基于ABAQUS計(jì)算下水工預(yù)制拼裝式擋土墻厚度參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析研究

李斯楊

(河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250)

1 概 述

農(nóng)業(yè)水利工程中，擋土墻是重要水工建筑物，確保擋土墻安全設(shè)計(jì)對(duì)提升農(nóng)業(yè)水利設(shè)施高效運(yùn)營(yíng)具有重要意義，因而推動(dòng)擋土墻參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值[1-3]。擋土墻結(jié)構(gòu)在建筑、公路等行業(yè)中運(yùn)用較多，學(xué)者研究主要采用有限元計(jì)算方法，針對(duì)性解決土層與擋土墻間壓力計(jì)算分析，為探討擋土墻實(shí)際工況下安全穩(wěn)定提供重要計(jì)算支撐[4-6]。模型試驗(yàn)是一種重要水利研究方法[7-8]，根據(jù)水工結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸在室內(nèi)開發(fā)出原型，配合以實(shí)際荷載約束條件，研究水利大壩、溢洪道、擋土墻等[9-10]多種水工設(shè)施的運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定，為工程最優(yōu)設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)分析等提供重要參考。當(dāng)然，逐漸有部分學(xué)者開發(fā)出預(yù)制擋土墻或其他類型擋土墻，既方便了水利工程施工，又對(duì)水工結(jié)構(gòu)的安全防護(hù)提升具有重要作用[11-13]。拼裝式擋土墻是一種重要裝配式開發(fā)設(shè)施，利用拼裝式擋土墻，可較好地在包括農(nóng)業(yè)灌區(qū)在內(nèi)的多個(gè)水利工程中使用，提高水工設(shè)計(jì)水平與施工效率。本文根據(jù)華北地區(qū)灌區(qū)擋土墻實(shí)際使用工況條件，對(duì)擋土墻前后墻厚度參數(shù)開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，為確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案提供重要計(jì)算參考。

2 工程建模分析

2.1 工程概況

華北地區(qū)由于水資源分布不均，依賴于海河水系以及滹沱河水系完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)化用水等調(diào)度，目前已投入建設(shè)有南水北調(diào)中線工程，為天津、保定等城市用水提供重要保障。灌區(qū)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要組成部分，保定南部望都地區(qū)是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌區(qū)，建設(shè)有全長(zhǎng)50 km的輸水灌渠，確保輸水安全性。采用內(nèi)襯式預(yù)制混凝土防滲渠道，渠坡最大滲透坡降不超過0.3，水資源輸水及利用均在農(nóng)業(yè)水利部門安全調(diào)度監(jiān)測(cè)中。另一方面，在該灌渠渠首擬建一水利擋土墻，為確保擋土墻施工與水資源調(diào)度相協(xié)調(diào)，采用預(yù)制拼裝式設(shè)計(jì)。初步設(shè)計(jì)擋土墻高度為16.5 m，底板厚度為16.6 m，墻底高程為33.5 m，沿灌渠輸水方向長(zhǎng)度為14.5 m，厚度設(shè)計(jì)為1.2 m，內(nèi)置有空箱，降低水力沖刷作用，空箱與擋土墻間隔為0.6 m，墻頂板厚度設(shè)計(jì)為0.7 m，而灌渠渠首流量設(shè)計(jì)為0.65 m3/s，擬設(shè)預(yù)制拼裝式擋土墻立面示意圖見圖1。目前該水工擋土墻頂墻厚度以及側(cè)壁截面體型等參數(shù)均已完成優(yōu)化，但前后墻厚度設(shè)計(jì)參數(shù)還需優(yōu)化，為確定擋土墻最優(yōu)設(shè)計(jì)方案提供重要支撐。

