防洪樞紐工程水閘預應力閘墩錨塊空腔設計分析

才登巴

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

水閘安全穩(wěn)定性運營有助于提升水資源調度能力，為地區(qū)水資源高效利用提供重要基礎動力[1- 2]。閘墩是水閘重要結構組成部分，研究閘墩安全受力狀態(tài)，亦是水閘安全設計的重要子方面，目前預應力閘墩在水閘承重結構中應用較廣泛，而改善該結構應力狀態(tài)的重要舉措即是設置有錨塊體，提升閘墩穩(wěn)定性[3- 4]。已有較多學者或水利工程師基于水工模型試驗，研究了水閘以及溢洪道等水利工程中預應力結構錨塊的應力特性，為水工設計提供了重要試驗依據(jù)[5- 7]。根據(jù)長期運營監(jiān)測，研究水工結構中閘墩或錨索的應力變形狀態(tài)，為評價結構安全穩(wěn)定性提供重要參考[8- 10]。數(shù)值計算可研究較復雜工況，因而，采用數(shù)值仿真計算，研究預應力閘墩錨塊設置空腔下應力變化，及不同空腔設計方案下閘墩應力變化，為提升實際工程設計水平提供重要作用[11- 13]。本文將以此計算理論為基礎，開展預應力閘墩錨塊空腔設計分析，研究對閘墩穩(wěn)定性最佳的空腔體型設計方案。

1 工程概況

某防洪樞紐工程上游蓄水庫總庫容超過200萬m3，面向區(qū)域內農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市生活用水，該樞紐工程在水平規(guī)劃年可幫助降低缺水率6.2%，可謂是地區(qū)內重要水利設施。防洪樞紐工程中，通行流量采用水閘調控，其結構底板高程為695m，閘室寬度為51m，設計為多孔式閘門，每孔寬度為8m，設置有檢修閘門啟閉系統(tǒng)，堰頂設置有交通橋與工作橋，均寬為4m，其中工作橋采用混凝土T梁結構。水閘兩側建設有導墻結構，減弱水流對水利工程沖擊磨損效應，導墻厚度最厚處為0.85m，結構層以鋼筋混凝土一體式澆筑形成，面層材料為M15抹灰砂漿，底部設置有縱向變形縫，減弱混凝土漲裂效應；輸水干渠通道借助導墻側引流，確保渠首流量精確控制在0.65m3/s。設計預應力閘墩為承重結構，每個排墩厚度均為4.2m，邊墩設置為重力式混凝土擋墻墩，增強排墩整體承載力，閘墩結構材料為C30混凝土；所有閘墩主錨索與錨固洞連接，而下游段設計以錨塊的形式布設在排墩兩側，錨塊對稱式分布，每根預應力錨索張拉鎖定荷載為2050kN，閘墩立面布置和錨固洞平面如圖1所示。

圖1 閘墩立面布置和錨固洞平面

根據(jù)現(xiàn)場工程地質調查分析得知，工程場地表面覆蓋土層為第四系軟性填土層，厚度約為1.5m，松散型較大，室內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)內輸水干渠以該土層為持力層；下臥土層為重粘土質淤泥，沉降變形較大，局部夾有壤土與砂壤土，故而本工程中閘室基礎采用灌注樁，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材料灌注入淤泥質土層中，增強地基穩(wěn)定性。基巖層材料為弱風化灰?guī)r，晶體顆粒粒徑超過4mm，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，中粗粒結構受到上游河流沖刷影響，造成巖體內部晶體顆粒一體化結構較穩(wěn)固，靜水壓力下巖體滲透率低于10- 18m2，部分預應力錨索錨固洞布設即以淤泥質土層與基巖層截面。本文將利用仿真計算手段，研究水閘預應力閘墩結構應力狀態(tài)及錨塊尺寸設計參數(shù)影響特性。

2 閘墩錨塊空腔橢圓體型研究

基于上述工程地質資料基礎，利用建模軟件獲得預應力閘墩數(shù)值模型，而錨塊作為閘墩預應力錨索的一部分重要結構，其材料為C40混凝土，在數(shù)值模型中與預應力閘墩共用單元節(jié)點，錨塊與閘墩連接方式初步設計為整體式節(jié)點連接[14]；另數(shù)值仿真計算坐標體系中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63584個，節(jié)點數(shù)46762個，單元網(wǎng)格質量均在0.96以上，另在錨塊等特征部位網(wǎng)格劃分較密，圖2為水閘預應力閘墩及其錨固設施結構特征剖面所在位置。為準確評價不同工況下閘墩與錨塊安全穩(wěn)定性，設計以水閘完建期(工況一)與上游水位72.3m蓄水期(工況二)開展研究，分別研究預應力閘墩錨塊空腔體應力特征，本文所有拉、壓應力參數(shù)均以正、負號區(qū)分。

