新型锚块在预应力闸墩设计中的研究与应用

第３８卷第５期　２０１２年５月　水力发电　新型锚块在预应力闸墩　设计中的研究与应用　韩　韬　，张建辉　，张喜武　，夏　辉１，张亚迅２，雷秀玲　（１．中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春１３００２１；　２．南水北调中线干线工程建设管理局河北直管项目建设管理部，河北石家庄０５００３５）　摘　要：蒲石河抽水蓄能电站下水库泄洪排沙闸工作闸门单墩承受最大推力为３４　０００　ｋＮ，推力较大，预应力闸墩　采用空腔式新型锚块可以有效降低吨锚比，改善结构应力条件，节省工程量。应用ＡＮＳＹＳ有限元分析程序对预应力　闸墩进行数字仿真模拟，确定锚块及空腔尺寸、锚束位置及吨位，并通过物理力学模型试验，对重要部位进行应力　检测．验证数学模型结果的可靠性。　关键词：预应力闸墩；空腔式锚块；有限元；模型试验；蒲石河抽水蓄能电站　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｎｅｗ　Ａｎｃｈｏｒ　Ｂｌｏｃｋ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｐｒｅ—ｓｔｒｅｓｓｅｄ　Ｐｉｅｒ　Ｈａｎ　Ｔａｏ　，Ｚｈａｎｇ　Ｊｉａｎｈｕｉ　，Ｚｈａｎｇ　Ｘｉｗｕ　，Ｘｉａ　Ｈｕｉ　，Ｚｈａｎｇ　Ｙａｘｕｎ　，Ｌｅｉ　Ｘｉｕｌｉｎｇ　ｆ１．Ｃｈｉｎａ　Ｗａｔｅｒ　Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ，Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１３００２１，Ｊｉｌｉｎ，Ｃｈｉｎａ；２．Ｈｅｂｅｉ　Ｃｏｎ￣，　ｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ　Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈ－ｔｏ—Ｎｏｒｔｈ　Ｗａｔｅｒ　Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　Ｍｉｄｄｌｅ　Ｒｏｕｔｅ　Ｐｒｏｊｅｃｔ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５００３５，Ｈｅｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐｉｅｒ　ｏｆ　ｌｆｏｏｄ　ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｓａｎｄ　ｇａｔｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｏｗｅｒ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｏｆ　Ｐｕｓｈｉｈｅ　Ｐｕｍｐｅｄ—ｓｔｏｒａｇｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　ｗｉｌｌ　ｂｅａｒ　ａ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｔｈｒｕｓｔ　ｏｆ　３４　０００　ｋＮ．Ｔｈｅ　ｐｒｅ－ｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｐｉｅｒ　ａｄｏｐｔｓ　ａ　ｎｅｗ　ｈｏｌｌｏｗ　ａｎｃｈｏｒ　ｂｌｏｃｋ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ａｎｃｈｏｒ　ｂｅａｍ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｔｏ　ｔｈｒｕｓｔ，ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｎｇ　ｑｕａｎｔｉｔｙ．Ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｐｒｅ－ｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｐｉｅｒ　ｉｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＡＮＳＹＳ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｓｉｚｅｓ　ｏｆ　ａｎｃｈｏｒ　ｂｌｏｃｋ　ａｎｄ　ｃａｖｉｔｙ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｎｃｈｏｒ　ｂｅａｍ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃａｐａｃｉｔｙ．Ｔｈｅ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｔｅｓｔｅｓ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｔｏ　ｅｘａｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｔｏ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｐｒｅ－ｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｐｉｅｒ；ｈｏｌｌｏｗ　ａｎｃｈｏｒ　ｂｌｏｃｋ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ；ｍｏｄｅｌ　ｔｅｓｔ；Ｐｕｓｈｉｈｅ　Ｐｕｍｐｅｄ—ｓｔｏｒａｇｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　中图分类号：Ｔｖ６６２．２（２３１）　文献标识码：Ａ　文章编号：０５５９—９３４２（２０１２）０５—００３１—０３　１预应力闸墩概况　用预应力混凝土闸墩。　简单锚块式预应力闸墩结构形式简单．便于施　蒲石河抽水蓄能电站位丁辽宁省宽甸满族自治　Ｔ。但是南于锚束张拉力与弧门推力不在同一条直　县境内，距丹尔市约６０　ｋｉｎ，该电站总装机容量　线上，且弧门推力作用点更靠外，要消除或部分抵　１　２００　ＭＷ，单机容量３００　ＭＷ，共安装４　发电机　消弧门推力在闸墩颈部产生的拉应力集中，势必需　组。工程为一等大（１）型工程，主要建筑物为ｌ级　要较多的锚束用量，不利于充分发挥预应力锚束的　建筑物。泄洪排沙闸共７孔，每孔净宽１４　１ＴＩ，闸墩　作用。蒲石河泄洪排沙闸中墩如采用传统锚块需布　厚４　ｉｎ，溢流前缘净宽９８　ｉｎ，采用开敞式泄洪方　置２８束主锚束（３００　ｔ级），预应力墩锚比２．４７．此　式，堰面采用ＷＥＳ幂曲线，堰顶高程４８　Ｉｌｌ，正常　时闸墩颈部拉应力平均值为１．３２　ＭＰａ，如要降低拉　蓄水位６６．０　Ｉｌｌ。泄洪排沙闸弧形工作门尺寸１４　ＩｎＸ　１８．６　１１１（宽Ｘ高），工作闸门承受最大推力３４　０００　收稿日期：２０１２—０３～０ｌ　ｋＮ，单铰最大推力１７　０００　ｋＮ。由于弧门推力较大，　作者简介：韩韬（１９７５一），女，山西汾阳人，高级工程师，从　采用常规的钢筋混凝土结构很难满足要求，冈此采　事水利水电工程设计工作．　／Ｊ仅电　２０１２年５月　应力需增加主锚束数量，势必造成预应力的浪费　通过改善锚块的结构形式，采用锚块中部预留缝槽、　闸墩内部设置空腔、颈部设置孔洞等措施可以提高　预压效果，节省工程量。