圖1 預(yù)制拼裝式擋土墻立面示意圖

2.2 工程仿真

本文為確定該預(yù)制拼裝式水工擋土墻設(shè)計(jì)參數(shù)最優(yōu)方案，采用ABAQUS仿真計(jì)算平臺(tái)與UG建模軟件協(xié)同計(jì)算，解決擋土墻前后墻厚度參數(shù)優(yōu)化問題[14-15]。根據(jù)擋土墻所在工程環(huán)境，本計(jì)算中考慮擋土墻應(yīng)力變形場(chǎng)影響范圍為寬35 m的回填土層，地基土體影響深度范圍設(shè)定為30 m，不考慮土體各向異性對(duì)擋土墻應(yīng)力特征影響。擋土墻所有材料均為鋼混結(jié)構(gòu)，因而建模時(shí)均視為均值材料，土體物理參數(shù)均以現(xiàn)場(chǎng)取樣在室內(nèi)土工試驗(yàn)中實(shí)測(cè)值。對(duì)UG建模后的幾何圖在ABAQUS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體擋土墻模型共獲得網(wǎng)格單元102 102個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)82 672個(gè)，劃分后模型見圖2。

圖2 擋土墻劃分網(wǎng)格后模型

以擋土墻竣工期水位工況作為外荷載條件，擋土墻前后水位分別為35、36.5 m，荷載主要包括墻體自重、靜水壓力、土壓力及水流上揚(yáng)壓力等；墻底板設(shè)置為固定約束，側(cè)壁為側(cè)向約束，頂部為自由邊界；模型計(jì)算過程中X、Y、Z正向分別為擋土墻軸線右向、下游水流向以及垂直向上方向，對(duì)各擋土墻設(shè)計(jì)參數(shù)方案施加荷載后開展對(duì)比計(jì)算。

3 擋土墻前墻厚度參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

針對(duì)擋土墻前墻厚度參數(shù)，在保證其他設(shè)計(jì)參數(shù)(包括壁厚、頂厚等)均為一致的前提下，僅改變前墻厚度，分別設(shè)定前墻厚度參數(shù)為0.6、0.8、1、1.2、1.4和1.5 m，后墻厚度參數(shù)統(tǒng)一設(shè)定為1 m。為對(duì)比方便，本文計(jì)算結(jié)果重點(diǎn)以擋土墻填土側(cè)、臨水側(cè)及底板展開計(jì)算分析。

3.1 拉應(yīng)力影響特征

根據(jù)對(duì)擋土墻各前墻厚度參數(shù)設(shè)計(jì)方案開展計(jì)算，獲得前墻厚度參數(shù)影響下?lián)跬翂μ卣鞑课惶幾畲罄瓚?yīng)力變化特征，見圖3。從圖3中可知，3個(gè)特征部位中拉應(yīng)力以底板部位為最大，在前墻厚度為1 m時(shí)，底板處最大拉應(yīng)力為1.02 MPa，而擋土墻填土側(cè)、背水側(cè)最大拉應(yīng)力僅為前者的69.5%、80.4%，表明擋土墻底板結(jié)構(gòu)受到較大張拉應(yīng)力集中，擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重鋼筋加密防護(hù)，確保墻底板結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定[16-17]。由前墻厚度參數(shù)對(duì)3個(gè)部位拉應(yīng)力影響特征可看出，6個(gè)設(shè)計(jì)方案中最大拉應(yīng)力變化趨勢(shì)為V形，以前墻厚度0.8 m時(shí)為轉(zhuǎn)變節(jié)點(diǎn)，墻厚低于0.8 m時(shí)最大拉應(yīng)力為遞減態(tài)勢(shì)，厚度增長(zhǎng)0.2 m導(dǎo)致?lián)跬翂μ钔羵?cè)、臨水側(cè)及底板最大拉應(yīng)力分別降低60.1%、55.5%和49.4%。當(dāng)前墻厚度超過0.8 m后，各特征部位最大拉應(yīng)力均為上升趨勢(shì)，填土側(cè)最大拉應(yīng)力在墻厚0.8 m時(shí)是各方案中最低值，為0.5 MPa，而墻厚1.2、1.5 m時(shí)的最大拉應(yīng)力相比前者分別增大96.4%、150.9%。與之同時(shí)在臨水側(cè)同樣的設(shè)計(jì)方案對(duì)比下，最大拉應(yīng)力亦分別增大66.2%、112.3%，該區(qū)間內(nèi)厚度增長(zhǎng)0.2 m，填土側(cè)、臨水側(cè)及底板最大拉應(yīng)力分別增長(zhǎng)26.6%、21.1%和16.8%，表明前墻厚度參數(shù)超過0.8m后，該預(yù)制拼裝式擋土墻拉應(yīng)力顯著集中，墻體受張拉破壞威脅陡升，對(duì)擋土墻安全運(yùn)營(yíng)帶來較大挑戰(zhàn)。分析認(rèn)為，當(dāng)前墻厚度超過一定節(jié)點(diǎn)后，此時(shí)前墻自重應(yīng)力集中在底板上，造成底板產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，進(jìn)而影響填土側(cè)與背水側(cè)拉應(yīng)力分布狀態(tài)，造成應(yīng)力集中上升的現(xiàn)象，因而應(yīng)控制前墻厚度在合理區(qū)間。

