中順大圍東河水閘錨索加固方案數(shù)模分析研究

張 巍 朱瀟瀟 陳冬冬

(淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005)

1 引 言

水利工程中堤壩水閘水利設(shè)施對防洪、調(diào)度水資源具有重要作用，確保水閘類水利設(shè)施運(yùn)營的安全性，是促進(jìn)地區(qū)水利安全的重要舉措之一[1]。中順大圍是中山市重要防洪排澇樞紐工程，所涉及的水利設(shè)施眾多，其中水利設(shè)施的檢修及除險加固尤為重要[2]。重多學(xué)者借助物理模型理論，設(shè)計水工模型試驗，通過研究水利模型在失穩(wěn)、潰壩等破壞過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，為實際工程設(shè)計、加固處理等提供重要指導(dǎo)[3-5]。當(dāng)然，一些水利工程建設(shè)過程中，已在某些特征部位埋設(shè)有特定的監(jiān)測傳感器，通過工程運(yùn)營過程中相應(yīng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測及分析，可及時預(yù)判水利工程運(yùn)營可靠性，亦可為其他工程水利參數(shù)比較設(shè)計提供參考[6-8]。此外，對水利設(shè)施的安全運(yùn)營應(yīng)未雨綢繆，對一些運(yùn)營年限較長的水工建筑開展模擬仿真分析，在仿真軟件中演練設(shè)計方案的合理性，可為后續(xù)的水工結(jié)構(gòu)加固、性能提升等提供重要數(shù)據(jù)支持[9-11]。本文針對中順大圍東河水閘防洪性能提升問題，模擬設(shè)計結(jié)構(gòu)加固方案，并就方案開展結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)優(yōu)化分析，為東河水閘后續(xù)運(yùn)營能力提升、安全加固提供重要數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 中順大圍東河水閘工程概況

中順大圍干堤東起中山市火炬開發(fā)區(qū)東河口，西至順德區(qū)均安鎮(zhèn)，南至中山市神灣鎮(zhèn)磨刀門出?？?，東南面與五桂山山脈相連，1953—1957年，當(dāng)?shù)厝罕姲言瓉淼男靽?、均安圍?00多個小圍聯(lián)網(wǎng)修筑而成大圍。大圍干堤總長119.106km，分東西兩段，以順德區(qū)均安鎮(zhèn)金沙灘為界，東干堤長52.744km，堤頂設(shè)計高程從樁號0+000的8.85m至樁號52+740的4.81m，西干堤長66.362km，堤頂設(shè)計高程從樁號0+000 的8.85m至樁號66+360的5.10m，設(shè)計外坡比1∶3，內(nèi)坡比1∶2.5，設(shè)計堤面寬6～8m，堤頂路面已全部混凝土硬化，可全天候通行汽車。2009年底，大堤工程完成城鄉(xiāng)水利防災(zāi)減災(zāi)達(dá)標(biāo)工程建設(shè)，達(dá)到防御50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，屬2級堤防工程，堤頂設(shè)計高程按50年一遇洪水位加堤頂超高2m設(shè)防。在中順大圍防洪干堤樞紐工程中共有2座重要大型水閘，發(fā)揮著水資源調(diào)度、防洪蓄水等重要作用，東河水閘即為其中之一。東河水閘位于岐江河?xùn)|端與橫門水道交界處，與東河泵站、東河船閘組成東河水利樞紐工程，于1998年建設(shè)完成，共10孔，單孔凈寬15m，總凈寬150m，閘頂高程5m，徑高10.2m，設(shè)計內(nèi)、外江水位分別為0.5m、2.97m，最大過閘流量1020m3/s，是外江低潮位時中順大圍圍內(nèi)主要的排澇工程之一，將澇水排向橫門水道。東河水閘乃是中順大圍防洪干堤東線工程中重要樞紐設(shè)施之一，其安全運(yùn)營對東線干堤防洪的作用不言而喻，特別是在2019年和2020年夏天臺風(fēng)災(zāi)害愈演愈烈，強(qiáng)降雨導(dǎo)致了城市內(nèi)澇等自然災(zāi)害頻發(fā)，而該水閘受限于建設(shè)年代較早，運(yùn)營時間較長，泄洪、排澇、調(diào)度水資源等作用大打折扣，對東線干堤整體防洪帶來較大壓力。為此，考慮對東河水閘樞紐工程進(jìn)行加固，以提升中順大圍整體防洪能力，但由于目前東河水閘還處于較為安全運(yùn)營狀態(tài)，因而本次加固設(shè)計主要是進(jìn)行“先遣式”研究，對比相關(guān)設(shè)計參數(shù)，進(jìn)而為東河水閘后續(xù)加固設(shè)計施工提供重要參考作用。

