固军水库工程初设阶段泄洪表孔闸墩结构型式选择

李楠

(四川水发勘测设计研究有限公司,成都,610072)

1 工程概况

固军水库位于四川省万源市境内渠江流域州河支流中河中游,是《四川省渠江流域防洪规划》中确定兴建的大型防洪控制性水库之一,也是国务院提出加快建设的172项节水供水重大水利工程之一。该工程的开发任务是以防洪为主,兼顾发电。水库总库容12719万m3,为Ⅱ等大(2)型工程。水库挡水建筑物为碾压混凝土重力坝,坝身设泄洪表孔与底孔各2个,表孔相邻布置,底孔对称布置于表孔两侧,建筑物级别为2级。表孔孔口中心线与坝段的横缝重合,双表孔分别位于4#、5#、6#坝段,进口中墩厚5m,边墩与底孔共用。表孔孔口宽度14m,具体详见图1。

图1 泄洪表孔上游立视示意

2 泄洪表孔闸墩结构型式拟定

固军水库泄洪表孔为2级建筑物,弧门支座总推力标准值为36000kN,表孔闸墩混凝土强度等级为C40,表孔闸墩可采用常规钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构两种型式进行研究。

3 常规钢筋混凝土结构闸墩

泄洪表孔闸墩采用常规钢筋混凝土结构时,弧门支座尺寸如图2所示。

图2 弧门支座布置

根据拟定弧门支座体型,按照《水工混凝土结构设计规范》(SL 191-2008)第10.10.1条和10.10.3条要求,首先对拟定的弧门支座截面尺寸及支座附近闸墩的局部受拉区裂缝控制进行复核[1]。经复核后,对满足上述要求的弧门支座进行配筋计算。

3.1 闸墩局部受拉钢筋计算

闸墩局部受拉区的扇形受拉钢筋截面面积应符合下列规定[1]:

(1)闸墩受两侧弧门支座推力作用时,应满足:

(2)闸墩受一侧弧门支座推力作用时,应满足:

经过对中墩和边墩分别计算,当扇形钢筋选用φ32,相邻钢筋夹角为1.8°,中墩在推力方向±28.8°范围内单侧布设128根钢筋,边墩在推力方向±28.8°范围内单侧布设128根钢筋时,扇形钢筋抗力之和刚好大于弧形闸门支座推力设计值。

3.2 弧门支座纵向受力钢筋计算

弧门支座纵向受力钢筋截面面积采用下式计算[1]:

承受弧门支座推力所需的纵向受力钢筋的配筋率不宜小于0.2%[1],即纵向受力钢筋面积不小于31500mm2。

故综合考虑选配钢筋:40φ32,实际As=32164mm2,分两排布置于弧门支座宽度b范围内。

3.3 常规钢筋混凝土结构闸墩计算结论

根据计算,弧门支座底宽3.5m,高(沿弧门推力方向)4.5m时,可满足支座附近闸墩的局部受拉区裂缝控制、支座剪跨比、支座的裂缝控制及支座支承面上的局部受压应力等要求[1]。但中、边墩一侧各所需扇形局部受拉钢筋至少128根,对于3.5m宽支座,配筋量太大,根本无法布置。因此,常规钢筋混凝土结构闸墩方案对于固军水库泄洪表孔不可行。

4 预应力混凝土闸墩

由于泄洪表孔弧门支座总推力超过25000kN,闸墩的受力太大,恶化了闸墩的应力状况,受泄洪建筑物布置限制,闸墩厚度不可能设计过大,因此考虑采用预应力闸墩[2]。

根据《水工混凝土结构设计规范》(SL 191-2008)预应力混凝土结构理论,初步拟定预应力闸墩锚块尺寸采用宽5m,高(沿推力方向)4.6m,选取单侧10根3500kN锚索,拉锚系数为1.94,布置型式为:单侧布置两层预应力锚索,每层5根,各锚索间夹角为5°。通过验算,闸墩颈部抗拉承载能力满足要求。次锚索采用2000kN,共设置12根。有限元计算分析时按上述结构确定闸墩模型进行验算。

4.1 计算参数

表1 混凝土材料参数

4.2 计算工况

各计算工况及荷载组合如表2所示。

表2 计算分析工况及荷载组合

4.3 有限元模型

预应力闸墩有限元模型如图3所示。

图3 预应力闸墩有限元模型

4.4 计算成果

(1)工况一:弧门无推力+预应力(超张拉)

图4 主拉应力云图

图5 主压应力云图

(2)工况二:弧门两侧有推力+预应力

图6 闸墩第一主应力云图

图7 闸墩第三主应力云图

图8 锚块主拉应力云图

图9 支铰作用面主拉应力云图

(3)工况三:弧门一侧有推力(右侧)+预应力

图10 主拉应力云图

图11 主压应力云图

图12 锚块主拉应力云图

图13 支铰作用面主拉应力云图

4.5 有限元计算结论

通过计算分析,各计算工况下,闸墩整体大部分表现为压应力,仅锚块、闸墩颈部及锚索上游锚固端周边表现为拉应力。计算结果显示,拉应力最大为2.18MPa,且扩散范围较小,出现于闸墩受设计锚固力及一侧弧门推力作用下工况,表明预应力闸墩锚块结构及预应力锚索布置较为合适。闸墩表面局部拉应力区可采取配置一定量的普通钢筋以满足结构受力及抗裂等要求。其他集中力附近,结构边缘、角落、结构突变等部位拉应力主要为应力集中现象,可配置局部受拉钢筋。

各工况下,闸墩最大主压应力为11.5MPa,未超过结构混凝土允许抗压强度,表明预应力锚索设计张拉力是合适的。

综上,拟定的锚块结构型式及预应力锚索设计参数及布置合适,预应力闸墩方案可行。

5 泄洪表孔闸墩结构型式选择

固军水库的工程任务以防洪为主,泄洪表孔单孔最大泄流量为2128m3/s,闸门设计挡水水头为17.8m,孔口宽度为14m,弧门支座总推力标准值为36000kN。通过计算分析,常规钢筋混凝土闸墩方案的中、边墩一侧各所需扇形局部受拉钢筋至少为128根,对于3.5m宽支座,配筋量太大,方案不可行。

预应力表孔闸墩在各计算工况下,闸墩整体大部分表现为压应力,仅在锚块、闸墩颈部及锚索上游锚固端周边表现为拉应力,且扩散范围较小,可使用一定量的普通钢筋解决。

目前,工程已通过水利部批复并开工建设,泄洪表孔采用预应力闸墩方案正确,可改善闸墩应力状态、限制闸墩变形、降低工程造价,以保证工程安全运行。