山水河閘站擬建工程承重加固結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)分析研究

劉 懿，姚 璐，王翔宇

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京市長(zhǎng)江河道管理處，江蘇 南京 210000)

水利工程中承重結(jié)構(gòu)乃是水工設(shè)施安全運(yùn)營(yíng)的重要保障，如何提升承重結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性乃是水工設(shè)計(jì)中持續(xù)探討的問題，加強(qiáng)承重結(jié)構(gòu)加固防護(hù)，對(duì)提升水利運(yùn)營(yíng)水平具有重要意義[1-3]。一些學(xué)者根據(jù)水利設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)，設(shè)計(jì)有物理模型試驗(yàn)，根據(jù)重難點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比設(shè)計(jì)，對(duì)物理模型試驗(yàn)結(jié)果的差異性開展探討性研究，為擬建工程設(shè)計(jì)方案的運(yùn)營(yíng)可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)、測(cè)試及指導(dǎo)[4-6]。當(dāng)然，限于模型試驗(yàn)成本較高，因而一些水利工程師開始利用數(shù)值仿真手段，蔣禮瑜[7]、王志坤[8]、曹洋等[9]設(shè)計(jì)不同荷載工況下水工結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形場(chǎng)、滲流場(chǎng)等分析，包括有心墻壩體的參數(shù)優(yōu)化、溢洪道優(yōu)化設(shè)計(jì)等，為實(shí)際工程確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案提供重要參考。本文根據(jù)山水河閘站擬建工程的承重加固結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)采用CAD-ANSYS建模計(jì)算方法[10]，開展對(duì)特征部位應(yīng)力特征與設(shè)計(jì)參數(shù)間聯(lián)系分析，為評(píng)價(jià)最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)、確定最優(yōu)方案提供計(jì)算支持。

1 工程介紹

1.1 工程概況

山水河為江寧河左岸支流，為有閘控制河道，河道常水位4～5m，全長(zhǎng)20km?，F(xiàn)狀河口寬約18～24m，堤頂高程7.5～9.1m，現(xiàn)狀坡比1:2，河底寬2～5m，河底高程3.3～4.2m。擬建山水河河口閘站位于山水河入江寧河河口處，閘站為擋洪、泄洪閘，山水河水位高于江寧河時(shí)泄洪，山水河水位低于江寧河水位時(shí)關(guān)閘擋洪，閘站防洪標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇設(shè)計(jì)洪水位9.43m。擬建工程閘室在順?biāo)鞣较蛏蠈?35m，垂直水流向長(zhǎng)15.6m，閘室共一孔，凈寬4.0m，設(shè)置工作閘門及防洪閘門，閘門尺寸均為4.0m×4.0m(高×寬)，閘底高程2.20m，水閘設(shè)計(jì)流量為10m3/s。另設(shè)有抽水泵站，設(shè)2臺(tái)1400ZQ-100潛水軸流泵，矩形進(jìn)水流道，凈寬4.0m、凈高9.20m，底高程1.40m，水泵安裝高程6.70m，泵室間設(shè)墩墻，另在泵室進(jìn)口側(cè)設(shè)攔污柵，出口側(cè)設(shè)防洪閘門，閘門寬高尺寸設(shè)計(jì)為4.0m×4.0m。根據(jù)重要承重部位應(yīng)著重加固的設(shè)計(jì)原則，對(duì)擬建泵閘工程進(jìn)行設(shè)計(jì)加固，初步考慮采用預(yù)應(yīng)力錨索加固支護(hù)方案。