工程設(shè)計部門對中順大圍防洪干堤水工設(shè)施調(diào)研后提出，東河水閘加固設(shè)計應(yīng)重點放在閘墩結(jié)構(gòu)，由于排澇、蓄水等工況影響，閘墩結(jié)構(gòu)受到較為顯著的動水壓力和閘室結(jié)構(gòu)自重等荷載。東河水閘所在工程場地以河流淤積土為主，表面覆蓋土層含水量大，土工測試表明最優(yōu)含水量為21%；現(xiàn)場鉆孔獲取的基巖層為片麻巖，混雜有砂巖與砂礫石等巖體，處于微風(fēng)化狀態(tài)，適合增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索等加固結(jié)構(gòu)。

3 東河水閘預(yù)應(yīng)力錨索加固結(jié)構(gòu)模擬分析

3.1 模擬工況

根據(jù)對中順大圍中線干堤東河水閘的分析，考慮對該水閘閘墩結(jié)構(gòu)增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)施，以此提升水閘排澇效率，進(jìn)而提升區(qū)域內(nèi)防洪性能。通過對水閘運(yùn)營荷載以及閘墩截面受力狀態(tài)的分析，預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計成主、次錨索分布，參照水閘錨固結(jié)構(gòu)通用標(biāo)準(zhǔn)，主錨索設(shè)計張拉噸位為2800kN，預(yù)應(yīng)力錨索截面布設(shè)狀態(tài)見圖1。主錨索設(shè)計上、下排結(jié)構(gòu)，兩排主錨索間距為240mm，而各排錨索由3根加固處理后的張拉鋼筋組成，共有4根主錨索確保錨索預(yù)應(yīng)力張拉有效。次錨索與主錨索垂直相交，雙層布設(shè)，層間距為120mm，本次模擬設(shè)計中確定的參數(shù)主要為主錨索超載噸位與張拉噸位，次錨索張拉噸位和墊板厚度參數(shù)也是模擬分析的設(shè)計參數(shù)。由于預(yù)應(yīng)力錨索與閘墩的連接方式為整體式，設(shè)墊板作為荷載傳遞載體，墊板平面圖見圖2，其厚度參數(shù)設(shè)計差異性會影響錨索與閘墩結(jié)構(gòu)的拉、壓應(yīng)力變化，因而研究墊板厚度參數(shù)對優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。

圖1 預(yù)應(yīng)力錨索截面布設(shè)圖

圖2 墊板平面圖

借助ABAQUS數(shù)值計算軟件建立加固后的東線干堤壩上東河水閘模型，見圖3。該模型采用三角形與四邊形單元體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共獲得微單元368216個，節(jié)點數(shù)328220個，干堤上、下游均設(shè)定為自由邊界，上游洪水位為4.5m，洪水流量為115m3/s，均以閘門單側(cè)開啟作為研究工況，該工況下包括閘室自重、水壓力、閘門推力、揚(yáng)程壓力及錨索預(yù)應(yīng)力等荷載。為準(zhǔn)確對東河水閘閘墩進(jìn)行模擬，對其中增設(shè)的預(yù)應(yīng)力錨索的重要部位進(jìn)行提取，獲得閘墩、錨塊體的計算模型，見圖4，并在圖中閘墩模型處標(biāo)注出包括錨塊、錨固洞等特征部位所在區(qū)域。加固后水閘模型計算過程中，以東線干堤壩所在右岸方向為X正向，下游水流方向為Y正向，順高度向上為Z正向[12]，在預(yù)定的幾何模型中按照計算方案輸入設(shè)計參數(shù)，計算獲得相應(yīng)的拉、壓應(yīng)力特征后更改研究的設(shè)計參數(shù)，獲得改變參數(shù)后方案的應(yīng)力特征，全過程中保持工況與邊界荷載條件一致。

