基于Abaqus某水閘預(yù)應(yīng)力閘墩及錨固洞空腔位置影響分析研究

葉建光

(江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223001)

水利工程常常需要用到水閘這類水工結(jié)構(gòu)工程，而閘墩結(jié)構(gòu)乃是水閘重要組成部分，研究閘墩安全穩(wěn)定性實質(zhì)上是評價水閘安全運營的重要方面[1-3]。目前，較多水利工程中閘墩主要采用預(yù)應(yīng)力錨索作為加固措施，增強結(jié)構(gòu)抗拉能力，而錨索與其附屬錨塊的設(shè)計參數(shù)差異會一定程度影響預(yù)應(yīng)力錨索加固效果，因而開展預(yù)應(yīng)力閘墩及錨固洞設(shè)計方案研究具有重要意義[4-5]。目前，一些水利工程師基于室內(nèi)水工模型試驗，研究了水閘以及其他類水工結(jié)構(gòu)在室內(nèi)模擬工程運營下的應(yīng)力變形特征，為實際工程設(shè)計提供試驗依據(jù)[6-8]。當(dāng)然，基于數(shù)值仿真手段，可研究不同工況下預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，亦可針對性對比不同設(shè)計方案下錨塊應(yīng)力特征，提升水工設(shè)計水平[9-11]。本文基于某水閘工程資料，利用有限元軟件計算研究預(yù)應(yīng)力閘墩及錨固洞空腔位置設(shè)計參數(shù)，為工程設(shè)計提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 工程概況

某水閘承擔(dān)著地區(qū)泄洪以及水資源調(diào)度任務(wù)，在橋面建設(shè)有交通橋，長度約有135.0 m，橋面總寬4.5 m，凈寬4.0 m。該水閘工程主要作為新沂河?？谒Y源調(diào)控，特別是在枯水期可為區(qū)域生活用水與工業(yè)用水供給水量，可提供水量超過200萬m3，另新沂河下游建設(shè)有泵站引水工程，乃為農(nóng)業(yè)灌區(qū)生產(chǎn)用水重要供給站，確保枯水季農(nóng)業(yè)用水項目缺水率不致過高。該深泓閘底板高程為695.0 m，寬度51.0 m，在水閘上游堰流段設(shè)置有導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)，閘室段總長度為42.0 m，采用多孔式水閘設(shè)計，單孔尺寸為14.0×8.0 m，每個閘孔均布設(shè)有縱向變形縫，防止結(jié)構(gòu)材料發(fā)生張拉破壞。通行水流調(diào)控設(shè)施為一平面弧型鋼閘門，直徑約為3.2 m，采用液壓式啟閉機作為控制設(shè)備，精確調(diào)度閘門開度，確保通行流量滿足下游農(nóng)業(yè)灌區(qū)內(nèi)輸水干渠要求，渠首流量設(shè)計為0.58 m3/s。引水閘承重結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力閘墩，墩厚4.0 m，邊緣閘墩采用重力式結(jié)構(gòu)，以預(yù)應(yīng)力錨索作為錨固結(jié)構(gòu)，上、下游共預(yù)設(shè)4排錨固洞，對稱布置，每個錨固洞可承受拉力2700 kN，另還設(shè)置有輔助錨索，三排間隔式分布在主錨固洞框架內(nèi)，可張拉噸位超過2000 kN。整個深泓閘閘墩及錨塊均以混凝土一體式澆筑形成，錨索結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。

圖1 錨索結(jié)構(gòu)平面布置圖(單位：mm)

1.2 研究方法

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查分析得知，工程場地為徐淮黃泛平原與蘇北濱海平原區(qū)交界處，表面覆蓋土層為第四系軟性填土層，厚度約為1.5 m，松散性較大，室內(nèi)土工試驗測定其變形模量參數(shù)高于常規(guī)填土層，承載力中等，農(nóng)業(yè)灌區(qū)內(nèi)輸水干渠可以該土層為持力層；下臥土層為重黏土質(zhì)淤泥，沉降變形較大，故而水閘閘室基礎(chǔ)采用灌注樁，減弱淤泥土層大變形沉降對工程安全穩(wěn)定性的危害，該土層含水量亦較高，灌注樁施工超挖土層均以素混凝土作為固結(jié)材料灌注入淤泥質(zhì)土層中，增強地基穩(wěn)定性?；鶐r層材料為弱風(fēng)化灰?guī)r，晶體顆粒粒徑超過4.0 mm，承載力較強，可作為大型工程承基層，現(xiàn)場取樣表明，基巖層基本無顯著夾層破碎帶，因而現(xiàn)場取出巖芯長度均較高，巖體表面磨圓度較好，中粗粒結(jié)構(gòu)受到上游河流沖刷影響，造成巖體內(nèi)部晶體顆粒一體化結(jié)構(gòu)較穩(wěn)固，靜水壓力下巖體滲透率低于10-18m2，部分預(yù)應(yīng)力錨索錨固洞布設(shè)即以淤泥質(zhì)土層與基巖層截面。本文利用仿真計算手段，研究深泓閘預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)及錨塊尺寸設(shè)計參數(shù)影響特性。