錨索布設(shè)平面圖如圖1所示。橫錨索為4排布設(shè)，每排橫錨索均采用雙層錨筋，錨筋直徑為20mm，各排錨索間距為160mm，層間距為15mm，每個(gè)斷面上擬采用8～10根橫錨索，與橫錨索相對(duì)應(yīng)的是縱錨索與之垂直分布，采用鎖鉸約束固定，間隔200mm設(shè)置一個(gè)鎖鉸約束，各排次錨索間距為240mm。設(shè)計(jì)橫錨索張拉噸位為35000kN，能夠滿足山河口水閘擬建工程承重結(jié)構(gòu)要求，縱錨索與橫錨索的拉錨系數(shù)分別為1.65、1.73，錨索自由段長(zhǎng)度為6m，錨固長(zhǎng)度還需根據(jù)荷載工況進(jìn)行二次優(yōu)化。錨固洞截面為五邊形，最長(zhǎng)邊尺寸為600mm，最短邊尺寸為152mm，與錨索體型相適配。為確保荷載傳遞安全性，橫、縱錨索均設(shè)置有墊塊，厚度分別為50、40mm，但墊塊截面尺寸并未確定，初步考慮采用正方形截面體型，因而墊塊只需確定其邊長(zhǎng)，墊塊截面示意圖如圖2所示。根據(jù)設(shè)計(jì)優(yōu)化要求，本文主要針對(duì)性解決錨索錨固長(zhǎng)度參數(shù)L及墊塊截面積參數(shù)A(邊長(zhǎng)參數(shù)a)開展對(duì)比分析。

圖1 錨索布設(shè)平面圖

圖2 墊塊截面示意圖

1.2 建模計(jì)算

根據(jù)上述工程設(shè)計(jì)要求，本文采用ANSYS作為后處理計(jì)算平臺(tái)，前期采用CAD繪圖建模獲得擬建工程計(jì)算幾何圖，在ANSYS計(jì)算平臺(tái)中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，獲得山水河水閘工程整體模型，如圖3所示。針對(duì)計(jì)算結(jié)果對(duì)比可靠性，對(duì)水閘特征部位進(jìn)行重點(diǎn)加密劃分，特別是錨固洞及錨塊等部位，筆者選取閘站工程3個(gè)重要特征部位進(jìn)行重點(diǎn)計(jì)算分析，包括閘肩、錨固洞等部位，且特征部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，各部位所在區(qū)域及加密后獨(dú)立模型如圖4所示。基于ANSYS軟件網(wǎng)格劃分后計(jì)算模型共獲得網(wǎng)格單元325628個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)245925個(gè)，而獨(dú)立模型中以錨塊為例，其共獲得網(wǎng)格單元56825個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)46826個(gè)，所有劃分后的網(wǎng)格尺寸均低于0.5m[11-12]。工況選取水閘正常運(yùn)營(yíng)期狀態(tài)，荷載包括有水壓力、閘門推力、水上揚(yáng)壓力及閘室結(jié)構(gòu)自重等，設(shè)定水閘頂部為自由邊界，其他方面均具有相應(yīng)的垂向約束。計(jì)算模型中X、Y、Z正向分別取山水河閘站右岸、下游水流及閘站垂直向上方向。

圖3 山水河水閘整體模型

圖4 錨索加固結(jié)構(gòu)特征部位計(jì)算模型

2 錨固長(zhǎng)度參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

為探究錨固長(zhǎng)度參數(shù)對(duì)加固結(jié)構(gòu)應(yīng)力穩(wěn)定性影響，本文設(shè)計(jì)在保持其他設(shè)計(jì)參數(shù)一致的狀態(tài)下，對(duì)單一變量錨固長(zhǎng)度參數(shù)開展對(duì)比計(jì)算分析，為確定最優(yōu)錨固長(zhǎng)度參數(shù)提供參考。筆者設(shè)定錨固長(zhǎng)度參數(shù)方案分別為10、12、14、16、18、20m，對(duì)各方案中加固結(jié)構(gòu)特征部位應(yīng)力特征開展分析。