圖3 前墻厚度參數(shù)影響下特征部位最大拉應(yīng)力變化

3.2 壓應(yīng)力影響特征

根據(jù)前墻厚度參數(shù)對(duì)拉應(yīng)力影響計(jì)算，同理獲得壓應(yīng)力受之影響變化特征，見圖4所示。從圖4中可知，3個(gè)特征部位最大壓應(yīng)力與前墻厚度參數(shù)均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，各曲線變化呈L形；3個(gè)特征部位最大壓應(yīng)力均以臨水側(cè)為最大，在前墻厚度為1.2 m時(shí)臨水側(cè)最大壓應(yīng)力為2.44 MPa，而填土側(cè)、底板部位最大壓應(yīng)力相比前者降低25.4%、16.4%，這與臨水側(cè)所受上揚(yáng)壓力、靜水壓力影響有關(guān)，故各方案中該部位上壓應(yīng)力均為擋土墻身上最大。當(dāng)前墻厚度參數(shù)增大時(shí)，特征部位最大壓應(yīng)力呈“快速下降-緩慢下降”兩階段變化特征。以臨水側(cè)壓應(yīng)力為例，其在前墻厚度0.6～0.8 m區(qū)間內(nèi)，最大壓應(yīng)力降低54.2%；在厚度區(qū)間0.8～1.4 m內(nèi)，最大壓應(yīng)力平均降幅為0.2%，其中各設(shè)計(jì)方案間最大降幅為0.36%，表明厚度參數(shù)過大，其壓應(yīng)力降幅并無較大的增長(zhǎng)。填土側(cè)最大壓應(yīng)力降幅變化與臨水側(cè)有所類似，厚度0.6～0.8 m區(qū)間內(nèi)的最大壓應(yīng)力降幅為45.4%，在此之后各方案間壓應(yīng)力最大降幅為0.56%。分析認(rèn)為，最大壓應(yīng)力隨前墻厚度參數(shù)變化具有顯著降幅轉(zhuǎn)變節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)為厚度0.8 m；超過該節(jié)點(diǎn)后，增大前墻厚度參數(shù)，對(duì)整體擋土墻壓應(yīng)力抑制效應(yīng)并無顯著促進(jìn)作用。綜合應(yīng)力影響特征認(rèn)為，當(dāng)擋土墻前墻厚度為0.8 m時(shí)，墻體各特征部位上應(yīng)力均處于較佳狀態(tài)，擋土墻運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性最優(yōu)。

圖4 前墻厚度參數(shù)影響下特征部位最大壓應(yīng)力變化

4 擋土墻后墻厚度參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

擋土墻前墻最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)確定后，對(duì)后墻參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化分析很有必要。在保證擋土墻其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變情況下，設(shè)定前墻厚度為0.8 m，分別設(shè)定后墻厚度參數(shù)為0.6、0.8、1、1.2、1.4和1.6 m，同樣以擋土墻填土側(cè)、臨水側(cè)及底板特征部位應(yīng)力開展計(jì)算分析。