2 預(yù)應(yīng)力閘墩計算分析

2.1 模型建立與研究工況

基于工程地質(zhì)資料基礎(chǔ)，利用Abaqus建模軟件建立預(yù)應(yīng)力閘墩數(shù)值模型，而錨塊作為閘墩預(yù)應(yīng)力錨索的一部分重要結(jié)構(gòu)，在數(shù)值模型中與預(yù)應(yīng)力閘墩共用單元節(jié)點；另數(shù)值仿真計算坐標(biāo)體系中X、Y、Z正方向分別為順下游水流向、向上豎向、河道水流垂向右岸；所建立數(shù)值模型如圖2所示，劃分單元網(wǎng)格數(shù)共63 584個，節(jié)點數(shù)46 762個，單元網(wǎng)格質(zhì)量均在0.96以上，另在錨塊等特征部位網(wǎng)格劃分較密，圖3為深泓閘預(yù)應(yīng)力閘墩及其錨固設(shè)施結(jié)構(gòu)特征剖面所在位置。為準(zhǔn)確評價不同工況下閘墩與錨塊安全穩(wěn)定性，設(shè)計以水閘完建期(工況一)與蓄水期正常水位72.3 m(工況二)開展研究，分別研究預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力特征。

圖2 數(shù)值模型圖

圖3 預(yù)應(yīng)力閘墩及其錨固結(jié)構(gòu)特征剖面所在位置

2.2 預(yù)應(yīng)力閘墩計算結(jié)果分析

基于Abaqus仿真計算，獲得預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)各特征部分，包括有閘墩與錨塊部位的應(yīng)力特征，如圖4所示。從圖中可看出，閘墩在工況一中處于受壓主導(dǎo)作用，最大壓應(yīng)力達8.5 MPa，而在工況二中最大拉應(yīng)力為1.1 MPa；分析閘墩在工況一、工況二中應(yīng)力表現(xiàn)可知，完建期由于并不存在水壓力等外荷載影響，閘墩僅僅具有自身自重應(yīng)力，因而其主要為受壓;而在工況二中水流上揚壓力會平衡掉一部分壓應(yīng)力，因而實質(zhì)上最大壓應(yīng)力相比工況一降低了61.2%。從閘墩上拉、壓應(yīng)力所在剖面位置亦可印證，1-1、3-3剖面在工況一中均具有相等的最大壓應(yīng)力，而此兩剖面在工況二中均為相等的拉應(yīng)力，即閘墩拉、壓應(yīng)力在工況一、工況二中發(fā)生逆轉(zhuǎn)性態(tài)勢變化。閘墩拉、壓應(yīng)力受工況顯著影響的現(xiàn)象在錨塊下游面中亦是如此，其工況一中4-4特征剖面壓應(yīng)力最大，達11.0 MPa，而在工況二中，最大壓應(yīng)力亦是4-4剖面，但相比工況一降低了11.8%；錨塊下游面上的最大拉應(yīng)力在兩工況中亦是呈下降態(tài)勢，工況二最大拉應(yīng)力為2.1 MPa，相比工況一降低了43.2%。綜上分析表明，深泓閘的閘墩頂部拉、壓應(yīng)力變化關(guān)系受工況影響，變化態(tài)勢逆轉(zhuǎn)變化，而在錨塊中拉、壓應(yīng)力為一致性遞減現(xiàn)象。

