基于斜拉桥与支墩坝结构的预应力锚索斜拉坝模型构建.pdf

水电站设计 第 卷第 期年 月修回日期：作者简介：颉建军（），甘肃陇西人，本科，高级工程师，从事水利水电工程设计施工技术及总承包项目管理工作。基于斜拉桥与支墩坝结构的预应力锚索斜拉坝模型构建颉建军（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 ）摘要：在斜拉桥和支墩坝结构的基础上，构建了一种新的“预应力锚索斜拉坝”坝型。该坝型由布置在坝面上游侧的三角形混凝土锚碇墩、预应力斜拉锚索和混凝土挡水坝体组合而成，通过预应力斜拉锚索，预先对挡水坝体施加应力，形成地基、锚碇墩和预应力锚索对挡水坝体的锚拉作用，水库蓄水后依靠挡水坝体与锚碇墩、预应力锚索系统共同作用来维持坝体稳定，并改善坝体的应力状态。该坝型具有工程量省、受力比支墩坝更为合理、能够充分利用材料工程特性等优点，是建设 级高坝很有竞争力的一种坝型，具有良好的发展远景。关键词：预应力锚索；斜拉桥；支墩坝；斜拉坝；结构模型中图分类号：文献标志码：文章编号：（）前言随着我国水利水电建设事业的发展，在大江大河上游修建具有多年调节功能的大型水库已经成为必然。但是，对于坝高达到 级的高坝大库来说，现有的土石坝（包括面板堆石坝）和混凝土重力坝具有体型大、工程量巨大、工程建设工期长以及投资巨大等缺点，混凝土拱坝虽然具有工程量相对较省的优势，但却对地形地质条件要求较高，许多坝址条件难以满足其建设要求，且拱坝对混凝土的温控要求高，施工工艺相对复杂。因此，构建具有对坝址条件适应性强、坝体体型简单、工程量相对较小、施工工艺相对单一、建设速度较快的新坝型就成为了一项非常有意义的工作，这也是当前高坝建设的迫切需要。传统的挡水大坝设计都是在库水前构建挡水建筑物形成水库大坝，已建成的大坝无论是体型较为庞大的土石坝、重力坝（包括填渣坝、宽缝重力坝、空腹重力坝），还是体型相对消瘦的拱坝、支墩坝（包括连拱坝、大头坝），其坝型都是采取依靠自身重力或在坝后（或利用坝肩山体）构建支撑体系来承担库水压力以防止其向后倾覆，没有出现过在坝前（即水库内）修建设施通过拉住挡水坝体来防止大坝向后倾覆的结构形式。受斜拉桥（）结构形式的启发，结合预应力锚索的应用，在支墩坝（）坝体结构的基础上，提出了一种新的“预应 力 锚 索 斜 拉 坝”（）大坝结构模型。该大坝结构通过布置在挡水坝体上游侧（即水库内）并与挡水坝体和坝体下游侧预应力锚墩连接成整体的三角形混凝土锚碇墩、布置在锚碇墩内，并锚固在其岩石地基中的预应力斜拉锚索和与锚碇墩连接成整体的混凝土挡水面板上，通过预应力斜拉锚索预先对挡水坝体施加应力，形成地基、锚碇墩和预应力锚索对挡水坝体的锚拉作用，水库蓄水后依靠挡水坝体与锚碇墩、预应力斜拉锚索系统共同作用，以承担水荷载维持坝体稳定。通过斜拉锚索对坝体施加预应力，有利于改善坝体的应力状态，并能充分发挥锚索与锚碇墩、坝体混凝土材料的工程性能，充分体现现代大坝依照功能分区和材料性能进行优化设计的新理念。预应力锚索斜拉坝结构模型构建 模型构建基础斜拉桥 又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁。斜拉桥是一种自锚式体系，斜拉索的水平力由梁承受，梁除了支承在墩台上，还支承在由塔柱引出的斜拉索上。