水庫堤防擋墻格柵設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全性影響研究

楊俊鴿

（洛陽水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471000）

1 引言

堤防作為水工設(shè)施中重要控流、 防洪建筑，其安全穩(wěn)定性與滲流場(chǎng)變化乃是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的因素[1，2]。 擋墻作為一種防護(hù)結(jié)構(gòu)，其可用作堤防防洪、防滲及加固，故開展擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)推動(dòng)堤防運(yùn)營安全水平具有重要意義。舒天白等[3]、茹秋瑾等[4]采用ANSYS、ABAQUS 等數(shù)值仿真軟件開展了擋墻的靜力場(chǎng)分析，從應(yīng)力、位移特征評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。 華中等[5]、劉波[6]認(rèn)為水工設(shè)計(jì)不應(yīng)僅研究靜力穩(wěn)定性，利用FLUENT、MIKE21等滲流場(chǎng)模擬平臺(tái)開展了流場(chǎng)特征計(jì)算， 分析了不同設(shè)計(jì)方案下水工建筑的滲流場(chǎng)演變， 為工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。 不論是靜力場(chǎng)計(jì)算或是滲流場(chǎng)分析，上述方法集中在數(shù)值計(jì)算過程，陳林[7]采用模型試驗(yàn)手段在室內(nèi)原型復(fù)制建立水工模型，通過施加相似比例尺寸的荷載工況，分析模型在運(yùn)營過程中滲流參數(shù)、應(yīng)力與位移參數(shù)等變化，也可為工程設(shè)計(jì)提供更為高精度的參照。 本文在水庫堤防運(yùn)營現(xiàn)狀的前提下， 采用FLAC 3D 與FLUENT 仿真平臺(tái)開展了加筋格柵擋墻設(shè)計(jì)優(yōu)化分析，為堤防選擇最適配擋墻結(jié)構(gòu)提供參考。

2 工程設(shè)計(jì)模擬

2.1 工程概況

衛(wèi)家磨水庫乃是靈寶市重要水利中樞， 原設(shè)計(jì)蓄水庫庫容為320 萬m3，正常蓄水位19.5m。 該水庫堤防工程最大高度為21.6m，無防浪墻及二次加高擋墻等結(jié)構(gòu)設(shè)施，原堤防基礎(chǔ)乃是原位地基，僅進(jìn)行防滲墊層及注漿加固處理， 堤防斷面形狀如圖1 所示。 由于衛(wèi)家磨水庫工程堤防兩側(cè)岸坡穩(wěn)定性欠佳，且堤防地基土體以軟弱黏土為主，沉降變形較大，特別是岸坡內(nèi)易形成潛在滑移面，對(duì)堤防工程帶來較大威脅。 因而，考慮采用加筋擋土邊墻結(jié)構(gòu)形式對(duì)該岸坡進(jìn)行加固， 其設(shè)計(jì)形式如圖2 所示，而加筋方式采用土工格柵結(jié)構(gòu)[8]，不同于其他擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 格柵設(shè)計(jì)勢(shì)必需要契合邊墻，與之受力、變形及防滲保持一致性，才可最大程度發(fā)揮邊墻對(duì)衛(wèi)家磨水庫堤防的加固防護(hù)作用。 因而，本文重點(diǎn)對(duì)帶格柵結(jié)構(gòu)的擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析。

圖1 堤防斷面圖

圖2 加筋擋土墻設(shè)計(jì)幾何圖

2.2 工程設(shè)計(jì)

采用FLAC 3D 平臺(tái)建立加筋帶格柵擋土邊墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[9]，如圖3 所示，本模型覆蓋防護(hù)范圍為堤防上、下游各15m，而本文研究模型的流場(chǎng)及靜力穩(wěn)定性均考慮在該區(qū)域內(nèi)。 經(jīng)有限元網(wǎng)格劃分后共獲得節(jié)點(diǎn)單元121 652 個(gè)， 節(jié)點(diǎn)數(shù)142 685個(gè)， 該模型中墻后岸坡巖土層物理力學(xué)參數(shù)直接以土工試驗(yàn)實(shí)測(cè)取值，包括土體滲透系數(shù)等。 該擋墻的扶壁、面板厚度參數(shù)分別為1.2m、1m，土工格柵分層鋪設(shè)， 經(jīng)本文計(jì)算表明格柵層間距參數(shù)應(yīng)處于合理區(qū)間， 否則不利于邊墻發(fā)揮防滲與加固作用，而格柵層間距又不應(yīng)超過扶肋厚度，故本文對(duì)比研究方案中格柵層間距設(shè)定為0m （無加筋）、0.2m、0.4m、0.6m、0.8m、1m、1.2m，擋墻結(jié)構(gòu)其他設(shè)計(jì)參數(shù)保持一致， 探討加筋擋墻格柵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)靜力場(chǎng)及流場(chǎng)影響特性。

