基于ANSYS的某水閘除險(xiǎn)加固穩(wěn)定性分析研究

葛萬明，蔣曉君，尤維鋒

（1.無錫市水利設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 無錫 214023；2.無錫市太湖閘站工程管理處，江蘇 無錫 214023；3.洛社鎮(zhèn)水利農(nóng)機(jī)服務(wù)站，江蘇 無錫 214023）

1 引言

當(dāng)前我國部分地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展日益繁榮，水資源需求旺盛，造成部分運(yùn)營周期較長、設(shè)計(jì)時(shí)間較久遠(yuǎn)的水利樞紐工程出現(xiàn)運(yùn)營癱瘓，各種病險(xiǎn)現(xiàn)象出現(xiàn)，極大影響了水資源調(diào)度[1,2]。針對病險(xiǎn)水閘開展除險(xiǎn)加固，提升水利樞紐工程運(yùn)營效率，擺在許多水利工程師面前，已有較多相關(guān)學(xué)者或工程師已開展過病險(xiǎn)水閘等水利工程的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)、危害排查、安全評價(jià)等內(nèi)容[3-6]。利用數(shù)值計(jì)算手段，評估水閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)安全穩(wěn)定性，相比是較為關(guān)鍵的研究課題，本文將根據(jù)某病險(xiǎn)水閘的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，依據(jù)數(shù)值建模計(jì)算分析手段，分析評價(jià)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案在病險(xiǎn)水閘中的適用性與科學(xué)性，提升我國對病險(xiǎn)水閘的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)水平。

2 工程概況

某市A水閘樞紐工程為集農(nóng)田灌溉、城市供民業(yè)用水、防洪等多種作用，調(diào)控城市內(nèi)水位，保證河道水位處于安全警戒狀態(tài)內(nèi)，選址位于牙河與虎河匯流處下游12 km，在閘室上、下游分別建有機(jī)架橋與公路橋，滿足通航與汽車行駛要求。根據(jù)原設(shè)計(jì)方案，該水閘順?biāo)鞣较蚩傞L為147.2 m，設(shè)計(jì)控制流量為1 200 m3/s，采用筏型基礎(chǔ)，基礎(chǔ)墩厚達(dá)0.8 m，共有4孔聯(lián)排調(diào)水，每個(gè)孔室寬度為6.4 m，水閘底板采用鋼筋混凝土澆筑，平面形態(tài)為多拐點(diǎn)折線，每段高程均控制在-3.652 m，每段底板凈長為6.2 m。在水閘上游建有4%坡度的護(hù)底及7.5 m長的防沖槽，抵抗水流沖刷力，在底板下游建有15 m長消力池，上下游邊坡架設(shè)4段翼墻，上、下游分別為直立型與圓弧型翼墻。根據(jù)地質(zhì)勘察表明，閘室地基為第四系全新統(tǒng)堆積土層，厚度達(dá)21 m，從上至下主要包括淤泥質(zhì)土層（厚4.2 m）、弱透水性粉質(zhì)粘土（厚6.2 m）、中密結(jié)構(gòu)粉砂土（厚5.2 m）、黃色黏土（厚2.2 m）、全風(fēng)化砂土（厚3.1 m）。地下水來源為河流地下水與大氣降水，根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測表明地下水質(zhì)中含有Na、K等堿性元素，對底板混凝土具有一定侵蝕作用。

該水閘樞紐工程由于建設(shè)時(shí)間比較久遠(yuǎn)，運(yùn)營周期較長，已經(jīng)出現(xiàn)部分閘室坡面混凝土表皮脫落，沉降變形較大，達(dá)到1.12 m，已超出安全使用規(guī)范內(nèi)了。閘室頂面公路橋橫梁各處均出現(xiàn)一定大小的裂縫，超過35 cm長裂縫有70條，底板部分區(qū)域混凝土鋼筋出露，受銹蝕較嚴(yán)重，閘室建筑物受損較嚴(yán)重，兩側(cè)翼墻同樣出現(xiàn)較多空隙，夾雜泥沙層較多，威脅墻體穩(wěn)定性。以上出現(xiàn)的種種水閘危險(xiǎn)信號，均表明對該水利工程進(jìn)行除險(xiǎn)加固很有必要。

