水利泄洪閘墩預(yù)應(yīng)力錨索張拉參數(shù)設(shè)計優(yōu)化分析研究

王安順

(江西省水利水電建設(shè)有限公司， 江西 南昌 330200)

1 概述

水資源在生產(chǎn)生活中必不可少，但安全有效利用水資源一直是水利工程師持續(xù)致力于研究的問題，其中水資源危害性帶來防洪壓力，致力于防洪設(shè)施的安全設(shè)計乃是重要解決之道[1-3]。李鶴、許暉、杜明松等[4-6]引入物理模型試驗理論，開展水利設(shè)施的物理模型室內(nèi)試驗，從原型試驗結(jié)果出發(fā)，研究水利設(shè)施的安全運營與設(shè)計參數(shù)之間關(guān)系，為工程實際設(shè)計提供重要參考。由于模型試驗成本較高，因而借助已有安全可靠水利工程開展研究很有必要，因而通過在水利工程設(shè)施中安裝監(jiān)測傳感器，研究水工結(jié)構(gòu)運營過程中數(shù)據(jù)特征變化關(guān)系，為預(yù)判水利工程失效以及破壞提供依據(jù)，也為其他水利工程安全設(shè)計提供參考[7-9]。不可忽視，仿真計算在水利、交通、建筑等行業(yè)中均應(yīng)用較多[10-12]，利用仿真計算可對水利工程中不同設(shè)計方案下復(fù)雜工況開展計算分析，研究水利結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計方案，此種方案高效快捷，被較多工程師采用[13-14]。本文在贛江支流禾河水利樞紐開發(fā)設(shè)計藍圖下，對其中泄洪閘墩設(shè)施開展預(yù)應(yīng)力錨索張拉參數(shù)分析，為開展水利設(shè)計提供參數(shù)與計算依據(jù)。

2 工程仿真計算模型

2.1 工程介紹

贛西南地區(qū)水資源豐富，屬于贛江流域，其中分布有較多贛江支流，其中流徑吉安地區(qū)的禾河乃是贛江中游地區(qū)重要補充水源支流，禾河最寬處超過250m，全長237.5km，流經(jīng)地區(qū)是江西重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，確保禾河水資源調(diào)度安全穩(wěn)定性乃是區(qū)域內(nèi)防洪、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及城鎮(zhèn)生活用水等的重要保障。由于贛西南地區(qū)屬丘陵地帶，在春夏之交常發(fā)生較大規(guī)模降雨，對地區(qū)內(nèi)河流水位造成蓄洪壓力，特別是2020年贛江上游等支流受降雨影響出現(xiàn)大規(guī)?！凹w”水位暴漲，極大威脅著下游鄱陽湖及贛北平原地區(qū)防洪安全。為此，水利部門擬對贛江上游支流等河流進行水電站、防洪堤等水利設(shè)施開發(fā)建設(shè)，為贛江沿線生產(chǎn)生活提供重要保障。禾河上游水資源豐富，理論上可建設(shè)中大型水電站樞紐工程，擬開發(fā)建設(shè)一個二級水電站，該樞紐工程主要包括有上游蓄水庫、下游泄洪設(shè)施，發(fā)電系統(tǒng)以及防洪大壩等，最大壩高設(shè)計為52m，上游蓄水庫最高水位為44.8m，設(shè)計正常水位庫容為1200萬m3，考慮禾河水資源的多方面供應(yīng)，設(shè)計有長度為90km的輸水灌渠，并在水稻生產(chǎn)重要的6—7月份集中且優(yōu)先供應(yīng)水資源，設(shè)計渠首最大流量為0.7m3/s，可灌溉農(nóng)田面積超過20萬畝。防洪堤壩是100年一遇洪水標準設(shè)計，為兼顧水利樞紐工程防洪功能，設(shè)計有防洪庫，確保贛江中下游地區(qū)防洪安全。該水利樞紐工程泄洪設(shè)施采用多孔式泄洪閘，設(shè)計閘頂高度為27m，泄水孔截面為圓形，半徑為3.5m，閘墩結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力張拉錨索支護形式，確保閘墩在該水利樞紐工程運營過程中長期安全穩(wěn)定性，弧形閘門截面狀態(tài)如圖1所示。