圖3 東線干堤壩上東河水閘模型

圖4 預(yù)應(yīng)力錨索重要部位計算模型

3.2 次錨索張拉噸位參數(shù)設(shè)計

由于東河水閘模擬設(shè)計中主錨索設(shè)計噸位已被確定，拉錨系數(shù)取值為2，因而次錨索張拉噸位設(shè)計參數(shù)重點關(guān)注，根據(jù)次錨索張拉噸位與主錨索張拉噸位關(guān)系，本次優(yōu)化方案設(shè)計次錨索張拉噸位為1400kN(A方案)、1600kN(B方案)、1800kN(C方案)、2000kN(D方案)、2200kN(E方案)，各方案中除次錨索張拉噸位不一致，其他設(shè)計參數(shù)均保持一致，各方案設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 各方案加固結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

根據(jù)模擬工況下計算獲得加固結(jié)構(gòu)特征部位處最大拉應(yīng)力與次錨索張拉噸位關(guān)系，并給出最大拉應(yīng)力變化特征，見圖5。從圖5中可看出，東河水閘加固結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力均處于錨塊體上，在次錨索張拉噸位為1600kN時閘墩結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為2.21MPa，在錨塊體下游面上，而與此同時在閘墩肩部和錨固洞截面上的最大拉應(yīng)力相比前者分別降低了31.2%、57%，各特征部位上的差異性規(guī)律在其他張拉方案中亦是如此。分析認(rèn)為，若采用預(yù)應(yīng)力錨索對東河水閘樞紐工程進(jìn)行加固設(shè)計，此時結(jié)構(gòu)體系中受到最大張拉破壞威脅的是錨塊體，其聚集了結(jié)構(gòu)體系中較大的拉應(yīng)力，雖然最大拉應(yīng)力并未超過材料安全允許區(qū)間，但需重點關(guān)注防護(hù)。對比最大拉應(yīng)力與次錨索張拉噸位關(guān)系可知，錨塊體上最大拉應(yīng)力隨張拉噸位變化并無波動，各方案均穩(wěn)定在2.2MPa，而受波動影響最大的是錨固洞，其最大拉應(yīng)力隨張拉噸位變化呈遞減態(tài)勢，張拉噸位為1400kN時錨固洞截面最大拉應(yīng)力為1.08MPa，而張拉噸位增大至1800kN和2200kN后，相應(yīng)的最大拉應(yīng)力相比前者分別降低了23.7%、38.2%，計算張拉噸位增長幅度與最大拉應(yīng)力遞減幅度可知，當(dāng)張拉噸位增大200kN時，錨固洞截面上最大拉應(yīng)力的最大降幅為13.4%，而平均可降低幅度為11.3%，表明張拉噸位設(shè)計參數(shù)大，可限制錨固洞上拉應(yīng)力發(fā)展，對錨固洞安全穩(wěn)定性具有促進(jìn)作用。閘墩肩部最大拉應(yīng)力波動幅度較小，最大波動幅度僅為0.8%，表明閘墩肩部拉應(yīng)力對張拉噸位影響的敏感度弱于錨固洞截面。

圖5 張拉噸位影響下最大拉應(yīng)力變化特征

拉應(yīng)力可體現(xiàn)東河水閘模擬設(shè)計過程中結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性，而壓應(yīng)力可體現(xiàn)結(jié)果運(yùn)營過程中閘墩結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力錨索間的應(yīng)力傳遞效果，為此，給出模擬設(shè)計中水閘閘墩特征部位最大壓應(yīng)力與張拉噸位關(guān)系，見圖6。從圖6最大壓應(yīng)力變化特征可知，模擬設(shè)計的閘墩結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力隨張拉噸位變化較穩(wěn)定，無顯著波動性，最大壓應(yīng)力仍位于錨塊體，各設(shè)計方案中最大壓應(yīng)力均保持一致，為18.6MPa，而閘墩肩部與錨固洞截面上的最大壓應(yīng)力分別穩(wěn)定在9.5MPa、7.2MPa，閘墩肩部處最大壓應(yīng)力變化幅度最大僅為1.5%。綜上分析，次錨索張拉噸位對水閘閘墩最大壓應(yīng)力影響較小，可忽略其對加固結(jié)構(gòu)影響，而結(jié)合拉、壓應(yīng)力表現(xiàn)認(rèn)為張拉噸位取2200kN是東河水閘加固的最優(yōu)方案。

圖6 張拉噸位影響下最大壓應(yīng)力變化特征

4 加固結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計分析

墊板作為閘墩與預(yù)應(yīng)力錨索間重要傳遞載體，其厚度參數(shù)優(yōu)化設(shè)計對比方案分別設(shè)定為30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm，墊板截面尺寸均為45cm×45cm，錨索其他設(shè)計參數(shù)均保持一致，對上述模擬設(shè)計方案開展對比分析。

