趙家堡子水電站溢流壩中墩錨固豎井優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

預(yù)應(yīng)力閘墩屬于近年來在水利工程設(shè)計(jì)中使用比較廣泛的閘墩類型[1]。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，逐步成為預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究的重要方法，極大促進(jìn)了預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究的發(fā)展[2]。許多水利工程中的預(yù)應(yīng)力閘墩經(jīng)過不斷的優(yōu)化措施，性能獲得顯著提高[3-5]。但是，某些對(duì)拉錨固豎井預(yù)應(yīng)力閘墩在預(yù)應(yīng)力的作用下，錨固豎井的應(yīng)力較大，不利于泄水建筑物的整體安全[6]。因此，本文研究主要應(yīng)用ANSYS 三維有限元分析軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言 APDL 建立趙家堡子水電站溢流壩中墩錨固豎井參數(shù)化整體模型，對(duì)錨固豎井結(jié)構(gòu)特征尺寸進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到降低關(guān)鍵部位應(yīng)力值的目標(biāo)，為大壩設(shè)計(jì)施工提供必要的理論和技術(shù)支撐。

1 工程概況

趙家堡子水電站為遼寧省東部愛河水電梯級(jí)開發(fā)規(guī)劃的重要工程。壩址位于丹東鳳城市石城鎮(zhèn)境內(nèi)，距離鳳城市約35km，是一座以發(fā)電為主，兼具防洪和養(yǎng)殖等綜合功能的小型徑流式水電站。電站水庫庫容1550萬m3，工程等別為Ⅲ等，主要水工建筑物級(jí)別為3級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇。水電站工程主要由混凝土重力壩、溢流壩、引水系統(tǒng)和電站廠房構(gòu)成，裝機(jī)總?cè)萘繛?.68MW。電站的溢流壩段位于大壩左側(cè)，總寬度為64.5m，一共設(shè)有4孔泄水閘，包含2個(gè)中墩和2個(gè)邊墩，中墩和右側(cè)邊墩厚度為3m，左側(cè)邊墩采用懸臂式擋墻設(shè)計(jì)，其中中墩采用對(duì)拉式錨固豎井預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計(jì)。閘室設(shè)計(jì)為弧形工作閘門，頂寬1.5m，高程197.80m，溢流堰寬度為13m，堰頂高程177.50m，建基面高程164.50m。

2 錨固豎井結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型

2.1 幾何模型與參數(shù)

在建立中墩錨固豎井結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型之前，首先需要對(duì)錨固豎井的幾何結(jié)構(gòu)與主要參數(shù)進(jìn)行定義[7]。結(jié)合趙家堡子水電站的設(shè)計(jì)資料，畫出泄洪閘中墩錨固豎井幾何結(jié)構(gòu)與主要參數(shù)示意圖(見圖1)。圖中，h為錨固豎井的高度，b1為錨固豎井頂面寬度，b2為錨固豎井底面寬度，θ為下游面與豎直方向的夾角，φ1為下游折坡面與豎直方向的夾角，h1為下游折點(diǎn)與下游面的豎直距離。上述幾何參數(shù)中，有些參數(shù)為定值，有些參數(shù)為需要根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)確定的變量。本次研究中選取頂面寬度(bottom1)、底面寬度(bottom2)、下游面折坡寬度(bottom3)和下游面折坡高度(height)作為設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化建模。

圖1 錨固豎井幾何結(jié)構(gòu)與參數(shù)示意圖

2.2 有限元模型的建立

圖2 切割邊界示意圖

ANSYS軟件是一款由前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊組成，可以十分方便地進(jìn)行工程研究的有限元模型構(gòu)造，研究對(duì)象的分析計(jì)算和結(jié)果的呈現(xiàn)[8]。因此，本次研究選用ANSYS軟件進(jìn)行雙排樁結(jié)構(gòu)的有限元模型構(gòu)建。由于閘墩的錨固豎井的整體空間較小，對(duì)其他部分的應(yīng)力變形可以忽略不計(jì)，因此可以通過切割邊界的方式進(jìn)行建模區(qū)域確定[9]。鑒于豎井附近易發(fā)生應(yīng)力集中，因此切割邊界應(yīng)該遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)。但是，計(jì)算范圍選擇過大又容易造成單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)過多，不利于計(jì)算簡化。綜合上述，在閘墩整體幾何結(jié)構(gòu)上按照ABCB劃定的區(qū)域進(jìn)行切割(見圖2)，厚度取閘墩的厚度。對(duì)模型使用六面體八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元SOLID45進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸不超過0.5m，最終獲得21819個(gè)計(jì)算單元、8336個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)(見圖3)。

圖3 有限元模型示意圖

為了直接準(zhǔn)確獲得有限元模型的計(jì)算結(jié)果，研究中對(duì)邊界條件進(jìn)行合理化假設(shè)，其中底面的約束條件為固結(jié)，四周邊界采取法向約束，上游、下游和頂部按自由邊界處理[10]。根據(jù)電站的設(shè)計(jì)資料，研究中選取正常運(yùn)行工況進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，選取正常運(yùn)行工況和檢修工況進(jìn)行計(jì)算結(jié)果檢驗(yàn)。其中正常運(yùn)行工況下左右側(cè)弧形閘門為正常擋水，考慮到預(yù)應(yīng)力錨索的作用，預(yù)應(yīng)力應(yīng)該為永存噸位，大壩上游正常蓄水位為195.00m，下游正常尾水位為173.93m；檢修工況為左側(cè)檢修門擋水，右側(cè)弧門正常擋水，其他條件與正常運(yùn)行工況相同。計(jì)算過程中將正常運(yùn)行工況下的荷載組等效施加于計(jì)算模型。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法

