基于仿真的樞紐水閘錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析研究

羅健平

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

水利工程中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)牽涉面較廣，選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)不僅有利于降低工程成本，同樣有利于提升水工結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期運(yùn)行安全穩(wěn)定性[1-3]。水工結(jié)構(gòu)中尤以水閘等水利設(shè)施為重點(diǎn)，其設(shè)計(jì)復(fù)雜程度高、設(shè)計(jì)難度較大、應(yīng)力變形場(chǎng)變化較大，是水利工程設(shè)計(jì)過(guò)程中不可回避的問(wèn)題[4-5]，李莎莎、劉國(guó)慶、周勤等通過(guò)室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，研究室內(nèi)小尺度模型下水利結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供重要室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)[6-8]。另一方面，從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲取到的實(shí)際數(shù)據(jù)也有利于工程設(shè)計(jì)參照，因而，一些學(xué)者采用先進(jìn)監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)獲取水利工程在運(yùn)行過(guò)程中的應(yīng)力變形場(chǎng)、滲流場(chǎng)等特征[9-11]，利用數(shù)值仿真平臺(tái)，建立水利工程結(jié)構(gòu)仿真模型，設(shè)定不同設(shè)計(jì)方案，并可高效對(duì)比不同設(shè)計(jì)方案下水利工程應(yīng)力等分布狀態(tài)，為選擇最優(yōu)方案提供計(jì)算參考[12-14]。本文根據(jù)實(shí)際水利工程中水閘結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)方案，利用仿真計(jì)算平臺(tái)分析不同設(shè)計(jì)方案下水閘關(guān)鍵特征部位的應(yīng)力狀態(tài)，為工程實(shí)際設(shè)計(jì)提供重要研究基礎(chǔ)。

1 工程概況

為提升區(qū)域內(nèi)水資源利用效率，考慮對(duì)粵北地區(qū)水利樞紐工程開(kāi)展除險(xiǎn)加固。該水利樞紐工程承擔(dān)著區(qū)域內(nèi)防洪、蓄水、發(fā)電及通航等重要作用，設(shè)計(jì)有水利大壩、發(fā)電廠房、泄洪水閘及輸水渠道等水利設(shè)施，上游豐水期最大蓄水量超過(guò)300萬(wàn)m3，建設(shè)有多個(gè)抽水泵站與輸水渠道，確保對(duì)灌區(qū)以及居民區(qū)、工業(yè)區(qū)水資源供應(yīng)到位，所建設(shè)的輸水渠道總長(zhǎng)度超過(guò)50 km，輸水渠道采用格賓石籠作為防滲加固措施，監(jiān)測(cè)表明灌區(qū)渠道最大滲透坡降為0.25，處于較為安全滲流狀態(tài)。水利大壩全軸線長(zhǎng)度為325 m，壩頂高程為475 m，設(shè)計(jì)洪水位477 m，上、下游坡度分別為1/3.0、1/2.5，為確保水資源安全穩(wěn)定性，按照間距15～20 m布設(shè)防滲墻，墻體厚度為0.8 m，插入基巖深度1.5～2.0 m，在壩肩、壩趾、壩坡度變化處設(shè)置有止水面板，并在特殊部位處安裝有滲流與變形監(jiān)測(cè)傳感器，為及時(shí)預(yù)判水利大壩運(yùn)行安全穩(wěn)定性提供參考。

2 錨塊與閘墩連接方式設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算模型與邊界荷載

根據(jù)樞紐工程現(xiàn)行水閘所處位置以及與周圍水利設(shè)施運(yùn)營(yíng)契合性，以主、次預(yù)應(yīng)力錨索所連接的錨塊、閘墩為研究對(duì)象，分別采用仿真計(jì)算平臺(tái)建立數(shù)值模型，如圖1所示。三個(gè)數(shù)值模型均對(duì)應(yīng)不同維度、不同計(jì)算功能的邊界荷載條件，采用0.5 m的六面體單元作為計(jì)算網(wǎng)格，其中劃分?jǐn)?shù)值網(wǎng)格最多的為錨塊模型，共得到168 422個(gè)網(wǎng)格單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)118 652個(gè)[15-16]，計(jì)算模型所在的X、Y、Z空間坐標(biāo)系正方向分別代表水閘所在壩段右軸線方向、下游水流方向、壩體垂直向上。邊界約束荷載按照靜力荷載下，水閘上游正常蓄水位為473 m，閘門受水平推力1500 kN，切向力-700 kN，考慮閘室自重以及所承受的水壓力等荷載所有材料模型均按照線彈性混凝土模型計(jì)算分析，其中混凝土抗拉強(qiáng)度安全允許值為2.38 MPa。

