沖口門水閘過渡段擋墻設(shè)計對結(jié)構(gòu)靜力及滲流場影響研究

黃利國

(中山翠亨新區(qū)工程項目建設(shè)事務(wù)中心，廣東 中山 528400)

1 概述

水閘是水利工程中重要控流、節(jié)流設(shè)施[1-2]，其運(yùn)營安全穩(wěn)定性與其附屬建筑密切相關(guān)，研究水閘運(yùn)營離不開對其附屬建筑的分析。擋墻結(jié)構(gòu)是水閘整體樞紐工程中重要的附屬水工結(jié)構(gòu)[3-4]，可較好幫助水閘完成消能、擋土等作用，因而研究擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計對推動水閘運(yùn)營可靠性具有重要意義。張文皎等[5]、謝先坤[6]、孫桂凱等[7]借助物理模型試驗方法，探討了水閘、溢洪道及消能池等水工建筑在運(yùn)營期水力特征，特別是針對體型設(shè)計開展了優(yōu)化分析，對模型試驗的深入應(yīng)用推廣起著典范作用。許濤等[8]、李欣娟等[9]從結(jié)構(gòu)靜、動力場穩(wěn)定性入手，采用多元仿真平臺研究了泵站、心墻壩等水利結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移響應(yīng)特征，進(jìn)而評價不同設(shè)計方案下的最大適配性，為工程設(shè)計優(yōu)化提供了計算依據(jù)。華中等[10]、范海東[11]從水力特征計算考慮，采用FLUENT、FLOW 3D等平臺入手，建立滲流場模型，探討了水工設(shè)計方案與水利設(shè)施流場流速、水位及水沙特征關(guān)系，分析不同設(shè)計方案下流場參數(shù)演變特性，從而作為工程設(shè)計的評價佐證。本文根據(jù)南朗鎮(zhèn)沖口門水閘運(yùn)營現(xiàn)狀，提出在水閘過渡段增設(shè)擋墻結(jié)構(gòu)，并開展了過渡段擋墻結(jié)構(gòu)迎水面不同拐角形式方案的設(shè)計優(yōu)化，從靜力與滲流場兩維度考量設(shè)計方案的技術(shù)優(yōu)勢，為工程建設(shè)提供參考。

2 工程設(shè)計模擬

2.1 工程背景

沖口門水閘位于中山市南朗鎮(zhèn)南沖路，坐落于翠享快線與X573縣道交匯路口東南方向約365 m位置，是豐阜湖聯(lián)圩樞紐上重要控流設(shè)施(如圖1所示)。

圖1 沖口門水閘位置示意

豐阜聯(lián)圩屬灘涂圍墾淤積地，常受臺風(fēng)暴潮的正面襲擊，該聯(lián)圩工程干堤總長為500 m，堤面寬為4 m，堤頂高程為3.0 m左右，1997年在原堤前移建干堤，延長堤圍總長至800 m，而堤面寬度增大1.5倍，進(jìn)一步堆筑堤防，其最終堤頂高程達(dá)4.5 m。在豐阜聯(lián)圩一側(cè)修建有虎池圍海堤，其堤頂高程為4 m，堤面寬度為7 m，迎水側(cè)坡度為1：3，采用碎石土堆筑壩形式，且堤身采用生態(tài)護(hù)坡與防滲混凝土聯(lián)合式固坡，監(jiān)測表明新建虎池圍海堤滲流活動較平靜，對豐阜聯(lián)圩內(nèi)堤防滲流場影響較小。豐阜湖聯(lián)圩樞紐中北部有排洪渠，主要承擔(dān)北側(cè)農(nóng)田防洪排澇等水利功能，全長約為5.2 km，渠面寬度分布為10～35 m，最寬處位于距離沖口門水閘上游155 m處，該排洪渠也可作為聯(lián)圩工程內(nèi)集水流域，承擔(dān)上游大泉水庫泄洪，確保下游沖口門水閘工作流量不宜過大，滿足消能降沖要求。全聯(lián)圩樞紐中涉及河流包括有中心一河、中心二河、蘭溪河、下沙排洪渠等，各河流堤防面寬度分布在3～7 m，最大過流量為245 m3/s，針對各河流防洪要求，聯(lián)圩內(nèi)修建有貝里坑堤防、白企坑堤防、大溪堤防、北部排洪渠堤防及蘭溪河堤防等，最大高程為白企坑堤防，達(dá)10.22 m，堤防高程最小為泮沙排洪渠堤防，僅為0.7 m。由于聯(lián)圩工程內(nèi)修建堤防高程差異性較大，導(dǎo)致上游泄流過程中水力勢能極易在高程突變區(qū)積累，導(dǎo)致下游水閘設(shè)施受水力勢能沖刷影響。

