锦屏一级拱坝坝身临时导流底孔大悬臂预应力闸墩优化研究
（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都610072）
【摘要】锦屏一级拱坝坝身临时导流底孔出口闸墩悬臂长度25m，单侧出口弧门支铰荷载36000kN，在水电工程中少有。本文着眼于出口闸墩、支撑大梁和闸墩主次预应力锚索等结构，对出口结构尺寸比选，主、次锚索的优化等问题进行了介绍，希望能为同类型的结构设计提供参考。
【关键词】导流底孔；预应力闸墩；支撑大梁；主锚索；次锚索；锦屏一级水电站
1 概述
1.1 工程概况
锦屏一级水电站位于四川省盐源县、木里县交界的雅砻江干流，是雅砻江水能资源最富集的中、下游河段五级水电开发中的第一级。电站以发电为主，兼有防洪、拦沙等作用。水库正常蓄水位1880m，总库容77.6亿m3，调节库容49.1亿m3，为年调节水库，电站装机容量3600MW。锦屏一级水电站属于一等大（Ⅰ）型工程，永久性建筑物为Ⅰ级建筑物。枢纽由挡水、泄水及消能、引水发电等建筑物组成，挡水建筑物采用混凝土抛物线双曲拱坝，最大坝高305m，坝顶高程1885m。坝身永久泄洪设施包括4个表孔+5个深孔+2个放空底孔，为满足中、后期施工导流的需要，坝身设置了5个临时导流底孔。
锦屏一级坝身临时导流底孔出口闸墩悬臂长度25m，单侧出口弧门支铰荷载36000kN，在水电工程中少有。本文将对预应力闸墩结构尺寸比选，主、次锚索的优化等设计进行了介绍。
1.2 高拱坝预应力闸墩设计思路
高拱坝泄洪孔口出口预应力闸墩结构主要由出口闸墩和支撑大梁组成，其中支撑大梁多为深梁式。按照规范要求，支撑大梁需要进行正截面受弯、斜截面受剪、抗裂验算和抗剪扭计算；出口闸墩则需要开展闸墩在弧门推力作用下的颈部抗裂验算和闸墩颈部正截面受拉承载能力计算。
由于高拱坝预应力闸墩为三维空间结构，结构计算较为复杂，如全过程采用三维线弹性有限元计算方法，计算过程耗时相对较长。为了简化计算程序，主要采用了结构力学方法与有限元法相结合的分析方法，主要思路为：
（1）尺寸拟定。根据工程类比和施工布置，初步拟定几组出口闸墩及支撑大梁尺寸方案和出口闸墩主锚索布置方案。
（2）结构力学方法比选。采用规范推荐的结构力学方法，计算出各出口闸墩、支撑大梁尺寸方案对应的主锚索吨位，并根据各方案结构的承载能力及抗裂验算的成果，比选出推荐的出口闸墩、支撑大梁尺寸和推荐的出口闸墩主锚索布置方案及吨位。
（3）有限元方法复核。按照结构力学方法推荐的出口闸墩、支撑大梁尺寸及出口闸墩主锚索布置方案，建立三维有限元模型，采用三维线弹性有限元分析方法，对预应力闸墩结构的应力状态进行复核，并以此为基础，确定出支撑大梁次锚索的布置方案和吨位。
1.3 预应力闸墩设计控制标准
根据规范规定，在弧门推力标准组合下，预应力闸墩颈部抗裂控制宜符合下列规定：
式中 σck——弧门推力标准组合下，颈部截面边缘混凝土的法向拉应力，有限元计算时，可取颈部截面受拉区边缘至最外侧主锚束孔中心之间的混凝土法向拉应力的平均值；
σpc——扣除全部预应力损失后，颈部截面边缘混凝土的法向颈压应力，有限元计算时，可取颈部截面受拉区边缘至最外侧主锚束孔中心之间混凝土法向预压应力的平均值；
ftk——混凝土轴心抗拉强度标准值。
2 导流底孔布置及基本设计资料
2.1 坝身临时导流底孔结构布置
2.1.1 坝身临时导流底孔平面布置
坝身1～5号临时导流底孔分别位于大坝12～16号坝段，孔身为矩形，进口设置平板钢闸门作为封堵闸门，出口设置弧形闸门作为工作闸门。坝身导流底孔平面布置如图1所示，孔口特性如表1所示。
表1 锦屏一级拱坝坝身临时导流底孔口特性
图1 坝身临时导流底孔平面布置图（单位：cm）
2.1.2 导流底孔出口闸墩悬臂结构布置
坝身临时导流底孔出口闸墩悬臂结构主要包括出口闸墩和支撑大梁，为了抵消由弧门传来的推力，在闸墩上布置了U形预应力主锚索，为了抵消闸墩内主锚索张拉及弧门推力联合作用下在闸墩与支撑大梁间产生次生拉应力，在支撑大梁上布置了直型预应力次锚索，导流底孔典型出口结构布置如图2所示。
图2 导流底孔出口典型结构剖面图（单位：cm）
2.2 基本设计资料
2.2.1 弧门支铰推力