圖1 仿真計(jì)算模型

2.2 錨塊與閘墩連接方式分析

錨塊與閘墩連接方式的差異勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致閘墩與錨塊特征部位處應(yīng)力的變化，而目前預(yù)應(yīng)力錨索錨塊與閘墩的連接方式主要有整體式連接(1#方案)與接觸式連接(2#方案)。由于水閘預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)過(guò)程中關(guān)注重點(diǎn)為結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力分布狀態(tài)，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞很大程度上與拉應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，因而給出不同設(shè)計(jì)方案下水閘特征部位最大拉應(yīng)力分布云圖，如圖2所示。

圖2 特征部位最大拉應(yīng)力分布云圖

從圖2可看出，采用整體式連接方案時(shí)閘墩頸部拉應(yīng)力主要位于閘門背側(cè)，并隨背離閘門距離愈遠(yuǎn)，拉應(yīng)力減小，最大拉應(yīng)力為0.84 MPa，閘墩材料抗拉強(qiáng)度允許值處于安全區(qū)間，閘墩頸部處的壓應(yīng)力分布在閘門迎水側(cè)。對(duì)比接觸式連接方案下閘墩頸部處拉應(yīng)力分布可知，其拉應(yīng)力分布區(qū)域與1#方案基本一致，均出現(xiàn)在閘門背側(cè)，同樣隨著背離距離增大，拉應(yīng)力而呈扇形減小，最大拉應(yīng)力相比1#方案降低了10.7%，最大壓應(yīng)力分布范圍相比1#方案更靠近迎水側(cè)，但其最大壓應(yīng)力仍處于材料安全允許區(qū)間。為分析錨塊結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，以錨塊下游面為例進(jìn)行分析，在錨塊結(jié)構(gòu)上最大拉應(yīng)力均分布在下游面，方案1中最大拉應(yīng)力可達(dá)4.84 MPa，遠(yuǎn)超過(guò)材料安全允許值，其分布區(qū)域位于錨塊結(jié)構(gòu)與閘墩頸部毗連區(qū)域，與所采用的閘墩、錨塊連接方案有關(guān)。當(dāng)采用整體式連接方案時(shí)，錨塊結(jié)構(gòu)與閘墩彼此間無(wú)應(yīng)力緩沖區(qū)域，應(yīng)力直接由閘墩過(guò)渡至錨塊，張拉預(yù)應(yīng)力在兩者連接區(qū)域處產(chǎn)生拉應(yīng)力突變，拉應(yīng)力水平較大，對(duì)水閘安全運(yùn)行考驗(yàn)較大。2方案在錨塊下游面上的拉應(yīng)力分布位于主錨索與錨塊之間厚度為0.04 m的墊板處，最大拉應(yīng)力為1.97 MPa，2方案最大拉應(yīng)力顯著降低，原因主要是接觸式連接不存在張拉預(yù)應(yīng)力的直接傳遞，降低了張拉預(yù)應(yīng)力在錨塊與閘墩之間的延伸性發(fā)展，進(jìn)而降低了錨塊下游面拉應(yīng)力分布量值。

為準(zhǔn)確評(píng)判錨塊與閘墩上拉應(yīng)力分布，給出兩種方案下特征部位處最大拉、壓應(yīng)力分布變化關(guān)系，如圖3所示。從圖中可看出，1#方案中閘墩、錨塊連接部位處上拉應(yīng)力最大值位于錨塊下游面，2#方案最大拉應(yīng)力位于錨固洞下游面，為3.75 MPa，且相比1#方案在閘墩頸部、錨塊下游面上的最大拉應(yīng)力均有一定幅度降低，降幅約為11%～60%。從壓應(yīng)力分布來(lái)看，2#方案整體壓應(yīng)力有一定增長(zhǎng)，最大壓應(yīng)力可達(dá)15.7 MPa；1#方案最大壓應(yīng)力僅有2.2%增幅，均位于錨固洞下游面，處于結(jié)構(gòu)材料安全允許區(qū)間內(nèi)，故選擇接觸式連接方案在不影響最大壓應(yīng)力狀態(tài)下，有效降低了結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力量值，因而接觸式連接方案更有利于該水利樞紐工程水閘設(shè)施安全運(yùn)行。

圖3 特征部位處最大拉、壓應(yīng)力變化

3 錨索位置方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中錨索位置方案主要考慮水平方向次錨索布置位置，考慮兩排次錨索布置間距與閘墩平臺(tái)距離，設(shè)定兩排次錨索間距為1m，以前排次錨索的距離參數(shù)Z為對(duì)比設(shè)計(jì)方案參數(shù)(距離參數(shù)如圖4標(biāo)注所示)，分別設(shè)定為140 cm(A方案)、240 cm(B方案)、340 cm(C方案)、440 cm(D方案)四個(gè)對(duì)比方案，圖4為A方案錨索位置布置方案平面圖。

圖4 A方案錨索位置平面圖(單位：cm)

