水利泄洪閘墩預應力錨索張拉參數設計優化分析研究

王安順

(江西省水利水電建設有限公司， 江西 南昌 330200)

1 概述

水資源在生產生活中必不可少，但安全有效利用水資源一直是水利工程師持續致力于研究的問題，其中水資源危害性帶來防洪壓力，致力于防洪設施的安全設計乃是重要解決之道[1-3]。李鶴、許暉、杜明松等[4-6]引入物理模型試驗理論，開展水利設施的物理模型室內試驗，從原型試驗結果出發，研究水利設施的安全運營與設計參數之間關系，為工程實際設計提供重要參考。由于模型試驗成本較高，因而借助已有安全可靠水利工程開展研究很有必要，因而通過在水利工程設施中安裝監測傳感器，研究水工結構運營過程中數據特征變化關系，為預判水利工程失效以及破壞提供依據，也為其他水利工程安全設計提供參考[7-9]。不可忽視，仿真計算在水利、交通、建筑等行業中均應用較多[10-12]，利用仿真計算可對水利工程中不同設計方案下復雜工況開展計算分析，研究水利結構最優設計方案，此種方案高效快捷，被較多工程師采用[13-14]。本文在贛江支流禾河水利樞紐開發設計藍圖下，對其中泄洪閘墩設施開展預應力錨索張拉參數分析，為開展水利設計提供參數與計算依據。

2 工程仿真計算模型

2.1 工程介紹

贛西南地區水資源豐富，屬于贛江流域，其中分布有較多贛江支流，其中流徑吉安地區的禾河乃是贛江中游地區重要補充水源支流，禾河最寬處超過250m，全長237.5km，流經地區是江西重要農業生產區域，確保禾河水資源調度安全穩定性乃是區域內防洪、農業生產以及城鎮生活用水等的重要保障。由于贛西南地區屬丘陵地帶，在春夏之交常發生較大規模降雨，對地區內河流水位造成蓄洪壓力，特別是2020年贛江上游等支流受降雨影響出現大規模“集體”水位暴漲，極大威脅著下游鄱陽湖及贛北平原地區防洪安全。為此，水利部門擬對贛江上游支流等河流進行水電站、防洪堤等水利設施開發建設，為贛江沿線生產生活提供重要保障。禾河上游水資源豐富，理論上可建設中大型水電站樞紐工程，擬開發建設一個二級水電站，該樞紐工程主要包括有上游蓄水庫、下游泄洪設施，發電系統以及防洪大壩等，最大壩高設計為52m，上游蓄水庫最高水位為44.8m，設計正常水位庫容為1200萬m3，考慮禾河水資源的多方面供應，設計有長度為90km的輸水灌渠，并在水稻生產重要的6—7月份集中且優先供應水資源，設計渠首最大流量為0.7m3/s，可灌溉農田面積超過20萬畝。防洪堤壩是100年一遇洪水標準設計，為兼顧水利樞紐工程防洪功能，設計有防洪庫，確保贛江中下游地區防洪安全。該水利樞紐工程泄洪設施采用多孔式泄洪閘，設計閘頂高度為27m，泄水孔截面為圓形，半徑為3.5m，閘墩結構采用預應力張拉錨索支護形式，確保閘墩在該水利樞紐工程運營過程中長期安全穩定性，弧形閘門截面狀態如圖1所示。

圖1 弧形閘門截面圖

預應力錨索截面形態如圖2所示，設計排布有主、次錨索，其中主錨索分4排布設，間隔為120mm，次錨索與主錨索相垂直分布，雙層布設，間距為1m，各個錨索上均安裝有板式結構的墊層材料，厚度為5cm，截面為矩形，尺寸為0.3m×0.3m，墊層的存在可減弱預應力對錨索張拉破壞的沖擊影響，錨固洞作為錨索附屬設施，其與閘墩為整體式連接。根據禾河流域內地質踏勘可知，基巖以微風化灰巖為主，強度較高，實測單軸抗壓強度近90MPa，上覆土層以第四系堆積土與沉積土為主，土體松散性較大，級配較差，顆粒粒徑分布為0.0075～4mm，含水量中等，局部基巖層中夾有松散性砂土顆粒。為確保流域內新開發水利樞紐工程的安全運營穩定性，對預應力錨索張拉參數開展對比計算分析，為確定最優設計參數提供重要參考。