2.1 拉應(yīng)力特征

根據(jù)數(shù)值仿真計(jì)算各錨固長(zhǎng)度參數(shù)方案下特征部位拉應(yīng)力特征，獲得錨固長(zhǎng)度參數(shù)影響下加固結(jié)構(gòu)特征部位最大拉應(yīng)力變化關(guān)系，如圖5所示。從圖中可知，各方案中均以錨固洞上拉應(yīng)力值為最大，在錨固長(zhǎng)度為14m時(shí)錨固洞最大拉應(yīng)力為4.64MPa，而相同方案中閘肩、錨塊最大拉應(yīng)力相比前者分別降低了55.8%、22.7%，表明錨固洞上拉應(yīng)力集中較嚴(yán)重，張拉破壞威脅較大，設(shè)計(jì)與施工時(shí)均應(yīng)著重防護(hù)[13-14]。分析錨固長(zhǎng)度對(duì)特征部位拉應(yīng)力影響可知，錨固長(zhǎng)度與3個(gè)特征部位最大拉應(yīng)力均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中降幅最顯著的屬錨固洞，在錨固長(zhǎng)度10m時(shí)錨固洞最大拉應(yīng)力為5.67MPa，而錨固長(zhǎng)度為14、18、20m時(shí)的最大拉應(yīng)力相比前者分別降低了18.1%、32.4%、35.3%。當(dāng)錨固長(zhǎng)度增大2m，錨固洞上最大拉應(yīng)力平均損失了8.3%，且其降幅主要集中在錨固長(zhǎng)度區(qū)間10～16m內(nèi)，該區(qū)間內(nèi)長(zhǎng)度增大2m的最大降幅為11.5%，而在長(zhǎng)度16～20m內(nèi)最大降幅僅為6.3%，表明錨固長(zhǎng)度16m后錨固洞上最大拉應(yīng)力降幅對(duì)結(jié)構(gòu)張拉應(yīng)力改變無顯著影響。錨塊與閘肩處最大拉應(yīng)力較之降幅較小，特別是閘肩部位最大拉應(yīng)力在錨固長(zhǎng)度16m后基本無較大波動(dòng)，其在錨固長(zhǎng)度增大2m狀態(tài)下，導(dǎo)致閘肩部位最大拉應(yīng)力損失為5.2%。錨塊上最大拉應(yīng)力在錨固長(zhǎng)度為14、18、20m時(shí)的最大拉應(yīng)力相比長(zhǎng)度10m時(shí)分別降低了5.5%、10.3%、11.9%，其在錨固長(zhǎng)度10～16m區(qū)間內(nèi)時(shí)，平均降幅為7.5%，而在區(qū)間16～20m的平均降幅又為1.3%，表明錨固長(zhǎng)度對(duì)錨塊最大拉應(yīng)力影響為逐漸減弱。

圖5 錨固長(zhǎng)度參數(shù)影響下特征部位最大拉應(yīng)力變化

2.2 壓應(yīng)力特征

在計(jì)算加固結(jié)構(gòu)特征部位拉應(yīng)力的同時(shí)，亦可獲得結(jié)構(gòu)特征部位壓應(yīng)力變化特征，如圖6所示。從圖中可知，錨固洞與錨塊上最大壓應(yīng)力隨錨固長(zhǎng)度為遞減關(guān)系，錨固長(zhǎng)度10m時(shí)錨塊最大壓應(yīng)力為14.34MPa，而錨固長(zhǎng)度14、18、20m下最大壓應(yīng)力相比前者分別減少了17.2%、27.2%、28.3%，表明錨固長(zhǎng)度愈大，愈可抑制加固結(jié)構(gòu)上壓應(yīng)力發(fā)展，對(duì)山水河擬建水閘向下沉降變形等抑制或減小均有較強(qiáng)作用。錨塊最大壓應(yīng)力隨錨固長(zhǎng)度增大2m，平均可降低6.4%，但在區(qū)間16～20m長(zhǎng)度內(nèi)，其平均降幅為2.3%；同樣在錨固洞上，其平均降幅為13%，而區(qū)間16～20m內(nèi)的降幅為5.8%。閘肩部位處最大壓應(yīng)力基本無顯著變化，在各設(shè)計(jì)方案中均穩(wěn)定在8.2MPa，且低于結(jié)構(gòu)材料安全壓縮荷載。為減少工程建設(shè)成本，在錨固長(zhǎng)度16m后錨固洞與錨塊壓應(yīng)力降低趨勢(shì)較小的情況下，并不需過長(zhǎng)的錨固長(zhǎng)度，因而綜合拉、壓應(yīng)力影響變化特征，錨固長(zhǎng)度為16m時(shí)更佳。