3 水閘除險(xiǎn)加固方案設(shè)計(jì)

筆者將簡要介紹該病險(xiǎn)水閘在閘室底板、翼墻等建筑除險(xiǎn)加固研究方案。閘室加固方案采用拆除全部閘墩，保留閘室底板，以原底板地基為建設(shè)基礎(chǔ)，灌注混凝土砂漿，強(qiáng)化地基承載力，使原閘底板高程達(dá)到-3.178 m，重新修筑閘墩，閘墩厚度控制在1.2 m，保證閘室安全穩(wěn)定性，原底板的存在一方面可以減少混凝土澆筑成本，另一方面在澆筑時(shí)起到防護(hù)底板突涌作用。

由于不拆除原底板，需要重新修筑底板結(jié)構(gòu)形式，采用1.5孔1聯(lián)，設(shè)計(jì)寬度達(dá)到16.8 m，配筋量達(dá)到成本最優(yōu)化，沉降變形控制較好，故而底板結(jié)構(gòu)為1.5孔1聯(lián)。

上游翼墻全部拆除，但保留翼墻混凝土底板，并對翼墻底板地基高壓注漿，增強(qiáng)地基承載力，重新設(shè)計(jì)上游翼墻，翼墻高度設(shè)計(jì)為8.35 m，材料選用C30混凝土。下游翼墻亦是拆除原砂漿墻體，保留底板，重新修筑翼墻，保證翼墻高程達(dá)5.485 m，且各翼墻區(qū)段內(nèi)改為3段，墻頂平臺設(shè)置砂漿砌石，保證當(dāng)下游調(diào)控水位500 m3/s～1 100 m3/s流量時(shí)，下游河道水位不會漫過翼墻頂。上下游翼墻均采用重力式翼墻對稱式分布設(shè)置，轉(zhuǎn)角均為90°。

4 基于ANSYS下除險(xiǎn)加固方案復(fù)核分析

為確保該病危水閘除險(xiǎn)加固方案科學(xué)合理，需對設(shè)計(jì)方案開展進(jìn)一步復(fù)核分析，依據(jù)設(shè)計(jì)方案，利用ANSYS數(shù)值建模計(jì)算，研究水閘的滲流、翼墻及閘室應(yīng)力三個(gè)方面穩(wěn)定性。

4.1 滲流穩(wěn)定性校核分析

水閘等水利工程滲流穩(wěn)定性很大程度取決于閘室底板滲透壓承受能力，故而筆者以閘室底板原型參數(shù)建立數(shù)值模型（圖1），該模型中包括了下覆基底土層與上覆混凝土結(jié)構(gòu)。

圖1 閘室底板數(shù)值模型

以底板正、反向擋水兩種工況開展分析，當(dāng)?shù)装逭驌跛畷r(shí)，閘室上下游水位分別為3.523 m、0.925 m；當(dāng)?shù)装宸聪驌跛畷r(shí)，閘室上下游水位分別為-2.476 m、1.525 m。圖2為兩種工況下底板滲透壓力云圖。從圖2可看出，不論是正向擋水亦或是反向擋水，滲透壓力最大值區(qū)域總集中在直接接觸水流的方向上，另一方面，正向擋水下閘室底板滲透壓力最大值為80.6 kPa，反向擋水工況下最大滲透壓力僅有前者的75%，且從兩個(gè)工況下各自的最小滲透壓力來看，正向擋水工況下滲透壓力整體高于反向擋水。以A～F特征點(diǎn)分別計(jì)算滲透坡度，在正向擋水工況下，閘室上游A～B滲透坡度為0.043 3，閘室區(qū)段C～D滲透坡度為0.031 5，閘室下游E～F滲透坡度為0.045 7，由此可見，閘室雖承擔(dān)水位調(diào)控，但其滲透坡度低于上下游滲透坡度。相比正向擋水工況下，反向擋水滲透坡度顯著增大，A～B、C～D、E～F三個(gè)區(qū)段內(nèi)滲透坡度分別為0.067 1、0.046 2、0.066 5。依據(jù)文獻(xiàn)[7]知，閘室滲透坡降允許值為0.15～0.25，表明兩種工況下閘室滲流穩(wěn)定性均處于安全運(yùn)營范圍。