斜拉桥的设计巧妙利用了结构对受力情况的改变，由斜拉索把桥面和主梁的竖向荷载转变成向上的拉力，并通过拉索传递到索塔上。斜拉桥作为一种由主梁、斜拉索和索塔组合起来的拉索结构体系，比梁式桥的跨越能力更大，是大跨度桥梁的最主要桥型，自 年斜拉桥问世以来，其技术得到了空前的发展与应用。斜拉桥也是我国大跨度桥梁最流行的桥型之一。支墩坝 是由一系列独立的三角形支墩和由支墩支撑的向上游倾斜的挡水面板组成的坝型，支墩顺坝轴线方向排列，通过挡水面板阻断河谷并形成挡水面，库水压力由挡水面板传向支墩，再由支墩传给地基，其工作原理是利用水重和坝体自重在坝基面产生摩擦力来抵抗水平水压力而维持坝体稳定。支墩坝的特点是能够充分利用材料强度、工程量较小，能最大限度地减小扬压力。支墩坝根据挡水面板的型式分为平板坝、连拱坝和大头坝三种，根据支墩结构型式又可分为单支墩和双支墩两种类型。目前，世界上已建成的最高平板坝为阿根廷的艾斯卡巴坝（），坝高 ；最高大头坝为巴西巴拉圭的伊泰普大坝（），坝高 ，主坝长 ，为双支墩结构；最高连拱坝为加拿大的丹尼尔约翰逊大坝（），坝高 ，长 。预应力锚索 是指采取预应力方法把锚索锚固在岩体内部的索状支架，用于加固边坡。锚索靠锚头通过岩体软弱结构面的孔锚入岩体内，把滑体与稳固岩层联在一起，通过对锚索主动加载从而改变边坡岩体的应力状态，提高边坡不稳定岩体的整体性和强度。预应力锚索斜拉坝结构模型 坝体结构体系根据现代大坝设计“宜构适材、宜材适构”的筑坝理念，按照“功能分开、量材设形、因材施构”的原则构建大坝坝体结构。预应力锚索斜拉坝由锚固拉力系统和挡水系统两大体系构成。锚固拉力系统由三角形钢筋混凝土双锚碇墩和穿过其内部并锚固于锚碇墩基础岩体内的钢绞线预应力斜拉锚索组成，其作用是联结挡水坝体，为挡水面板提供支撑并对坝体提供拉力。挡水系统由混凝土挡水面板组成，挡水面板与混凝土锚碇墩联结成整体，其作用是抵挡库水并承受水荷载。根据挡水面板的形状，分为重力式挡水面板和拱式挡水面板两种。重力式挡水面板的剖面形式参照重力坝剖面设计；拱式挡水面板的迎水面为拱形或圆拱形，剖面形式参照薄拱坝的剖面进行设计。坝体结构体系如图 所示。图 预应力锚索斜拉坝坝体结构体系预应力锚索斜拉坝由一系列沿坝轴线布置的“”型受力单元构成，每一个“”型单元为一个独立的受力系统，也是一个独立的坝段，多个这样的坝段沿坝轴线从左至右依次排列，即构成整个挡水大坝。每个坝段均由两个三角形的钢筋混凝土锚碇墩（即：双锚墩）以及布置于锚碇墩内并锚固于锚碇墩基础岩体中的钢绞线预应力斜拉锚索和上游面直立的重力式或拱式挡水面板组成，挡水面板与锚碇墩是一个一体化的整体性结构，不设置结构分缝。沿锚碇墩坝后坡中心线自上而下布置的预应力斜拉锚索，形成了类似斜拉桥斜拉索的索状支架，通过预应力锚索群的拉结作用来给大坝提供拉力。坝体受力特性直立的重力式或拱式挡水面板用来抵挡库水，库水压力由挡水面板承担，并通过挡水面板传递给面板基础和面板两侧端头的锚碇墩和钢绞线预应力斜拉锚索，通过钢绞线预应力斜拉锚索和锚碇墩的拉锚作用力以及锚碇墩与基础面、挡水面板、基础面之间的摩擦力来维持大坝稳定。通过预应力斜拉锚索施加给挡水坝体的预应力，蓄水后可以抵抗一部分的水压力，同时起到改善挡水坝体应力状态的效果。坝体受力传递过程如图 所示。图 预应力锚索斜拉坝坝体受力传递过程 坝体结构模型按照挡水面板的结构不同，预应力锚索斜拉坝可分为双锚墩重力式和双锚墩拱式两种。