張拉預(yù)應(yīng)力施工影響下水閘加固結(jié)構(gòu)應(yīng)力穩(wěn)定性研究

曾俊平

（江西省水利水電建設(shè)集團有限公司，江西 南昌 330200）

水利樞紐工程中泄洪水閘運營安全性是發(fā)揮其防洪、蓄水、排澇等功能作用的重要保障，提升水閘穩(wěn)定性本質(zhì)上是確保結(jié)構(gòu)應(yīng)力安全性[1-3]，使水閘不出現(xiàn)張拉破壞，提升整體抗拉特性。水閘加固設(shè)計方案與施工工藝有關(guān)，確保施工工序簡便、加固結(jié)構(gòu)有效乃是水工結(jié)構(gòu)設(shè)計方案優(yōu)化的重要體現(xiàn)[4，5]。模型試驗理論是研究水工建筑穩(wěn)定性以及滲流狀態(tài)的一種重要手段。劉芷妍等[6]、李寧霄[7]、陳斌等[8]利用水工模型設(shè)計對比試驗，分析不同方案設(shè)計參數(shù)優(yōu)化下水工建筑滲流場、靜力場穩(wěn)定特征，為工程建設(shè)、設(shè)計提供重要佐證。另一方面，基于現(xiàn)場監(jiān)測手段，對已有工程進行監(jiān)測，分析工程運營數(shù)據(jù)規(guī)律性，為擬建工程設(shè)計提供優(yōu)化參考[9，10]。不論是模型試驗或是監(jiān)測手段，周期均耗時較長，為高效研究解決該問題，逐步推廣應(yīng)用數(shù)值計算。一些學(xué)者利用Abaqus[11]、ANSYS[12]、COMSOL[13]等多類型仿真計算平臺，建立計算模型，施加相應(yīng)的工況邊界荷載，分析不同設(shè)計參數(shù)影響下水工計算模型的應(yīng)力、位移特征，進而確定最優(yōu)方案。基于贛江中下游地區(qū)擬建水利樞紐工程泄洪水閘加固結(jié)構(gòu)設(shè)計方案優(yōu)化問題，利用Abaqus 仿真計算平臺，探討張拉施工預(yù)應(yīng)力損失量影響下結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化與分布特征，為確定最優(yōu)工程設(shè)計方案提供計算依據(jù)。

1 工程概況

贛江中下游地區(qū)在春夏之交經(jīng)常水位暴漲，危及下游地區(qū)的防洪安全，工程設(shè)計部門考慮在贛江中下游所涉及的吉安、豐城等地區(qū)新建一座水利樞紐工程。該工程包括防洪堤壩、溢洪道、泄洪閘以及輸水隧洞等，堤壩全長2 582 m，沿南北走向，壩頂高程258.5 m，局部壩段設(shè)置有高度3.2~3.8 m 防浪墻，減弱水力沖刷作用。壩體采用混凝土堆石壩澆筑而成，壩身設(shè)置有止水面板，重點部位設(shè)置有防滲墻，確保壩體滲透坡降滿足安全要求。輸水隧洞是贛江上游水位調(diào)度的重要設(shè)施，可在汛期實現(xiàn)上游水資源分流，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及其他方向提供重要水資源。隧洞開挖擬采用襯砌錨索支護結(jié)構(gòu)，圍巖體屬大理巖，監(jiān)測表明圍巖完整性較佳。模擬計算開挖過程可知，圍巖張拉應(yīng)力集中效應(yīng)并不明顯，最大拉應(yīng)力僅0.45 MPa，輸水隧洞建設(shè)處于較安全可靠狀態(tài)。贛江中下游地區(qū)泄流水量常超過1 000 m3/s，故樞紐工程設(shè)置有溢洪道結(jié)構(gòu)，堰頂高度248.5 m，采用多孔式泄流設(shè)計，單孔尺寸6 m×5.5 m，閘室底板厚度0.8 m，泄流閘剖面如圖1 所示。采用預(yù)應(yīng)力閘墩作為承重加固結(jié)構(gòu)，其所布設(shè)的橫、縱連系梁乃是結(jié)構(gòu)體系中重要一環(huán)，有限元分析表明連系梁上最大拉應(yīng)力1.55 MPa，最大位移屬沉降方向，達12.6 mm。結(jié)構(gòu)體系靜力荷載下安全穩(wěn)定性較佳，但動力響應(yīng)下加速度響應(yīng)值最大可達3.8 m/s2，結(jié)構(gòu)抗震性能比較弱，需在溢洪道支撐墩結(jié)構(gòu)中設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)。該錨索與連系梁呈相反布置，橫向錨索間距160 mm，為多層式分布，層間距40 mm，最大可承受張拉荷載3 550 kN；縱向錨索與橫向相互垂直，雙層錨筋作為單束錨索，層間距30 mm，抗傾覆、抗滑移穩(wěn)定性均較佳，估計投入運營后，該結(jié)構(gòu)體系中最大可減弱張拉應(yīng)力30%。預(yù)應(yīng)力加固結(jié)構(gòu)與泄流中墩的連接過程需要完成張拉預(yù)應(yīng)力施工，而施工工序會影響張拉預(yù)應(yīng)力損失量，為提升泄流水閘加固結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平，對不同施工工序（不同張拉應(yīng)力損失量）下水閘加固結(jié)構(gòu)設(shè)計開展仿真優(yōu)化。

