基于仿真計算下泄洪閘結構設計研究

蘇 玲

（大連市旅順口區農業發展服務中心，遼寧 大連 116041）

1 引言

預應力錨索支護以及加固結構在水利工程中應用較多，研究錨索錨塊與水工結構連接方式以及錨塊體形態，為水工建筑結構設計提供重要參考[1，2]。水閘這類水工結構重要的承重結構即是閘墩，提升閘墩安全穩定性具有重要意義，而如何保證閘墩這類水工結構穩定性是許多水利工程師持續致力于研究的課題[3,4]。利用原型物理模型試驗，針對水閘或大壩等水工結構開展室內破壞性試驗研究，可為水工建筑結構設計提供重要試驗參數參考[5,6]。在一些農田水利樞紐工程中，常在現場水工大壩或溢洪道等重要結構上安裝監測設備，采集相關運營數據，為水工結構安全穩定性運營提供參考或預警[7,8]。數值仿真有助于快速設定不同研究工況下水工結構應力或變形狀態，并可對比不同研究方案下計算結果，為水工結構設計提供參考[9,10]。本文將借助COMSOL仿真軟件，以水庫泄洪閘墩為研究對象，為結構安全設計優化提供重要參考。

2 工程概況

為保障遼西地區內農業生產效率，農業水利部門考慮對區域內重要水利樞紐工程開展除險加固，而該水利樞紐工程中運行時間較久、承擔流體沖擊作用最強的即是泄洪閘門的閘墩承重結構。該泄洪閘共有多根支撐墩，每根閘墩厚度為4 m，采用預應力錨索作為加固結構，其中每根閘墩共有4根主錨索，共分為兩排設置，兩排錨索間距為140 cm，兩排內部主錨索之間的間距為60 cm，次錨索共設置有3根，中部次錨索距離承臺下部180 cm，上、下次錨索分別距離中部次錨索140 cm、80 cm；錨固洞對稱設置，每個錨固洞可承受拉力2 700 kN，主錨索可張拉噸位超過2 000 kN，整個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。在枯水期不僅提供農業灌溉用水，亦可承擔區域生活用水與工業用水供給，可提供水量超過200萬m3，下游建設有輸水渠道與抽水泵站作為水利輸送調控站，渠道總長度超過80 km，渠首流量設計為0.65 m3/s，渠道內襯砌結構均采用防滲與防固結雙系統，確保渠道內水資源輸送效率。另該農田樞紐工程中水閘底板高程為695 m，寬度51 m，設置有80 cm厚的導墻，插入基巖深度1.5 m，可作為減弱流體沖刷作用，閘室段總長度為42 m，采用多孔式水閘設計，單孔尺寸為10 m×6 m。由于該樞紐工程主要面向區域內農業用水，因而攔污柵以及其他排污結構并未設置有較強過濾設備，另水流通行通道采用弧形鋼閘門，直徑3 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。由于農田水利樞紐工程安全運營可靠性極大程度上與閘墩安全穩定相關，因而對閘墩與錨索塊的連接方式以及閘墩排布的錨固洞設計參數有關，筆者將對錨索連接方式以及閘墩錨固洞設計開展最優方案分析研究。

圖1 錨索結構平面布置圖

以現場地質勘察資料分析可知，工程所在場地內覆蓋土層為第四系軟性填土層，厚度約為1.5 m，松散型較大，利用室內土工儀器測定其變形模量高于普通碎石填土層，承載力中等，目前輸水渠道所在持力層即位于該土層，并鋪設有碎石墊層，防止沉降變形對渠道基礎危害性；另一方面水閘基礎下臥分布有粘土質淤泥，含水量較高，沉降變形較大，工程設計部門采用深長灌注樁作為筏板基礎的基礎承力臺，以素混凝土作為固結材料灌注入淤泥質土中。基巖層材料為中風化花崗巖，顆粒粒徑屬中等，單軸抗壓強度較高，達65 MPa，現場原位試驗表明，基巖層內無夾雜破碎帶，所取出樣芯完整性較好，表面裂隙較少，靜圧試驗所測孔隙度最低可達0.6%，受上游河流沖刷影響，部分風化破碎帶流失或堆積，因而巖體內部晶體顆粒一體化結構較穩固，室內三向應力狀態下巖體滲透率低于10-18m2，另在淤泥質土層與基巖層接觸界面設置有預應力錨索錨固洞。在上述工程資料以及室內巖土力學測試結果下，利用數值仿真手段，計算出不同連接狀態下、不同錨固洞設計參數下閘墩應力變形特征。