圖1 弧形閘門截面圖

預(yù)應(yīng)力錨索截面形態(tài)如圖2所示，設(shè)計排布有主、次錨索，其中主錨索分4排布設(shè)，間隔為120mm，次錨索與主錨索相垂直分布，雙層布設(shè)，間距為1m，各個錨索上均安裝有板式結(jié)構(gòu)的墊層材料，厚度為5cm，截面為矩形，尺寸為0.3m×0.3m，墊層的存在可減弱預(yù)應(yīng)力對錨索張拉破壞的沖擊影響，錨固洞作為錨索附屬設(shè)施，其與閘墩為整體式連接。根據(jù)禾河流域內(nèi)地質(zhì)踏勘可知，基巖以微風化灰?guī)r為主，強度較高，實測單軸抗壓強度近90MPa，上覆土層以第四系堆積土與沉積土為主，土體松散性較大，級配較差，顆粒粒徑分布為0.0075～4mm，含水量中等，局部基巖層中夾有松散性砂土顆粒。為確保流域內(nèi)新開發(fā)水利樞紐工程的安全運營穩(wěn)定性，對預(yù)應(yīng)力錨索張拉參數(shù)開展對比計算分析，為確定最優(yōu)設(shè)計參數(shù)提供重要參考。

圖2 預(yù)應(yīng)力錨索截面形態(tài)

2.2 計算模型

由于該閘室預(yù)應(yīng)力錨索張拉參數(shù)中尤為關(guān)注拉錨系數(shù)與錨索數(shù)量參數(shù)，因而筆者主要研究該水利樞紐工程中攔水大壩泄洪閘段，并建立仿真計算模型，如圖3所示。采用四邊形單元體作為模型微單元，該閘墩整體模型共劃分出412581個微單元， 節(jié)點數(shù)375682個，另一方面預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計參數(shù)與閘墩、錨塊體息息相關(guān)，故為方便對閘墩整體模型優(yōu)化設(shè)計，給出各個特征部位獨立模型，如圖4所示。圖4(a)中標注為錨塊與錨固洞特征部位在閘墩整體模型中所處位置。由于設(shè)計方案中對比參數(shù)主要以應(yīng)力變形為主，因而設(shè)定仿真模型中x正向為沿壩右軸線，y正向為沿下游水流方向，z正向為沿閘墩高度向上。計算過程中結(jié)構(gòu)材料為C40混凝土材料，其參數(shù)取標準規(guī)范值，重度為25kN/m3，地基巖土體參數(shù)設(shè)定為土工試驗實測值，研究工況為閘墩泄流狀態(tài)下，包括有預(yù)應(yīng)力、水壓力與自重等荷載[15]。

圖3 閘墩仿真計算模型

圖4 閘預(yù)結(jié)構(gòu)特征部位獨立仿真模塊模型

3 錨索拉錨參數(shù)設(shè)計分析

3.1 拉應(yīng)力特征

為獲得主錨索張拉荷載最優(yōu)參數(shù)，設(shè)計有5個拉錨系數(shù)與相對應(yīng)的主錨索張拉噸位，為單獨分析主錨索張拉噸位變化特征，其中次錨索張拉噸位統(tǒng)一設(shè)定為1050kN，而拉錨系數(shù)分別設(shè)定為1.4(A方案)、1.6(B方案)、1.8(C方案)、2.0(D方案)、2.2(E方案)，按照張拉預(yù)應(yīng)力10%的損耗獲得主錨索張拉噸位相對應(yīng)分別為1023、1212、1401、1590、1879kN，具體對比計算方案見表1。針對5個方案開展閘墩重點部位與特征部位拉應(yīng)力計算分析，進而確定最優(yōu)拉錨系數(shù)與主錨索張拉噸位參數(shù)。

表1 拉錨系數(shù)對比計算方案表

根據(jù)仿真計算獲得不同拉錨系數(shù)下閘墩重要部位最大拉應(yīng)力變化特征，如圖5所示。從圖5中可看出，閘墩頸部最大拉應(yīng)力與拉錨系數(shù)具有負相關(guān)關(guān)系，且兩者具有線性負比例關(guān)系，當拉錨系數(shù)為1.4時閘墩頸部處最大拉應(yīng)力為1.68MPa，而拉錨系數(shù)增大至1.8、2、2.2時，即主錨索張拉噸位分

