基于Abaqus某水閘預應力閘墩及錨固洞空腔位置影響分析研究

葉建光

(江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223001)

水利工程常常需要用到水閘這類水工結構工程，而閘墩結構乃是水閘重要組成部分，研究閘墩安全穩定性實質上是評價水閘安全運營的重要方面[1-3]。目前，較多水利工程中閘墩主要采用預應力錨索作為加固措施，增強結構抗拉能力，而錨索與其附屬錨塊的設計參數差異會一定程度影響預應力錨索加固效果，因而開展預應力閘墩及錨固洞設計方案研究具有重要意義[4-5]。目前，一些水利工程師基于室內水工模型試驗，研究了水閘以及其他類水工結構在室內模擬工程運營下的應力變形特征，為實際工程設計提供試驗依據[6-8]。當然，基于數值仿真手段，可研究不同工況下預應力閘墩結構應力狀態，亦可針對性對比不同設計方案下錨塊應力特征，提升水工設計水平[9-11]。本文基于某水閘工程資料，利用有限元軟件計算研究預應力閘墩及錨固洞空腔位置設計參數，為工程設計提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 工程概況

某水閘承擔著地區泄洪以及水資源調度任務，在橋面建設有交通橋，長度約有135.0 m，橋面總寬4.5 m，凈寬4.0 m。該水閘工程主要作為新沂河海口水資源調控，特別是在枯水期可為區域生活用水與工業用水供給水量，可提供水量超過200萬m3，另新沂河下游建設有泵站引水工程，乃為農業灌區生產用水重要供給站，確保枯水季農業用水項目缺水率不致過高。該深泓閘底板高程為695.0 m，寬度51.0 m，在水閘上游堰流段設置有導墻結構，閘室段總長度為42.0 m，采用多孔式水閘設計，單孔尺寸為14.0×8.0 m，每個閘孔均布設有縱向變形縫，防止結構材料發生張拉破壞。通行水流調控設施為一平面弧型鋼閘門，直徑約為3.2 m，采用液壓式啟閉機作為控制設備，精確調度閘門開度，確保通行流量滿足下游農業灌區內輸水干渠要求，渠首流量設計為0.58 m3/s。引水閘承重結構為預應力閘墩，墩厚4.0 m，邊緣閘墩采用重力式結構，以預應力錨索作為錨固結構，上、下游共預設4排錨固洞，對稱布置，每個錨固洞可承受拉力2700 kN，另還設置有輔助錨索，三排間隔式分布在主錨固洞框架內，可張拉噸位超過2000 kN。整個深泓閘閘墩及錨塊均以混凝土一體式澆筑形成，錨索結構平面布置如圖1所示。

圖1 錨索結構平面布置圖(單位：mm)

1.2 研究方法

根據現場工程地質調查分析得知，工程場地為徐淮黃泛平原與蘇北濱海平原區交界處，表面覆蓋土層為第四系軟性填土層，厚度約為1.5 m，松散性較大，室內土工試驗測定其變形模量參數高于常規填土層，承載力中等，農業灌區內輸水干渠可以該土層為持力層；下臥土層為重黏土質淤泥，沉降變形較大，故而水閘閘室基礎采用灌注樁，減弱淤泥土層大變形沉降對工程安全穩定性的危害，該土層含水量亦較高，灌注樁施工超挖土層均以素混凝土作為固結材料灌注入淤泥質土層中，增強地基穩定性。基巖層材料為弱風化灰巖，晶體顆粒粒徑超過4.0 mm，承載力較強，可作為大型工程承基層，現場取樣表明，基巖層基本無顯著夾層破碎帶，因而現場取出巖芯長度均較高，巖體表面磨圓度較好，中粗粒結構受到上游河流沖刷影響，造成巖體內部晶體顆粒一體化結構較穩固，靜水壓力下巖體滲透率低于10-18m2，部分預應力錨索錨固洞布設即以淤泥質土層與基巖層截面。本文利用仿真計算手段，研究深泓閘預應力閘墩結構應力狀態及錨塊尺寸設計參數影響特性。

2 預應力閘墩計算分析

2.1 模型建立與研究工況

基于工程地質資料基礎，利用Abaqus建模軟件建立預應力閘墩數值模型，而錨塊作為閘墩預應力錨索的一部分重要結構，在數值模型中與預應力閘墩共用單元節點；另數值仿真計算坐標體系中X、Y、Z正方向分別為順下游水流向、向上豎向、河道水流垂向右岸；所建立數值模型如圖2所示，劃分單元網格數共63 584個，節點數46 762個，單元網格質量均在0.96以上，另在錨塊等特征部位網格劃分較密，圖3為深泓閘預應力閘墩及其錨固設施結構特征剖面所在位置。為準確評價不同工況下閘墩與錨塊安全穩定性，設計以水閘完建期(工況一)與蓄水期正常水位72.3 m(工況二)開展研究，分別研究預應力閘墩結構應力特征。