圖3 擋墻有限元模型

不論擋墻是否加筋設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性反映在擋墻上則是各重要部位的應(yīng)力、 位移特征，圖4 中即是擋墻結(jié)構(gòu)的面板、踵板及扶壁等部位。 在該模型中分別改變格柵設(shè)計(jì)參數(shù)，典型方案的模型中格柵布設(shè)如圖5 所示。 模型中設(shè)定X、Y、Z 正向分別為擋墻剖面下游向、墻后土壓力方向及結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力向。 滲流場(chǎng)模擬FLUENT 開展計(jì)算[10]，通過圖2 幾何模型的導(dǎo)入， 采用三維滲流場(chǎng)分析單元模塊完成流域內(nèi)滲流場(chǎng)特征參數(shù)計(jì)算。

圖4 擋墻結(jié)構(gòu)重要組成部分

圖5 格柵布設(shè)圖

3 格柵設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)靜力場(chǎng)影響

3.1 應(yīng)力特征

依據(jù)格柵層間距各設(shè)計(jì)方案， 獲得擋墻上重要部位拉應(yīng)力受層間距設(shè)計(jì)參數(shù)影響變化特征，如圖6 所示。 分析圖中拉應(yīng)力變化可知，不論格柵層間距設(shè)計(jì)參數(shù)水平如何， 擋墻結(jié)構(gòu)上拉應(yīng)力最大乃是面板迎水側(cè)， 各方案中該部位拉應(yīng)力分布為2.25—5.25MPa，而頂板、扶肋等部位拉應(yīng)力較前者分別減少了16.1%—32.2%、29.6%—50.1%。從抗拉安全設(shè)計(jì)考慮， 面板迎水側(cè)迎水側(cè)最易受到張拉應(yīng)力集中效應(yīng)， 所選用的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)滿足較大抗拉要求。 當(dāng)格柵層間距增大后， 面板迎水側(cè)、扶肋及頂板上的最大拉應(yīng)力均隨之遞減，但不可忽視層間距過大，拉應(yīng)力降幅減小。 分析表明，格柵布設(shè)間距愈大， 對(duì)結(jié)構(gòu)張拉應(yīng)力的分散調(diào)整具有促進(jìn)作用， 更好提升擋墻抗拉效果； 另一方面，格柵層間距不應(yīng)過大，不利于加筋格柵在擋墻內(nèi)分布，應(yīng)控制層間距設(shè)計(jì)參數(shù)在合理區(qū)間即可。當(dāng)格柵層間距在方案0—0.8m 內(nèi)時(shí)， 在各方案間，頂板、 扶肋及面板迎水側(cè)拉應(yīng)力隨之平均降幅為22.7%、25%、18.7%，而層間距超過0.8m 后，前三個(gè)部位拉應(yīng)力的平均降幅分別為0.7%、1.2%、0.9%。依據(jù)此三部位拉應(yīng)力變化可初步得知， 格柵層間距最優(yōu)方案不需要超過0.8m。 而擋墻上另一踵底板部位拉應(yīng)力在各方案中均處于較穩(wěn)定狀態(tài)，維持在1MPa，各方案中拉應(yīng)力最大波幅不超過1%。從拉應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)分析， 認(rèn)為當(dāng)格柵層間距0.8m 時(shí)結(jié)構(gòu)抗拉技術(shù)優(yōu)勢(shì)最顯著。

圖6 擋墻各部位最大拉應(yīng)力特征

根據(jù)結(jié)構(gòu)靜力場(chǎng)計(jì)算， 同樣獲得了重點(diǎn)部位壓應(yīng)力受層間距參數(shù)影響特征，如圖7 所示。 分析壓應(yīng)力變化可知，踵底板部位處受壓最大，各方案中其最大壓應(yīng)力分布為11.2—22.3MPa，即結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力乃是決定受壓效果的最主要因素。 當(dāng)格柵層間距參數(shù)遞增后， 各部位最大壓應(yīng)力均隨之先增后減變化， 而所有方案中壓應(yīng)力最大均位于間距0.8m 方案中，在該方案下踵底板、扶肋及面板迎水側(cè)壓應(yīng)力分別為22.3MPa、19.1MPa、16.3MPa。當(dāng)格柵層間距過低時(shí)，如位于0—0.8m 方案中，當(dāng)間距每增大0.2m，各部位壓應(yīng)力平均可增長19.1%、19.5%、20%，該區(qū)間內(nèi)方案對(duì)結(jié)構(gòu)張拉應(yīng)力的重分布調(diào)整效果達(dá)到較佳；但當(dāng)層間距超過0.8m 后，與拉應(yīng)力受之逆轉(zhuǎn)性變化類似， 各部位壓應(yīng)力隨之遞減，且降幅較大，其中扶肋壓應(yīng)力在0.8—1.2m區(qū)間內(nèi)最大降幅超過21.9%， 平均降幅為18.5%，而踵底板與面板迎水側(cè)在該區(qū)間內(nèi)的平均降幅分別也達(dá)14.9%、19.9%，故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)調(diào)整層間距超過0.8m，此與拉應(yīng)力受之影響相契合。結(jié)合擋墻結(jié)構(gòu)拉、壓應(yīng)力影響變化特征，筆者認(rèn)為格柵層間距0.8m 時(shí)靜力場(chǎng)穩(wěn)定性最優(yōu)。