圖5 不同拉錨系數(shù)方案閘墩重要部位最大拉應(yīng)力

別為1401、1590、1879kN時，C、D、E三個方案最大拉應(yīng)力相比A方案降低了31.5%、47%、59.5%，即拉錨系數(shù)愈大，可顯著約束閘墩頸部處張拉應(yīng)力發(fā)展。與閘墩頸部最大拉應(yīng)力呈相反態(tài)勢的是，錨固洞下游面、錨塊下游面處的最大拉應(yīng)力與拉錨系數(shù)為正相關(guān)關(guān)系，在拉錨系數(shù)1.4時錨塊下游面上最大拉應(yīng)力為1.8MPa，拉錨系數(shù)增大0.2，該部位最大拉應(yīng)力平均漲幅為7.2%。而在相同拉錨系數(shù)下，錨固洞上最大拉應(yīng)力乃3個特征部位中最大值，在拉錨系數(shù)1.8時，錨固洞下游面上最大拉應(yīng)力為3.15MPa，其他兩個特征部位最大拉應(yīng)力相比之降低幅度最大可達63.4%；另一方面，錨固洞最大拉應(yīng)力隨拉錨系數(shù)為遞增，拉錨系數(shù)增大0.2，平均可帶動其最大拉應(yīng)力增長約9.4%。

3.2 壓應(yīng)力與分布特征

在計算閘墩重要特征部位最大拉應(yīng)力的同時，亦可獲得各部位處最大壓應(yīng)力變化關(guān)系，如圖6所示。從圖6中可知，閘墩上3個重要特征部位上最大壓應(yīng)力隨拉錨系數(shù)均為遞增變化，拉錨系數(shù)為1.8、2.2下的閘墩頸部最大壓應(yīng)力相比系數(shù)1.4時增大了9.3%、18.2%，當拉錨系數(shù)增大0.2，該部位處最大壓應(yīng)力平均可增大4.3%，而在錨固洞、錨塊下游面上該增大幅度為9.4%、7.9%。對比閘墩特征部位最大壓應(yīng)力關(guān)系可知，錨固洞下游面壓應(yīng)力為最高，拉錨系數(shù)1.8時錨該部位最大壓應(yīng)力為14.98MPa，而閘墩頸部、錨塊下游面上最大壓應(yīng)力相比前者分別降低了46.7%、14.1%。

圖6 不同拉錨系數(shù)方案閘墩重要部位最大壓應(yīng)力

從仿真計算過程中不僅可得到拉、壓應(yīng)力量化特征的變化，亦可獲得應(yīng)力分布特征，各拉錨系數(shù)方案中應(yīng)力分布特征基本相近，因而本文以A方案開展分析，如圖7所示。從圖7中可看出，閘墩頸部最大拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在閘門背側(cè)，且隨背離閘門遞減分布，該方案中閘墩頸部處最大拉應(yīng)力為1.68MPa；而錨塊下游面上拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在沿下游水流x正方向上，最大拉應(yīng)力聚集在墊板周邊，主要由于錨索與墊板之間應(yīng)力集中引起；錨固洞下游面上拉應(yīng)力出現(xiàn)在頂部與側(cè)面相交區(qū)域，張拉預(yù)應(yīng)力在錨固洞中發(fā)展，導(dǎo)致了錨固洞下游面上頂部的拉應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力為2.6MPa。

圖7 閘墩結(jié)構(gòu)模型應(yīng)力分布

綜合分析表明，當增大拉錨系數(shù)，即增大主錨索張拉噸位后，可顯著提升閘墩受壓效果，減弱閘門沖刷過程中的拉應(yīng)力破壞，但拉錨系數(shù)愈大導(dǎo)致錨塊與錨固洞的下游面上拉應(yīng)力發(fā)展越大，對錨塊的抗拉性能帶來較大的挑戰(zhàn)，且主錨索張拉噸位愈大，對工程成本控制不利，因而拉錨系數(shù)取5個方案的中間值更為可靠，以拉錨系數(shù)1.8(C方案)作為主錨索參數(shù)設(shè)計的最優(yōu)方案。