圖5為水平次錨索不同位置方案時(shí)水閘關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力變化關(guān)系曲線。從圖中可看出，在四個(gè)位置方案中，最大拉應(yīng)力所在部位均位于錨塊上、下游面。當(dāng)增大距離參數(shù)Z時(shí)，各方案中錨塊上游面上的最大拉應(yīng)力呈遞增態(tài)勢(shì)，A方案中錨塊上游面最大拉應(yīng)力較小，僅為0.75 MPa，而距離增大至C、D方案后，相應(yīng)的最大拉應(yīng)力分別增大了149.3%、182.7%，其中D方案最大拉應(yīng)力已超過(guò)結(jié)構(gòu)材料安全允許值，處于危險(xiǎn)臨界狀態(tài)。另一個(gè)與錨塊上游面隨距離發(fā)展態(tài)勢(shì)類似的是閘墩頸部，當(dāng)距離增大100 cm，該部位上的最大拉應(yīng)力平均增大14.6%，由此可見(jiàn)，前排次錨索與錨塊上游面距離過(guò)大，易導(dǎo)致閘墩較多特征部位處處于極限張拉狀態(tài)，引起樞紐水閘危險(xiǎn)運(yùn)營(yíng)。另一特征部位錨塊下游面上的最大拉應(yīng)力隨距離參數(shù)增大而遞減，A方案中最大拉應(yīng)力為1.25 MPa，當(dāng)前排次錨索的距離參數(shù)增大100 cm，后續(xù)三個(gè)方案最大拉應(yīng)力依次降低了48.0%、32.3%、9.1%，表明前排次錨索距離參數(shù)增大，有助于抑制錨塊下游面最大拉應(yīng)力發(fā)展。根據(jù)拉應(yīng)力分析可知，雖距離參數(shù)增大有利于錨塊下游面穩(wěn)定，但仍需考慮距離參數(shù)對(duì)閘墩頸部、錨塊上游面最大拉應(yīng)力影響，因而從四個(gè)方案來(lái)看，設(shè)定前排次錨索距離參數(shù)為140 cm更有利于樞紐水閘整體運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖5 水閘關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力變化

同理，計(jì)算獲得四個(gè)不同距離參數(shù)方案下樞紐水閘三個(gè)特征部位處最大拉應(yīng)力變化，如圖6所示。從三個(gè)特征部位最大拉應(yīng)力隨設(shè)計(jì)方案距離參數(shù)變化趨勢(shì)可知，距離參數(shù)增大，均可抑制三個(gè)特征部位處最大壓應(yīng)力發(fā)展，以閘墩頸部處最大壓應(yīng)力變化為例，在A方案中其最大壓應(yīng)力為7.1 MPa，滿足結(jié)構(gòu)材料安全允許值，而在B方案、D方案中，最大壓應(yīng)力相比之減少了9.9%、18.3%。分析三個(gè)特征部位整體壓應(yīng)力變化可看出，四個(gè)方案中最大壓應(yīng)力均遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)材料安全允許值，因而若以A方案作為水平次錨索布置方案，從壓應(yīng)力表現(xiàn)來(lái)看，水閘結(jié)構(gòu)亦處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 水閘關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力變化

4 結(jié) 論

(1)錨塊與閘墩兩種連接方案中閘墩頸部最大拉應(yīng)力均位于閘門背側(cè)，并隨背離距離增大而減小；接觸式方案最大拉應(yīng)力相比整體式降低了10.7%；采用整體式連接方案易導(dǎo)致錨塊結(jié)構(gòu)與閘墩頸部毗連區(qū)域拉應(yīng)力集中，接觸式方案有助于緩沖降低張拉預(yù)應(yīng)力影響。

(2)相比整體式連接方案，接觸式方案水閘結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力均有一定降幅，約為11%～60%，兩方案最大壓應(yīng)力僅有2.2%的增幅變化，最大壓應(yīng)力均處于安全允許區(qū)間，采用接觸式連接方案更有利于水閘設(shè)施安全運(yùn)行。

(3)次錨索布設(shè)位置距離四個(gè)設(shè)計(jì)方案中最大拉應(yīng)力均位于錨塊上游面或下游面，距離參數(shù)增大，錨塊上游面與閘墩頸部最大拉應(yīng)力均為遞增，距離增大100 cm，閘墩頸部最大拉應(yīng)力平均增大14.6%；距離參數(shù)增大，愈有利于抑制錨塊下游面上最大拉應(yīng)力發(fā)展；從整體上考慮，以前排次錨索距離參數(shù)為140 cm時(shí)更有利于結(jié)構(gòu)應(yīng)力穩(wěn)定性。

(4)次錨索布設(shè)位置距離參數(shù)增大，均可抑制三個(gè)特征部位最大壓應(yīng)力分布，以錨塊下游面上壓應(yīng)力為最大，最大壓應(yīng)力可達(dá)8.8 MPa；四個(gè)不同距離參數(shù)方案中水閘結(jié)構(gòu)特征部位處的最大壓應(yīng)力均低于材料安全允許值，設(shè)定距離參數(shù)為140 cm不會(huì)造成水閘壓應(yīng)力破壞。