浅析落久水利枢纽工程预应力闸墩设计

冯振鹏（柳州水利电力勘测设计研究院，广西 柳州 545000）



浅析落久水利枢纽工程预应力闸墩设计

冯振鹏（柳州水利电力勘测设计研究院，广西 柳州 545000）

在预应力技术快速发展的背景下，预应力闸墩得到了广泛的应用，在水电工程中，它扮演着重要的角色。本文结合落久水利枢纽工程，介绍了预应力闸墩的设计，对水工预应力闸墩设计的相关问题进行了初步分析，旨在提高水工预应力闸墩设计的合理性与可靠性。

水工预应力；闸墩；设计

引言

目前，在水利水电工程建设中预应力结构的应用越来越多，在此背景下，水工预应力闸墩的设计问题得到了广泛的关注。本文对落久水利枢纽工程在预应力闸墩设计过程中的一些问题进行了初步分析，包括锚索预应力损失的确定、闸墩锚块与颈部的设计等。处理好这几方面的问题，对水工预应力闸墩设计的合理性与可靠性具有重大的意义。

1　落久水利枢纽工程的概况

落久水利枢纽工程位于广西壮族自治区柳州市融水苗族自治县境内的柳江流域融江支流贝江下游，是一个以防洪为主，兼顾灌溉、城镇供水、发电和航运等任务的综合性水利枢纽工程，是国务院以国函［2007］40号文批准的《珠江流域防洪规划》中确定的广西柳江防洪控制性工程之一。落久水利枢纽工程拦河主坝为碾压混凝土重力坝，由左岸非溢流重力坝段、溢流重力坝段、右岸非溢流重力坝段等组成，大坝总长312.40m，最大坝高62.8m。溢流重力坝段布置在河床中间，总长79.0m，采用中孔泄洪方式，泄洪孔共设5孔，孔口尺寸为10m×12m。溢流堰为带胸墙的实用堰，每孔设有弧型闸门，采用固定卷扬式启闭机操作。

2　锚索预应力损失的确定

锚索预应力损失主要取决于锁定损失、预应力钢筋的应力松弛及混凝土收缩和徐变引起的应力损失。是否能合理的确定锚索在张拉、锁定及运行等阶段的预应力损失，关系到预应力的施加效果，直接影响到工程设计的安全与否和经济合理，需引起足够的重视。

实际上，后期预应力损失仍会随着时间的增长而不断变化，由于预应力闸墩的使用寿命较长，锚索后期预应力损失还需要通过长期监测来确定最终结果，目前的设计宜留有一定的富余。

3　预应力闸墩的锚块设计

考虑到便于主、次锚索的布置，落久水利枢纽工程预应力闸墩锚块的高度为6.0m，宽度为5.0m，锚块混凝土强度等级为C40。

按照《规范》规定，混凝土锚块的截面尺寸应符合以下要求：锚块的斜截面抗裂控制：Fk≤0.75ftkbh。式中：Fk：闸墩一侧弧门推力标准值；ftk：混凝土轴心抗拉强度标准值；b：弧门支座宽度；h：弧门支座高度。锚块的剪跨比a/h0宜控制在0.2左右，a为弧门推力作用点至闸墩边缘的距离，h0为锚块的有效高度。结构尺寸验算成果见表1，锚块的结构尺寸满足要求。

表1　锚块结构尺寸验算成果表

锚块与闸墩颈部采用相同的混凝土强度等级，可避免在高应力区域形成不同混凝土强度等级的分界区，保证混凝土材料的均质，从而降低施工难度，减少由于弹模不同产生的应力波动。

本工程在锚块底面还设置一层厚1cm的沥青油毡垫层作为软缝与闸墩隔开，采用此软缝可以减小锚块与颈部的接触面，改善锚块的受力条件，增大预压缩效果。

4　预应力闸墩的颈部设计

弧形闸门预应力闸墩为空间结构，闸墩颈部结构型式特殊，外形尺寸和边界条件复杂，在弧门推力和预应力作用下呈三向应力状态。由于截面上的应变不符合平截面假定，故《水工混凝土结构设计规范》（DLT5057-2009）（以下简称《规范》）规定，闸墩颈部抗裂验算时，颈部应力宜采用有限元法进行计算；在估算预应力钢筋数量及锚束布置的初步设计时，可采用以材料力学公式为基础的“应力修正法”来计算闸墩颈部的应力，进而对弧形闸门预应力闸墩颈部进行抗裂验算。下面以落久水利枢纽工程预应力闸墩为例进行初步的探讨。

相关参数：闸墩混凝土强度等级为C30，颈部混凝土采用C40，中墩厚度为4.0m，边墩厚度为3.5m。闸墩主锚束扇形布置，总扩散角为16°，其中中墩采用两侧对称布置形式，每侧2 排5层，共20根；边墩采用两侧非对称布置形式，临水侧2排5层，非临水侧1排3层，共13根。主锚束单束均由30根1× 7φs15.2高强度低松弛钢绞线组成，强度标准值1860N/mm2，单束锁定吨位为5859kN，永存吨位为4947kN，预应力损失为16%。闸墩除预应力锚束外，同时沿弧门推力方向配置扇形非预应力钢筋，总扩散角为32°，中墩每侧布置2排，边墩临水侧布置2排，非临水侧布置1排，主筋φ36@2°，分布筋φ25@400。