圖4 閘墩與錨塊應(yīng)力特征

圖5為預(yù)應(yīng)力閘墩錨固洞四個不同特征部位面上的應(yīng)力特征變化曲線，從圖中可知，工況一、工況二最大拉應(yīng)力分別以洞頂、底面為最大，達4.8 MPa、5.5 MPa，除錨固洞頂面外，其他三個特征部位不論是最大拉應(yīng)力或是最大壓應(yīng)力，均以工況二中為最大，錨固洞底面工況一中最大拉應(yīng)力為4.6 MPa，而在工況二中增大了19.6%。對比錨固洞頂、底面以及上、下游面應(yīng)力特征可得出，工況一洞頂面最大拉應(yīng)力高于底面，而在工況二中底面高于頂面；上、下游面對比可知，上、下游面受力主導(dǎo)分別為壓應(yīng)力、拉應(yīng)力，其中上游面工況二中最大壓應(yīng)力達2.0 MPa，下游面上各特征剖面均為拉應(yīng)力，兩工況最大拉應(yīng)力分別為4.5 MPa、5.2 MPa；分析表明，在蓄水狀況下，錨固洞下游面以拉應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)作用，而洞頂面與底面均存在拉壓應(yīng)力，乃為拉、壓組合型影響。

圖5 預(yù)應(yīng)力閘墩錨固洞特征部位應(yīng)力變化

圖6為典型工況下特征部位應(yīng)力分布云圖，從圖中可知，工況一頂面邊緣區(qū)域兩側(cè)具有較大拉應(yīng)力分布，呈對稱式，最大拉應(yīng)力可達7.8 MPa；而在底面工況二中亦是具有對稱式拉應(yīng)力分布，壓應(yīng)力分布區(qū)域基本與頂面受壓相對應(yīng)；下游面大部分區(qū)域均為受拉，普遍拉應(yīng)力分布在1.5～3.0 MPa，最大拉應(yīng)力基本接近工況一頂面，達7.1 MPa。綜合應(yīng)力分布可知，預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力普遍較大，而兩工況中各特征部位的最大壓應(yīng)力基本均低于材料允許強度值，表明預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)受拉應(yīng)力集中破壞危險較大，預(yù)應(yīng)力錨索及錨固洞穩(wěn)定性亟需加固。

圖6 典型工況下特征部位應(yīng)力分布(單位：MPa)

3 閘墩錨塊位置參數(shù)研究

前述分析已知閘墩特征部位處拉應(yīng)力普遍偏高，因而本文考慮改善閘墩受力狀況，在錨塊內(nèi)布設(shè)空腔體型，減弱預(yù)應(yīng)力集中受力，降低錨塊較高的拉應(yīng)力水平；但另一方面由于錨塊空腔布設(shè)位置差異，其抑制錨塊應(yīng)力水平有所差異，故將針對錨塊空腔位置設(shè)計參數(shù)開展研究。限于篇幅，本文僅對窄孔形空腔所在位置開展研究，擬設(shè)置窄孔形空腔上游面與錨塊上游面距離分別為0 m(A方案)、0.5 m(B方案)、1.0 m(C方案)、1.85 m(D方案)、2.9 m(E方案)、4.0 m(F方案)，圖7中分別以數(shù)字1～6表示此6種研究方案空腔所在位置示意圖，圖8為錨塊空腔中各特征剖面位置示意圖。

圖7 錨塊空腔所在位置研究方案示意圖(單位：mm)

圖8 錨塊空腔中特征剖面位置示意圖

3.1 閘墩應(yīng)力特征

同預(yù)應(yīng)力閘墩計算一致，利用數(shù)值仿真軟件，獲得錨塊空腔布設(shè)位置差異下閘墩應(yīng)力特征及特征剖面上應(yīng)力表現(xiàn)，如圖9、圖10所示。從圖9整體應(yīng)力特征來看，當(dāng)錨塊空腔距上游面愈遠(yuǎn)，工況二下最大拉應(yīng)力呈增長態(tài)勢，空腔距上游面4.0 m處最大拉應(yīng)力為1.8 MPa，其相比距離0.5 m、1.0 m時分別增長了260%、125%，表明空腔距離上游面參數(shù)與閘墩最大拉應(yīng)力為正相關(guān)關(guān)系；但與此不同的是，工況一中各設(shè)計方案下均處于受壓狀態(tài)，并不存在拉應(yīng)力區(qū)域，且其最大壓應(yīng)力隨空腔與上游面距離參數(shù)增大而逐漸減少，工況一的F方案最大壓應(yīng)力為8.1 MPa，其相比B方案、C方案時分別降低了40.9%、34.1%，即空腔與上游面的距離參數(shù)與工況一中最大壓應(yīng)力為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖9 閘墩應(yīng)力特征