圖2 數(shù)值模型

3 空腔橢圓體型設計參數(shù)研究

本文在前人研究基礎上考慮以橢圓形截面作為錨塊空腔體型，但由于截面不同體型參數(shù)均會對錨塊應力特征影響，因而，本文考慮對橢圓形空腔體型設計參數(shù)開展研究分析，其中截面橢圓體型分為長、短軸設計參數(shù)，分別對這2個參數(shù)開展對比計算。

3.1 空腔體型長軸設計參數(shù)

為研究空腔體型長軸參數(shù)，本文設計橢圓形空腔長軸設計方案分別為2m(A方案)、2.5m(B方案)、3m(C方案)、3.5m(D方案)4種方案，空腔上游面距離錨塊的位置參數(shù)統(tǒng)一均設定為1.85m，各典型長軸設計方案數(shù)值模型如圖3所示，閘墩、錨塊以及空腔截面上特征剖面如圖4所示。

圖3 各典型長軸設計方案數(shù)值模型

圖4 特征剖面位置示意圖

基于仿真計算獲得各長軸設計方案下預應力閘墩應力特征，如圖5所示。從圖中可看出，工況一中閘墩主要以受壓為主導作用，且最大壓應力與截面體型長軸參數(shù)為正相關，A方案最大壓應力為9.8MPa，而在C、D方案中分別相對前者增長了12.2%、20.4%；工況二中閘墩最大壓應力亦是如此，但工況二中出現(xiàn)有拉應力，且均分布在1- 1特征剖面上，最大拉應力與截面體型長軸參數(shù)為負相關變化。分析表明，工況二外荷載具有水壓力，一定程度上會影響結構受彎特性，且1- 1剖面處于閘墩底部，直接受到上揚壓力影響，故而在1- 1剖面中產(chǎn)生拉應力，而2- 2、3- 3剖面中仍然處于無水狀態(tài)，以受壓為主。對比工況一、二可知，工況二中最大壓應力雖相比工況一有所降低，但局部剖面上出現(xiàn)有拉應力，長軸B方案中工況二最大壓應力相比工況一減少了16.3%，圖6為2種工況C方案閘墩應力分布對比，圖中應力分布亦可知，工況一中結構上大部分分布有壓應力，而工況二中拉應力分布較多，量值約為0.3～0.7MPa。從特征剖面應力表現(xiàn)可知，工況一中1- 1、3- 3特征剖面壓應力為一致，兩者為對稱式分布，B方案中1- 1、3- 3特征剖面壓應力均保持為10.4MPa。從長軸設計參數(shù)與閘墩應力可知，長軸參數(shù)應盡量保持適中，可抑制應力集中現(xiàn)象，增強閘墩穩(wěn)定性。

圖5 各長軸設計方案下預應力閘墩應力特征

圖6 C方案閘墩應力分布對比

圖7為各方案空腔上、下游表面在z向上應力特征。從圖中z向應力結果可看出，不論是上游面亦或是下游面，或者說不論是工況一還是工況二，空腔截面z向最大拉應力均與長軸設計參數(shù)為正相關變化，A方案工況一中空腔上游面最大拉應力為2.7MPa，而在同等情況D方案中相比前者增大了25.9%；對比工況一與工況二應力表現(xiàn)可知，空腔z向上最大拉應力以工況一為最高，B方案中工況二下游面最大拉應力為2.1MPa，而工況一下相比增長了38.1%；圖8為2種工況C方案空腔上游面應力分布對比，兩者應力分布形態(tài)具有相似性，僅是應力范圍內量值差異。對比空腔Z向特征剖面上應力結果可知，6- 6剖面上均為壓應力，而4- 4、5- 5剖面上均為拉應力，2種工況均如此；由于6- 6剖面處于結構截面下側，依據(jù)材料力學彎曲理論知，該截面為下拉上壓型受力方式。

圖9為空腔端部x向應力特征，該方向上應力均為壓應力，最大壓應力亦是與長軸設計參數(shù)為正相關，D方案工況一最大壓應力是A方案的1.4倍；同一方案下工況二最大壓應力低于工況一，C方案中工況二最大壓應力僅為工況一的84%。從特征剖面應力可知，2種工況4- 4—6- 6剖面上壓應力遞減，且同一剖面上壓應力以工況一為大，B方案工況一中5- 5、6- 6剖面相比4- 4剖面分別降低了49%、83%。