经技术、经济比较，蒲石　河抽水蓄能电站下水库泄洪排沙闸预应力闸墩支承　结构形式采用空腔式新型锚块　空腔式预应力闸墩是一种全新的结构形式．其　结构布置见图１。这种预应力闸墩主要是采用简支　梁传力结构，可以将锚束的预压力通过传力梁的支　座转移到弧门推力的作用线附近，在闸墩颈部断面　外表面产生压应力集中，改善简单锚块式预应力闸　墩颈部断面在运行中出现的外表面压应力不足．中　部压应力富余的问题，可大大节省锚束用量。空腔　的长度　可根据弧门推力大小、预应力锚束的吨　位、数量以及施工工艺等来调整。　Ｐ一—１　Ｔ一　一一—．一一一一一—．—　一一一一一　一一一一一　一一一一Ｌ＋．—／一一一．，　　／　＞　闸墩Ｌ／／　‘一一一一一一一一一一一一一一…一一一一一…　　Ｉ一　／／：＼一　　一　一　，Ｊ———一　、　简支梁（固支梁）　图１空腔锚块　２预应力闸墩有限元分析　采用ＡＮＳＹＳ有限元软件对蒲石河抽水蓄能电站　下水库泄洪排沙闸预应力闸墩各种工况进行分析，　通过调整锚块和空腔尺寸、锚束位置和吨位模拟各　工况下闸墩各部位的应力，最终确定锚块和空腔尺　寸、锚束吨位。　考虑到主体结构为溢流堰体分缝，建立预应力　闸墩计算模型时沿横河向分别取１／２堰体，有限元　模型见２。闸墩和堰体结构单元采用空间８节点等　参单元。取堰体底面为固定端，堰体横河向侧面以　及下游侧面为法相约束，上游侧为自由面。为提高　预应力锚束的预　效果，需在锚块底部与闸墩接触　部位设置弹性垫层。锚块底部与闸墩采用隔离方式，　二者之间不传递拉应力。主、次锚柬张拉力均以集　中载荷的形式施加在模型的节点上，作用载荷中的　弧门推力、单侧过水压力是以分布载荷的形式施加　在闸墩侧面，不考虑动水压力。控制ｌＴ况荷载为：　结构自重＋单侧弧门推力＋主锚束张拉力（永存吨　位）＋次锚束张＝ｆｉ７＝力（永存吨位）＋侧向过水压力＋　温度载荷（温升、温降）＋上游水压力。施工期荷　载为：结构自重＋主锚束张拉力（张拉吨位）＋次锚　束张拉力（张拉吨位）。在蒲石河预应力混凝土闸墩　固　ｅｒ　Ｐｏ　ｅｒ　Ｖｏ１．３８　Ｎｏ．５　分析过程中，假定混凝土材料为线弹性，预应力锚　束按照集中力进行模拟。考虑到预应力锚束锚具有　垫板的作用，实际施加到锚块上的力是面荷载．根　据钢垫板的实际尺寸，将预应力均匀地施加到锚垫　板上；弧门推力按局部均布荷载施加在弧门支铰上。　图２有限元模型　经计算可知，闸门单侧挡水为控制闸墩颈部应　力工况，控制工况颈部拉应力极值为１．６３　ＭＰａ，受　拉侧平均拉应力０＿３１　ＭＰａ。施工期为锚块应力控制　工况，最大拉应力出现在空腔上、下游跨中部位，　上游最大最大拉应力２．６５　ＭＰａ，下游最大拉应力　２．８４　ＭＰａ。空腔上、下游根据有限元计算结果进行　配筋。预应力锚索施工完成后同填空腔。　根据计算确定的锚块和空腔尺寸、锚束吨位如　下：中墩厚４．０　１ＴＩ，锚块长５．０　ｍ，高５．０　ｃｍ，厚７．６　１ＴＩ，中墩空腔长４．８　ｍ，空腔距离锚块外表面１．４　ｍ，　上、下游方向宽度０．２　ｍ，空腔垂直锚块贯通布置；　边墩厚４．０　ｍ，锚块长５．０　１３３，高５．０　ＣＩＴＩ，厚５．８　ｌ＇／ｌ，　边墩空腔长３．３　ＩＴＩ，空腔距离锚块外表面１．４　１ＴＩ，上、　下游方向宽度０．２　１３３，空腔垂直锚块贯通布置。中墩　主锚索沿闸墩中心线对称位置，共ｌ８束（３００　ｔ级）；　水平次锚束布置３排，共１５束（２００　ｔ级）。边墩主　锚索只在靠近弧门侧布置８束（３００　ｔ级）；水平次　锚束布置１排，共５束（２００　ｔ级）。预应力闸墩采　用单侧张拉的后张法进行施Ｔ，预应儿锚索布置见　图３。　３模型试验　本Ｔ程物理力学模型比尺为ｌ：１０，采用钢筋混　凝土仿真模型．通过附加自重荷载的方式模拟结构　自重。