基于仿真計(jì)算下泄洪閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

蘇 玲

（大連市旅順口區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 大連 116041）

1 引言

預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)以及加固結(jié)構(gòu)在水利工程中應(yīng)用較多，研究錨索錨塊與水工結(jié)構(gòu)連接方式以及錨塊體形態(tài)，為水工建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要參考[1，2]。水閘這類水工結(jié)構(gòu)重要的承重結(jié)構(gòu)即是閘墩，提升閘墩安全穩(wěn)定性具有重要意義，而如何保證閘墩這類水工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是許多水利工程師持續(xù)致力于研究的課題[3,4]。利用原型物理模型試驗(yàn)，針對(duì)水閘或大壩等水工結(jié)構(gòu)開(kāi)展室內(nèi)破壞性試驗(yàn)研究，可為水工建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要試驗(yàn)參數(shù)參考[5,6]。在一些農(nóng)田水利樞紐工程中，常在現(xiàn)場(chǎng)水工大壩或溢洪道等重要結(jié)構(gòu)上安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備，采集相關(guān)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，為水工結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性運(yùn)營(yíng)提供參考或預(yù)警[7,8]。數(shù)值仿真有助于快速設(shè)定不同研究工況下水工結(jié)構(gòu)應(yīng)力或變形狀態(tài)，并可對(duì)比不同研究方案下計(jì)算結(jié)果，為水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考[9,10]。本文將借助COMSOL仿真軟件，以水庫(kù)泄洪閘墩為研究對(duì)象，為結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)優(yōu)化提供重要參考。

2 工程概況

為保障遼西地區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，農(nóng)業(yè)水利部門(mén)考慮對(duì)區(qū)域內(nèi)重要水利樞紐工程開(kāi)展除險(xiǎn)加固，而該水利樞紐工程中運(yùn)行時(shí)間較久、承擔(dān)流體沖擊作用最強(qiáng)的即是泄洪閘門(mén)的閘墩承重結(jié)構(gòu)。該泄洪閘共有多根支撐墩，每根閘墩厚度為4 m，采用預(yù)應(yīng)力錨索作為加固結(jié)構(gòu)，其中每根閘墩共有4根主錨索，共分為兩排設(shè)置，兩排錨索間距為140 cm，兩排內(nèi)部主錨索之間的間距為60 cm，次錨索共設(shè)置有3根，中部次錨索距離承臺(tái)下部180 cm，上、下次錨索分別距離中部次錨索140 cm、80 cm；錨固洞對(duì)稱設(shè)置，每個(gè)錨固洞可承受拉力2 700 kN，主錨索可張拉噸位超過(guò)2 000 kN，整個(gè)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。在枯水期不僅提供農(nóng)業(yè)灌溉用水，亦可承擔(dān)區(qū)域生活用水與工業(yè)用水供給，可提供水量超過(guò)200萬(wàn)m3，下游建設(shè)有輸水渠道與抽水泵站作為水利輸送調(diào)控站，渠道總長(zhǎng)度超過(guò)80 km，渠首流量設(shè)計(jì)為0.65 m3/s，渠道內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)均采用防滲與防固結(jié)雙系統(tǒng)，確保渠道內(nèi)水資源輸送效率。另該農(nóng)田樞紐工程中水閘底板高程為695 m，寬度51 m，設(shè)置有80 cm厚的導(dǎo)墻，插入基巖深度1.5 m，可作為減弱流體沖刷作用，閘室段總長(zhǎng)度為42 m，采用多孔式水閘設(shè)計(jì)，單孔尺寸為10 m×6 m。由于該樞紐工程主要面向區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水，因而攔污柵以及其他排污結(jié)構(gòu)并未設(shè)置有較強(qiáng)過(guò)濾設(shè)備，另水流通行通道采用弧形鋼閘門(mén)，直徑3 m，采用液壓式啟閉機(jī)作為控制設(shè)備，精確調(diào)度閘門(mén)開(kāi)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。由于農(nóng)田水利樞紐工程安全運(yùn)營(yíng)可靠性極大程度上與閘墩安全穩(wěn)定相關(guān)，因而對(duì)閘墩與錨索塊的連接方式以及閘墩排布的錨固洞設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)，筆者將對(duì)錨索連接方式以及閘墩錨固洞設(shè)計(jì)開(kāi)展最優(yōu)方案分析研究。