4.1 拉應(yīng)力影響特征

根據(jù)后墻厚度參數(shù)設(shè)計(jì)方案計(jì)算出擋土墻各特征部位拉應(yīng)力影響特征，見圖5。從圖5中可看出，后墻厚度參數(shù)與填土側(cè)、臨水側(cè)部位最大拉應(yīng)力為負(fù)相關(guān)關(guān)系，在后墻厚度0.6 m時(shí)填土側(cè)最大拉應(yīng)力為1.28 MPa，而厚度增大至1、1.4和1.6 m后，最大拉應(yīng)力相比前者分別減少32.8%、58.6%和61%，同樣各方案間臨水側(cè)最大拉應(yīng)力降幅分別為26.7%、55.6%和57.9%。從整體降幅亦可知，后墻厚度增大0.2 m，填土側(cè)、臨水側(cè)部位最大拉應(yīng)力平均降低16.3%、15.1%，且集中在厚度參數(shù)方案0.6～1.2 m區(qū)間內(nèi)，兩者在該區(qū)間內(nèi)最大降幅分別為36%、35.4%；表明后墻厚度參數(shù)愈大，對(duì)填土側(cè)、背水側(cè)拉應(yīng)力抑制效果顯著。但不可忽視，當(dāng)后墻厚度參數(shù)增大至1.2 m后，兩特征部位最大拉應(yīng)力降幅呈較小波動(dòng)，表明填土、背水兩個(gè)側(cè)壁上最大拉應(yīng)力在后墻厚度參數(shù)增大至一定節(jié)點(diǎn)后，抑制效應(yīng)達(dá)到“飽和”狀態(tài)，降幅穩(wěn)定。與前兩特征部位不同的是，底板部位最大拉應(yīng)力隨后墻厚度參數(shù)為遞增關(guān)系，厚度為1、1.4和1.6 m時(shí)，最大拉應(yīng)力相比厚度0.6 m下分別增長(zhǎng)26.9%、87.3%和152.7%，特別是在厚度參數(shù)1.2 m后，底板部位最大拉應(yīng)力增幅顯著提升；厚度為0.6～1.2 m時(shí)，每0.2 m厚度增長(zhǎng)，僅帶來最大拉應(yīng)力增幅10.4%；但在此之后，厚度1.6、1.4 m與厚度1.2 m方案間最大拉應(yīng)力分別達(dá)到87.8%、39.2%差幅。筆者認(rèn)為，后墻厚度參數(shù)雖一定程度上可導(dǎo)致底板結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力增長(zhǎng)，但其增長(zhǎng)空間主要集中在后墻厚度1.2 m方案后，因而設(shè)計(jì)時(shí)可優(yōu)先考慮后墻厚度對(duì)拉應(yīng)力影響節(jié)點(diǎn)參數(shù)方案。

圖5 后墻厚度參數(shù)影響下特征部位最大拉應(yīng)力變化

4.2 壓應(yīng)力影響特征

依據(jù)后墻厚度各設(shè)計(jì)方案計(jì)算獲得壓應(yīng)力特征，見圖6。根據(jù)圖6中特征部位最大壓應(yīng)力變化特征可知，其變化趨勢(shì)與前墻厚度參數(shù)影響拉應(yīng)力變化特征類似，均呈短V形。壓應(yīng)力最低點(diǎn)為厚度參數(shù)1.2 m時(shí)，當(dāng)后墻厚度參數(shù)為0.6m時(shí)，填土側(cè)最大壓應(yīng)力為3.268 MPa；而后墻厚度為0.8、1.2 m時(shí)，分別降低15.7%、53.2%；在厚度0.6～1.2 m區(qū)間內(nèi)，厚度增大0.2 m，填土側(cè)最大壓應(yīng)力平均降低22.2%；在厚度為0.6 m后，最大壓應(yīng)力為上升態(tài)勢(shì)，厚度增大0.2 m，最大壓應(yīng)力平均增長(zhǎng)25.4%。在3個(gè)特征部位中，最大壓應(yīng)力變化態(tài)勢(shì)基本與之類似，厚度0.6～1.2 m區(qū)間內(nèi)，厚度增大0.2 m，臨水側(cè)、底板部位最大壓應(yīng)力分別平均降低21.3%、19.9%；而在厚度參數(shù)1.2 m后，壓應(yīng)力均開始上升，厚度0.2 m可導(dǎo)致臨水側(cè)、底板部位最大壓應(yīng)力增幅21.1%、21.5%。從整體壓應(yīng)力影響態(tài)勢(shì)可知，后墻厚度參數(shù)應(yīng)不超過壓應(yīng)力最低方案節(jié)點(diǎn)，確保壓應(yīng)力不處于過快上升區(qū)段內(nèi)，控制后墻厚度參數(shù)低于1.2 m，更利于擋土墻安全運(yùn)營(yíng)。