圖2 預應力錨索截面形態

2.2 計算模型

由于該閘室預應力錨索張拉參數中尤為關注拉錨系數與錨索數量參數，因而筆者主要研究該水利樞紐工程中攔水大壩泄洪閘段，并建立仿真計算模型，如圖3所示。采用四邊形單元體作為模型微單元，該閘墩整體模型共劃分出412581個微單元， 節點數375682個，另一方面預應力錨索設計參數與閘墩、錨塊體息息相關，故為方便對閘墩整體模型優化設計，給出各個特征部位獨立模型，如圖4所示。圖4(a)中標注為錨塊與錨固洞特征部位在閘墩整體模型中所處位置。由于設計方案中對比參數主要以應力變形為主，因而設定仿真模型中x正向為沿壩右軸線，y正向為沿下游水流方向，z正向為沿閘墩高度向上。計算過程中結構材料為C40混凝土材料，其參數取標準規范值，重度為25kN/m3，地基巖土體參數設定為土工試驗實測值，研究工況為閘墩泄流狀態下，包括有預應力、水壓力與自重等荷載[15]。

圖3 閘墩仿真計算模型

圖4 閘預結構特征部位獨立仿真模塊模型

3 錨索拉錨參數設計分析

3.1 拉應力特征

為獲得主錨索張拉荷載最優參數，設計有5個拉錨系數與相對應的主錨索張拉噸位，為單獨分析主錨索張拉噸位變化特征，其中次錨索張拉噸位統一設定為1050kN，而拉錨系數分別設定為1.4(A方案)、1.6(B方案)、1.8(C方案)、2.0(D方案)、2.2(E方案)，按照張拉預應力10%的損耗獲得主錨索張拉噸位相對應分別為1023、1212、1401、1590、1879kN，具體對比計算方案見表1。針對5個方案開展閘墩重點部位與特征部位拉應力計算分析，進而確定最優拉錨系數與主錨索張拉噸位參數。

表1 拉錨系數對比計算方案表

根據仿真計算獲得不同拉錨系數下閘墩重要部位最大拉應力變化特征，如圖5所示。從圖5中可看出，閘墩頸部最大拉應力與拉錨系數具有負相關關系，且兩者具有線性負比例關系，當拉錨系數為1.4時閘墩頸部處最大拉應力為1.68MPa，而拉錨系數增大至1.8、2、2.2時，即主錨索張拉噸位分

圖5 不同拉錨系數方案閘墩重要部位最大拉應力

別為1401、1590、1879kN時，C、D、E三個方案最大拉應力相比A方案降低了31.5%、47%、59.5%，即拉錨系數愈大，可顯著約束閘墩頸部處張拉應力發展。與閘墩頸部最大拉應力呈相反態勢的是，錨固洞下游面、錨塊下游面處的最大拉應力與拉錨系數為正相關關系，在拉錨系數1.4時錨塊下游面上最大拉應力為1.8MPa，拉錨系數增大0.2，該部位最大拉應力平均漲幅為7.2%。而在相同拉錨系數下，錨固洞上最大拉應力乃3個特征部位中最大值，在拉錨系數1.8時，錨固洞下游面上最大拉應力為3.15MPa，其他兩個特征部位最大拉應力相比之降低幅度最大可達63.4%；另一方面，錨固洞最大拉應力隨拉錨系數為遞增，拉錨系數增大0.2，平均可帶動其最大拉應力增長約9.4%。

3.2 壓應力與分布特征

在計算閘墩重要特征部位最大拉應力的同時，亦可獲得各部位處最大壓應力變化關系，如圖6所示。從圖6中可知，閘墩上3個重要特征部位上最大壓應力隨拉錨系數均為遞增變化，拉錨系數為1.8、2.2下的閘墩頸部最大壓應力相比系數1.4時增大了9.3%、18.2%，當拉錨系數增大0.2，該部位處最大壓應力平均可增大4.3%，而在錨固洞、錨塊下游面上該增大幅度為9.4%、7.9%。對比閘墩特征部位最大壓應力關系可知，錨固洞下游面壓應力為最高，拉錨系數1.8時錨該部位最大壓應力為14.98MPa，而閘墩頸部、錨塊下游面上最大壓應力相比前者分別降低了46.7%、14.1%。