主、次锚束均选用西５高强钢丝（１　８６０　ＭＰａ）　作为模型预应力筋，主锚束每边布置４束（其中每　束３根），共计２４根，每根张拉力为２３．４　ｋＮ，每束　张拉力为７０　ｋＮ：次锚束布置３排，每排３束，每　束２根，共计１８根，每束张拉力为３８．３　ｋＮ，每根　的张拉力为１９．１５　ｋＮ。侧向水荷载利用千斤顶分点　施加：弧门推力采用于斤顶结合传力梁施加于弧门　第３８卷第５期　韩韬，等：新型锚块在预应力闸墩设计中的研究与应用　卜　ｌｎ　０　＋主笪　次锚　÷　厂　Ｉ　Ｉ——●　．　；　一芒　一　＝—　．　＋　＋　：　：≥　。：　一　二—１　：一　｛＝——’　＝：　ｌ｛　＋　◆　●　：　：　锚　Ｉ　Ｌ目　　７６０　；　３　０　５－　　Ｉ／　１８０　６０Ｉ６０Ｉ　ｌ６０　１６０ｊ６ｏ　１８ｏ　榆修ｆ　Ｊ槽二　。　５５０　锚圃预目槽期　锚圃预目槽厂—　，　８｛哥　２ｉ２｝罄：犟　蠢竺　ｌ圭一中　；｝　　Ｂ　］　卜　三　ｏＶ　Ｍ。Ｍ　锚固体系Ａ　Ａ　三塑型　±／　囊’～、　图３预应力锚索布置　（　位：』　寸ｉｌｌｍ；高程ｍ）　ⅢＪ　Ｂ　支铰处。结构白重、预应力均通过千斤顶施加。模　型加载见图４。　锚比，改善结构应力条件，节省工程量。应用　ＡＮＳＹＳ有限元分析程序对预应力闸墩进行数字仿真　模拟．通过调整锚块及空腔尺寸、锚束位置及吨位　可以方便、快捷、准确地分析结构受力情况，判断　结构布置的合理性。在有限元分析基础上进行物理　力学模型试验．对重要部位进行应力检测，直观验　证数学模型计算结果的合理性，得出结构超载系数，　可为工程设计提供科学决策依据。　蒲石河抽水蓄能电站下水库泄洪排沙闸预应力　闸墩按设计施丁，并于２０１１年１月１３日下闸蓄水。　目前闸墩应力、主坝锚索应力均满足要求，结构运　图４模型加载简图　行　Ｅ常。　通过试验得　如下结论：闸门单侧挡水为控制　工况．关门侧颈部最大拉应力为１．９６　ＭＰａ．略大于　数学模型计算结果。最大应力值…现在闸墩颈部与　锚块相交的中部靠下部位，范　较小，拉应力ｆ）（范　（责任编辑焦雪梅）　大渡河安谷水电站正式开工建设　２０１２年３　２９日，由巾周水利水电建设股份有限公司　控股玎发的四川大渡河安谷水电站正式开工　安谷水电站项目于２０ｌ２年２月２４日获周家发展改革委　正式核准。工程位于四川Ｉ省乐山市沙湾区嘉农镇和市中区安　镇接壤的大渡河ｒ流上，是四ＪＩｆ大渡河最末一级水电开发　同与数学模型计算成果基本卡Ｈ同。＿存双门挡水１－况　和单侧弧门挡水丁况的作用下，锚块窄腔Ｌ、下游　拉应力最大值为１．９５　ＭＰａ，小丁数学模型计算结　果，且范　较小，经后期【ｎ］填二期混凝土，此处拉　应力可大大降低。模型试验结果与数学仿真模拟结　论基本一致，验证ｒ数学模型的正确Ｊｆ牛。超载破坏　项目。电站安装４台１９万ｋｗ和１台１．２万ｋＷ轴流转桨式　水轮发电机组，总装机容量７７－２万ｋＷ，年均发电量３１．４４　亿ｋＷ・ｈ。枢纽工程由挡水建筑物、泄水建筑物、河床式厂　房等建筑物组成，拦河坝为混凝土闸坝和混凝土堆石坝。丁　试验结果表明，蒲石河抽水蓄能电站ｌＦ水库泄洪排　沙闸预应力闸墩的超载能力为１．４９，说明蒲石河抽　水蓄能电站下水库泄洪排沙闸预应力闸墩满足结构　受力前提下具有一定的安全裕度，Ｉ　甲ｊ墩是安仝、可　靠的。　程静态总投资８２．０５亿元，动态总投资９６．９９亿元，工程设计　总工期５４个月。四川Ｉ水利水电勘测设计研究院、四ＪＩＩ省交通　４结语　厅交通勘察设引‘研究院承担设汁任务．中国水利水电第一　Ｔ＝程局、第ｊｉ工程局、第Ｌ　程局、基础工程局等单位承　ｌ担施Ｔ任务。电站投产以后．以２２０　ｋＶ一级电压接人四川Ｉ　蒲石河抽水蓄能电站实践表明．对１二弧门推力　较大的预应力闸墩．采用空腔锚块可以有效降低吨　电网系统。　（陆文温洪医王晓东）　Ｗ（１￣ｅ　ｒ　Ｐｏｕ　ｅｒ　Ｖｏ１．３８　Ｎ【）－５强阻