水庫泄洪閘墩錨固結構安全設計方案仿真計算研究

時 靜

(濟南市水利工程服務中心，山東 濟南 250099)

水利工程中常需要針對運營時間較久的水工建筑開展除險加固，而安全可靠的加固設計對修建運行時間較長的水工結構具有重要價值，如何確定設計方案是許多水利工程師持續(xù)專注研究的課題[1-3]。若考慮在室內進行實際模型研究，則可基于物理模型試驗理論，設計原型試驗，研究水工建筑等設施在破壞過程中水力特征、應力變形特征等，為水工安全設計提供重要參考[4-6]。若在工程現(xiàn)場，則可采用原位儀器，開展相關現(xiàn)場長期監(jiān)測或安裝預警傳感器等，分析工程建設或運營過程中相關參數(shù)的變化特征，從而準確預判水利工程安全性[7-10]。不可否認，上述相關研究或手段均對提高水利設計水平具有重要幫助，但均需耗費大量人工或材料成本，而數(shù)值仿真軟件可根據(jù)現(xiàn)場不同運營工況，模擬研究不同約束荷載條件下水工結構內部應力分布及量值變化，并對比不同設計方案下差異性，為確定最優(yōu)設計方案提供基礎依據(jù)[11-13]。本文利用仿真軟件建立閘墩結構模型，計算不同設計方案下應力變化，為確定閘墩錨固洞最優(yōu)設計方案提供參考[14]。

1 工程概況

魯東水庫位于山東半島與魯西南地區(qū)的重要農業(yè)生產灌區(qū)內，為區(qū)域農業(yè)水資源灌溉及水資源空間、時間分布調控起到重要作用，該水庫在豐水期可承擔供水量超過200萬m3，下游建設有輸水渠道與抽水泵站作為水資源輸送調控站，渠道總長度超過80 km，渠首設計流量為0.65m3/s，渠道內襯砌結構均采用防滲與防固結雙系統(tǒng)，確保渠道內水資源輸送效率。但由于水庫樞紐工程運營時間較久，部分水工建筑結構出現(xiàn)老化及滲漏等現(xiàn)象，因此農業(yè)水利管理部門考慮對該水庫樞紐工程重要水工結構部位開展除險加固。該水閘底板高程為695m，寬度51m，設置有80 cm厚的導墻，插入基巖深度1.5m，可減弱流體沖刷作用，閘室段總長度為42m，采用多孔式水閘設計，單孔尺寸為10m×6m，設置有直徑為2.8m的弧形鋼閘門作為水流通道。泄洪閘作為水庫上游重要水位調控設施，為下游積蓄水能等提供重要支撐作用，而該閘重要支撐結構是閘墩設施，泄洪閘共分布有8根閘墩，每根閘墩厚度為4m，采用預應力錨索作為加固結構，錨固洞對稱設置，每個錨固洞可承受拉力2700kN，主錨索可張拉噸位超過2000 kN。為最大程度保證樞紐工程運營安全可靠性，考慮對泄洪閘墩開展安全除險加固，而其中首當其沖受到長期水力沖刷影響的乃是閘墩錨固洞底面部位，因而管理部門首先考慮對閘墩錨固洞底面部位開展加固設計，并開展設計方案對比分析，進而確定該泄洪閘墩錨固洞底面的最優(yōu)設計方案。

為保證仿真計算準確性或方案對比可靠性，對工程現(xiàn)場展開地質踏勘，并鉆孔取樣，獲得現(xiàn)場地質巖土體狀態(tài)，表明所存土層為人工填土層，不同于自然風化堆積土層，該填土層松散型較大，實測彈性模量高于普通碎石土填層，厚度為1.8m，中等承載力，輸水渠道所在持力層即位于該土層，僅設置碎石墊層作為防滲沉降變形，天然地基即可滿足承載力設計要求。而泄洪閘下臥基礎土層中含有淤泥質黏土，沉降變形較大，含水量較高，因而需要對該天然地基進行人工處理，考慮采用鉆孔灌注樁作為樁基礎部件，并以素混凝土作為固結材料灌注入淤泥質土中，提升地基承載力。經對基巖材料室內測試發(fā)現(xiàn)，所取樣基巖為中風化花崗巖，表面無顯著孔隙，單軸抗壓強度測試值在58MPa以上，靜圧試驗所測孔隙度最低可達0.6%，多個鉆孔取樣資料表明，基巖并無較大面積的碎屑夾層，節(jié)理等裂隙發(fā)育較少，因而預應力錨索錨固洞設置在淤泥質土固結層與基巖層接觸界面。利用上述工程資料，借助ANSYS仿真計算軟件建立閘墩錨固洞模型，進而對比分析不同設計方案下的應力特征，為綜合確定錨固洞底面設計方案提供參考依據(jù)。