圖6 錨固長(zhǎng)度參數(shù)影響下特征部位最大壓應(yīng)力變化

3 墊板設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析

墊板的存在，對(duì)加固結(jié)構(gòu)荷載傳遞及應(yīng)力穩(wěn)定性具有較大作用，研究墊板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)很有必要，本工程中墊板厚度已確定，主要針對(duì)正方形截面墊板的邊長(zhǎng)參數(shù)開展對(duì)比分析，在保持其他設(shè)計(jì)參數(shù)一致的狀態(tài)下，其中錨固長(zhǎng)度為16m，對(duì)墊板邊長(zhǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行方案優(yōu)化。筆者設(shè)定邊長(zhǎng)參數(shù)方案分別為20、25、30、35、40、45cm，對(duì)各方案中加固結(jié)構(gòu)特征部位應(yīng)力特征開展分析。

3.1 拉應(yīng)力特征

將各方案中墊板邊長(zhǎng)參數(shù)代入模型計(jì)算，獲得墊板邊長(zhǎng)參數(shù)影響下加固結(jié)構(gòu)特征部位最大拉應(yīng)力變化特征，如圖7所示。從圖中可看出，錨固洞與錨塊最大拉應(yīng)力隨墊板邊長(zhǎng)參數(shù)均為遞增關(guān)系，在邊長(zhǎng)20cm時(shí)錨塊最大拉應(yīng)力為2.09MPa，而邊長(zhǎng)30、45cm時(shí)的最大拉應(yīng)力相比前者分別增大了13.5%、60.8%，而相同對(duì)比方案下錨固洞的增長(zhǎng)幅度分別為33.5%、100.3%；從整體幅度計(jì)算結(jié)果可知，錨固洞在邊長(zhǎng)參數(shù)增大5cm時(shí)，其最大拉應(yīng)力可提升15%，但以邊長(zhǎng)35～45cm區(qū)間內(nèi)的拉應(yīng)力增長(zhǎng)幅度最為顯著，該區(qū)間內(nèi)平均增長(zhǎng)幅度為17.8%；相比之下，錨塊增長(zhǎng)效應(yīng)弱于前者，邊長(zhǎng)參數(shù)增大5cm，最大拉應(yīng)力提升幅度為9.8%，但同樣最大增長(zhǎng)幅度均集中在邊長(zhǎng)35～45cm區(qū)間內(nèi)，該階段內(nèi)最大增長(zhǎng)幅度可達(dá)17.3%，平均增幅達(dá)15.6%；分析表明，錨固洞與錨塊乃是加固結(jié)構(gòu)中張拉應(yīng)力最危險(xiǎn)區(qū)域，加筋及混凝土澆筑均應(yīng)著重防護(hù)。與前兩者特征部位不一樣的是，閘肩最大拉應(yīng)力隨墊板邊長(zhǎng)參數(shù)為遞減關(guān)系，邊長(zhǎng)30、45cm時(shí)的最大拉應(yīng)力相比邊長(zhǎng)20cm分別減少了48.8%、81.1%，表明墊板邊長(zhǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)愈大，對(duì)閘肩最大拉應(yīng)力抑制效果愈為顯著，在邊長(zhǎng)20～35cm區(qū)間內(nèi)，各方案中閘肩最大拉應(yīng)力平均降低幅度為32.6%，方案間最大降幅為41%，而在邊長(zhǎng)35～45cm區(qū)間內(nèi)閘肩最大拉應(yīng)力降幅較小，最大降幅僅為23.4%，平均降幅僅為21%，表明閘肩最大拉應(yīng)力受邊長(zhǎng)參數(shù)影響在35cm后逐漸減弱。