根据《规范》，在弧门推力标准组合下，闸墩颈部抗裂控制宜符合下列规定：σck-σpc≤0.7ftk。式中：σck：弧门推力标准组合下颈部截面受拉区边缘混凝土的法向拉应力；σpc：扣除全部预应力损失后颈部截面受拉区边缘混凝土的法向预压应力；ftk：混凝土轴心抗拉强度标准值。σck及σpc值在初步计算时按以材料力学公式为基础的“应力修正法”计算。中墩及边墩颈部抗裂控制验算成果分别见表2～4，均满足《规范》要求。

表2　中墩颈部抗裂控制验算成果表（受双侧弧门推力作用时）

表3　中墩颈部抗裂控制验算成果表（受单侧弧门推力作用时）

根据《规范》，闸墩颈部正截面受拉承载力应分别符合下列规定：

（1）中墩颈部采用对称配筋时，应同时满足下列要求：

在双侧弧门推力设计值作用下，其正截面受拉承载力应符合下列规定：

Asi：颈部受拉区一侧第i根非预应力钢筋的截面面积；

Apj：颈部受拉区一侧第j根预应力钢筋的截面面积；

θi：颈部受拉区一侧第i根非预应力钢筋在立面上与弧门推力方向投影的夹角；

βj：颈部受拉区一侧第j根预应力钢筋在立面上与弧门推力方向投影的夹角；

fy：非预应力钢筋抗拉强度设计值；

fpy：预应力钢筋抗拉强度设计值。

在单侧弧门推力设计值作用下，其正截面受拉承载力应符合下列规定：

式中：e′：弧门推力作用点至受压区非预应力钢筋和预应力钢筋合力作用点之间的距离；

B′0：颈部截面有效高度，即受压区非预应力钢筋和预应力钢筋合力作用点至受拉边缘的距离；

asi：颈部受拉区一侧第i根非预应力钢筋合力作用点至受拉边缘的距离；

apj：颈部受拉区一侧第j根预应力钢筋合力作用点至受拉边缘的距离。

（2）边墩颈部采用非对称配筋时，在单侧弧门推力设计值作用下，其正截面受拉承载力应符合下列规定：

式中：A′si：颈部受压区一侧第i根非预应力钢筋的截面面积；

A′pj：颈部受压区一侧第j根预应力钢筋的截面面积；

θ′i：颈部受压区一侧第i根非预应力钢筋在立面上与弧门推力方向投影的夹角；

β′j：颈部受压区一侧第j根预应力钢筋在立面上与弧门推力方向投影的夹角；

f′y：受压区非预应力钢筋的抗压强度设计值；

f′py：受压区预应力钢筋的抗压强度设计值；

fc：混凝土轴心抗压强度设计值；

b：弧门支座宽度；

e：弧门推力作用点至受拉区非预应力钢筋和预应力钢筋合力作用点之间的距离；

B0：颈部截面有效高度，即受拉区非预应力钢筋和预应力钢筋合力作用点至受压边缘的距离；

中墩及边墩颈部正截面受拉承载力验算成果分别见表5～7，均满足《规范》要求。

表4　边墩颈部抗裂控制验算成果表

表5　中墩颈部正截面受拉承载力验算成果表（受双侧弧门推力作用时）

表6　中墩颈部正截面受拉承载力验算成果表（受单侧弧门推力作用时）

表7　边墩颈部正截面受拉承载力验算成果表

此前，国内弧形闸门预应力闸墩设计，主要是用半理论、半经验的拉锚系数法 （即预应力的有效总拉力与弧形闸门总推力的比值的方法）。它是将结构的正常使用和承载能力两个极限状态的不同要求合二为一，且采用此法时国内多取1.5～3.0之间，选择随意性较大，存在不够严谨精确的问题。而在初步计算时采用 《规范》所述方法可以更好地确定闸墩颈部尺寸、材料强度、预应力锚束的吨位及布置等，并有效减少下一阶段使用有限元方法进行精确计算时的工作量。

采用《规范》推荐的方法将结构按正常使用和承载能力两个极限状态分开进行设计后，在闸墩的设计过程中就可以更好地贯彻部分预应力混凝土的设计理念。部分预应力混凝土是介于全预应力混凝土和钢筋混凝土之间的一种预应力混凝土，具有如下的一些优点：部分预应力混凝土结构由于所施加的预应力较小，可减少预应力钢筋数量，能用非预应力钢筋代替部分预应力钢筋，降低造价；在大跨度结构中，部分预应力混凝土可以减少过大的反拱；部分预应力混凝土结构的延性较好，有利于结构抗震。落久水利枢纽工程预应力闸墩的计算中，在受拉区的预应力锚束已能使颈部满足裂缝控制要求后，按正截面受拉承载力计算所需的其余受拉钢筋均采用非预应力钢筋，即采用预应力筋和非预应力筋的混合配筋方案，以充分发挥部分预应力混凝土的优势。

5　结语

本文简要介绍了落久水利枢纽工程预应力闸墩的设计过程，结合笔者的工作实践，在锚索预应力损失的确定、闸墩锚块与颈部的设计等方面谈了一些体会和笔者认为需要注意的问题，供同行参考。

［1］中华人民共和国行业标准.《水工混凝土结构设计规范》（DLT5057-2009）［S］.北京：中国电力出版社，2009.

［2］刘志明，温续余.《水工设计手册》（第二版）第七卷泄水与过坝建筑物［M］.北京：中国水利水电出版社，2014.

冯振鹏（1983-），男，汉族，广西柳州人，中级，本科，主要从事水利电力设计工作。

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2016-5-10