圖1 泄流閘剖面

2 仿真建模

根據(jù)贛江中下游地區(qū)擬建泄流水閘加固結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力錨索分析，初步設(shè)計橫向錨索根數(shù)為16 根，縱向錨索根數(shù)為14根，另橫向錨索與水平面夾角為30°，橫、縱向設(shè)計荷載噸位分別為2 580、1 860 kN，拉錨系數(shù)為1.8，錨索保護層厚度0.4 m，錨筋直徑24 mm，采用整體式施工工藝，確保預(yù)應(yīng)力錨索與中墩間連接處無張拉應(yīng)力集中。該設(shè)計方案中錨固洞體型為半圓弧，高度1.6 m，長邊1.2 m，墊塊截面尺寸為0.35 m×0.35 m的矩形，可承受最大拉應(yīng)力3.4 MPa，中墩厚度1.4 m，錨索布設(shè)形式如圖2 所示。在各設(shè)計參數(shù)保持一致的前提下，對施工工序影響下的張拉預(yù)應(yīng)力損失量進行計算分析，由于張拉過程中預(yù)應(yīng)力損失量為5%~30%，不同施工方案勢必會影響錨索最終加固性能，對錨索張拉施工預(yù)應(yīng)力損失量參數(shù)開展計算優(yōu)化很有必要。

圖2 加固錨索布設(shè)形式

針對上述工程資料，利用Abaqus 仿真平臺開展建模計算[14，15]，建立的泄流水閘整體有限元模型如圖3 所示。該模型包括水閘、閘墩以及錨索加固結(jié)構(gòu)等，簡化了連系梁等對預(yù)應(yīng)力錨索無顯著影響結(jié)構(gòu)。泄流水閘模型提取加固結(jié)構(gòu)獨立模型與預(yù)應(yīng)力錨索中錨塊體獨立模型，如圖4所示。圖3模型采用三、四變形作為微單元體進行網(wǎng)格劃分，共獲得泄流水閘整體微單元285 682個、節(jié)點數(shù)198 636個，而在加固結(jié)構(gòu)模型中共有單元體125 628 個、節(jié)點數(shù)106 282 個，錨塊體是關(guān)鍵部位，獨立加密劃分。在加固結(jié)構(gòu)中，設(shè)計參數(shù)均一致，但施工工序改變會影響張拉預(yù)應(yīng)力損失量，因而改變單一預(yù)應(yīng)力損失量參數(shù)η，對比分析張拉預(yù)應(yīng)力損失5%（A 方案）、10%（B 方案）、15%（C 方案）、20%（D 方案）、25%（E 方案）、30%（F 方案）6 個方案，進而獲得結(jié)構(gòu)張拉預(yù)應(yīng)力施工最優(yōu)方案。計算模型中，設(shè)定X、Y、Z 正向分別為順?biāo)l右肩、順下游水流及閘室垂直向上方向。計算工況以施工完建期作為研究對象，該工況下外荷載包括結(jié)構(gòu)自重與錨索張拉荷載，模型底部設(shè)置有固定約束，頂部為單向約束，左、右側(cè)為自由邊界條件，在上述建模資料以及設(shè)計方案基礎(chǔ)上，分析不同張拉預(yù)應(yīng)力損失方案下的結(jié)構(gòu)靜力場特征。