（）双锚墩重力式预应力锚索斜拉坝该坝型的典型构造如图 所示。坝体断面设计遵循现行最新的 混凝土重力坝设计规范（），初步断面拟定时的相关参数选取如下：坝高 坝高的确定按设计规范中推荐的计算方法进行计算。图 重力式预应力锚索斜拉坝结构简示意重力式混凝土面板取面板顶宽 。坝顶宽度 取值：当坝顶有交通要求时，取 ；坝顶无车辆交通要求时，取面板顶宽值 。取面板底宽（）（为坝高），面板上游坡度为 （直立），取面板下游坡坡比 ，面板跨度 （视地形地质条件和坝体受力情况选取），面板高度即为坝高 ，混凝土面板原则上不配筋。钢筋混凝土锚碇墩锚碇墩顶部高程即为坝顶高程，锚碇墩顶部宽度亦即坝顶宽度，锚碇墩高度与面板高度一致（即坝高 ），锚碇墩底部长度为坝底宽度，取锚碇墩上游侧的面坡坡比 ，下游侧的面坡坡比 （或取 ），取面板垫座宽度 ，锚碇墩厚度按照支墩坝支墩厚度确定方法进行计算。锚碇墩是大坝抗滑和支撑的主要结构，墙体内部布置有预应力锚索，且为高薄墙体，因此需要进行配筋设计。为了增强锚碇墩的抗滑能力，可在锚碇墩脚趾处设置抗滑齿墙，以增强其抗滑稳定性。坝体防渗止水体系坝基防渗与排水体系：在坝基部位设置灌浆排水廊道，用于进行坝基帷幕灌浆施工和坝基排水，坝基防渗采用基础帷幕灌浆方式，坝基排水采用在灌浆帷幕后钻排水孔引排的方式。大坝横缝防渗止水体系：为防止大坝坝段之间的横向分缝漏水渗水，采用止水、防渗和排水相结合的方式进行防水设计。第一道为“”型铜片止水，第二道为沥青井防渗，第三道为橡胶止水，这三道设施用于堵住渗漏水，在橡胶止水后再设置排水孔，用于将通过防渗、止水设施后的渗漏水引排至坝基灌浆排水廊道内后再集中排出。钢绞线预应力斜拉锚索每个坝段均为对称结构、对称荷载，预应力斜拉锚索设计依据面板传递给锚碇墩的推力进行，锚索的数量和布置方式取决于锚碇墩承受的推力和锚索的设计吨位，其锚固端的锚固长度根据锚索的受力情况以及基础岩体的工程地质条件确定。通常情况下，一般的重力坝剖面坝顶宽度为（）（为坝高），坝底宽度为（），上游坝坡为 ，下游坝坡为 ，与之相比较，预应力锚索斜拉坝坝体工程量大大减少。坝体初步断面拟定完成后，进行坝体受力分析及坝体结构计算，在此基础上根据坝体受力特性、结构性能和坝体材料性能以及大坝的运行特点进一步进行优化设计，选定大坝的最终剖面形式。（）双锚墩拱式预应力锚索斜拉坝该坝型的典型构造如图 所示。该坝型坝体初步断面拟定时，坝高 、坝段长度 以及坝体防渗止水体系、钢绞线预应力斜拉锚索的设计原则与重力式预应力锚索斜拉坝相同，不同之处在于面板和混凝土锚碇墩设计参数的选取。图 拱式预应力锚索斜拉坝结构示意拱式混凝土面板取拱形面板顶宽 ，坝顶宽度 可取面板顶宽值 ，为了施工便利，也可选取 ，面板底宽 值按拱坝厚高比选取（其中：薄拱坝厚高比 ，中厚拱坝 ，重力拱坝 ），根据坝基工程地质条件，可取（）（为坝高）。面板上游坡度为（直立），面板下游坡为一弧形曲线，平均坝坡 ，取面板跨度 （视地形地质条件和坝体受力情况选取），面板高度即为坝高 。面板的拱形曲线可以选用圆弧形曲线、椭圆形曲线或抛物线形曲线。除拱肩部位的面板垫座需要配筋外，拱形混凝土面板原则上不进行配筋。钢筋混凝土锚碇墩取锚碇墩上游侧的面坡坡比仍然选取 ，下游侧的面坡坡比选取 （取值与拱形面板下游侧坝面平均坡度相同）。