基于仿真的樞紐水閘錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計分析研究

羅健平

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

水利工程中結(jié)構(gòu)設(shè)計牽涉面較廣，選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)不僅有利于降低工程成本，同樣有利于提升水工結(jié)構(gòu)長期運行安全穩(wěn)定性[1-3]。水工結(jié)構(gòu)中尤以水閘等水利設(shè)施為重點，其設(shè)計復雜程度高、設(shè)計難度較大、應力變形場變化較大，是水利工程設(shè)計過程中不可回避的問題[4-5]，李莎莎、劉國慶、周勤等通過室內(nèi)物理模型試驗，研究室內(nèi)小尺度模型下水利結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性，為實際工程設(shè)計提供重要室內(nèi)試驗參數(shù)[6-8]。另一方面，從現(xiàn)場監(jiān)測獲取到的實際數(shù)據(jù)也有利于工程設(shè)計參照，因而，一些學者采用先進監(jiān)測設(shè)備實時獲取水利工程在運行過程中的應力變形場、滲流場等特征[9-11]，利用數(shù)值仿真平臺，建立水利工程結(jié)構(gòu)仿真模型，設(shè)定不同設(shè)計方案，并可高效對比不同設(shè)計方案下水利工程應力等分布狀態(tài)，為選擇最優(yōu)方案提供計算參考[12-14]。本文根據(jù)實際水利工程中水閘結(jié)構(gòu)預應力錨索設(shè)計方案，利用仿真計算平臺分析不同設(shè)計方案下水閘關(guān)鍵特征部位的應力狀態(tài)，為工程實際設(shè)計提供重要研究基礎(chǔ)。

1 工程概況

為提升區(qū)域內(nèi)水資源利用效率，考慮對粵北地區(qū)水利樞紐工程開展除險加固。該水利樞紐工程承擔著區(qū)域內(nèi)防洪、蓄水、發(fā)電及通航等重要作用，設(shè)計有水利大壩、發(fā)電廠房、泄洪水閘及輸水渠道等水利設(shè)施，上游豐水期最大蓄水量超過300萬m3，建設(shè)有多個抽水泵站與輸水渠道，確保對灌區(qū)以及居民區(qū)、工業(yè)區(qū)水資源供應到位，所建設(shè)的輸水渠道總長度超過50 km，輸水渠道采用格賓石籠作為防滲加固措施，監(jiān)測表明灌區(qū)渠道最大滲透坡降為0.25，處于較為安全滲流狀態(tài)。水利大壩全軸線長度為325 m，壩頂高程為475 m，設(shè)計洪水位477 m，上、下游坡度分別為1/3.0、1/2.5，為確保水資源安全穩(wěn)定性，按照間距15～20 m布設(shè)防滲墻，墻體厚度為0.8 m，插入基巖深度1.5～2.0 m，在壩肩、壩趾、壩坡度變化處設(shè)置有止水面板，并在特殊部位處安裝有滲流與變形監(jiān)測傳感器，為及時預判水利大壩運行安全穩(wěn)定性提供參考。

2 錨塊與閘墩連接方式設(shè)計

2.1 計算模型與邊界荷載

根據(jù)樞紐工程現(xiàn)行水閘所處位置以及與周圍水利設(shè)施運營契合性，以主、次預應力錨索所連接的錨塊、閘墩為研究對象，分別采用仿真計算平臺建立數(shù)值模型，如圖1所示。三個數(shù)值模型均對應不同維度、不同計算功能的邊界荷載條件，采用0.5 m的六面體單元作為計算網(wǎng)格，其中劃分數(shù)值網(wǎng)格最多的為錨塊模型，共得到168 422個網(wǎng)格單元，節(jié)點數(shù)118 652個[15-16]，計算模型所在的X、Y、Z空間坐標系正方向分別代表水閘所在壩段右軸線方向、下游水流方向、壩體垂直向上。邊界約束荷載按照靜力荷載下，水閘上游正常蓄水位為473 m，閘門受水平推力1500 kN，切向力-700 kN，考慮閘室自重以及所承受的水壓力等荷載所有材料模型均按照線彈性混凝土模型計算分析，其中混凝土抗拉強度安全允許值為2.38 MPa。