圖3 泄流水閘整體有限元模型

圖4 錨索加固結(jié)構(gòu)特征部位計算模型

3 張拉施工預(yù)應(yīng)力影響下加固結(jié)構(gòu)應(yīng)力特征

3.1 拉應(yīng)力特征

對不同張拉施工預(yù)應(yīng)力設(shè)計方案開展應(yīng)力計算，獲得不同預(yù)應(yīng)力損失量下的關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力變化關(guān)系，如圖5 所示。從圖5 可知，3 個關(guān)鍵部位中拉應(yīng)力最大屬錨固洞，該部位乃是加固結(jié)構(gòu)中張拉應(yīng)力集中威脅最大截面，在張拉預(yù)應(yīng)力損失15%時錨固洞上最大拉應(yīng)力為2.04 MPa，而同方案中閘坎、錨塊部位上最大拉應(yīng)力較前者分別下降了68.2%、49.8%，在各方案中錨固洞與閘坎部位拉應(yīng)力差距幅度達86.9%~3.4 倍，與錨塊上拉應(yīng)力差幅達28.8%~1.8 倍；表明加固結(jié)構(gòu)配筋時應(yīng)重點關(guān)注錨固洞，確保該部位抗拉特性處于較佳狀態(tài)[16]。從預(yù)應(yīng)力損失量影響拉應(yīng)力變化可知，錨固洞最大拉應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力損失量呈負相關(guān)變化，張拉預(yù)應(yīng)力損失5%時錨固洞上最大拉應(yīng)力為2.81 MPa；而預(yù)應(yīng)力損失增長至10%、20%、30%后，拉應(yīng)力相比降低了14.6%、44.9%、47.9%，其中降幅在預(yù)應(yīng)力損失量5%~20%更顯著，該區(qū)間內(nèi)錨固洞拉應(yīng)力平均降幅達17.9%；預(yù)應(yīng)力損失量超過20%后，各方案間拉應(yīng)力最大降幅僅為3.2%，平均降幅2.8%，表明張拉預(yù)應(yīng)力損失量20%時不僅有利于簡化施工工序，而且有益于結(jié)構(gòu)抗拉特性。與錨固洞不同，閘坎、錨塊兩部位上最大拉應(yīng)力在張拉預(yù)應(yīng)力損失量5%~20%時，基本保持不變，穩(wěn)定在1.02、0.65 MPa，低于結(jié)構(gòu)材料允許值；而張拉施工預(yù)應(yīng)力損失量在25%、30%后，閘坎上最大拉應(yīng)力相比前一穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)最大拉應(yīng)力分別增長了20.1%，而錨塊最大拉應(yīng)力在張拉預(yù)應(yīng)力損失量20%~30%時平均增幅達5.8%，在應(yīng)力損失量20%后易出現(xiàn)危險張拉面，因而控制張拉應(yīng)力損失量低于20%時，閘坎與錨塊上拉應(yīng)力處于安全狀態(tài)。綜合3 個關(guān)鍵部位拉應(yīng)力，當(dāng)張拉預(yù)應(yīng)力損失量在20%時，不僅施工工序較為適中，且3 個關(guān)鍵部位上拉應(yīng)力均處于安全允許值以下，結(jié)構(gòu)抗拉特性較優(yōu)。