圖1 錨索結(jié)構(gòu)平面布置圖

以現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察資料分析可知，工程所在場(chǎng)地內(nèi)覆蓋土層為第四系軟性填土層，厚度約為1.5 m，松散型較大，利用室內(nèi)土工儀器測(cè)定其變形模量高于普通碎石填土層，承載力中等，目前輸水渠道所在持力層即位于該土層，并鋪設(shè)有碎石墊層，防止沉降變形對(duì)渠道基礎(chǔ)危害性；另一方面水閘基礎(chǔ)下臥分布有粘土質(zhì)淤泥，含水量較高，沉降變形較大，工程設(shè)計(jì)部門(mén)采用深長(zhǎng)灌注樁作為筏板基礎(chǔ)的基礎(chǔ)承力臺(tái)，以素混凝土作為固結(jié)材料灌注入淤泥質(zhì)土中。基巖層材料為中風(fēng)化花崗巖，顆粒粒徑屬中等，單軸抗壓強(qiáng)度較高，達(dá)65 MPa，現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)表明，基巖層內(nèi)無(wú)夾雜破碎帶，所取出樣芯完整性較好，表面裂隙較少，靜圧試驗(yàn)所測(cè)孔隙度最低可達(dá)0.6%，受上游河流沖刷影響，部分風(fēng)化破碎帶流失或堆積，因而巖體內(nèi)部晶體顆粒一體化結(jié)構(gòu)較穩(wěn)固，室內(nèi)三向應(yīng)力狀態(tài)下巖體滲透率低于10-18m2，另在淤泥質(zhì)土層與基巖層接觸界面設(shè)置有預(yù)應(yīng)力錨索錨固洞。在上述工程資料以及室內(nèi)巖土力學(xué)測(cè)試結(jié)果下，利用數(shù)值仿真手段，計(jì)算出不同連接狀態(tài)下、不同錨固洞設(shè)計(jì)參數(shù)下閘墩應(yīng)力變形特征。

3 閘墩與錨索固定錨塊連接方式分析

3.1 模型建立及相關(guān)計(jì)算背景

目前錨塊與閘墩的連接方式主要有整體式與分離式兩種方案，其中整體式連接方案指錨塊與閘墩作為整體式澆筑形成，仿真計(jì)算時(shí)將此變形受力考慮為整體，而分離式連接指錨塊與閘墩澆筑制作時(shí)分開(kāi)進(jìn)行，兩者之間組合形態(tài)為分離態(tài)，為此，筆者針對(duì)此兩種不同連接方式下對(duì)閘墩應(yīng)力狀態(tài)的影響特性，借助COMSOL多物理場(chǎng)仿真軟件建立閘墩數(shù)值模型，錨塊作為閘墩預(yù)應(yīng)力錨索的一部分重要結(jié)構(gòu)，其材料為C40混凝土，在數(shù)值模型中與預(yù)應(yīng)力閘墩共用單元節(jié)點(diǎn)，連接方式按照方案一：整體式，方案二：分離式，兩種不同方案分別開(kāi)展仿真計(jì)算；另數(shù)值仿真計(jì)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(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)46 762個(gè)，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為水閘預(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(píng)價(jià)不同工況下閘墩與錨塊安全穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)以水閘完建期（工況一）與上游水位72.3 m所處蓄水期（工況二）為計(jì)算背景，分別研究預(yù)應(yīng)力閘墩錨塊應(yīng)力特征，本文所有拉、壓應(yīng)力參數(shù)均以正、負(fù)號(hào)區(qū)分。