圖1 仿真計算模型

2.2 錨塊與閘墩連接方式分析

錨塊與閘墩連接方式的差異勢必會導致閘墩與錨塊特征部位處應力的變化，而目前預應力錨索錨塊與閘墩的連接方式主要有整體式連接(1#方案)與接觸式連接(2#方案)。由于水閘預應力錨索設(shè)計過程中關(guān)注重點為結(jié)構(gòu)拉應力分布狀態(tài)，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞很大程度上與拉應力狀態(tài)有關(guān)，因而給出不同設(shè)計方案下水閘特征部位最大拉應力分布云圖，如圖2所示。

圖2 特征部位最大拉應力分布云圖

從圖2可看出，采用整體式連接方案時閘墩頸部拉應力主要位于閘門背側(cè)，并隨背離閘門距離愈遠，拉應力減小，最大拉應力為0.84 MPa，閘墩材料抗拉強度允許值處于安全區(qū)間，閘墩頸部處的壓應力分布在閘門迎水側(cè)。對比接觸式連接方案下閘墩頸部處拉應力分布可知，其拉應力分布區(qū)域與1#方案基本一致，均出現(xiàn)在閘門背側(cè)，同樣隨著背離距離增大，拉應力而呈扇形減小，最大拉應力相比1#方案降低了10.7%，最大壓應力分布范圍相比1#方案更靠近迎水側(cè)，但其最大壓應力仍處于材料安全允許區(qū)間。為分析錨塊結(jié)構(gòu)應力狀態(tài)，以錨塊下游面為例進行分析，在錨塊結(jié)構(gòu)上最大拉應力均分布在下游面，方案1中最大拉應力可達4.84 MPa，遠超過材料安全允許值，其分布區(qū)域位于錨塊結(jié)構(gòu)與閘墩頸部毗連區(qū)域，與所采用的閘墩、錨塊連接方案有關(guān)。當采用整體式連接方案時，錨塊結(jié)構(gòu)與閘墩彼此間無應力緩沖區(qū)域，應力直接由閘墩過渡至錨塊，張拉預應力在兩者連接區(qū)域處產(chǎn)生拉應力突變，拉應力水平較大，對水閘安全運行考驗較大。2方案在錨塊下游面上的拉應力分布位于主錨索與錨塊之間厚度為0.04 m的墊板處，最大拉應力為1.97 MPa，2方案最大拉應力顯著降低，原因主要是接觸式連接不存在張拉預應力的直接傳遞，降低了張拉預應力在錨塊與閘墩之間的延伸性發(fā)展，進而降低了錨塊下游面拉應力分布量值。

為準確評判錨塊與閘墩上拉應力分布，給出兩種方案下特征部位處最大拉、壓應力分布變化關(guān)系，如圖3所示。從圖中可看出，1#方案中閘墩、錨塊連接部位處上拉應力最大值位于錨塊下游面，2#方案最大拉應力位于錨固洞下游面，為3.75 MPa，且相比1#方案在閘墩頸部、錨塊下游面上的最大拉應力均有一定幅度降低，降幅約為11%～60%。從壓應力分布來看，2#方案整體壓應力有一定增長，最大壓應力可達15.7 MPa；1#方案最大壓應力僅有2.2%增幅，均位于錨固洞下游面，處于結(jié)構(gòu)材料安全允許區(qū)間內(nèi)，故選擇接觸式連接方案在不影響最大壓應力狀態(tài)下，有效降低了結(jié)構(gòu)拉應力量值，因而接觸式連接方案更有利于該水利樞紐工程水閘設(shè)施安全運行。

圖3 特征部位處最大拉、壓應力變化

3 錨索位置方案設(shè)計

本設(shè)計中錨索位置方案主要考慮水平方向次錨索布置位置，考慮兩排次錨索布置間距與閘墩平臺距離，設(shè)定兩排次錨索間距為1m，以前排次錨索的距離參數(shù)Z為對比設(shè)計方案參數(shù)(距離參數(shù)如圖4標注所示)，分別設(shè)定為140 cm(A方案)、240 cm(B方案)、340 cm(C方案)、440 cm(D方案)四個對比方案，圖4為A方案錨索位置布置方案平面圖。

圖4 A方案錨索位置平面圖(單位：cm)