沖口門水閘是聯(lián)圩內(nèi)運(yùn)營年限較長、受水力勢能影響較大的水利設(shè)施，為多孔式過流設(shè)計，共有5孔，閘孔總凈寬為12 m，區(qū)段內(nèi)集雨面積為40.93 km2，滲透坡降為0.001 7，水文模擬計算得到過流斷面最大洪峰流量為320.7 m3/s，這也是本文后續(xù)設(shè)計計算的基礎(chǔ)。根據(jù)對沖口門水閘現(xiàn)狀調(diào)查得知，其閘頂高程為4.84 m，迎水側(cè)水位為2.41 m，閘基礎(chǔ)采用人工預(yù)制樁，其地基土體以沉降變形較大的淤泥土為主，厚度約13 m，閘室底板厚度為1.2 m，閘室長度為10 m，另在基礎(chǔ)與底板接觸面鋪設(shè)有防滲墊層，厚度為0.3～0.4 m，其剖面設(shè)計如圖2所示。由于沖口門水閘運(yùn)營中受上游大流量沖刷影響，導(dǎo)致下游水利設(shè)施控流、消能效果減弱，啟閉系統(tǒng)受損嚴(yán)重(如圖3所示)，為此考慮在水閘過渡段增設(shè)一水工擋墻結(jié)構(gòu)，并針對擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計開展對比優(yōu)化，進(jìn)而提高沖口門水閘運(yùn)營水平。

圖2 水閘剖面設(shè)計示意

圖3 水閘運(yùn)營現(xiàn)狀示意

2.2 設(shè)計模擬

為研究沖口門水閘過渡段擋墻結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計，本文采用UG建模平臺建立起水閘整體模型[12]，并針對閘室及過閘段提取，分別建立相應(yīng)模型(如圖4所示)。該水閘模型已進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在底板、閘頂?shù)戎匾课患用軇澐?，單元網(wǎng)格本構(gòu)模型符合水閘實際用材，整體模型共有微單元網(wǎng)格226 826個，節(jié)點(diǎn)數(shù)186 826個。

a 整體模型 b 閘室模型圖4 水閘模型示意

從擋墻結(jié)構(gòu)的適配性角度考慮，采用加筋土扶壁擋墻作為結(jié)構(gòu)模型[13]，但擋墻迎水側(cè)拐角形式乃是本文設(shè)計優(yōu)化的重點(diǎn)，共有圓弧轉(zhuǎn)角、折線轉(zhuǎn)角及直角轉(zhuǎn)角3種設(shè)計方案，依據(jù)此3種設(shè)計方案分別建立了相應(yīng)的計算模型(如圖5所示)。該模型中以簡易加筋土扶壁擋墻為基礎(chǔ)模型，針對性模擬拐角處截面狀態(tài)，全模型尺寸均為3 m×3 m×2 m，而拐角處截取的模型邊長為0.6 m。3種拐角設(shè)計形式中擋墻模型的土工格柵層間距均為0.8 m，長度為1.4 m，最底部格柵距離水閘底板處為0.2 m，擋墻迎水側(cè)面板厚度為0.25 m，采用剛性材料，模型計算時也采用彈性本構(gòu)模型，經(jīng)疊加擋墻其他構(gòu)件后，拐角處模型如圖6所示。

a 圓弧體型 b 折線體型 c 直角體型圖5 不同拐角形式設(shè)計方案示意

a 圓弧體型 b 直角體型 c 折線體型圖6 拐角模型示意

基于上述已創(chuàng)建模型，3種模型方案中均設(shè)定底部為全約束條件，各向位移均受限，而側(cè)壁上僅為X向受限，存在兩向自由度邊界條件。模型中所有計算參數(shù)均按照工程實際材料取值，X、Y、Z正向分別為閘室下游向、閘室左岸向及結(jié)構(gòu)垂直上方向。從計算荷載考慮，上游泄流量乃是影響沖口門水閘穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，因而計算時按照最大洪峰的10%(32 m3/s)、25%(80 m3/s)、40%(128 m3/s)、55%(176 m3/s)、70%(224 m3/s)、85%(272 m3/s)、100%(320 m3/s)換算，相應(yīng)的擋墻背水側(cè)水位統(tǒng)一按照2.4 m設(shè)定。通過綜合分析結(jié)構(gòu)靜力場與區(qū)段內(nèi)滲流場特征，評價擋墻3種拐角設(shè)計方案的技術(shù)綜合優(yōu)勢。