圖7 墊板邊長(zhǎng)參數(shù)影響下特征部位最大拉應(yīng)力變化

3.2 壓應(yīng)力特征

同理計(jì)算獲得墊板邊長(zhǎng)參數(shù)影響下的加固結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力特征，如圖8所示。從最大拉應(yīng)力變化關(guān)系可知，3個(gè)特征部位最大壓應(yīng)力隨墊板邊長(zhǎng)均為遞減關(guān)系，邊長(zhǎng)20cm時(shí)閘肩最大壓應(yīng)力為7.83MPa，而邊長(zhǎng)30、45cm時(shí)的最大拉應(yīng)力相比前者分別減少了14.3%、23.6%，在邊長(zhǎng)35～45cm時(shí)閘肩最大壓應(yīng)力基本接近，穩(wěn)定在6MPa左右，表明墊板邊長(zhǎng)對(duì)壓應(yīng)力抑制效應(yīng)在35cm后無顯著差異，在邊長(zhǎng)增大5cm時(shí)，閘肩最大壓應(yīng)力平均損失了5.2%。同樣，在錨固洞與錨塊上最大壓應(yīng)力隨各方案均有較大降幅，邊長(zhǎng)5cm的增長(zhǎng)，可導(dǎo)致2者最大壓應(yīng)力降低7.4%、6.2%，且均集中在邊長(zhǎng)35～40cm左右時(shí)，出現(xiàn)最大壓應(yīng)力降幅減小的情形，表明墊板邊長(zhǎng)參數(shù)在該節(jié)點(diǎn)之后，對(duì)應(yīng)力抑制效應(yīng)無較大改變。綜合結(jié)構(gòu)應(yīng)力特征可知，墊板邊長(zhǎng)以35cm為設(shè)計(jì)方案，不僅壓應(yīng)力處于較為可控區(qū)間，且張拉應(yīng)力處于抑制性發(fā)展節(jié)點(diǎn)，有利于加固結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)。

圖8 墊板邊長(zhǎng)參數(shù)影響下特征部位最大壓應(yīng)力變化

3.3 應(yīng)力分布特征

為探討最佳設(shè)計(jì)方案中應(yīng)力特征，給出錨固長(zhǎng)度16m、墊板邊長(zhǎng)35cm時(shí)特征部位應(yīng)力分布特征，如圖9所示。分析3個(gè)部位應(yīng)力特征可知，閘肩處最大拉應(yīng)力集中在與錨塊接觸面上，而錨塊全區(qū)域內(nèi)以較小拉應(yīng)力為主，分布范圍為0.18～0.46MPa，錨固洞上拉應(yīng)力集中較大，但并未集中在錨固洞薄弱面上，壓應(yīng)力主要集中在側(cè)面區(qū)域。從加固結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力來看，應(yīng)力分布處于較為均衡，無顯著張拉集中破壞，該設(shè)計(jì)方案作為最優(yōu)方案更具可靠性。

圖9 特征部位應(yīng)力分布特征

4 結(jié)論

(1)結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力位于錨固洞，錨固長(zhǎng)度與特征部位最大拉應(yīng)力為負(fù)相關(guān)，但降幅最大為錨固洞部位，且最大拉應(yīng)力均在錨固長(zhǎng)度16m后降幅顯著減小。

(2)錨固洞、錨塊最大壓應(yīng)力隨錨固長(zhǎng)度為遞減關(guān)系，隨錨固長(zhǎng)度增大2m，分別降低13%、6.4%，閘肩壓應(yīng)力穩(wěn)定在8.2MPa；特征部位最大壓應(yīng)力與邊長(zhǎng)參數(shù)為負(fù)相關(guān)。

(3)錨固洞與錨塊最大拉應(yīng)力隨墊板邊長(zhǎng)均為遞增關(guān)系，均以邊長(zhǎng)35～45cm區(qū)間內(nèi)的拉應(yīng)力增幅最為顯著；閘肩最大拉應(yīng)力隨墊板邊長(zhǎng)參數(shù)為遞減關(guān)系，且其影響在35cm后逐漸減弱。

(4)綜合認(rèn)為錨固長(zhǎng)度16m、墊板邊長(zhǎng)35cm，加固結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性最佳。