圖7 擋墻各部位最大壓應(yīng)力特征

3.2 位移特征

依據(jù)各設(shè)計(jì)方案獲得三向位移隨格柵層間距設(shè)計(jì)參數(shù)變化特征，如圖8 所示。 分析位移特征觀察可知，Z 向位移乃是各方案中最大，分布為7.9—14.8mm， 此也印證了擋墻結(jié)構(gòu)受力來源主要為結(jié)構(gòu)自重。 隨格柵層間距增大，各向位移均隨之為先減后增變化，表明格柵層間距參數(shù)的改變，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移變化出現(xiàn)階段性改變。 當(dāng)層間距設(shè)計(jì)參數(shù)位于0—0.8m 方案區(qū)間內(nèi)時(shí)， 在方案0.8m 處Y向位移較之方案0.2m、0.6m 下分別減少了46.2%、14.9%，當(dāng)層間距設(shè)計(jì)參數(shù)每增大0.2m，則Y 向位移平均降低20.2%； 當(dāng)層間距參數(shù)位于0.8—1.2m時(shí)，Y 向位移隨之具有平均增幅40.9%， 方案間最大增幅可達(dá)44.2%， 不利于擋墻結(jié)構(gòu)運(yùn)營穩(wěn)定性。X、Z 向位移變化特征與Y 向位移有所類似， 層間距設(shè)計(jì)參數(shù)在0—0.8m 時(shí)，X、Z 向位移在各方案間具有平均降幅24.4%、17.2%，而在0.8—1.2m 方案內(nèi)分別具有平均增幅60%、31.8%， 最大增幅分別可達(dá)85.6%、33.6%。從三向位移受格柵層間距影響來看，以X 向位移敏感度最大[11]。綜合分析認(rèn)為，格柵層間距0.8m 方案在各向位移中均處于較佳狀態(tài)，有利于擋墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖8 擋墻各向位移特征

4 格柵設(shè)計(jì)對(duì)堤防滲流場(chǎng)影響

本文以FLUENT 仿真平臺(tái)模擬計(jì)算獲得堤防滲流場(chǎng)特征， 圖9 為各層間距方案下斷面流速變化特征。

圖9 斷面流速變化特征

從圖中可看出，格柵層間距愈大，則堤防斷面流速水平愈大，在層間距0.2m 方案內(nèi)，全斷面上平均流速為0.34m/s，而層間距每增大0.2m 后，斷面平均流速遞增24.6%。流速水平的高低決定了堤防區(qū)間斷面內(nèi)滲流場(chǎng)穩(wěn)定性， 過大的流速有利于流場(chǎng)內(nèi)沖淤排沙， 但會(huì)導(dǎo)致水工結(jié)構(gòu)受水力勢(shì)能沖刷影響，同樣過低的流速會(huì)限制泥沙沉降，不利于控流[12]， 故合理穩(wěn)定的流速才是堤防運(yùn)營最需要的。 從斷面流速的穩(wěn)定變化來看，以層間距0.6m、0.8m 更為穩(wěn)定， 兩者方案內(nèi)斷面流速分別穩(wěn)定在0.56m/s、0.62m/s，而層間距在0.2m、0.4m 內(nèi)流速在上、下游分別具有較大波幅，斷面間流速最大波幅分別超過14.7%、15.5%， 而層間距1m、1.2m 方案內(nèi)全斷面流速參數(shù)均出現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，穩(wěn)定性欠佳，極易出現(xiàn)局部紊流、渦旋等非穩(wěn)定滲流現(xiàn)象。 綜合滲流場(chǎng)變化與靜力場(chǎng)安全穩(wěn)定性， 認(rèn)為格柵層間距0.8m 時(shí)擋墻運(yùn)營綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)最大。

5 結(jié)論

（1）擋墻上拉應(yīng)力最大位于面板迎水側(cè)，面板迎水側(cè)、 扶肋及頂板上的最大拉應(yīng)力均隨格柵層間距參數(shù)遞減，但降幅減小，在層間距0.8m 方案后降幅處于停滯狀態(tài)； 踵底板拉應(yīng)力穩(wěn)定在1MPa；擋墻最大壓應(yīng)力隨設(shè)計(jì)參數(shù)為先增后減變化，在0.8m 方案中最大。

（2）擋墻位移最大在Z 向；各向位移值均為先減后增變化，以兼具0.8m 方案下位移值最低。

（3） 層間距設(shè)計(jì)參數(shù)與斷面流速具有正相關(guān)關(guān)系；流速不應(yīng)過大或過小，同時(shí)也應(yīng)保持較為穩(wěn)定，層間距在0.6m、0.8m 方案內(nèi)流速穩(wěn)定性最佳。

（4） 綜合擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靜力穩(wěn)定性與滲流場(chǎng)變化，認(rèn)為格柵層間距0.8m 為技術(shù)優(yōu)勢(shì)最顯著?！?/p>