4 錨索自由段長度參數(shù)設(shè)計分析

錨索自由段錨固結(jié)構(gòu)中重要組成部分，閘墩預(yù)應(yīng)力錨索支護設(shè)計參數(shù)中必須考慮錨索自由段長度，控制錨索自由段長度不僅可削弱預(yù)應(yīng)力的損失，亦可增強預(yù)應(yīng)力錨索整體抗拉特性。為此，錨索自由段長度參數(shù)分別設(shè)定為2m(1#方案)、3m(1#方案)、4m(3#方案)、5m(4#方案)、6m(5#方案)，其他參數(shù)按照前述C方案中張拉噸位設(shè)計，基于計算錨索自由段不同參數(shù)下拉、壓應(yīng)力變化，為分析評價出最優(yōu)自由段長度提供依據(jù)。

經(jīng)對5個不同錨索自由段長度參數(shù)方案計算后，獲得閘墩重要特征部位拉、壓應(yīng)力變化關(guān)系，如圖8所示。從圖8中最大拉應(yīng)力變化特征可知，錨索自由段長度參數(shù)與閘墩頸部、錨塊下游面最大拉應(yīng)力均為負相關(guān)關(guān)系，即增大錨索自由段長度，可較好限制閘墩頸部、錨塊下游面上最大拉應(yīng)力發(fā)展，當錨索自由段長度為2m時，閘墩頸部上最大拉應(yīng)力為0.93MPa，而在自由段長度為5、6m時該部位的最大拉應(yīng)力相比前者降低了52.7%、65%，當自由段長度增大1m，閘墩頸部、錨塊下游面上最大拉應(yīng)力平均降幅分別為23.1%、8.8%。與前兩者重要特征部位有所不同，錨固洞下游面上最大拉應(yīng)力隨錨索自由段長度增大有所漲幅，自由段長度為5、6m時該部位的最大拉應(yīng)力相比長度1m時增大了17.4%、20.3%，平均每增大1m自由段長度，錨固洞下游面上最大拉應(yīng)力增長約4.8%，即錨索自由段長度對錨固洞下游面上拉應(yīng)力促進效應(yīng)相比來說幅度較小。5個方案中閘墩特征部位處的最大壓應(yīng)力隨錨索自由段長度均為小幅增長，且最大壓應(yīng)力與錨索自由段長度參數(shù)具有線性正相關(guān)關(guān)系，圖中3個特征部位線性增長系數(shù)分別為1.35、0.6、0.75，即閘墩頸部最大壓應(yīng)力受自由段長度參數(shù)更為敏感。

圖8 閘墩重要特征部位拉、壓應(yīng)力變化關(guān)系

綜合上述分析，當增大錨索自由段長度后，雖錨固洞下游面上拉應(yīng)力有所增長，但漲幅處于可控區(qū)間，且可較好降低閘墩頸部、錨塊下游面上張拉破壞威脅，但不可忽視增大錨索自由段長度勢必會導(dǎo)致工程成本的增加，因而綜合多方面考慮錨索自由段長度參數(shù)取4m為最佳。

5 結(jié)論

(1)拉錨系數(shù)愈大，閘墩頸部拉應(yīng)力愈小；但錨塊、錨固洞拉應(yīng)力增大，當拉錨系數(shù)增大0.2，兩部位上最大拉應(yīng)力平均增長幅度分別為7.2%、9.4%。

(2)拉錨系數(shù)愈大，閘墩壓應(yīng)力愈高，拉錨系數(shù)增大0.2，閘墩3個重要部位上最大壓應(yīng)力增長幅度分別平均可達4.3%、9.4%、7.9%；拉錨系數(shù)變化并不引起閘墩特征部位處應(yīng)力分布變化。

(3)錨索自由段長度參數(shù)愈大，閘墩頸部、錨塊下游面上最大拉應(yīng)力愈??；閘墩最大壓應(yīng)力隨自由段長度均為小幅增長，其中以頸部處增長最快。

(4)閘墩預(yù)應(yīng)力錨索拉錨系數(shù)取值為1.8、自由段長度為4m時，閘墩結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性最佳。