圖2 數值模型圖

圖3 預應力閘墩及其錨固結構特征剖面所在位置

2.2 預應力閘墩計算結果分析

基于Abaqus仿真計算，獲得預應力閘墩結構各特征部分，包括有閘墩與錨塊部位的應力特征，如圖4所示。從圖中可看出，閘墩在工況一中處于受壓主導作用，最大壓應力達8.5 MPa，而在工況二中最大拉應力為1.1 MPa；分析閘墩在工況一、工況二中應力表現可知，完建期由于并不存在水壓力等外荷載影響，閘墩僅僅具有自身自重應力，因而其主要為受壓;而在工況二中水流上揚壓力會平衡掉一部分壓應力，因而實質上最大壓應力相比工況一降低了61.2%。從閘墩上拉、壓應力所在剖面位置亦可印證，1-1、3-3剖面在工況一中均具有相等的最大壓應力，而此兩剖面在工況二中均為相等的拉應力，即閘墩拉、壓應力在工況一、工況二中發生逆轉性態勢變化。閘墩拉、壓應力受工況顯著影響的現象在錨塊下游面中亦是如此，其工況一中4-4特征剖面壓應力最大，達11.0 MPa，而在工況二中，最大壓應力亦是4-4剖面，但相比工況一降低了11.8%；錨塊下游面上的最大拉應力在兩工況中亦是呈下降態勢，工況二最大拉應力為2.1 MPa，相比工況一降低了43.2%。綜上分析表明，深泓閘的閘墩頂部拉、壓應力變化關系受工況影響，變化態勢逆轉變化，而在錨塊中拉、壓應力為一致性遞減現象。

圖4 閘墩與錨塊應力特征

圖5為預應力閘墩錨固洞四個不同特征部位面上的應力特征變化曲線，從圖中可知，工況一、工況二最大拉應力分別以洞頂、底面為最大，達4.8 MPa、5.5 MPa，除錨固洞頂面外，其他三個特征部位不論是最大拉應力或是最大壓應力，均以工況二中為最大，錨固洞底面工況一中最大拉應力為4.6 MPa，而在工況二中增大了19.6%。對比錨固洞頂、底面以及上、下游面應力特征可得出，工況一洞頂面最大拉應力高于底面，而在工況二中底面高于頂面；上、下游面對比可知，上、下游面受力主導分別為壓應力、拉應力，其中上游面工況二中最大壓應力達2.0 MPa，下游面上各特征剖面均為拉應力，兩工況最大拉應力分別為4.5 MPa、5.2 MPa；分析表明，在蓄水狀況下，錨固洞下游面以拉應力占據主導作用，而洞頂面與底面均存在拉壓應力，乃為拉、壓組合型影響。

圖5 預應力閘墩錨固洞特征部位應力變化

圖6為典型工況下特征部位應力分布云圖，從圖中可知，工況一頂面邊緣區域兩側具有較大拉應力分布，呈對稱式，最大拉應力可達7.8 MPa；而在底面工況二中亦是具有對稱式拉應力分布，壓應力分布區域基本與頂面受壓相對應；下游面大部分區域均為受拉，普遍拉應力分布在1.5～3.0 MPa，最大拉應力基本接近工況一頂面，達7.1 MPa。綜合應力分布可知，預應力閘墩結構拉應力普遍較大，而兩工況中各特征部位的最大壓應力基本均低于材料允許強度值，表明預應力閘墩結構受拉應力集中破壞危險較大，預應力錨索及錨固洞穩定性亟需加固。

圖6 典型工況下特征部位應力分布(單位：MPa)

3 閘墩錨塊位置參數研究

前述分析已知閘墩特征部位處拉應力普遍偏高，因而本文考慮改善閘墩受力狀況，在錨塊內布設空腔體型，減弱預應力集中受力，降低錨塊較高的拉應力水平；但另一方面由于錨塊空腔布設位置差異，其抑制錨塊應力水平有所差異，故將針對錨塊空腔位置設計參數開展研究。限于篇幅，本文僅對窄孔形空腔所在位置開展研究，擬設置窄孔形空腔上游面與錨塊上游面距離分別為0 m(A方案)、0.5 m(B方案)、1.0 m(C方案)、1.85 m(D方案)、2.9 m(E方案)、4.0 m(F方案)，圖7中分別以數字1～6表示此6種研究方案空腔所在位置示意圖，圖8為錨塊空腔中各特征剖面位置示意圖。

圖7 錨塊空腔所在位置研究方案示意圖(單位：mm)