圖2 底板滲透壓力云圖

4.2 翼墻穩(wěn)定性校核分析

閘室翼墻包括上、下游翼墻，筆者將以多種荷載工況條件下分別計(jì)算上、下游翼墻基底壓力，進(jìn)而評價(jià)翼墻除險(xiǎn)加固后穩(wěn)定性。

根據(jù)水閘所處地質(zhì)環(huán)境與工程效益，所采用的多種荷載工況如表1所示，根據(jù)地基承載力與基底壓力計(jì)算公式（式1～3），計(jì)算出各個(gè)工況下底板基底壓力Pc及抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc（表2）[8]。

表1 多種荷載工況參數(shù)表

表2 基底壓力Pc抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc計(jì)算結(jié)果表

式中，f、φ0表示摩擦系數(shù)，取0.3；ΣH表示閘室底板水平向載荷，kN；C0表示土體粘聚力，kPa。

式中，J表示地基承載力，kPa；[J]表示標(biāo)準(zhǔn)承載力，kPa；mB、mD表示承載力修正系數(shù)，m；γs、γP表示土容重，kN/m3；B、D表示基礎(chǔ)尺寸，m。

從表2計(jì)算結(jié)果可知，所有荷載組合工況條件下基底壓力與抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范[7]要求；對比不同荷載工況，翼墻前后水位差恒定條件下（ΔH不變），隨著前后水位增長，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)亦在增長，基底壓力最大值增長，基底壓力最小值減小。筆者認(rèn)為，水閘上游翼墻加固后，在初始狀態(tài)下內(nèi)部應(yīng)力會局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致基底壓力出現(xiàn)隨著水位增長而持續(xù)增長現(xiàn)象。耦合地震動因素工況下（荷載組合7與8），相比未考慮地震動荷載組合下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均減小了30.4%、17.1%，表明地震荷載會削弱上游翼墻抗滑穩(wěn)定性。

表3～4為下游翼墻荷載工況組合與計(jì)算結(jié)果。從計(jì)算結(jié)果可知，下游翼墻各工況中最大基底壓力為255.61 kPa；聯(lián)系荷載組合與上覆填土可知，隨著上覆填土愈厚，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)愈大，基底壓力愈小，此意味著上覆填土能加強(qiáng)下游翼墻穩(wěn)定安全性能；相比上游翼墻，同等荷載工況下，下游翼墻基底壓力高43.6%，表明下游翼墻設(shè)計(jì)時(shí)地基灌漿孔設(shè)計(jì)應(yīng)更均勻，增強(qiáng)地基承載力。

表3 下游翼墻荷載工況組合

表4 下游翼墻計(jì)算結(jié)果

4.3 閘室應(yīng)力分析

閘室穩(wěn)定性主要考慮閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，筆者結(jié)合數(shù)值模擬手段與工程實(shí)際參數(shù)，計(jì)算分析閘室地應(yīng)力與整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力，評價(jià)除險(xiǎn)加固方案的合理性。

根據(jù)閘室所處工況，以閘室初始應(yīng)力為0計(jì)算，在確保地基地應(yīng)力處于平衡條件下，即沉降值低于10-5時(shí)[9]，所得地應(yīng)力為計(jì)算結(jié)果，圖3為不同工況下閘室基底地應(yīng)力數(shù)值計(jì)算結(jié)果。從圖中可看出，最大地應(yīng)力出現(xiàn)在完建工況下，達(dá)158.21 kPa，耦合地震工況下，地應(yīng)力均勻系數(shù)增長了17.3 %，但仍低于2，滿足設(shè)計(jì)要求；抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨著閘室上下游水位的降低，但整體水平均超過3。

