浅谈砼重力坝表孔闸墩优化设计
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摘要：水工建筑物的设计中，主要中小设计院采用结构力学法和经验法进行设计。随着计算机系统的普及，越来越多的采用计算机系统分析计算的软件得以盛行。这些软件在减轻设计人员计算工作量，增加计算的准确性，特别是在设计方案的优化等方面起到了巨大作用，也使得设计人员对建筑物的应力有了较为直观的认识。本篇论文，主要讨论在实际工程项目中，运用相关设计手段，对闸墩的优化设计。
关键词：设计 优化 闸墩 表孔 重力坝
一、工程概况
A水电站位于X江干流二级支流下游，B城上游11km，坝址上游是山区，距河口C市147km，距D市约70km（直线距离）。A水电站由大坝及泄洪建筑物、电站、通航建筑物等组成。大坝为碾压混凝土重力坝，坝高76.5m；电站布置在右岸，为地下式厂房，安装5台单机容量为15MW的中型混流式水轮发电机组。
二、表孔闸墩结构设计
大坝设9个表孔，孔宽14m，堰顶高程268.5m，表孔采用孔中分缝，堰顶设平板检修门和弧形工作门。共设10个闸墩，闸墩厚5.5m。 弧门挡水按正常蓄水位293m设计，弧门总推力为43900kN，单铰推力为26000kN，与水平面夹角为约11°，弧门推力作用点至闸墩边缘距离为1.5m。弧门支承结构设计比较了钢筋混凝土方案和预应力混凝土方案。
（一）钢筋混凝土方案
1.结构布置：弧形闸门支承宽4.0m，高6.5m，悬出闸墩边墙2.8m，采用C35混凝土。据《水工混凝土结构设计规范》DL/T5057-1996中公式计算，需布置32Ф36的纵向受力钢筋，闸墩侧面需布置116Ф40的扇形钢筋。纵向受力钢筋和扇形钢筋均分两层布置。
2.有限元计算
（1）计算模型：计算模型取一个溢流坝段顶的闸墩，省略坝体部分，闸墩底部为固定约束，按三维有限元计算，计算模型见图1。
（2）计算工况：钢筋混凝土方案考虑正常蓄水位两侧弧门挡水和正常蓄水位一侧弧门挡水+一侧检修门挡水两种工况。
（3）成果分析：两种工况下表孔闸墩根部基本为压应力或零应力区，其应力分布情况见图2（A=0，C=0.94MPa，E=1.88MPa，G=2.82MPa，I=3.76MPa，K=4.71MPa，M=5.54MPa，
O=5.59MPa）。
两种工况下弧门支承根部顺坝轴线向拉应力分布情况基本相同。其中工况2拉应力极值较大，达到5.9MPa，而工况1拉应力范围相对较大，总拉应力大，见图3（A=0，B=1MPa，C=2MPa，D=3MPa，E=4MPa，F=5MPa，G=6MPa，H=7MPa，I=8MPa）；经计算，须配30Φ36的纵
向受拉钢筋。
两种工况下闸墩在弧门支承部位第一主应力分布情况见图4～7，由图中可看出闸墩在弧门支承范围内全断面受拉。工况2时闸墩在弧门支承根部主拉应力较大，达到8.24MPa，而工况1闸墩拉应力对称分布，在弧门推力中心平面上全断面主拉应力均大于0.5MPa，其弧门支承范围内拉应力较大，须配131Φ36的扇形钢筋。
因弧门支铰推力以顺水流向为主，闸墩在弧门支承部位垂直向拉应力基本未超过0.5MPa，该区域铅直向钢筋可按构造配筋。
（二）预应力方案
70年代葛洲坝成功运用预应力锚块闸墩，其技术优势逐步得到行业内认可，因此优化对比方案采用预应力锚块。
1.结构布置
弧门支承结构预应力锚块高6m，长10.5m（边墩长7.5m），宽5.5m，悬出闸墩二侧各2.5米，为改善闸墩与锚块联接部位的应力状态，在锚块上游面底部各布置一小牛腿，尺寸为2.5m×1.5m×1.0m。选用3000kN级的后张预应力锚束。
锚束造型采用7φ5预应力钢绞线，其极限强度Rby=1860MPa。锚束张拉控制应力采用张拉控制应力采用σk=0.69Rby ，超张拉控制应力σk'=1.05σk，考虑预应力损失10%，永存应力σ=0.9σk。
主锚束每束由19-7φ5预应力钢绞线组成，次锚束每束由12-7φ5预应力钢绞线组成。主、次锚束每束相应的张拉吨位，见表1。结合国内外工程经验，锚束布置选用平行布置方式。
锚束数量布置，中墩布置主锚束30束，边墩布置20束。中墩预应力总吨位91260kN，拉锚系数1.93；边墩预应力总吨位60840kN，拉锚系数2.57。为使锚块保持较好应力状态，在锚块内布置纵向水平次锚束，中墩、边墩均为12束。
主锚束在闸墩竖直面内分五层，以弧门推力作用平面为中间层，以4°扩散角向上游呈放射状长短相间布置。据规范要求，长锚束取30m，短锚束取25m，中墩每层布置6束，两侧对称各布置3束，共计30束；边墩每层布置4束，共计20束。
次锚束布置在锚块竖直面内分4层，每层布置3束，其中2束布置在锚块上游部位，另外1束布置在锚块下游部位，共计12束，预应力总吨位23052kN。
2.预应力闸墩支座计算
（1）计算模型及边界条件：预应力计算模型取一个溢流坝段顶闸墩，省略坝体部分，闸墩底部为固定约束，按三维有限元计算， 扇形预应力锚索作用按集中力方式施加（见图8）。
（2）计算工况：预应力闸墩有限元计算考虑正常蓄水位两侧弧门挡水和正常蓄水位一侧弧门挡水+一侧检修门挡水两种工况。
（3）分析：据三维有限元计算结果，表孔闸墩根部位应力基本为压应力区或零应力区。
与钢筋混凝土闸墩计算结果相比，预应力闸墩支座根部第一主拉应力范围减小明显（见图9～14），钢筋混凝土闸墩支座根部4m范围内全部为3.5MPa以上的高拉应力区，预应力闸墩支座根部仅在3m范围内为0.5MPa以上的高拉应力区，同时闸墩部分在弧门推力中心平面上全断面5.5m范围内最大第一主拉应力大于的区域仅有1.8m，有效地降低闸墩支座部位应力值和高应力区域。
据三维有限元计算结果，在工况2情况下弧门支承范围内扇形钢筋配筋最大，除预应力锚索外，须配22Φ36钢筋作为其扇形钢筋，与常规钢筋混凝土方案配筋为116Φ40扇形钢筋结果相比，钢筋量减少，利于闸墩配筋布置。
支座根部顺坝轴线向的拉应力值在工况2情况下较大，但均小于5MPa，每米范围内须配6Φ32Ⅱ级钢作为其受拉钢筋，利于弧门支承结构配筋布置。
因弧门支铰推力以顺水流向为主，弧门支座垂直向拉应力较小，基本未超过0.5MPa，
弧门支座部位可按构造配筋即可，因此不必增加竖向预应力锚索。
三、结语
钢筋混凝土闸墩支座方案在工期和工程造价等方面好于预应力锚块方案，缺点是弧门支座部位的全断面第一主应力大于0.5MPa，其钢筋布置较多，混凝土浇筑质量不易保证，且在裂缝控制和运行安全可靠等方面不如预应力锚块方案。同时，国内外类似工程基本都采用预应力支座方案，可见预应力闸墩支座更优于钢筋混凝土闸墩支座。