圖7為東河水閘加固結(jié)構(gòu)特征部位最大拉應(yīng)力與墊板厚度參數(shù)間關(guān)系曲線。從圖7可知，除閘墩肩部外，錨固洞截面與錨塊體最大拉應(yīng)力均隨墊板厚度增加而遞增，在墊板厚度為30mm時，錨塊最大拉應(yīng)力為2.63MPa，而墊板厚度為50mm、70mm、80mm時的最大拉應(yīng)力是前者的1.13倍、1.33倍、1.56倍，從拉應(yīng)力增長幅度可知，墊板厚度為30～60mm，厚度每增長10mm，錨固最大拉應(yīng)力可增大6.3%，而在厚度為60～80mm，相同條件下的最大拉應(yīng)力增長幅度為14.1%，表明錨塊最大拉應(yīng)力隨墊板厚度的增長幅度為越來越大，錨固洞處變化趨勢亦是如此，墊板厚度為30～60mm與60～80mm，厚度每增長10mm，分別可影響最大拉應(yīng)力5%、19.2%的增長。另一方面，閘墩肩部最大拉應(yīng)力受墊板厚度抑制顯著，兩者具有顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，墊板厚度為50mm、80mm時的肩部部位處最大拉應(yīng)力相比厚度30mm時降低了13.1%、25.4%，墊板厚度設(shè)計參數(shù)越大，越有利于閘墩肩部處應(yīng)力安全。

圖7 墊板厚度影響下最大拉應(yīng)力變化特征

圖8為墊板厚度參數(shù)影響下加固結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力變化特征。從圖8可知，加固結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力均隨墊板厚度增加而遞增，墊板厚度為50mm、80mm時的錨固洞截面部位處最大壓應(yīng)力相比厚度30mm時增大了9%、17.7%，即東河水閘采用墊板作為傳遞應(yīng)力載體后，其壓應(yīng)力表現(xiàn)狀態(tài)良好，對水閘在低于動水壓力時具有較好的“抵抗”作用。從不同墊板厚度方案結(jié)果可知，在60mm后再增加厚度，最大壓應(yīng)力的增長變緩，厚度80mm時錨塊最大壓應(yīng)力相比厚度70mm時僅增長了1.3%，表明厚度參數(shù)取值在合理區(qū)間即可。綜上對比分析，考慮工程經(jīng)濟(jì)設(shè)計因素，不能一味地增大墊板厚度，對于東河水閘模擬設(shè)計工況中來說，墊板厚度參數(shù)取值為60mm為較佳方案。

圖8 墊板厚度影響下最大壓應(yīng)力變化特征

5 結(jié) 語

針對中順大圍干堤東線工程中東河水閘防洪穩(wěn)定性能提升問題，設(shè)計對其進(jìn)行模擬加固分析，對加固設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，主要得到以下幾點結(jié)論：

a.次錨索張拉噸位方案優(yōu)化中，結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力均位于錨塊部位，應(yīng)對其進(jìn)行重點設(shè)計防護(hù)；錨塊與肩部處最大拉應(yīng)力受張拉噸位影響較小，各設(shè)計方案下均分別穩(wěn)定在2.2MPa、1.5MPa，錨固洞截面最大拉應(yīng)力受張拉噸位影響較顯著，且呈遞減態(tài)勢，張拉噸位增大200kN時，平均降幅為11.3%。

b.閘墩加固結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力受張拉噸位影響較小，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在錨塊上，各方案中錨塊最大壓應(yīng)力均穩(wěn)定在18.6MPa；而加固結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力均隨墊板厚度增加而遞增，厚度60mm后最大壓應(yīng)力增長幅度減小。

c.錨固結(jié)構(gòu)上最大拉應(yīng)力隨墊板厚度增加而遞增，墊板厚度為30～60mm、60～80mm時，厚度每增長10mm，錨固最大拉應(yīng)力分別增大6.3%、14.1%；結(jié)構(gòu)肩部處最大拉應(yīng)力受墊板厚度設(shè)計參數(shù)抑制顯著，且兩者具有線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。

d.綜合工程設(shè)計安全可靠性與經(jīng)濟(jì)性，張拉噸位為2200kN、墊板厚度參數(shù)為60mm時為模擬設(shè)計工況中的最優(yōu)方案。