水電站預(yù)應(yīng)力閘墩錨塊設(shè)置次錨索參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬研究

王昊元

(朝陽縣水務(wù)局，遼寧 朝陽 122000)

1 工程背景

趙家堡子水電站是遼寧省東部愛河流域水利開發(fā)的重要工程，壩址位于遼寧丹東鳳城市石城鎮(zhèn)境內(nèi)。水電站工程主要由大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)和泄洪設(shè)施組成，主要建筑物按照百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、千年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。工程規(guī)劃設(shè)計電站裝機(jī)容量為1.68萬kW，庫容為1550萬m3，是一座以發(fā)電為主，兼具防洪和養(yǎng)殖等功能的綜合性中型水利工程[1]。

水庫大壩為混凝土重力壩設(shè)計，其溢流壩段位于大壩右岸部位，其溢流堰為WES實用堰設(shè)計，堰頂高程為55.10m[2]。閘墩采用預(yù)應(yīng)力閘墩設(shè)計，其弧形閘門的墩頂高程為80.16m，墩體厚3.0m。由于各個閘墩的尺寸和水文參數(shù)類似，因此，研究中選取具有代表性的4號閘墩進(jìn)行數(shù)值模擬研究。閘墩在弧門水推力以及主錨索共同作用下，其內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，在垂直于主錨索的方向上會產(chǎn)生范圍比較大的拉應(yīng)力，為了減輕不利影響，可以布置一定數(shù)量的次錨索[3]。顯然，不同閘墩弧門推力和主錨索的布置型式不同，將會對次錨索的設(shè)置、布置型式產(chǎn)生顯著影響。

2 有限元計算模型

2.1 有限元模型的構(gòu)建

FLUENT軟件是一款比較流行的商用有限元軟件包，具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前處理和后處理功能，用戶主要指定初始網(wǎng)格和運動壁面條件，其余的網(wǎng)格變化均可以通過解算器自動生成。因此，此次研究選取FLUENT軟件進(jìn)行閘墩的有限元計算模型構(gòu)建[4]。根據(jù)相關(guān)研究經(jīng)驗，混凝土閘墩的黏結(jié)滑移載荷往往較大，其整體位移并不會受到錨索、鋼筋和混凝之間黏結(jié)滑移作用的明顯影響。因此，研究中將錨索和鋼筋層直接嵌入有限元模型進(jìn)行計算分析[5]。為了保證研究結(jié)果的科學(xué)性和有效性，模型地基的范圍沿著上下游方向分別延伸80m，溢流堰的底面向下延伸90m。構(gòu)建的幾何模型以順?biāo)赶蛳掠蔚姆较驗閄軸的正方向，以豎直向上的方向為Y軸的正方向，以垂直于X軸指向右岸的方向為Z軸的正方向。由于模型的計算范圍較大，采用大小不等的六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終獲得約312890個離散單元。閘墩壩體部的有限元模型見圖1。

圖1 閘墩有限元模型

2.2 算法和邊界條件

鑒于溢流壩閘墩之間設(shè)置有伸縮縫結(jié)構(gòu)，相鄰閘墩之間的影響作用對計算結(jié)果的影響極為有限，可以忽略不計，將模型的左右邊界設(shè)置為自由邊界條件[6]。鑒于閘墩底部和地基的接觸十分牢固，其位移變形可以忽略不計，因此，將模型的底部設(shè)計為全約束條件。在模型計算過程中，將初始增量步長設(shè)置為0.01，最大增量步設(shè)置為10000，以保證模型的計算結(jié)果的收斂[7]。計算時選擇運行期的最不利工況，也就是閘墩的左側(cè)過流，另一側(cè)的弧形門瞬時開啟，此時閘墩呈偏心受拉狀態(tài)，錨索的噸位為永存噸位。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 設(shè)置次錨索的價值分析

按照工程設(shè)計，閘墩主錨索為單側(cè)12根布置，其中外排8根、內(nèi)排4根。兩排主錨索之間的間距為0.6m，外排錨索與閘墩外表面的距離為0.5m。利用上節(jié)構(gòu)建的有限元計算模型，計算單根主錨索永存噸位分別為2400kN、2700kN、3000kN、3300kN、3600kN時的錨塊上下游面以及內(nèi)部A-A、B-B、C-C和D-D四個豎直剖面等關(guān)鍵部位受力規(guī)律(見表1)。由計算結(jié)果可知，在主錨索以及弧門推力的綜合作用下，錨塊的表面和內(nèi)部會產(chǎn)生與主錨索方向垂直的拉應(yīng)力，并且上述拉應(yīng)力會隨著錨索噸位的增加而增大。其中，斷面B-B和斷面C-C以及下游面的拉應(yīng)力值明顯偏大，特別是主錨索噸位為3600kN時，上述三個斷面垂直于主錨索方向的拉應(yīng)力值分別為1.30MPa、1.27MPa和1.51MPa，均明顯大于1.0MPa，這對于閘墩的安全運行顯然是不利的。