圖2 數(shù)值模型圖

圖3 閘墩、錨塊以及空腔截面上特征剖面

3.2 不同連接方式仿真計(jì)算結(jié)果

經(jīng)仿真計(jì)算獲得不同連接方式下閘墩各工況下特征剖面上應(yīng)力參數(shù)，如圖4所示。從圖4可看出，以整體式連接方案為例，當(dāng)水閘處于蓄水工況下，閘墩上均會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，而在完建期無(wú)水工況下，閘墩上不存在拉應(yīng)力，均以受壓為主導(dǎo)作用，在方案一中，蓄水工況下閘墩最大拉應(yīng)力達(dá)2.9 MPa，而在完建期1-1與3-3特征剖面上壓應(yīng)力均一致，且均為閘墩上最大壓應(yīng)力，達(dá)9.5 MPa；分析認(rèn)為，當(dāng)水閘處于蓄水工況下，上游不僅存在閘墩重力，且蓄水壓力會(huì)導(dǎo)致閘墩發(fā)生受彎作用，進(jìn)而導(dǎo)致閘墩一側(cè)剖面出現(xiàn)拉應(yīng)力，這也解釋了在工況二蓄水工況中僅有1-1剖面為受拉作用，其他剖面均為受壓作用，在受到下拉上壓型彎矩時(shí)，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)一側(cè)出現(xiàn)一定拉應(yīng)力，所用混凝土材料抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.39 MPa，若以方案一為設(shè)計(jì)方案，則蓄水工況下閘墩頸部會(huì)出現(xiàn)張拉破壞，但假以增設(shè)鋼筋，可一定程度減小拉應(yīng)力產(chǎn)生。在方案二中，當(dāng)處于完建期工況時(shí)，與方案一類似，1-1特征剖面與3-3特征剖面均處于對(duì)稱式受壓狀態(tài)，兩者最大壓應(yīng)力均為一致；而在蓄水工況下方案二依然產(chǎn)生拉應(yīng)力，但1-1特征剖面上的最大拉應(yīng)力相比方案二中降低了41.4%，僅為1.7 MPa，即分離式設(shè)計(jì)方案可顯著削弱蓄水期對(duì)閘墩頸部張拉受力破壞影響。

圖4 閘墩頸部各工況下特征剖面上應(yīng)力參數(shù)

圖5為兩種方案不同工況下錨塊下游面應(yīng)力變化特征。從圖中可看出，方案一整體式連接方案在完建期與蓄水期下均產(chǎn)生拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力分別為1.5 MPa、1.4 MPa；相比方案一，方案二分離式連接方式下錨塊下游面在兩工況中的最大拉應(yīng)力分別相比前者下降了6.7%、14.3%，雖然兩種方案中最大拉應(yīng)力均未超過(guò)混凝土材料安全允許值，但方案二分離式連接方式中錨塊所受拉應(yīng)力更顯較安全。從壓應(yīng)力特征亦可看出，方案一中在4-4特征剖面以受壓為主導(dǎo)作用，完建期與蓄水期兩工況中的最大壓應(yīng)力分別為11.8 MPa、10.8 MPa，而在方案二中兩工況的最大壓應(yīng)力分別降低了6.8%、2.8%，分析認(rèn)為方案二分離式連接具有顯著削弱閘墩頸部、錨塊體受拉、壓作用影響，提升閘墩安全穩(wěn)定性運(yùn)營(yíng)。

圖5 錨塊下游面各工況下特征剖面上應(yīng)力參數(shù)

圖6為分離式連接方案下錨塊與空腔體不同形態(tài)切面上的應(yīng)力分布。從圖中可看出，錨塊下游面上拉應(yīng)力分布在迎水側(cè)邊緣區(qū)域，且蓄水工況下錨塊下游面的受拉區(qū)域顯著減小，筆者認(rèn)為此與所采用的分離式連接方案抑制拉應(yīng)力產(chǎn)生有關(guān)。完建期工況中，空腔上游面Z方向拉應(yīng)力分布基本呈對(duì)稱式分布，最大拉應(yīng)力為3.2 MPa，對(duì)稱式的拉應(yīng)力分布實(shí)質(zhì)上與錨索所處位置有關(guān)，錨索的存在將拉應(yīng)力分布區(qū)域間隔呈對(duì)稱狀態(tài)；蓄水工況下空腔上游面最大壓應(yīng)力達(dá)13.4 MPa，分布在空腔體中心區(qū)域，不論是拉應(yīng)力分布區(qū)域，亦或是拉應(yīng)力值，均相比完建期工況一中要減少，此亦印證了采用分離式連接方案對(duì)閘墩穩(wěn)定性的促進(jìn)效應(yīng)。

圖6 分離式方案下錨塊與空腔體不同形態(tài)切面上的應(yīng)力分布（左、右分別為完建期、蓄水期）

4 錨索錨固洞設(shè)計(jì)分析

針對(duì)閘墩錨索錨固洞體型特征，設(shè)計(jì)四個(gè)對(duì)比組方案，分別為三點(diǎn)弧截面（A方案）、心形截面（B方案）、等邊三角形外接圓截面（C方案）、梯形截面（D方案），四種方案錨固洞截面形態(tài)如圖7所示，同樣以工況一完建期與工況二蓄水期展開(kāi)對(duì)比分析。