锚碇墩其余参数选取与重力式预应力锚索斜拉坝相同。与重力式预应力锚索斜拉坝相比，拱式预应力锚索斜拉坝面板的受力性能更好，面板厚度可以进一步减薄，锚碇墩下游坝坡可以进一步放陡，坝底宽度可以进一步缩短，面板的跨度也可以进一步增大。在节省工程量和改善坝体受力性能方面更具优势。其缺点是施工时，坝体异形模板较多，体形控制难度增大。前景与展望（）适应于修建混凝土重力坝、支墩坝的地形地质条件，均可以修建预应力锚索斜拉坝。（）预应力锚索斜拉坝适用于在宽阔河床中构建 以上高坝。与相同坝高的重力坝相比，预应力锚索斜拉坝能够极大地减少坝基扬压力，坝体混凝土工程量节省约 ，材料强度得到了极大利用。与同等坝高规模的拱坝相比，预应力锚索斜拉坝的坝体应力水平较低，建设和运行条件更为宽松，施工速度更快。（）坝体体型结构简单，不设置坝体纵缝，除坝体底部存在少部分大体积混凝土外，绝大多数部位不存在大体积混凝土施工的温控问题，免去了传统重力坝、拱坝施工的混凝土温控措施和坝体接缝灌浆等工序，具有工程量节省，施工速度较快、工程造价低的优势。（）在不适宜修建拱坝的坝址处，预应力锚索斜拉坝是构建 级高坝的理想坝型，比混凝土面板堆石坝、心墙堆石坝以及胶结砂砾石坝（或胶结堆石坝）在构建同等规模坝高的大坝方面更具有优势。待深入研究问题及解决方案设想（）超高超薄型锚碇墩的侧向稳定问题钢筋混凝土锚碇墩属于超高超薄型墙体结构，其自身存在侧向稳定问题，在高坝中这一问题就表现得比较突出。为解决这一问题，高坝可以采用重力式结构的锚碇墩墙体，也可以每隔一定间距在锚碇墩侧面设置扶壁式翼墙用来增强其稳定性。（）超长钢绞线预应力锚索的施工问题预应力锚索斜拉坝的钢绞线预应力锚索绝大多数为超长索体结构，如果采用常规的锚索施工方法，在锚碇墩和坝体混凝土浇筑完成后（在锚碇墩混凝土浇筑时可以采用预埋波纹管的方法进行锚碇墩墙体内的锚索成孔）再进行锚固端造孔、穿索、张拉施工，超长锚索的锚固端钻孔以及锚索下索会涉及到高空作业问题，且需要比较大的施工作业平台，因而施工较困难，工期也难于保证。因此，可以采用在锚碇墩混凝土浇筑前，首先在基础面上进行锚索的锚固端钻孔、下锚索和灌浆作业，待锚索锚固端施工完成后再进行锚碇墩混凝土浇筑。在锚碇墩墙体混凝土浇筑过程中，锚索可以套上橡胶或塑料保护套，并套上金属波纹管进行成孔，然后通过支架预安装到设计位置。锚碇墩浇筑完成后，锚索预应力施加和锚头封堵可以设计移动式的专用施工台车形成作业平台，自坝顶向坝基（自上而下）依次进行施工作业。（）预应力斜拉锚索的长期有效性问题大坝在长期运行下，预应力锚索存在预应力损失问题，对大坝的安全稳定存在一定影响。这一问题可以通过对预应力锚索采取超张措施进行解决，也可以通过设计锚索受力监测设施，通过自动化监测及时获取锚索的运行状态，对大坝安全及时进行评估，或有意识地多布置一定数量的备用锚索予以补偿。（）预应力锚索斜拉坝的泄洪问题预应力锚索斜拉坝属于单薄轻巧的坝型，不适宜进行开孔泄洪。为了解决预应力锚索斜拉坝的泄洪问题，可以在河床部位设计专门的溢流坝段进行泄洪，也可以采用在两岸坝肩山体内修建泄洪洞或在坝肩修建溢洪道。（）预应力锚索斜拉坝对高寒、强震区的适应性问题预应力锚索斜拉坝对高寒、强震区能否适应，是这种坝型能否在高寒地区和地质条件复杂的强震区构筑高坝的关键问题。因此，对预应力锚索斜拉坝抵御恶劣气候条件和其是否具有优越抗震性能的研究十分重要。