圖10為空腔y向上、下游表面應力與長軸設計參數(shù)關系曲線。從圖中可知，y向上最大壓應力表現(xiàn)與閘墩上具有一致性，但空腔y向在2種工況中均會產(chǎn)生拉應力，其中以工況一中拉應力較大，B方案空腔下游面上工況一最大拉應力為工況二的1.33倍。對比上、下游表面應力可知，隨長軸設計參數(shù)變化，兩者并無顯著一致性規(guī)律。從特征剖面可知，7- 7、9- 9剖面關系與閘墩上1- 1、3- 3剖面關系具有相似性，2個剖面上壓應力均一致，但與閘墩中間2- 2剖面仍為壓應力不同的是，空腔y向的中間8- 8剖面上均為拉應力。

3.2 空腔體型短軸設計參數(shù)

為研究空腔體型短軸設計參數(shù)，同上，設計不同短軸參數(shù)方案，分別為0.4m(a方案)、0.6m(b方案)、0.8m(c方案)、1m(d方案)，長軸均統(tǒng)一設定為3m，典型橢圓短軸設計方案示意圖如圖11所示。

圖7 空腔上、下游表面在z向上應力特征(長軸參數(shù)方案)

圖8 C方案空腔上游面應力分布對比

圖9 空腔端部x向應力特征(長軸參數(shù)方案)

限于篇幅，本文僅對錨塊空腔上、下游表面的x、y、z三個方向應力開展分析，圖12為空腔z向應力特征。從圖12可以看出，上游表面最大拉應力與空腔橢圓短軸設計參數(shù)為負相關變化，但下游表面最大拉應力各工況下基本接近，均為3MPa左右。與前述一致，短軸設計參數(shù)研究方案中，工況一最大拉應力總高于工況二，D方案中空腔下游表面工況二最大拉應力相比工況一降低了32.1%。各特征剖面中，4- 4、5- 5特征剖面在2種工況中均為拉應力，而6- 6特征剖面均為壓應力，2種工況壓應力均維持在04～0.6MPa。從圖13空腔上、下游面Z向應力分布可看出，2種工況上、下游面應力分布具有對稱性，最大拉應力分布集中在空腔周圍。

圖14為空腔端部x向應力特征，從圖中可知，端部x向均為受壓主導，C方案最大壓應力乃是4個方案中最大值，在工況一、二下分別為15.3、11.8MPa；從特征剖面應力來看，其變化趨勢與圖9一致，4- 4—6- 6剖面應力遞減。圖15為空腔y向應力變化，從圖15中可發(fā)現(xiàn)，7- 7、9- 9特征剖面均為受壓，而8- 8剖面均為受拉，且2種工況中最大拉應力的最小值為C方案，分別為0.7、0.6MPa，D方案工況一中最大拉應力為前者的1.3倍。

圖10 空腔上、下游表面在y向上應力特征(長軸參數(shù)方案)

圖11 各典型短軸設計方案數(shù)值模型

綜上對比4個短軸參數(shù)設計方案可知，A方案的上游面z向拉應力最大值為3.5MPa；且D方案最大拉應力亦達3.1MPa，為該方案的下游面z向。B、C方案中空腔z向最大拉應力相比有所降低，壓應力分布較穩(wěn)定，本文認為橢圓形空腔截面短軸設計參數(shù)取長軸參數(shù)的20%～30%為最佳。

4 結論

(1)閘墩最大壓應力與長軸參數(shù)為正相關，但最大拉應力與之為負相關變化，閘墩工況二最大壓應力低于工況一。

(2)空腔截面z向最大拉應力、x向最大壓應力均與長軸設計參數(shù)為正相關，工況一應力水平為最高；空腔Y向特征剖面受力形式與閘墩剖面有所相似。

(3)z向上游表面最大拉應力與短軸設計參數(shù)為負相關，下游表面最大拉應力均為3MPa左右；2種工況中最大壓應力的最大值、最大拉應力的最小值均為短軸參數(shù)0.8m方案。

(4)空腔橢圓體型最佳設計方案應滿足長軸參數(shù)適中，短軸取長軸參數(shù)的20%～30%，減少應力集中現(xiàn)象，提升閘墩穩(wěn)定性。

圖12 空腔上、下游表面在y向上應力特征(長軸參數(shù)方案)

圖13 空腔上、下游面z向應力分布

圖14 空腔端部x向應力特征(短軸參數(shù)方案)

圖15 空腔上、下游表面在y向上應力特征(短軸參數(shù)方案)