圖3 閘室基底地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)閘室所處工況，以閘室結(jié)構(gòu)外參數(shù)為依托，劃分?jǐn)?shù)值模型單元，計(jì)算獲得閘室結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布云圖（圖4）。閘室整體均處于受壓狀態(tài)，僅在局部排架及底板區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力位于底板邊緣，筆者分析閘室底板出現(xiàn)拉應(yīng)力主要由于在閘墩區(qū)域會出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，造成底板變形，出現(xiàn)拉應(yīng)力，而排架柱作為支撐結(jié)構(gòu)，受到水位調(diào)控機(jī)器及其他荷載影響，導(dǎo)致排架柱底在局部中心地帶出現(xiàn)拉應(yīng)力分布，但數(shù)值較小，最大拉應(yīng)力僅有2.74 MPa，與排架柱及底板混凝土材質(zhì)抗拉強(qiáng)度相比，均在允許范圍內(nèi)。

圖4 閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖

圖5 閘墩、排架柱上下游最大壓應(yīng)力曲線

圖5為7個(gè)閘墩與上、下游排架柱最大壓應(yīng)力變化關(guān)系。7個(gè)閘墩最大壓應(yīng)力分布較為均勻，最大壓應(yīng)力平均值為7.173 MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在閘墩4，達(dá)7.207 MPa；上游排架柱內(nèi)部壓應(yīng)力顯著低于下游，唯排架柱4兩者相比接近，筆者分析是由于排架柱4作為中間排架，為并排雙架組合形式，截面面積較大，上下游過流斷面影響較小，故而兩者基底壓力接近一致；上、下游7個(gè)排架柱平均最大壓應(yīng)力分別為4.293 MPa、5.489 MPa；依據(jù)設(shè)計(jì)選用的混凝土材料抗壓強(qiáng)度為11.9 MPa，表明上下游閘墩與排架柱均處于安全狀態(tài)，閘室處于正常運(yùn)營。

5 結(jié)論

依據(jù)某水閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案，利用ANSYS建模與理論計(jì)算模型，開展水閘的滲流、翼墻及閘室應(yīng)力穩(wěn)定性分析，獲得了以下幾點(diǎn)結(jié)論與認(rèn)識：

（1）結(jié)合工程實(shí)際與經(jīng)濟(jì)效益，采用拆除全部閘墩，保留閘室底板；以1.5孔1聯(lián)重新修筑底板結(jié)構(gòu)；拆除上、下游全部翼墻，以原有底板地基重新設(shè)計(jì)建設(shè)對稱分布重力式翼墻。

（2）獲得了閘室在正、反向擋水工況下滲透壓力最大值區(qū)域總集中在擋水方向上，且正向擋水工況下滲透壓力整體高于反向擋水，反向擋水工況下最大滲透壓力僅有正向擋水的75%；閘室反向擋水滲透坡度高于正向擋水工況，但兩個(gè)工況下滲透坡降均低于允許值0.15～0.25。

（3）獲得了所有荷載組合工況條件下上、下游翼墻基底壓力與抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求；地震動荷載工況下，翼墻抗滑穩(wěn)定系數(shù)顯著降低；同等荷載工況下，下游翼墻基底壓力低上游翼墻7 %。

（4）獲得了閘室最大地應(yīng)力為158.21 kPa，地應(yīng)力均勻系數(shù)低于2，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)超過3，均滿足水閘設(shè)計(jì)要求；閘室結(jié)構(gòu)整體處于受壓狀態(tài)，7個(gè)閘墩及上、下游排架柱最大壓應(yīng)力分別為7.207 MPa、4.653 MPa、6.869 MPa，僅局部排架及底板區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力僅有2.74 MPa，處于材料抗拉強(qiáng)度允許范圍內(nèi)。