3 結(jié)構(gòu)靜力場特征

3.1 應(yīng)力特征

根據(jù)對不同來水流量工況下結(jié)構(gòu)靜力場計算，獲得擋墻拉應(yīng)力影響變化特征(如圖7所示)。從圖7中可看出，流量愈大，擋墻結(jié)構(gòu)上拉應(yīng)力愈大，在拐角折線方案中上游流量為32 m3/s下最大拉應(yīng)力為2.91 MPa，而流量為128 m3/s、224 m3/s、320 m3/s方案下拉應(yīng)力較前者方案中分別增大了11.2%、23.7%、63.6%，按照各方案中流量梯次增長48 m3/s下，其結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力平均可增長8.7%；同理，在拐角直角擋墻與圓弧拐角擋墻方案中，拉應(yīng)力受流量工況影響下的增幅分別為9.6%、4.8%，即以拐角圓弧方案下?lián)鯄Y(jié)構(gòu)拉應(yīng)力受影響敏感度最低[14-15]。分析認(rèn)為，水力沖擊作用下，動能轉(zhuǎn)換成勢能作用在擋墻結(jié)構(gòu)上，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)鯄植拷Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大張拉應(yīng)力。對比3種拐角形式擋墻方案，在各流量工況中均以直角拐角擋墻結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力最高，其在各工況中分布為3.89～6.48 MPa，而折線拐角、圓弧拐角擋墻兩者方案的拉應(yīng)力較前者分別減少了25.3%～37.2%、66.2%～71.4%，尤以圓弧拐角方案下拉應(yīng)力水平最低，其在各流量工況中拉應(yīng)力最大未超過2 MPa，甚至上游流量達(dá)到最大洪峰，該方案擋墻結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力仍滿足材料安全應(yīng)力要求。

圖7 拉應(yīng)力影響變化特征示意

擋墻結(jié)構(gòu)另一部分重要作用乃是加固墻后土體，提升土坡整體穩(wěn)定性，因而不同拐角形式的擋墻結(jié)構(gòu)勢必需要考慮土壓力影響變化，圖8為不同流量工況下?lián)鯄战翘幫翂毫ψ兓卣鳌?/p>

從圖8中可看出，拐角處土壓力受上游流量增大影響，其土壓力呈緩慢增長態(tài)勢，且土壓力與流量參數(shù)具有正相關(guān)關(guān)系，初期整體增幅較小，在拐角直角方案中流量128 m3/s、320 m3/s工況下土壓力較之流量32 m3/s下分別增長了9.6%、71.3%；但從整體上看，在拐角直角與折線方案中，當(dāng)流量接近最大洪峰后，拐角處土壓力達(dá)到“失控”增長態(tài)勢，如折線拐角方案中流量272 m3/s 、320 m3/s工況下土壓力分別達(dá)8.82 kPa、11.34 kPa，較之前一流量224 m3/s下分別增長了33.8%、72%，表明在水閘高流量運(yùn)營工況下，此兩種拐角方案中墻后土壓力安全穩(wěn)定性受到較大挑戰(zhàn)，極易發(fā)生傾覆及滲透突涌。從3種拐角設(shè)計方案中土壓力對比也可知，圓弧拐角方案下土壓力分布為3.96～4.81 kPa，而直角與折線拐角擋墻土壓力較前者分別具有增幅89.4%～171.3%、42.6%～135.9%，整體上圓弧拐角擋墻對墻后土壓力的控制及及加固作用為最佳[16]。分析認(rèn)為，拐角處乃是擋墻承載面積發(fā)生突變點(diǎn)，應(yīng)力集中較顯著，而圓弧拐角可較好過渡兩側(cè)水力勢能，減少背后土壓力受水力勢能擾動影響，進(jìn)而表現(xiàn)土壓力水平較穩(wěn)定的現(xiàn)象。