從圖10可知，工況一中各方案下各自的1-1剖面與3-3剖面應(yīng)力均為一致，均為該工況下的最大壓應(yīng)力，其中E方案中的兩特征剖面應(yīng)力為10.2 MPa；分析表明，工況一閘墩處于施工完建期，張拉預(yù)應(yīng)力還未鎖定，結(jié)構(gòu)處于受壓狀態(tài)，而閘墩截面為以2-2剖面的對稱式形態(tài)，1-1、3-3剖面應(yīng)力分布具有對稱平衡特性，同一方案中的兩剖面上壓應(yīng)力為恒等。而在工況二中，僅有1-1特征剖面處于受拉狀態(tài)，其拉應(yīng)力即為該工況下最大拉應(yīng)力，另兩個剖面均為受壓，且以3-3特征剖面壓應(yīng)力為最大，D方案中3-3特征剖面壓應(yīng)力為9.8 MPa，分析表明，工況二荷載下具有蓄水壓力，閘墩剖面位置愈低，則受到水壓力影響愈顯著，故而1-1剖面上拉應(yīng)力為主，而在剖面位置較高區(qū)域，蓄水位對其并未有影響，其仍以受壓為主，故而各方案中均以3-3剖面壓應(yīng)力為最大。

圖10 閘墩特征剖面上應(yīng)力表現(xiàn)

3.2 錨塊空腔應(yīng)力特征

錨塊內(nèi)布設(shè)空腔，則空腔應(yīng)力狀態(tài)對錨塊結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性具有較大影響，圖11為空腔各特征部位應(yīng)力結(jié)果。從圖中可看出，空腔各特征部位應(yīng)力均以工況一為最大，端部X向主要為壓應(yīng)力，其壓應(yīng)力仍以工況一為最高，而空腔上、下游面的Y、Z向均處于受拉，最大拉應(yīng)力亦以工況一為最大；空腔下游面Z向F方案工況二中最大拉應(yīng)力為4.7 MPa，而同方案工況一中相比前者增大了19.1%，在端部X向壓應(yīng)力中，D方案的工況一最大壓應(yīng)力是工況二的1.22倍。

圖11 空腔各特征部位應(yīng)力結(jié)果

圖12為上、下游面Z、Y方向特征剖面上應(yīng)力對比，從圖中可知上、下游面Z向中最大拉應(yīng)力均為4-4剖面，而6-6剖面均為受壓，在A～D方案中上、下游面Z向最大拉應(yīng)力基本相近，但在E、F方案中以下游面拉應(yīng)力較大。在上、下游面Y向中7-7、9-9剖面位置與前述1-1與3-3剖面位置類似，故而7-7、9-9剖面應(yīng)力相等，且均為受壓，僅8-8剖面為受拉。

圖12 空腔上、下游面Z、Y向應(yīng)力特征

4 結(jié) 論

針對某水閘預(yù)應(yīng)力閘墩及錨塊空腔位置參數(shù)開展分析，主要得到如下結(jié)論：

(1)研究了閘墩頂部工況一、二分別以受壓、受拉為主，錨塊中拉、壓應(yīng)力為一致性遞減，工況二、一最大拉應(yīng)力相差幅度達43.2%；除錨固洞頂面外，其他特征部位的最大拉、壓應(yīng)力均以工況二為最大，錨固洞底面工況二最大拉、壓應(yīng)力相對工況一分別增大了19.6%、114.3%。

(2)獲得了錨固洞典型部位應(yīng)力分布特征，工況一頂面與工況二底面兩側(cè)為對稱式拉應(yīng)力分布，下游面工況一拉應(yīng)力普遍分布在1.5～3.0 MPa，壓應(yīng)力均滿足結(jié)構(gòu)材料強度要求，但閘墩結(jié)構(gòu)受拉破壞危險較高，亟需加固閘墩及錨固洞。

(3)研究了錨固洞空腔布設(shè)方案下閘墩應(yīng)力特征，空腔距離上游面參數(shù)與閘墩最大拉應(yīng)力為正相關(guān)關(guān)系，但與最大壓應(yīng)力為負(fù)相關(guān)特征；工況二空腔1-1、3-3剖面分別為拉應(yīng)力主導(dǎo)、壓應(yīng)力主導(dǎo)分布。

(4)分析了空腔應(yīng)力特征，各特征部位拉、壓應(yīng)力均以工況一為最大，端部X向為受壓狀態(tài)，上、下游面Z向中最大拉應(yīng)力均為4-4剖面，空腔位置參數(shù)越大，則Z向最大拉應(yīng)力愈傾向于下游面。