圖5 關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力變化

3.2 壓應(yīng)力特征

與拉應(yīng)力計算同理，根據(jù)不同張拉施工方案可獲得張拉預(yù)應(yīng)力損失量影響下關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力變化特征，如圖6 所示。從圖6 可看出，3 個特征部位上壓應(yīng)力最大仍為錨固洞，其壓應(yīng)力分布為12.8~17.5 MPa，而在張拉預(yù)應(yīng)力損失量15%時最大壓應(yīng)力為16.5 MPa，而閘坎、錨塊上壓應(yīng)力僅為前者的46.4%、72.2%。各方案中，錨固洞與閘坎、錨塊上壓應(yīng)力差幅分別為1.1~1.5 倍、31.2%~45.1%，表明關(guān)鍵部位中壓應(yīng)力差異性低于拉應(yīng)力。從不同設(shè)計方案的最大壓應(yīng)力變化特征可知，3 個關(guān)鍵部位壓應(yīng)力隨張拉預(yù)應(yīng)力損失量均為先增后減變化，預(yù)壓效果最好均為張拉預(yù)應(yīng)力損失量20%方案。該方案中錨固洞、閘坎、錨塊3 個部位最大壓應(yīng)力分別為17.5、8.4、13.3 MPa，且關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力與張拉預(yù)應(yīng)力損失量具有二次函數(shù)關(guān)系。當(dāng)張拉預(yù)應(yīng)力損失量為5%~20%時，3 個部位上最大壓應(yīng)力平均增幅分別為10.9%、11.6%、12.3%，而超過該節(jié)點后最大壓應(yīng)力平均降幅分別為8.5%、16.9%、13%；從預(yù)壓效果來看，關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力較大，但低于結(jié)構(gòu)材料允許值，有利于平衡張拉預(yù)應(yīng)力損失量，各設(shè)計方案中最大壓應(yīng)力均超過結(jié)構(gòu)材料安全值，而張拉預(yù)應(yīng)力損失量20%方案下壓應(yīng)力效果最為顯著，更有利于結(jié)構(gòu)張拉施工預(yù)應(yīng)力補償。

圖6 關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力變化

3.3 應(yīng)力分布特征

根據(jù)前述不同設(shè)計方案下拉、壓應(yīng)力特征計算，初步可確定張拉預(yù)應(yīng)力損失量20%為最優(yōu)方案，給出該方案下關(guān)鍵部位應(yīng)力分布狀態(tài)如圖7所示。從圖7 可知，錨固洞最大拉應(yīng)力為1.54 MPa，集中于錨固洞側(cè)截面，但分布區(qū)域較小，全截面上拉應(yīng)力以0.41~0.69 MPa 分布最廣；閘坎上拉應(yīng)力不僅分布區(qū)域較少，且量值亦較低，僅在閘坎與錨塊接觸面上存在局部拉應(yīng)力；錨塊拉應(yīng)力主要集中在0.18~0.46 MPa，在錨塊頂面存在最大拉應(yīng)力，錨塊左、右側(cè)面以及上、下游面所存在拉應(yīng)力量值與分布面積均較小，對結(jié)構(gòu)張拉破壞威脅較輕。綜上可知，當(dāng)選擇張拉預(yù)應(yīng)力損失量20%方案時，加固結(jié)構(gòu)與閘墩應(yīng)力特征均處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，施工工序適中，為最優(yōu)方案。

圖7 關(guān)鍵部位應(yīng)力分布特征

4 結(jié)論

（1）加固結(jié)構(gòu)上拉應(yīng)力最大位于錨固洞，各方案中錨固洞與閘坎、錨塊部位的拉應(yīng)力差幅分別為86.9%~3.4 倍、28.8%~1.8 倍；錨固洞最大拉應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力損失量呈負相關(guān)，但降幅在損失量20%方案后逐漸放緩，在5%~20%、20%~30%時平均降幅分別為17.9%、2.8%，閘坎與錨塊在損失量20%方案前處于拉應(yīng)力穩(wěn)定狀態(tài)，張拉預(yù)應(yīng)力損失量超過20%后拉應(yīng)力遞增。

（2）關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力隨張拉預(yù)應(yīng)力損失量增大為先增后減變化，且兩者具有二次函數(shù)關(guān)系，壓應(yīng)力最大均為張拉預(yù)應(yīng)力損失量20%方案，3 個部位最大壓應(yīng)力分別為17.5、8.4、13.3 MPa，該方案下預(yù)壓效果最佳。

（3）綜合拉、壓應(yīng)力變化特征以及應(yīng)力分布特征可知，張拉預(yù)應(yīng)力損失量20%方案下應(yīng)力分布處于較合理、安全狀態(tài)，屬最優(yōu)方案。