2 泄洪閘墩錨固結構模型及設計方案

2.1 閘墩錨固結構模型

由于本文只探討閘墩錨固洞底面部位設計方案，因而，在對比設計方案中閘墩錨塊空腔體型、錨固洞頂面設計參數(shù)等均為一致，其中閘墩錨塊空腔體型為橢圓形，長、短軸分別為3、0.8m，且設定錨塊空腔原點距離閘墩上游距離為2m，錨固洞頂面采用1/4圓弧半徑弧長與下游面相切，半徑設定為1.5m，錨塊與閘墩連接為整體式，進而錨塊乃是閘墩重要構成的一部分，其應力安全狀態(tài)均關乎閘墩能否安全運營。借助ANSYS仿真軟件建立閘墩數(shù)值模型，錨塊作為子結構，采用與閘墩共用模型節(jié)點的方式，材料屬性按照C40混凝土物理參數(shù)設定；另數(shù)值仿真計算坐標體系中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1所示，劃分單元網格數(shù)共66584個，節(jié)點數(shù)47762個，單元網格質量均在0.96以上，另在錨塊等特征部位網格劃分較密，錨固洞截面上各特征剖面所在位置劃分示意圖如圖2所示。為準確評價不同工況下閘墩與錨塊安全穩(wěn)定性，設計以水閘完建期(工況一)與上游水位72.3m處蓄水期(工況二)為計算背景，分別研究錨固洞不同切面部位的特征剖面應力特征，本文所有拉、壓應力參數(shù)均以正、負號區(qū)分[15-16]。

圖1 數(shù)值模型圖

圖2 閘墩錨固洞截面上特征剖面

2.2 錨固洞底面設計方案

錨固洞底面設計參數(shù)主要考慮與下游面相切狀態(tài)，設定錨固洞底面與下游面相切的切點位于下游面底部端點，且兩者之間為1/4圓弧長，但圓弧半徑不同，錨固洞底面體型也會發(fā)生較大改變，進而影響受力荷載方式，因而，錨固洞底面設計方案主要專注于研究不同圓弧半徑對錨固洞安全狀態(tài)的影響。根據(jù)實際工程荷載狀態(tài)，確定圓弧半徑設計參數(shù)分別為0.5m(A方案)、1m(B方案)、1.5m(C方案)、2m(D方案)、2.5m(E方案)，進而展開對比分析計算，由此確定閘墩錨固洞底面最佳設計方案。

3 錨固結構底面設計方案仿真計算

3.1 錨固洞底面應力特征

利用ANSYS仿真軟件計算獲得錨固洞底面不同設計方案下錨固洞底面部位各特征剖面上應力特征，如圖3所示。從圖3中可看出，錨固洞底面部位的10-10、11-11兩剖面在完建期、蓄水期均為拉應力，而12-12剖面均為壓應力，其中又以10-10剖面上拉應力為同工況中最大，壓應力在各設計方案中分布較穩(wěn)定，其中以蓄水期壓應力為最大。比較各剖面中完建期與蓄水期最大拉應力可知，蓄水期最大拉應力均高于完建期，當?shù)酌鎴A弧半徑為1m時(B方案)，完建期工況中最大拉應力為2.9MPa，而蓄水期最大拉應力相比前者增大了48.3%，分析認為蓄水期錨固洞所受靜水壓力會產生靜水彎矩，而錨固洞底面處于水位以下，處于“下拉上壓”狀態(tài)，因而12-12上剖面處于壓應力主導，而完建期彎矩僅來源于閘墩自重，因而最大拉應力相比蓄水期較小。分析錨固洞底面設計參數(shù)與錨固洞底面最大拉應力變化關系可知，兩者為負相關特征，在完建期工況中A方案最大拉應力為4.9MPa，而錨固洞底面圓弧半徑增大至1、1.5、2.5m后，方案B、C、D、E最大拉應力相比前者分別降低了40.2%、55.1%、61.2%、65.3%，分析認為錨固洞底面圓弧半徑愈大，愈可限制閘墩錨固洞底面最大拉應力發(fā)展，進而確保錨固洞不致發(fā)生張拉破壞。