圖8 錨塊空腔中特征剖面位置示意圖

3.1 閘墩應力特征

同預應力閘墩計算一致，利用數值仿真軟件，獲得錨塊空腔布設位置差異下閘墩應力特征及特征剖面上應力表現，如圖9、圖10所示。從圖9整體應力特征來看，當錨塊空腔距上游面愈遠，工況二下最大拉應力呈增長態勢，空腔距上游面4.0 m處最大拉應力為1.8 MPa，其相比距離0.5 m、1.0 m時分別增長了260%、125%，表明空腔距離上游面參數與閘墩最大拉應力為正相關關系；但與此不同的是，工況一中各設計方案下均處于受壓狀態，并不存在拉應力區域，且其最大壓應力隨空腔與上游面距離參數增大而逐漸減少，工況一的F方案最大壓應力為8.1 MPa，其相比B方案、C方案時分別降低了40.9%、34.1%，即空腔與上游面的距離參數與工況一中最大壓應力為負相關關系。

圖9 閘墩應力特征

從圖10可知，工況一中各方案下各自的1-1剖面與3-3剖面應力均為一致，均為該工況下的最大壓應力，其中E方案中的兩特征剖面應力為10.2 MPa；分析表明，工況一閘墩處于施工完建期，張拉預應力還未鎖定，結構處于受壓狀態，而閘墩截面為以2-2剖面的對稱式形態，1-1、3-3剖面應力分布具有對稱平衡特性，同一方案中的兩剖面上壓應力為恒等。而在工況二中，僅有1-1特征剖面處于受拉狀態，其拉應力即為該工況下最大拉應力，另兩個剖面均為受壓，且以3-3特征剖面壓應力為最大，D方案中3-3特征剖面壓應力為9.8 MPa，分析表明，工況二荷載下具有蓄水壓力，閘墩剖面位置愈低，則受到水壓力影響愈顯著，故而1-1剖面上拉應力為主，而在剖面位置較高區域，蓄水位對其并未有影響，其仍以受壓為主，故而各方案中均以3-3剖面壓應力為最大。

圖10 閘墩特征剖面上應力表現

3.2 錨塊空腔應力特征

錨塊內布設空腔，則空腔應力狀態對錨塊結構安全穩定性具有較大影響，圖11為空腔各特征部位應力結果。從圖中可看出，空腔各特征部位應力均以工況一為最大，端部X向主要為壓應力，其壓應力仍以工況一為最高，而空腔上、下游面的Y、Z向均處于受拉，最大拉應力亦以工況一為最大；空腔下游面Z向F方案工況二中最大拉應力為4.7 MPa，而同方案工況一中相比前者增大了19.1%，在端部X向壓應力中，D方案的工況一最大壓應力是工況二的1.22倍。

圖11 空腔各特征部位應力結果

圖12為上、下游面Z、Y方向特征剖面上應力對比，從圖中可知上、下游面Z向中最大拉應力均為4-4剖面，而6-6剖面均為受壓，在A～D方案中上、下游面Z向最大拉應力基本相近，但在E、F方案中以下游面拉應力較大。在上、下游面Y向中7-7、9-9剖面位置與前述1-1與3-3剖面位置類似，故而7-7、9-9剖面應力相等，且均為受壓，僅8-8剖面為受拉。

圖12 空腔上、下游面Z、Y向應力特征

4 結 論

針對某水閘預應力閘墩及錨塊空腔位置參數開展分析，主要得到如下結論：

(1)研究了閘墩頂部工況一、二分別以受壓、受拉為主，錨塊中拉、壓應力為一致性遞減，工況二、一最大拉應力相差幅度達43.2%；除錨固洞頂面外，其他特征部位的最大拉、壓應力均以工況二為最大，錨固洞底面工況二最大拉、壓應力相對工況一分別增大了19.6%、114.3%。

(2)獲得了錨固洞典型部位應力分布特征，工況一頂面與工況二底面兩側為對稱式拉應力分布，下游面工況一拉應力普遍分布在1.5～3.0 MPa，壓應力均滿足結構材料強度要求，但閘墩結構受拉破壞危險較高，亟需加固閘墩及錨固洞。

(3)研究了錨固洞空腔布設方案下閘墩應力特征，空腔距離上游面參數與閘墩最大拉應力為正相關關系，但與最大壓應力為負相關特征；工況二空腔1-1、3-3剖面分別為拉應力主導、壓應力主導分布。

(4)分析了空腔應力特征，各特征部位拉、壓應力均以工況一為最大，端部X向為受壓狀態，上、下游面Z向中最大拉應力均為4-4剖面，空腔位置參數越大，則Z向最大拉應力愈傾向于下游面。