锦屏一级导流底孔孔口跨度5m，弧门支铰单侧最大推力标准值N=36000kN，总推力为72000kN，与水平面夹角39.4527°。
2.2.2 混凝土强度指标
导流底孔出口闸墩及支撑大梁选用混凝土强度等级为C9050，轴心抗压强度标准值为33MPa，轴心抗拉强度标准值为2.76MPa。
3 出口结构尺寸的比选研究
3.1 主要设计思路
根据规范规定，对于弧门闸墩，当门轴总推力超过25000kN时，通过技术经济比较，可采用预应力式闸墩。锦屏一级拱坝坝身导流底孔出口弧门推力巨大，需要采用预应力闸墩结构。对于预应力出口结构尺寸的比选，本文采用了以下的计算思路。
（1）根据工程类比、施工布置，初步拟定几组出口闸墩及支撑大梁尺寸。
（2）采用结构力学方法，对出口闸墩预应力主锚索进行估算，并初步拟定出主预应力锚索布置方案。
（3）采用结构力学方法，对支撑大梁进行截面承载力计算和抗裂验算；对出口闸墩进行闸墩颈部抗裂验算和受拉承载力计算。
（4）根据上述计算成果，对上述几组支撑大梁和出口闸墩尺寸进行比选，确定出口结构尺寸。
3.2 计算工况
计算工况：弧门挡水工况（挡水水头110m）。
3.3 闸墩及支撑大梁尺寸初拟
根据工程类比，初步拟定出四组比选闸墩厚度尺寸为4.8m、5.2m、5.6m、6m，和四组支撑大梁比选尺寸5m×7m、5.4m×7.2m、6m×7m、6m×8m。
3.4 主锚索布置方案初拟
根据闸墩主锚索的布置条件和目前水电工程预应力闸墩锚索的设计水平，结合主锚索估算成果，拟定主锚索布置方案为：单个闸墩上布置四排主锚索，共20束，排距0.3m，第一排距闸墩内侧边缘1m（如图3、图4所示）。
图3 出口主锚索墩头布置示意图（单位：cm）
图4 主锚索布置典型剖面示意图（单位：cm）
3.5 支撑大梁结构尺寸比选分析
对拟定的4组支撑大梁的截面尺寸分别从截面承载力和抗裂两个方面进行比选，成果表明，四种支撑大梁尺寸均能满足承载能力和抗裂验算的要求。由于支撑大梁尺寸还与闸墩颈部受拉区的拉应力有关，其尺寸需要结合闸墩的计算成果确定。
3.6 闸墩厚度比选分析
根据主锚索布置方案，对拟定的4组出口闸墩方案分别进行闸墩颈部抗裂和闸墩正截面受拉承载力计算，并由此得出出口闸墩预应力筋（主锚索）和非预应力筋（扇形钢筋）的计算成果如表2所示。由表2可以看出：
表2 不同大梁宽度、闸墩厚度组合下计算成果表
（1）除B=4.8m、b=5m、主锚索吨位3691kN和B=6m、b=5m、主锚索吨位3187kN两种组合外，其余组合方案均满足闸墩颈部抗裂验算要求。
（2）相同大梁宽度情况下，闸墩厚度越大，混凝土边缘的法向拉应力σck越小，满足闸墩颈部抗裂验算所需的锚索吨位越小。
（3）相同闸墩厚度情况下，大梁宽度越大，混凝土边缘的法向拉应力σck越小，在主锚索吨位相同的情况下，σck-σpc也越小，越能满足闸墩颈部抗裂验算要求。
3.7 出口结构尺寸的确定
根据各方案的对比分析，结合锦屏一级拱坝坝身临时导流底孔实际的施工布置条件，确定导流底孔出口结构尺寸为：支撑大梁5.4m×7.2m，闸墩厚度选用5.6m，此时单束主锚索的结构力学计算有效吨位3355kN。
4 主、次锚索优化设计研究
4.1 主、次锚索布置方案初拟
图5 支撑大梁次锚索布置剖面图（单位：cm）
4.1.1 主锚索的布置方案及计算吨位
主锚索的布置方案同出口结构尺寸比选方案。根据出口结构尺寸比选计算成果，在支撑大梁尺寸选用5.4m×7.2m，闸墩厚度选用5.6m时，对应的单束主锚索吨位为3347kN。由此，拟定有限元计算主锚索计算吨位为3200kN、3400kN和3600KN。
4.1.2 次锚索初步布置方案
次锚索主要是为了抵抗闸墩内主锚索张拉及弧门推力联合作用下在闸墩与支撑大梁内产生的次生拉应力。其吨位及布置需要根据主锚索与弧门推力联合作用下的有限元闸墩及支撑大梁应力分布计算成果确定。根据次锚索布置条件和有限元计算成果，初步拟定的次锚索吨位为3200kN，布置4排，共22束。次锚索布置方案如图5所示。
4.2 主、次锚索有限元复核
4.2.1 计算目的及计算程序
通过分析不同主锚索吨位和次锚索布置方式条件下闸墩颈部的应力条件，确定主锚索吨位和次锚索布置方式。计算采用通用有限元计算程序ANSYS。
4.2.2 计算模型及计算工况