圖8 土壓力變化特征示意

3.2 位移特征

根據(jù)對3種方案中擋墻位移分析，獲得位移分布特征(如圖9所示)。分析表明，其位移分布基本類似，均以頂部變形最大，且聚集有大變形區(qū)域，且拐角處變形值高于擋墻兩側(cè)，此與拐角部位處受承載面積的突變特點(diǎn)影響，故而聚集有較大范圍變形，3種拐角方案中最大變形分別為2.93 mm、3.03 mm、3.04 mm，量值上差異較小，但從分布范圍對比來看，以圓弧拐角擋墻在拐角上的大變形分布最少，其分布變形為3～3.03 mm，而折線拐角擋墻大變形區(qū)分布范圍最廣。

a 折線體型

b 圓弧體型

c 直角體型

對比不同流量工況下3種拐角形式擋墻拐角處的最大位移變化特征可知(見圖10)，位移特征受流量工況影響在3個拐角方案中均有差異，直角拐角擋墻中最大位移呈線性上升，增幅較快，流量為32 m3/s下位移值為2.95 mm，而每梯次增長48 m3/s時，可引起拐角處位移增長15.2%，而在折線方案中，其初期流量工況下位移值甚至低于圓弧拐角方案，但當(dāng)流量逐步增大至接近洪峰時，其位移值超過圓弧拐角方案，對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)流量為176 m3/s，隨每梯次流量，折線拐角方案下位移值有平均增幅13.3%。與前兩種拐角方案不同，圓弧拐角擋墻位移值在各流量工況中增長較緩慢，特別是在高流量工況中甚至處于“遲滯”狀態(tài)，如流量272 m3/s 、320 m3/s工況下位移值穩(wěn)定在2.12 mm，即高流量工況運(yùn)行下，拐角圓弧擋墻結(jié)構(gòu)在承載面積突變點(diǎn)仍具有較好靜力穩(wěn)定性。

圖10 最大位移變化特征

4 區(qū)段滲流場特征

不同拐角形式的擋墻對水閘抗沖刷保護(hù)能力有所差異，其顯著反映在閘室區(qū)段內(nèi)滲流場特征，因而本文基于不同拐角方案，利用流場仿真模型計算獲得閘室區(qū)段內(nèi)流場流速變化特征(如圖11所示)。

a 流量32 m3/s

b 流量272 m3/s

從圖11中可知，在相同流量工況下，流速水平最高為折線拐角方案，在流量為32 m3/s工況中，其流速分布為0.97～1.35 m/s，閘室內(nèi)平均流速為1.18 m/s，而圓弧拐角、直角拐角方案中平均流速較前者分別減少了45.7%、79.7%，雖流速水平過高，有利于沖淤排沙，但過大的流速對下游水工建筑的沖刷效應(yīng)不可忽略；另一方面，在折線拐角方案中其流速變化具有較大波幅，流量為32 m3/s工況下最大波幅達(dá)38.3%，流速穩(wěn)定性欠佳，同樣在直角拐角方案中也存在局部的波幅，極易導(dǎo)致閘室內(nèi)發(fā)生局部的紊流及渦旋活動，不利于控流安全性。當(dāng)流量工況增大至272 m3/s下，3個拐角方案中流速特征與低流量工況下基本一致，圓弧、直角拐角方案下平均流速較折線拐角方案下分別減少了27.7%～52.3%、64.6%～86.8%，即流量愈大，不同拐角方案間流速水平差異性增大。同時，折線拐角方案中流速波動性也增大了，最大波幅可達(dá)62.8%，而直角拐角方案中波幅也達(dá)144.8%，僅圓弧拐角擋墻方案中最大波幅仍維持在2%范圍內(nèi)，穩(wěn)定性較佳。綜合流速水平及變化趨勢，認(rèn)為圓弧拐角擋墻方案中控流、沖淤及降沙技術(shù)綜合優(yōu)勢最大。

5 結(jié)語

1) 流量愈大，擋墻拉應(yīng)力愈大，流量梯次增長48 m3/s下，折線、直角與圓弧拐角方案中拉應(yīng)力分別平均可增長8.7%、9.6%、4.8%；3種拐角方案中直角與圓弧拐角擋墻拉應(yīng)力為最高與最低，圓弧拐角方案中結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力最大未超過2 MPa；墻后土壓力隨流量工況緩慢增長，直角與折線拐角方案中土壓力在高流量工況下已達(dá)到較高水平，圓弧拐角方案下土壓力分布水平最低。

2) 擋墻拐角處變形高于兩側(cè)，且分布有大變形區(qū)，但最大變形值在3種拐角方案中差異較??；直角拐角擋墻中最大位移增幅最大，每梯次流量下位移增長15.2%，圓弧拐角增長緩慢，在高流量工況中位移值穩(wěn)定。

3) 折線拐角方案流速水平最高，但波幅也最大，在流量為32 m3/s、272 m3/s下分別達(dá)38.3%、62.8%，圓弧拐角擋墻方案波幅最低，流速水平適中，直角拐角方案流速最低。

4) 綜合3種拐角方案下靜力與滲流場特征，認(rèn)為圓弧拐角方案更適配水閘過渡段擋墻結(jié)構(gòu)。