圖6 后墻厚度參數(shù)影響下特征部位最大壓應(yīng)力變化

綜合后墻厚度參數(shù)對(duì)應(yīng)力影響特征認(rèn)為，當(dāng)后墻厚度參數(shù)為1.2 m時(shí)，擋土墻拉應(yīng)力處于較佳抑制狀態(tài)，壓應(yīng)力處于最低，該方案為擋土墻后墻厚度參數(shù)設(shè)計(jì)最優(yōu)。

4.3 最優(yōu)方案應(yīng)力分布特征

根據(jù)ABAQUS應(yīng)力特征計(jì)算，不僅可得到量值變化特征，也可獲得擋土墻應(yīng)力分布特征。由于張拉應(yīng)力是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最為關(guān)注的重點(diǎn)，因而本文給出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案(前后墻厚度分別為0.8、1.2 m)在某一時(shí)刻運(yùn)營(yíng)節(jié)點(diǎn)時(shí)擋土墻各特征面拉應(yīng)力分布特征，見圖7。

圖7 擋土墻各特征面拉應(yīng)力分布特征

從各特征面拉應(yīng)力分布可看出，該最優(yōu)方案中，擋土墻拉應(yīng)力值均較低，最大拉應(yīng)力位于底板部位，但運(yùn)營(yíng)中最大拉應(yīng)力并未達(dá)到1 MPa，低于結(jié)構(gòu)材料安全允許值，滿足運(yùn)營(yíng)要求。從運(yùn)營(yíng)安全性考慮，所確定的最優(yōu)方案是科學(xué)、合理、適配的。

5 結(jié) 論

1) 擋土墻底板部位拉應(yīng)力最大；3個(gè)特征部位最大拉應(yīng)力隨前墻厚度參數(shù)變化呈V形，以厚度0.8 m時(shí)為拉應(yīng)力最低方案；超過該方案后，厚度增長(zhǎng)0.2 m可致填土側(cè)、臨水側(cè)及底板最大拉應(yīng)力分別增長(zhǎng)26.6%、21.1%和16.8%。

2) 后墻厚度參數(shù)與填土側(cè)、背水側(cè)部位最大拉應(yīng)力為負(fù)相關(guān)關(guān)系，厚度增大0.2 m，填土側(cè)、背水側(cè)最大拉應(yīng)力平均降低16.3%、15.1%，且集中在厚度0.6～1.2 m區(qū)間內(nèi)，該區(qū)間內(nèi)兩部位最大降幅分別為36%、35.4%；底板最大拉應(yīng)力隨后墻厚度為遞增，以厚度1.2 m后拉應(yīng)力增幅增長(zhǎng)最為顯著。

3) 3個(gè)特征部位最大壓應(yīng)力與前墻厚度參數(shù)均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，曲線變化呈L形，但特征部位最大壓應(yīng)力隨后墻厚度參數(shù)為V形變化，前墻厚度影響下的平穩(wěn)節(jié)點(diǎn)與后墻厚度影響下最低節(jié)點(diǎn)分別為0.8、1.2 m。

4) 綜合應(yīng)力變化特征與分布特征，當(dāng)擋土墻前后墻厚度分別為0.8、1.2 m時(shí)，預(yù)制拼裝式水工擋土墻設(shè)計(jì)最優(yōu)。