3 閘墩與錨索固定錨塊連接方式分析

3.1 模型建立及相關計算背景

目前錨塊與閘墩的連接方式主要有整體式與分離式兩種方案，其中整體式連接方案指錨塊與閘墩作為整體式澆筑形成，仿真計算時將此變形受力考慮為整體，而分離式連接指錨塊與閘墩澆筑制作時分開進行，兩者之間組合形態為分離態，為此，筆者針對此兩種不同連接方式下對閘墩應力狀態的影響特性，借助COMSOL多物理場仿真軟件建立閘墩數值模型，錨塊作為閘墩預應力錨索的一部分重要結構，其材料為C40混凝土，在數值模型中與預應力閘墩共用單元節點，連接方式按照方案一：整體式，方案二：分離式，兩種不同方案分別開展仿真計算；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為水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）與上游水位72.3 m所處蓄水期（工況二）為計算背景，分別研究預應力閘墩錨塊應力特征，本文所有拉、壓應力參數均以正、負號區分。

圖2 數值模型圖

圖3 閘墩、錨塊以及空腔截面上特征剖面

3.2 不同連接方式仿真計算結果

經仿真計算獲得不同連接方式下閘墩各工況下特征剖面上應力參數，如圖4所示。從圖4可看出，以整體式連接方案為例，當水閘處于蓄水工況下，閘墩上均會出現拉應力，而在完建期無水工況下，閘墩上不存在拉應力，均以受壓為主導作用，在方案一中，蓄水工況下閘墩最大拉應力達2.9 MPa，而在完建期1-1與3-3特征剖面上壓應力均一致，且均為閘墩上最大壓應力，達9.5 MPa；分析認為，當水閘處于蓄水工況下，上游不僅存在閘墩重力，且蓄水壓力會導致閘墩發生受彎作用，進而導致閘墩一側剖面出現拉應力，這也解釋了在工況二蓄水工況中僅有1-1剖面為受拉作用，其他剖面均為受壓作用，在受到下拉上壓型彎矩時，勢必會導致結構一側出現一定拉應力，所用混凝土材料抗壓強度標準值為2.39 MPa，若以方案一為設計方案，則蓄水工況下閘墩頸部會出現張拉破壞，但假以增設鋼筋，可一定程度減小拉應力產生。在方案二中，當處于完建期工況時，與方案一類似，1-1特征剖面與3-3特征剖面均處于對稱式受壓狀態，兩者最大壓應力均為一致；而在蓄水工況下方案二依然產生拉應力，但1-1特征剖面上的最大拉應力相比方案二中降低了41.4%，僅為1.7 MPa，即分離式設計方案可顯著削弱蓄水期對閘墩頸部張拉受力破壞影響。

圖4 閘墩頸部各工況下特征剖面上應力參數

圖5為兩種方案不同工況下錨塊下游面應力變化特征。從圖中可看出，方案一整體式連接方案在完建期與蓄水期下均產生拉應力，最大拉應力分別為1.5 MPa、1.4 MPa；相比方案一，方案二分離式連接方式下錨塊下游面在兩工況中的最大拉應力分別相比前者下降了6.7%、14.3%，雖然兩種方案中最大拉應力均未超過混凝土材料安全允許值，但方案二分離式連接方式中錨塊所受拉應力更顯較安全。從壓應力特征亦可看出，方案一中在4-4特征剖面以受壓為主導作用，完建期與蓄水期兩工況中的最大壓應力分別為11.8 MPa、10.8 MPa，而在方案二中兩工況的最大壓應力分別降低了6.8%、2.8%，分析認為方案二分離式連接具有顯著削弱閘墩頸部、錨塊體受拉、壓作用影響，提升閘墩安全穩定性運營。

圖5 錨塊下游面各工況下特征剖面上應力參數

圖6為分離式連接方案下錨塊與空腔體不同形態切面上的應力分布。從圖中可看出，錨塊下游面上拉應力分布在迎水側邊緣區域，且蓄水工況下錨塊下游面的受拉區域顯著減小，筆者認為此與所采用的分離式連接方案抑制拉應力產生有關。完建期工況中，空腔上游面Z方向拉應力分布基本呈對稱式分布，最大拉應力為3.2 MPa，對稱式的拉應力分布實質上與錨索所處位置有關，錨索的存在將拉應力分布區域間隔呈對稱狀態；蓄水工況下空腔上游面最大壓應力達13.4 MPa，分布在空腔體中心區域，不論是拉應力分布區域，亦或是拉應力值，均相比完建期工況一中要減少，此亦印證了采用分離式連接方案對閘墩穩定性的促進效應。