这一问题可通过相关试验研究予以明确。结语在斜拉桥、支墩坝和预应力锚索结构设计的基础上，改变传统的支墩坝设计依靠作用于坝面水压力、坝体重力和坝后支墩结构来维持坝体稳定的设计思路，创新性地提出了在挡水坝体前设置钢筋混凝土锚碇墩，利用穿过锚碇墩并且锚固在锚碇墩岩石地基中的钢绞线预应力斜拉锚索，对挡水坝体施加预应力，形成对挡水坝体在上游方向的锚拉作用，依靠其提供的锚拉力、锚碇墩和挡水坝体重力以及其与地基的摩擦力来维持大坝稳定的设计思路。以此设计思路为基础，提出了“预应力锚索斜拉坝”新坝型结构。该坝型是真正意义上的预应力大坝结构，具有工程量省、能够充分发挥建筑材料的工程特性等优点，真正体现了“宜构适材、宜材适构”的现代大坝新型设计筑坝理念，做到了“量材设形、因材施构”。该坝型是构建 级混凝土坝具有竞争力的优势坝型，本文对这一坝型仅仅提出了建坝理念和思路，但尚未建立完整的理论体系，建议从设计理论、结构受力特性、结构优化设计、抗震性能以及施工技术等方面对这一坝型开展大力研究，并通过模型试验进行验证，力争早日付诸于工程实践，服务于我国的国民经济建设需要。（下转第 页）图 工艺流程简图二维出图 结语本文基于达索公司 三维设计平台，利用 编程语言开发了砂石工艺流程计算系统，实现砂石工艺流程计算智能化，包括砂石加工系统的设备选型、工艺流程计算、导出主要设备表、自动生成 工艺流程图等功能；并支持用户对不同工艺流程的定制，一键计算并分析生成工艺流程简图，支持预览修改，实现工艺流程计算、出图一体化，取得了较好的应用效果。本系统具备一定先进性和指导性，可供同行业参考。后期将进一步研究本系统与砂石加工系统三维 正向设计之间的结合，改变传统砂石加工系统设计方式，实现工艺流程智能化计算砂石加工系统三维 设计二维出图的设计流程，提高设计效率和质量。参考文献：刘建远 国外几个矿物加工流程模拟软件述评 国外金属矿选矿，（）：杜轩，周俊尧，付廷伍 砂石料生产工艺计算机辅助设计方法研究及应用 人民长江，（）：，张晨晨 基于 的工程项目信息生态系统研究 徐州：中国矿业大学，（编辑：惠方方檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲）（上接第 页）参考文献：中华人民共和国交通运输部 公路斜拉桥设计规范：北京：人民交通出版社，林继镛，王光纶 水工建筑物（第 版）北京：中国水利水电出版社，中华人民共和国自然资源部 滑坡防治设计规范：北京：中国标准出版社，贾金生，马锋玲，李新宇，等 胶凝砂砾石坝材料特性研究及工程应用 水利学报，（）：中华人民共和国水利部 混凝土重力坝设计规范：北京：中国水利水电出版社，（编辑：惠方方檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲）（上接第 页）曹文贵，翟友成，张永杰 新奥法隧道施工风险非线性模糊评判方法 土木工程学报，（）：吴贤国，丁保军，张立茂，等 基于贝叶斯网络的地铁施工风险管理研究 中国安全科学学报，（）：，（）：刘保国，沈铭龙，马强 模糊网络分析法在公路山岭隧道施工风险分析中的应用 岩石力学与工程学报，（增 ）：宁瑶瑶，李龙 基于非可加测度 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