圖5為水平次錨索不同位置方案時水閘關(guān)鍵部位最大拉應力變化關(guān)系曲線。從圖中可看出，在四個位置方案中，最大拉應力所在部位均位于錨塊上、下游面。當增大距離參數(shù)Z時，各方案中錨塊上游面上的最大拉應力呈遞增態(tài)勢，A方案中錨塊上游面最大拉應力較小，僅為0.75 MPa，而距離增大至C、D方案后，相應的最大拉應力分別增大了149.3%、182.7%，其中D方案最大拉應力已超過結(jié)構(gòu)材料安全允許值，處于危險臨界狀態(tài)。另一個與錨塊上游面隨距離發(fā)展態(tài)勢類似的是閘墩頸部，當距離增大100 cm，該部位上的最大拉應力平均增大14.6%，由此可見，前排次錨索與錨塊上游面距離過大，易導致閘墩較多特征部位處處于極限張拉狀態(tài)，引起樞紐水閘危險運營。另一特征部位錨塊下游面上的最大拉應力隨距離參數(shù)增大而遞減，A方案中最大拉應力為1.25 MPa，當前排次錨索的距離參數(shù)增大100 cm，后續(xù)三個方案最大拉應力依次降低了48.0%、32.3%、9.1%，表明前排次錨索距離參數(shù)增大，有助于抑制錨塊下游面最大拉應力發(fā)展。根據(jù)拉應力分析可知，雖距離參數(shù)增大有利于錨塊下游面穩(wěn)定，但仍需考慮距離參數(shù)對閘墩頸部、錨塊上游面最大拉應力影響，因而從四個方案來看，設(shè)定前排次錨索距離參數(shù)為140 cm更有利于樞紐水閘整體運行穩(wěn)定性。

圖5 水閘關(guān)鍵部位最大拉應力變化

同理，計算獲得四個不同距離參數(shù)方案下樞紐水閘三個特征部位處最大拉應力變化，如圖6所示。從三個特征部位最大拉應力隨設(shè)計方案距離參數(shù)變化趨勢可知，距離參數(shù)增大，均可抑制三個特征部位處最大壓應力發(fā)展，以閘墩頸部處最大壓應力變化為例，在A方案中其最大壓應力為7.1 MPa，滿足結(jié)構(gòu)材料安全允許值，而在B方案、D方案中，最大壓應力相比之減少了9.9%、18.3%。分析三個特征部位整體壓應力變化可看出，四個方案中最大壓應力均遠低于結(jié)構(gòu)材料安全允許值，因而若以A方案作為水平次錨索布置方案，從壓應力表現(xiàn)來看，水閘結(jié)構(gòu)亦處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 水閘關(guān)鍵部位最大壓應力變化

4 結(jié) 論

(1)錨塊與閘墩兩種連接方案中閘墩頸部最大拉應力均位于閘門背側(cè)，并隨背離距離增大而減小；接觸式方案最大拉應力相比整體式降低了10.7%；采用整體式連接方案易導致錨塊結(jié)構(gòu)與閘墩頸部毗連區(qū)域拉應力集中，接觸式方案有助于緩沖降低張拉預應力影響。

(2)相比整體式連接方案，接觸式方案水閘結(jié)構(gòu)最大拉應力均有一定降幅，約為11%～60%，兩方案最大壓應力僅有2.2%的增幅變化，最大壓應力均處于安全允許區(qū)間，采用接觸式連接方案更有利于水閘設(shè)施安全運行。

(3)次錨索布設(shè)位置距離四個設(shè)計方案中最大拉應力均位于錨塊上游面或下游面，距離參數(shù)增大，錨塊上游面與閘墩頸部最大拉應力均為遞增，距離增大100 cm，閘墩頸部最大拉應力平均增大14.6%；距離參數(shù)增大，愈有利于抑制錨塊下游面上最大拉應力發(fā)展；從整體上考慮，以前排次錨索距離參數(shù)為140 cm時更有利于結(jié)構(gòu)應力穩(wěn)定性。

(4)次錨索布設(shè)位置距離參數(shù)增大，均可抑制三個特征部位最大壓應力分布，以錨塊下游面上壓應力為最大，最大壓應力可達8.8 MPa；四個不同距離參數(shù)方案中水閘結(jié)構(gòu)特征部位處的最大壓應力均低于材料安全允許值，設(shè)定距離參數(shù)為140 cm不會造成水閘壓應力破壞。