表1 不同主錨索噸位下錨塊關(guān)鍵部位應(yīng)力計算結(jié)果

為了解決錨塊關(guān)鍵斷面拉應(yīng)力較大的問題，保持主錨索噸位為3600kN不變，在斷面B-B和斷面C-C之間，以及斷面D-D和下游面之間分別布置一排單排4束的次錨索，其超張拉噸位為2100kN，永存噸位為1800kN，并對相應(yīng)關(guān)鍵部位的應(yīng)力值進(jìn)行計算(見表2)。由計算結(jié)果可知，除上游面之外，錨塊的受力狀態(tài)明顯改善，特別是垂直于主錨索方向的拉應(yīng)力大幅降低，且全部小于1.0MPa。由此可見，設(shè)置次錨索對改善錨塊內(nèi)部應(yīng)力有顯著作用。

表2 設(shè)置次錨索情況下的錨塊關(guān)鍵部位應(yīng)力計算結(jié)果

3.2 次錨索數(shù)量的優(yōu)化分析

在保持次錨索的位置以及超張拉噸位為2100kN、永存噸位為1800kN兩個參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，設(shè)計無次錨索以及單排2束、單排3束以及單排4束等四種不同的次錨索數(shù)量設(shè)置方案，分別記為方案1、方案2、方案3和方案4。對上述四種方案下的錨塊關(guān)鍵部位應(yīng)力進(jìn)行計算(見表3)。由計算結(jié)果可知，錨塊上游面垂直于主錨索方向的拉應(yīng)力值隨著次錨索數(shù)量的增加而增加，但是增加的幅度相對較小，其余各個關(guān)鍵部位垂直于主錨索方向的拉應(yīng)力值隨著次錨索數(shù)量的增加而減小，但是從單排3束增加到單排4束時，其減小的幅度較為有限。綜合上述分析結(jié)果和經(jīng)濟(jì)性要求，建議采用方案3，也就是在斷面B-B和斷面C-C之間，以及斷面D-D和下游面之間分別布置一排單排3束的次錨索，既可以有效控制關(guān)鍵部位垂直于主錨索方向的拉應(yīng)力值，又可以保證工程的經(jīng)濟(jì)性。

表3 不同次錨索數(shù)量下錨塊關(guān)鍵部位應(yīng)力計算結(jié)果

3.3 次錨索噸位的優(yōu)化分析

為了進(jìn)一步研究次錨索噸位對錨塊應(yīng)力的影響，設(shè)置1600kN、1800kN以及2000kN三種不同的次錨索永存噸位，分別記為方案5、方案6和方案7。利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，計算上述三種不同方案下的錨塊關(guān)鍵部位應(yīng)力值(見表4)。由計算結(jié)果可知，在不同次錨索噸位方案下，各個關(guān)鍵部位垂直于主錨索方向拉應(yīng)力值的變化并沒有統(tǒng)一的規(guī)律，其中上游面、C-C剖面以及下游面垂直于主錨索方向拉應(yīng)力值隨著錨索噸位的增加而增加；其余部位垂直于主錨索方向拉應(yīng)力值隨著錨索噸位的增加而減小。因此，結(jié)

表4 不同次錨索噸位下錨塊關(guān)鍵部位應(yīng)力計算結(jié)果

合計算結(jié)果和工程經(jīng)濟(jì)性，最終推薦方案6，也就是選擇永存噸位1800kN的次錨索永存噸位，其超張拉噸位為永存噸位的1.167倍，也就是2100kN。

4 結(jié) 論

本文以具體工程為例，研究了預(yù)應(yīng)力閘墩錨塊設(shè)置次錨索的價值，并對次錨索的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，獲得的主要結(jié)論如下：在主錨索以及弧門推力的綜合作用下，錨塊的表面和內(nèi)部會產(chǎn)生與主錨索方向垂直的拉應(yīng)力，并且上述拉應(yīng)力會隨著錨索噸位的增加而增大，對閘墩的安全運行不利；設(shè)置次錨索對改善錨塊內(nèi)部應(yīng)力有顯著作用，具有設(shè)置的必要性與可行性；結(jié)合受力分析結(jié)果和工程的經(jīng)濟(jì)性，建議在錨塊的斷面B-B和斷面C-C之間以及斷面D-D和下游面之間分別布置一排單排3束的次錨索，其永存噸位為1800kN，超張拉噸位為2100kN。