的拉應力；預留錨固豎井內角宜采用圓弧形光滑過渡，以盡量降低施工期因應力集中產生的次生拉應力；在閘墩根部適當配置非預應力鋼筋，以便承受施工期和運行期復雜的溫度作用及地震作用的影響.檢修門槽亦應適當配置非預應力鋼筋，以便承受檢修期檢修門推力.

（2）主錨索力施加時的張拉順序不同，將會在閘墩體內產生不同的應力狀態(tài).設計及施工中應考慮先施加中部錨索預應力，再同時對稱施加兩側錨索預應力；且每束錨索應采用分級施加的方法，以減小由于施加錨索力而對閘墩結構應力狀態(tài)產生的不利影響.

［1］ 孫志恒，劉致彬.預應力厚閘墩的試驗研究［J］.水利水電技術，1992（11）：52－57.

［2］ 唐克東，郭雪莽.巴貢水電站溢洪道預應力閘墩三維有限元計算分析［R］.鄭州：華北水利水電學院，2004.

［3］ DL／T5057—1996，水工混凝土結構設計規(guī)范［S］.

［4］ SL253—2000，溢洪道設計規(guī)范［S］.

Optimal Design for the Prestressed Pier of Hydropower Project

PEI Song－wei，TANG Ke－dong
（North Chian Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450008，China）

Three dimensional finite element analysis is adopted on the piers calculation of Hydropower Project.The place and the type of the tendons upstream end are discussed，the arrangement and permanent tonnage of the anchor groups are optimized.The results can provide refereuce for the same type frames.

spillway；prestressed pier；anchor group；anchorage block；permanent tonnage

TV314

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2012.02.013

1671－6906（2012）02－0058－04

2012－03－22

裴松偉（1979－），男，河南鄢陵人，碩士生.