固軍水庫工程初設階段泄洪表孔閘墩結構型式選擇

李楠

(四川水發(fā)勘測設計研究有限公司,成都,610072)

1 工程概況

固軍水庫位于四川省萬源市境內渠江流域州河支流中河中游,是《四川省渠江流域防洪規(guī)劃》中確定興建的大型防洪控制性水庫之一,也是國務院提出加快建設的172項節(jié)水供水重大水利工程之一。該工程的開發(fā)任務是以防洪為主,兼顧發(fā)電。水庫總庫容12719萬m3,為Ⅱ等大(2)型工程。水庫擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩,壩身設泄洪表孔與底孔各2個,表孔相鄰布置,底孔對稱布置于表孔兩側,建筑物級別為2級。表孔孔口中心線與壩段的橫縫重合,雙表孔分別位于4#、5#、6#壩段,進口中墩厚5m,邊墩與底孔共用。表孔孔口寬度14m,具體詳見圖1。

圖1 泄洪表孔上游立視示意

2 泄洪表孔閘墩結構型式擬定

固軍水庫泄洪表孔為2級建筑物,弧門支座總推力標準值為36000kN,表孔閘墩混凝土強度等級為C40,表孔閘墩可采用常規(guī)鋼筋混凝土結構和預應力混凝土結構兩種型式進行研究。

3 常規(guī)鋼筋混凝土結構閘墩

泄洪表孔閘墩采用常規(guī)鋼筋混凝土結構時,弧門支座尺寸如圖2所示。

圖2 弧門支座布置

根據擬定弧門支座體型,按照《水工混凝土結構設計規(guī)范》(SL 191-2008)第10.10.1條和10.10.3條要求,首先對擬定的弧門支座截面尺寸及支座附近閘墩的局部受拉區(qū)裂縫控制進行復核[1]。經復核后,對滿足上述要求的弧門支座進行配筋計算。

3.1 閘墩局部受拉鋼筋計算

閘墩局部受拉區(qū)的扇形受拉鋼筋截面面積應符合下列規(guī)定[1]:

(1)閘墩受兩側弧門支座推力作用時,應滿足:

(2)閘墩受一側弧門支座推力作用時,應滿足:

經過對中墩和邊墩分別計算,當扇形鋼筋選用φ32,相鄰鋼筋夾角為1.8°,中墩在推力方向±28.8°范圍內單側布設128根鋼筋,邊墩在推力方向±28.8°范圍內單側布設128根鋼筋時,扇形鋼筋抗力之和剛好大于弧形閘門支座推力設計值。

3.2 弧門支座縱向受力鋼筋計算

弧門支座縱向受力鋼筋截面面積采用下式計算[1]:

承受弧門支座推力所需的縱向受力鋼筋的配筋率不宜小于0.2%[1],即縱向受力鋼筋面積不小于31500mm2。

故綜合考慮選配鋼筋:40φ32,實際As=32164mm2,分兩排布置于弧門支座寬度b范圍內。

3.3 常規(guī)鋼筋混凝土結構閘墩計算結論

根據計算,弧門支座底寬3.5m,高(沿弧門推力方向)4.5m時,可滿足支座附近閘墩的局部受拉區(qū)裂縫控制、支座剪跨比、支座的裂縫控制及支座支承面上的局部受壓應力等要求[1]。但中、邊墩一側各所需扇形局部受拉鋼筋至少128根,對于3.5m寬支座,配筋量太大,根本無法布置。因此,常規(guī)鋼筋混凝土結構閘墩方案對于固軍水庫泄洪表孔不可行。

4 預應力混凝土閘墩

由于泄洪表孔弧門支座總推力超過25000kN,閘墩的受力太大,惡化了閘墩的應力狀況,受泄洪建筑物布置限制,閘墩厚度不可能設計過大,因此考慮采用預應力閘墩[2]。

根據《水工混凝土結構設計規(guī)范》(SL 191-2008)預應力混凝土結構理論,初步擬定預應力閘墩錨塊尺寸采用寬5m,高(沿推力方向)4.6m,選取單側10根3500kN錨索,拉錨系數為1.94,布置型式為:單側布置兩層預應力錨索,每層5根,各錨索間夾角為5°。通過驗算,閘墩頸部抗拉承載能力滿足要求。次錨索采用2000kN,共設置12根。有限元計算分析時按上述結構確定閘墩模型進行驗算。

4.1 計算參數

表1 混凝土材料參數

4.2 計算工況

各計算工況及荷載組合如表2所示。

表2 計算分析工況及荷載組合

4.3 有限元模型

預應力閘墩有限元模型如圖3所示。

圖3 預應力閘墩有限元模型

4.4 計算成果

(1)工況一:弧門無推力+預應力(超張拉)

圖4 主拉應力云圖

圖5 主壓應力云圖

(2)工況二:弧門兩側有推力+預應力

圖6 閘墩第一主應力云圖

圖7 閘墩第三主應力云圖

圖8 錨塊主拉應力云圖

圖9 支鉸作用面主拉應力云圖

(3)工況三:弧門一側有推力(右側)+預應力

圖10 主拉應力云圖

圖11 主壓應力云圖

圖12 錨塊主拉應力云圖

圖13 支鉸作用面主拉應力云圖

4.5 有限元計算結論

通過計算分析,各計算工況下,閘墩整體大部分表現為壓應力,僅錨塊、閘墩頸部及錨索上游錨固端周邊表現為拉應力。計算結果顯示,拉應力最大為2.18MPa,且擴散范圍較小,出現于閘墩受設計錨固力及一側弧門推力作用下工況,表明預應力閘墩錨塊結構及預應力錨索布置較為合適。閘墩表面局部拉應力區(qū)可采取配置一定量的普通鋼筋以滿足結構受力及抗裂等要求。其他集中力附近,結構邊緣、角落、結構突變等部位拉應力主要為應力集中現象,可配置局部受拉鋼筋。

各工況下,閘墩最大主壓應力為11.5MPa,未超過結構混凝土允許抗壓強度,表明預應力錨索設計張拉力是合適的。

綜上,擬定的錨塊結構型式及預應力錨索設計參數及布置合適,預應力閘墩方案可行。

5 泄洪表孔閘墩結構型式選擇

固軍水庫的工程任務以防洪為主,泄洪表孔單孔最大泄流量為2128m3/s,閘門設計擋水水頭為17.8m,孔口寬度為14m,弧門支座總推力標準值為36000kN。通過計算分析,常規(guī)鋼筋混凝土閘墩方案的中、邊墩一側各所需扇形局部受拉鋼筋至少為128根,對于3.5m寬支座,配筋量太大,方案不可行。

預應力表孔閘墩在各計算工況下,閘墩整體大部分表現為壓應力,僅在錨塊、閘墩頸部及錨索上游錨固端周邊表現為拉應力,且擴散范圍較小,可使用一定量的普通鋼筋解決。

目前,工程已通過水利部批復并開工建設,泄洪表孔采用預應力閘墩方案正確,可改善閘墩應力狀態(tài)、限制閘墩變形、降低工程造價,以保證工程安全運行。