圖6 分離式方案下錨塊與空腔體不同形態切面上的應力分布（左、右分別為完建期、蓄水期）

4 錨索錨固洞設計分析

針對閘墩錨索錨固洞體型特征，設計四個對比組方案，分別為三點弧截面（A方案）、心形截面（B方案）、等邊三角形外接圓截面（C方案）、梯形截面（D方案），四種方案錨固洞截面形態如圖7所示，同樣以工況一完建期與工況二蓄水期展開對比分析。

圖7 錨固洞設計體型截面示意圖（A～D方案）

圖8為四種截面方案下錨索錨固洞頂面、底面以及空腔上、下游面的最大拉應力變化曲線。從圖中可看出，除空腔上游面外，在其他三個特征面上，四種截面方案的最大拉應力均呈依次遞增態勢，錨固洞頂面A方案蓄水工況下最大拉應力為2.19 MPa，而D方案下最大拉應力增長了78.5%，同樣的情況在錨固洞底面中依然保持較高增幅態勢，A、D方案下的最大拉應力漲幅為63.3%，錨塊空腔體下游面B、C、D方案蓄水工況下的最大拉應力相比A方案增大了71.1%、64.5%、54.9%；筆者認為，四種截面方案與空腔下游面存在圖9所示幾何關系，各方案與下游面夾角分別為0°、45°、60°、75°，即錨固洞截面與空腔體下游面夾角愈小，則實際受拉或受壓承載面積愈大，進而導致拉、壓應力降低，削弱閘墩頸部或空腔體受張拉破壞風險，因而從四個方案比較可知，采用三點弧截面方案更有利于閘墩穩定。另一方面，從各剖面最大拉應力表現來看，除錨塊頂面以外，其他切面上的工況一完建期最大拉應力總低于工況二蓄水期，在錨塊底面A方案中工況二相比工況一增大了63.3%，而在錨塊頂面，工況一相比工況二增大了41.6%。從水閘工程實際運營考慮，當水閘蓄水運營后，較大的靜水壓力對閘墩的錨塊底面以及空腔體均會產生較大彎矩，進而產生蓄水期錨塊底面以及空腔體的最大拉應力顯著高于完建期；而此種情況在錨塊頂面又會有顯著不同，即使水閘蓄水，但在安全運營過程中，水位總會低于錨固洞頂部，因而此時錨塊受預應力錨索的張拉影響，其拉應力以工況一為最大。

圖8 不同截面體型最大拉應力變化特征

圖9 四種體型構造與下游面關系圖

5 結論

為研究遼西地區某水庫泄洪閘樞紐工程閘墩結構設計安全性，利用COMSOL多物理場仿真軟件計算分析了閘墩與錨索錨塊的兩種連接方式差異性、錨索錨固洞設計參數優化，主要得到以下幾點結論：

（1）分析了蓄水期閘墩頸部均會出現拉應力，完建期閘墩頸部兩側邊緣剖面壓應力均為一致；分離式連接方案最大拉應力相比整體式方案降低了41.4%，僅為1.7 MPa，處于材料安全允許值區間，分離式設計可顯著削弱蓄水期對閘墩頸部張拉受力破壞影響。

（2）研究了錨塊下游面在完建期、蓄水期均會產生拉應力，而分離式方案錨塊下游面在兩工況中的最大拉應力分別相比整體式方案下降了6.7%、14.3%；分離式方案的錨塊下游面最大壓應力相比整體式方案亦分別降低了6.8%、2.8%，分離式連接方案有助于提升閘墩安全穩定性運營。

（3）研究認為錨固洞截面與下游面夾角愈小，愈有利于閘墩安全穩定，以A方案三點弧形截面為最佳；除空腔上游面外，錨固洞其他切面上最大拉應力均隨空腔下游面夾角呈遞增態勢，錨塊空腔體下游面B、C、D方案蓄水期最大拉應力相比A方案分別增大了71.1%、64.5%、54.9%。

（4）分析了四種不同截面體型方案中除錨塊頂面外，其他切面上完建期工況最大拉應力總低于蓄水期工況，其中錨塊底面A方案中兩工況之間差幅達63.3%，錨塊頂面由于水位影響，其蓄水期工況最大拉應力低于完建期，A方案中兩者間相差41.6%。