圖3 錨固洞底面應力特征

3.2 錨固洞上游面應力特征

不同底面圓弧設計參數(shù)影響下錨固洞上游面應力特征如圖4所示。從圖4中可看出，13-13、14-14兩剖面不論是完建期亦或是蓄水期，均處于受壓主導，且在兩工況中均以13-13剖面上應力為最大壓應力，當?shù)酌鎴A弧設計參數(shù)改變后，14-14剖面上壓應力變化較小，完建期蓄水期分別穩(wěn)定在0.7～0.8、0.4MPa，而13-13剖面在蓄水期壓應力隨底面圓弧半徑呈遞增態(tài)勢，E方案蓄水期最大壓應力相比A、B方案下分別增大了71.4%、33.3%，但壓應力分布范圍相比材料允許壓應力值仍較小。從拉應力分布變化特征可知，僅15-15剖面在蓄水期存在一定拉應力，且各設計方案中最大拉應力均保持不變，穩(wěn)定為0.5MPa，而該剖面在完建期雖為受壓主導作用，但其最大壓應力與底面圓弧半徑亦無顯著影響，穩(wěn)定在1.3MPa。筆者認為，錨固洞上游面15-15剖面在蓄水期所產生的拉應力主要與穩(wěn)定的水位靜水壓力彎矩有關，而底面圓弧半徑的改變，僅改變了底面部位的受力面積或受力方式，對錨固洞上游面所受彎矩荷載并無影響，因而錨固洞上游面15-15剖面最大拉應力穩(wěn)定不變。

圖4 錨固洞上游面應力特征

3.3 錨固洞下游面應力特征及方案比選

與前文計算錨固洞上游面應力特征類似，同樣可獲得下游面應力受底面圓弧半徑影響特征，如圖5所示。從圖5中可看出，三個剖面在兩工況中均為受拉，13-13剖面中拉應力呈先減后增變化，底面圓弧半徑為2m時拉應力最小，即D方案13-13剖面上拉應力最低，此種現(xiàn)象不僅存在于完建期，蓄水期與之類似，A方案13-13剖面上最大拉應力為3.3MPa，而D方案最大拉應力相比A方案降低了48.5%，當?shù)酌鎴A弧半徑增大至2.5m后，則E方案最大拉應力相比D方案又增大了11.8%，表明底面圓弧半徑設計參數(shù)對錨固洞下游面應力影響存在轉折點，當?shù)酌鎴A弧半徑超過2m后，錨固洞下游面半徑參數(shù)有助于提升下游面張拉應力發(fā)展；實質上當?shù)酌鎴A弧半徑超過一定界限后，13-13剖面與所受彎矩點距離會逐漸減小，因而拉應力會有增大態(tài)勢。另從14-14、15-15剖面上應力變化特征可知，14-14剖面在兩工況中最大拉應力不受底面圓弧半徑參數(shù)影響，同一工況下均為一致，完建期14-14剖面上最大拉應力為2.8MPa，而蓄水期最大拉應力又穩(wěn)定在2.5MPa；同樣的現(xiàn)象出現(xiàn)在15-15剖面上，其完建期、蓄水期中最大拉應力在各底面圓弧設計方案中均保持不變，分別穩(wěn)定在2.3、1.3MPa；分析認為，錨固洞下游面14-14、15-15剖面上拉應力來源于上游靜水壓力產生的彎矩，而14-14、15-15剖面上拉應力產生與底面圓弧半徑所產生的弧長截面并無影響，因而其最大拉應力在各設計方案中均保持一致。

圖5 錨固洞下游面應力特征

錨固洞特征部位在完建期、蓄水期應力分布狀態(tài)如圖6所示。從圖6中可知最大拉應力均位于圓弧區(qū)域，當工況改變，蓄水期最大拉應力向斜截面方向上發(fā)展，錨固洞下游面兩個工況中拉應力差異主要出現(xiàn)在上、下圓弧面上，即工況改變很大程度上影響13-13剖面或15-15剖面應力。從錨固洞底面及上、下游面應力特征考慮，圓弧半徑過大有助于限制拉應力發(fā)展，但超過一定界限后，拉應力發(fā)展趨勢會有所逆轉，因而當?shù)酌鎴A弧半徑設計參數(shù)為2m時(D方案)，不論是圖6中應力分布狀態(tài)，亦或是特征部位上拉、壓應力值，均較安全合理。

圖6 D方案錨固洞特征部位應力分布(左、右圖分別為完建期、蓄水期)

4 結論

(1)錨固洞底面蓄水期最大拉應力均高于完建期，10-10、11-11兩剖面在完建期、蓄水期均為拉應力， 12-12剖面為受壓，壓應力受錨固洞底面設計參數(shù)影響較小。

(2)錨固洞上游面最大壓應力為13-13剖面，隨底面圓弧半徑呈遞增，14-14剖面壓應力受底面圓弧半徑參數(shù)影響較小，15-15剖面應力不受底面圓弧半徑參數(shù)影響。

(3)錨固洞下游面在兩工況中均為拉應力，最大拉應力位于13-13剖面；14-14、15-15剖面上拉應力不受底面圓弧半徑參數(shù)影響。

(4)綜合錨固洞各特征部位應力特征，確定底面圓弧半徑設計參數(shù)為2m時，錨固洞底面處于最佳狀態(tài)，閘墩安全性可靠。