圖6 不同拉錨系數方案閘墩重要部位最大壓應力

從仿真計算過程中不僅可得到拉、壓應力量化特征的變化，亦可獲得應力分布特征，各拉錨系數方案中應力分布特征基本相近，因而本文以A方案開展分析，如圖7所示。從圖7中可看出，閘墩頸部最大拉應力主要出現在閘門背側，且隨背離閘門遞減分布，該方案中閘墩頸部處最大拉應力為1.68MPa；而錨塊下游面上拉應力主要出現在沿下游水流x正方向上，最大拉應力聚集在墊板周邊，主要由于錨索與墊板之間應力集中引起；錨固洞下游面上拉應力出現在頂部與側面相交區域，張拉預應力在錨固洞中發展，導致了錨固洞下游面上頂部的拉應力集中，最大拉應力為2.6MPa。

圖7 閘墩結構模型應力分布

綜合分析表明，當增大拉錨系數，即增大主錨索張拉噸位后，可顯著提升閘墩受壓效果，減弱閘門沖刷過程中的拉應力破壞，但拉錨系數愈大導致錨塊與錨固洞的下游面上拉應力發展越大，對錨塊的抗拉性能帶來較大的挑戰，且主錨索張拉噸位愈大，對工程成本控制不利，因而拉錨系數取5個方案的中間值更為可靠，以拉錨系數1.8(C方案)作為主錨索參數設計的最優方案。

4 錨索自由段長度參數設計分析

錨索自由段錨固結構中重要組成部分，閘墩預應力錨索支護設計參數中必須考慮錨索自由段長度，控制錨索自由段長度不僅可削弱預應力的損失，亦可增強預應力錨索整體抗拉特性。為此，錨索自由段長度參數分別設定為2m(1#方案)、3m(1#方案)、4m(3#方案)、5m(4#方案)、6m(5#方案)，其他參數按照前述C方案中張拉噸位設計，基于計算錨索自由段不同參數下拉、壓應力變化，為分析評價出最優自由段長度提供依據。

經對5個不同錨索自由段長度參數方案計算后，獲得閘墩重要特征部位拉、壓應力變化關系，如圖8所示。從圖8中最大拉應力變化特征可知，錨索自由段長度參數與閘墩頸部、錨塊下游面最大拉應力均為負相關關系，即增大錨索自由段長度，可較好限制閘墩頸部、錨塊下游面上最大拉應力發展，當錨索自由段長度為2m時，閘墩頸部上最大拉應力為0.93MPa，而在自由段長度為5、6m時該部位的最大拉應力相比前者降低了52.7%、65%，當自由段長度增大1m，閘墩頸部、錨塊下游面上最大拉應力平均降幅分別為23.1%、8.8%。與前兩者重要特征部位有所不同，錨固洞下游面上最大拉應力隨錨索自由段長度增大有所漲幅，自由段長度為5、6m時該部位的最大拉應力相比長度1m時增大了17.4%、20.3%，平均每增大1m自由段長度，錨固洞下游面上最大拉應力增長約4.8%，即錨索自由段長度對錨固洞下游面上拉應力促進效應相比來說幅度較小。5個方案中閘墩特征部位處的最大壓應力隨錨索自由段長度均為小幅增長，且最大壓應力與錨索自由段長度參數具有線性正相關關系，圖中3個特征部位線性增長系數分別為1.35、0.6、0.75，即閘墩頸部最大壓應力受自由段長度參數更為敏感。

圖8 閘墩重要特征部位拉、壓應力變化關系

綜合上述分析，當增大錨索自由段長度后，雖錨固洞下游面上拉應力有所增長，但漲幅處于可控區間，且可較好降低閘墩頸部、錨塊下游面上張拉破壞威脅，但不可忽視增大錨索自由段長度勢必會導致工程成本的增加，因而綜合多方面考慮錨索自由段長度參數取4m為最佳。

5 結論

(1)拉錨系數愈大，閘墩頸部拉應力愈小；但錨塊、錨固洞拉應力增大，當拉錨系數增大0.2，兩部位上最大拉應力平均增長幅度分別為7.2%、9.4%。

(2)拉錨系數愈大，閘墩壓應力愈高，拉錨系數增大0.2，閘墩3個重要部位上最大壓應力增長幅度分別平均可達4.3%、9.4%、7.9%；拉錨系數變化并不引起閘墩特征部位處應力分布變化。

(3)錨索自由段長度參數愈大，閘墩頸部、錨塊下游面上最大拉應力愈小；閘墩最大壓應力隨自由段長度均為小幅增長，其中以頸部處增長最快。

(4)閘墩預應力錨索拉錨系數取值為1.8、自由段長度為4m時，閘墩結構安全穩定性最佳。