圖7 錨固洞設(shè)計(jì)體型截面示意圖（A～D方案）

圖8為四種截面方案下錨索錨固洞頂面、底面以及空腔上、下游面的最大拉應(yīng)力變化曲線。從圖中可看出，除空腔上游面外，在其他三個(gè)特征面上，四種截面方案的最大拉應(yīng)力均呈依次遞增態(tài)勢(shì)，錨固洞頂面A方案蓄水工況下最大拉應(yīng)力為2.19 MPa，而D方案下最大拉應(yīng)力增長(zhǎng)了78.5%，同樣的情況在錨固洞底面中依然保持較高增幅態(tài)勢(shì)，A、D方案下的最大拉應(yīng)力漲幅為63.3%，錨塊空腔體下游面B、C、D方案蓄水工況下的最大拉應(yīng)力相比A方案增大了71.1%、64.5%、54.9%；筆者認(rèn)為，四種截面方案與空腔下游面存在圖9所示幾何關(guān)系，各方案與下游面夾角分別為0°、45°、60°、75°，即錨固洞截面與空腔體下游面夾角愈小，則實(shí)際受拉或受壓承載面積愈大，進(jìn)而導(dǎo)致拉、壓應(yīng)力降低，削弱閘墩頸部或空腔體受張拉破壞風(fēng)險(xiǎn)，因而從四個(gè)方案比較可知，采用三點(diǎn)弧截面方案更有利于閘墩穩(wěn)定。另一方面，從各剖面最大拉應(yīng)力表現(xiàn)來(lái)看，除錨塊頂面以外，其他切面上的工況一完建期最大拉應(yīng)力總低于工況二蓄水期，在錨塊底面A方案中工況二相比工況一增大了63.3%，而在錨塊頂面，工況一相比工況二增大了41.6%。從水閘工程實(shí)際運(yùn)營(yíng)考慮，當(dāng)水閘蓄水運(yùn)營(yíng)后，較大的靜水壓力對(duì)閘墩的錨塊底面以及空腔體均會(huì)產(chǎn)生較大彎矩，進(jìn)而產(chǎn)生蓄水期錨塊底面以及空腔體的最大拉應(yīng)力顯著高于完建期；而此種情況在錨塊頂面又會(huì)有顯著不同，即使水閘蓄水，但在安全運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，水位總會(huì)低于錨固洞頂部，因而此時(shí)錨塊受預(yù)應(yīng)力錨索的張拉影響，其拉應(yīng)力以工況一為最大。

圖8 不同截面體型最大拉應(yīng)力變化特征

圖9 四種體型構(gòu)造與下游面關(guān)系圖

5 結(jié)論

為研究遼西地區(qū)某水庫(kù)泄洪閘樞紐工程閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性，利用COMSOL多物理場(chǎng)仿真軟件計(jì)算分析了閘墩與錨索錨塊的兩種連接方式差異性、錨索錨固洞設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化，主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）分析了蓄水期閘墩頸部均會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，完建期閘墩頸部?jī)蓚?cè)邊緣剖面壓應(yīng)力均為一致；分離式連接方案最大拉應(yīng)力相比整體式方案降低了41.4%，僅為1.7 MPa，處于材料安全允許值區(qū)間，分離式設(shè)計(jì)可顯著削弱蓄水期對(duì)閘墩頸部張拉受力破壞影響。

（2）研究了錨塊下游面在完建期、蓄水期均會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，而分離式方案錨塊下游面在兩工況中的最大拉應(yīng)力分別相比整體式方案下降了6.7%、14.3%；分離式方案的錨塊下游面最大壓應(yīng)力相比整體式方案亦分別降低了6.8%、2.8%，分離式連接方案有助于提升閘墩安全穩(wěn)定性運(yùn)營(yíng)。

（3）研究認(rèn)為錨固洞截面與下游面夾角愈小，愈有利于閘墩安全穩(wěn)定，以A方案三點(diǎn)弧形截面為最佳；除空腔上游面外，錨固洞其他切面上最大拉應(yīng)力均隨空腔下游面夾角呈遞增態(tài)勢(shì)，錨塊空腔體下游面B、C、D方案蓄水期最大拉應(yīng)力相比A方案分別增大了71.1%、64.5%、54.9%。

（4）分析了四種不同截面體型方案中除錨塊頂面外，其他切面上完建期工況最大拉應(yīng)力總低于蓄水期工況，其中錨塊底面A方案中兩工況之間差幅達(dá)63.3%，錨塊頂面由于水位影響，其蓄水期工況最大拉應(yīng)力低于完建期，A方案中兩者間相差41.6%。