本次結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的類型為尺寸優(yōu)化，將錨固豎井的關(guān)鍵部位尺寸作為設(shè)計(jì)變量，其初始值選擇工程初步設(shè)計(jì)中的參數(shù)值。其中，頂面寬度為2m，底面寬度為3m，下游面折坡寬度為1.5m，下游面折坡高度為1.5m。將關(guān)鍵部位的最大拉應(yīng)力值作為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化約束條件是錨固豎井的體積要符合工程經(jīng)驗(yàn)的容許范圍。由于錨固豎井的關(guān)鍵部位最大應(yīng)力值與設(shè)計(jì)變量之間并不存在比較明確的函數(shù)關(guān)系，因此選用ANSYS 軟件中的優(yōu)化模塊OPT和APDL語言進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算[11]，其主要步驟如下：對(duì)上節(jié)建立的三維有限元模型施加約束并求解，從結(jié)果中提取優(yōu)化參數(shù)，然后保存文件，通過lgwrite 生成優(yōu)化分析文件；進(jìn)入優(yōu)化處理器并讀入上一步保存的分析文件，然后對(duì)提取的參數(shù)變量進(jìn)行聲明并定義變量性質(zhì)，允許誤差設(shè)定為0.01；選擇適用性好、計(jì)算速度快的零階優(yōu)化方法，定義優(yōu)化迭代次數(shù)為30，當(dāng)出現(xiàn)7次不可行解時(shí)則認(rèn)為優(yōu)化過程發(fā)散。利用opexe命令執(zhí)行優(yōu)化，列出優(yōu)化序列，根據(jù)優(yōu)化序列結(jié)果，得到優(yōu)化參數(shù)組合。

3.2 優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

利用優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算流程，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，獲得優(yōu)化序列，并進(jìn)一步獲得豎井幾何參數(shù)優(yōu)化值(見表1)。

表1 錨固豎井設(shè)計(jì)變量優(yōu)化結(jié)果

4 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

圖4 正常運(yùn)行工況X向應(yīng)力云圖

圖5 檢修工況X向應(yīng)力云圖

圖6 正常運(yùn)行工況Y向應(yīng)力云圖

圖7 檢修工況Y向應(yīng)力云圖

圖8 正常運(yùn)行工況Z向應(yīng)力云圖

圖9 檢修工況Z向應(yīng)力云圖

利用上節(jié)獲得的優(yōu)化成果，對(duì)錨固豎井的有限元模型進(jìn)行圓整，然后再次打開ANSYS 軟件并清除原數(shù)據(jù)，輸入優(yōu)化前后的錨固豎井參數(shù)分別建立預(yù)應(yīng)力閘墩整體模型。在正常運(yùn)行和檢修工況下進(jìn)行荷載加載計(jì)算(優(yōu)化參數(shù)下的預(yù)應(yīng)力閘墩的應(yīng)力分布云圖見圖4～圖9)。優(yōu)化前后，計(jì)算錨固豎井結(jié)構(gòu)各向最大應(yīng)力(計(jì)算結(jié)果見表2)。由應(yīng)力云圖和計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于優(yōu)化后的錨固井結(jié)構(gòu)參數(shù)，閘墩的各向應(yīng)力最大值均有所減小。尤其是正常運(yùn)行工況下的Y向應(yīng)力和Z向應(yīng)力以及檢修工況下的Z向應(yīng)力減小最為明顯。在正常運(yùn)行工況下，優(yōu)化前的Y向應(yīng)力和Z向應(yīng)力最大值分別為4.64MPa和4.98MPa，優(yōu)化后分別為4.03MPa和3.75MPa，分別減小了13.15%和24.70%；在檢修工況下，優(yōu)化前的Z向應(yīng)力最大值為5.34MPa，優(yōu)化后為4.16MPa，減小了21.91%。總之，結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化對(duì)降低閘墩的整體應(yīng)力水平，特別是Z向應(yīng)力具有十分顯著的效果，建議在工程設(shè)計(jì)中采用。

表2 優(yōu)化前后錨固豎井各向最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

5 結(jié) 論

本文以趙家堡子水電站溢流壩段泄洪閘預(yù)應(yīng)力中墩為例，利用有限元建模分析的方法對(duì)閘墩錨固豎井的幾何參數(shù)展開優(yōu)化研究。結(jié)果表明：利用數(shù)值模擬計(jì)算方法獲得的最優(yōu)序列，其錨固豎井的頂面寬度、底面寬度、下游面折坡寬度和高度的優(yōu)化結(jié)果分別為1.928m、4.316m、1.039m和1.617m，圓整后的推薦結(jié)果分別為1.9m、4.3m、1.0m和1.6m。

檢驗(yàn)結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化對(duì)降低閘墩的整體應(yīng)力水平，特別是Z向應(yīng)力具有十分顯著的效果，建議在工程設(shè)計(jì)中采用。