为能够准确反映坝区地质条件和地基加固措施，计算采用在大坝—地基的整体三维有限元模型上嵌套孔口精细模型的方式进行，整体三维有限元模型如图6所示，孔口局部部位网格如图7所示。坝体单元精度：10m，孔口部位单元精度：1.2m。计算工况：弧门挡水工况（挡水水头110m）。
图6 锦屏一级大坝—地基整体三维有限元模型
图7 坝体1～5号导流底孔部位网格图
4.2.3 计算方案
根据拟定主、次锚索吨位，共确定了13组有限元计算方案见表3。
表3 不同计算方案闸墩颈部应力有限元分析成果
4.2.4 计算成果
有限元计算成果表明，3号导流底孔应力最大，方案比选主要采用3号孔计算成果。各计算方案3号闸墩颈部应力成果见表3。由表3可以看出：
（1）有无预应力的影响：通过方案1和其他方案比较分析，可以得出施加预应力后对闸墩颈部拉应力改善很大，施加预应力后，颈部受拉区边缘节点主拉应力减少1.64～2.54MPa。
（2）主预应力锚索吨位的影响：通过三种主锚索吨位方案的对比分析可以发现，当主预应力增加时，颈部截面的主拉应力随之降低。
（3）上、下游侧次预应力锚索数量的影响：计算表明，上、下游侧第二排锚索均可以有效减小闸墩颈部最大主应力。
4.2.5 方案优选
考虑到国内预应力闸墩锚索设计、施工水平，主锚索的吨位不宜过大。根据对各计算方案的对比分析，方案9的主锚索吨位适中，其闸墩颈部最大主应力为1.76MPa，能够满足闸墩颈部抗裂要求。因此，选取方案9主、次锚索布置方案作为推荐方案。
4.2.6 推荐方案闸墩应力复核
为了解推荐方案主、次锚索布置条件下导流底孔出口闸墩及支撑大梁的应力状况，采用了有限元方法对其应力状况进行了复核，应力成果表明：①出口闸墩较大主拉应力集中在闸墩与支撑大梁连接处（即闸墩颈部），最大主拉应力为2.87MPa，根据表3复核成果，能够满足闸墩颈部抗裂验算要求；②在出口闸墩与大坝交接部位出现了较大的主拉应力，最大值约为0.7MPa，可通过结构配筋等措施解决；③最大主压应力出现在主锚索的锚固端，为9.77MPa; ④主锚索环锚部位以主压应力为主，局部出现了0.1MPa左右的主拉应力，但分布范围较小。
应力分析成果表明，推荐方案（方案9）各部位应力状况良好，说明目前的主、次锚索布置方案是合适的。
5 导流底孔施工及运行情况
锦屏一级水电站大坝1～5号导流底孔于2010年8月开始进行混凝土浇筑，2011年9月完成混凝土浇筑，2011年12月完成了主、次锚索的张拉施工。导流底孔施工过程及混凝土浇筑完成后的情况分别如图8和图9所示。
图8 锦屏一级2号导流底孔施工面貌
图9 锦屏一级1～5号导流底孔混凝土浇筑完成后面貌
锦屏一级水电站大坝1～5号导流底孔于2012年12月开始过流，并维持低水位敞泄状态；2013年6月开始控泄，并逐步进入高水位运行状态；2013年10月初，大坝1～5号导流底孔完成下闸封堵。导流底孔泄洪情况如图10所示。
图10 锦屏一级1～5号导流底孔过流情况
在1～5号导流底孔施工及运行期间，除了2～5号导流底孔主、次锚索因锚垫板下部钢筋密集、混凝土浇筑不密实而导致部分锚索预应力损失偏大外（最大损失率为11.16%，平均损失率为6.47%）,1～5号导流底孔各部位监测仪器均未出现异常情况，进一步说明导流底孔结构设计及施工质量是可靠的。
6 结语
本文采用了结构力学和三维线弹性有限元相结合的分析方法，对锦屏一级拱坝坝身临时导流底孔出口预应力闸墩设计过程中的出口结构尺寸比选、主次锚索布置及优化等问题进行了研究，主要分析成果如下。
（1）根据出口闸墩厚度及支撑大梁尺寸多组合方案结构力学计算成果，结合锦屏一级坝身临时导流底孔布置条件和施工条件，确定锦屏一级坝身临时导流底孔出口结构尺寸为：支撑大梁5.4m×7.2m（宽×高），出口闸墩厚度选用5.6m。
（2）根据不同主锚索吨位和次锚索布置方式的条件下闸墩颈部的应力条件三维线弹性有限元复核成果，确定锦屏一级坝身临时导流底孔出口闸墩主锚索吨位为3400kN（单侧布置4排，共20束），支撑大梁次锚索吨位为3500kN（4排，共24束）。
（3）三维线弹性有限元应力复核成果表明，按照目前的主、次锚索布置方式，出口闸墩及支撑大梁各部位应力状况良好，说明目前的主、次锚索布置方案是合适的。