基于三维非线性有限元分析的某水电站预应力闸墩锚索布置方案

何小敏，汪李艳，张 浩，刘 鹏

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司, 西安 710065)

1 工程概述

某水电站总库容14.7亿m3，总装机容量1 200 MW，为Ⅰ等大(1)型工程。电站设计洪水重现期为1 000年，校核洪水采用PMF，相应洪峰流量分别为6 790 m3/s和10 000 m3/s。溢洪道共布置3孔，由引渠段、堰闸段、泄槽及挑流鼻坎等组成。

堰闸段沿中孔中心线分缝，分为2个中边墩坝段。溢洪道孔口尺寸为15.0 m×17.5 m(宽×高)，每孔布置1扇平板检修门及1扇弧形工作门，中墩及边墩厚度均为4 m，为改善弧门支撑结构的应力条件，闸墩按预应力结构设计[1]。右边墩锚索布置如图1～2所示，原设计主锚索共11根，其中外侧7根(A1～A7)，内侧4根(B1～B4)；主锚索设计吨位3 000 kN，锁定吨位3 550 kN，超张拉吨位3 850 kN。次锚索位于锚块上，靠近上游布置2排，每排4层，共8根；次锚索设计吨位1 500 kN，锁定吨位1 850 kN，超张拉吨位2 090 kN。

图1 溢洪道右边墩主锚索立面布置图

图2 溢洪道右边墩主锚索点位图 单位：cm

由于施工过程造成的偏差，右边墩锚块底部预应力锚索中心距底部仅18 cm，为保证溢洪道安全运行，拟对右边墩锚索布置进行调整，具体调整方案见表1。结合ADINA软件[2]，对不同方案进行三维应力分析，最终确定锚索布置方案。

2 基本假定及边界条件

2.1 模型边界条件

建立预应力闸墩模型时，横河向按结构缝分界，采用左边孔整孔+中孔半孔进行模拟。

结合泄洪闸工程[3]三维有限元分析经验，地基深度取2倍闸高、上下游地基长度取1倍闸高时，闸室应力应变响应趋于稳定，故本工程地基深度取堰闸段高度2倍，上下游基础长度分别取堰闸段顺水流长度的1倍，左右边界与闸室宽度相同。模型底部视为全约束，堰体横河向侧面为法向约束，上游面以及下游面为自由面。

为了模拟溢流堰体、闸墩、弧门支撑锚块和预应力锚索耦合作用下的闸墩结构整体复杂受力和变形特征，单元剖分中，将锚块以及颈部单元进行细化。为了使计算规模得到有效控制，提高计算效率，在锚块以外，向上游、下游方向和闸墩底部方向逐渐放大单元尺寸[4-5]。

表1 锚索布置方案表

2.2 基本假定

预应力混凝土闸墩分析过程中，不考虑钢筋和混凝土的应力重分布。采用3D-SOLID单元模拟混凝土[6]、地基结构，其中混凝土按线弹性材料模拟，地基按摩尔-库伦材料本构模拟；采用CONTACT单元[2]模拟混凝土与地基、闸墩与锚块间的联结。

分析过程中假定：① 小位移、小应变受力模式；② 地基按无质量地基考虑[7]；③ 锚固洞二期回填混凝土，为设计保守起见，不考虑其对结构完整性的有利影响，回填混凝土自重按荷载形式施加于锚固洞底部；④ 弧门推力直接作用于锚块支铰，模型中不考虑弧门结构的响应[3]；⑤ 预应力锚索采用等效荷载法[2]进行模拟，通过施加在锚垫板上的均布荷载实现对锚索预应力的模拟；⑥ 水体按荷载施加，模型中不考虑水体单元[8-10]。

3 研究成果及分析

结合本工程的特性，选取最不利工况--正常蓄水、工作门开启瞬间工况，进行闸室三维有限元分析。鉴于闸墩混凝土已浇筑至锚块底部高程，造成右边墩预应力锚索无法按设计吨位张拉，考虑局部承压的问题，底部2根主锚索(A7、B4锚索)按50%设计吨位张拉；以此为基础，形成3个方案，详见表1。应力应变分析过程中，以右边墩为主要研究对象。

3.1 位移分析成果

预应力闸墩在正常蓄水、工作门开启瞬间工况下，各方案右边墩顶部及锚块位移见表2。

表2 各方案右边墩顶部及锚块位移表

注：相对施工完建工况，边墩最大值。

由表2可知：① 锚块竖向位移(Z向)受锚索布置方案影响较大，其中方案3最小；② 受侧向水压力及弧门推力作用，顺水流向(X向)及横河向(Y向)位移较大，其中方案3相对位移较小；③ 不同方案边墩顶部位移相差不大，说明不同锚索调整方案对右边墩整体刚度影响较小。

3.2 应力分析结果

3.2.1 压应力分析结果

正常蓄水、工作门开启瞬间工况下，对各方案进行了三维应力应变分析，典型部位的压应力分析结果见表3及图3。

表3 各方案典型部位压应力表(最大值) /MPa

由上述分析可知，各典型部位压应力值均小于混凝土允许压应力；不同方案对锚固洞压应力分布有较大影响，同一部位压应力最大差值达到38%。

图3 各方案典型部位压应力图

3.2.2 拉应力分析结果

典型部位的拉应力分析结果见表4及图4。

表4 各方案典型部位拉应力表(最大值) /MPa

图4 锚块下游面拉应力图

由上述分析可知：① 由于锚索布置方案的变化，导致锚固洞及锚固洞下游壁面拉应力分布有所变化，拉应力值受临近锚索预应力影响较大；其中方案3锚固洞拉应力最大值为2.21 MPa，主要是由应力集中等原因造成；② 方案3的闸墩颈部拉应力最小，最大值为1.21 MPa，需采取一定配筋措施；方案1(施工现状)颈部拉应力最大，最大值为1.63 MPa，增加幅度为35%；③ 案2与方案3的锚块底滑移缝拉应力方相差较小，拉应力最大值分别为1.10 MPa和1.25 MPa；④ 方案2与方案3的锚块下游面及锚块预留扁孔处拉应力相差较小，均小于结构允许的安全范围。

4 结 语

(1) 综合各方案位移、应力分析结果，确定方案3为锚索调整推荐方案：主锚索采用单侧双排布置，外侧8层，内侧4层，右边墩预应力主锚索总计12根；外侧上部7根及内侧上部3根主锚索设计吨位3 000 kN；考虑到局部承压的问题，外侧底部1根及内侧底部1根主锚索设计吨位1 500 kN。

(2) 不同锚索布置方案边墩顶部位移相差不大，说明不同锚索调整方案对右边墩整体刚度影响较小。

(3) 右边墩预应力锚索调整后，闸墩锚固洞、锚块、闸墩颈部等关键部位应力整体处于安全范围内，局部应力较大处，通过配筋措施可到达安全运行的要求。

(4) 受锚索预应力影响，锚固洞、锚块等部分压应力分布受锚索布置位置影响较大，今后在类似工程设计过程中，应注意锚索间距的合理设计。