基于Abaqus仿真計算的節(jié)制閘墩結(jié)構(gòu)安全設(shè)計分析研究

官志龍

(廣東省源天工程有限公司，廣州 511340)

1 概 述

閘墩等水工設(shè)施作為水利建筑物中重要承受荷載的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計安全穩(wěn)定性對工程長期運營具有重要意義，因而水利工程設(shè)計人員長期對此類水工結(jié)構(gòu)開展過諸多方案優(yōu)化計算分析[1-3]。其中有些學者與工程設(shè)計人員基于室內(nèi)物理模型試驗原理設(shè)計水工結(jié)構(gòu)原型，結(jié)合工程實際荷載狀態(tài)設(shè)置不同工況下的水工結(jié)構(gòu)破壞實驗，研究破壞過程中水力特征或應力變形特征，為水利工程設(shè)計提供參考[4-6]。當然，在現(xiàn)場利用原位儀器或聲發(fā)射等微觀監(jiān)測儀器，亦能開展水利結(jié)構(gòu)安全運行分析[7-9]。但不可忽視，室內(nèi)模型試驗或現(xiàn)場監(jiān)測均需要長期準備前期工作，因而數(shù)值仿真計算手段解決了此類矛盾。利用仿真計算軟件，基于不同現(xiàn)場實際荷載工況，可分別計算出不同設(shè)計方案在各工況下應力或變形變化特征，或研究出滲流演化特征，對探討最佳設(shè)計方案均有較大幫助[10-12]。本文利用Abaqus仿真軟件建立閘墩錨固洞計算模型，并根據(jù)錨固洞頂面不同設(shè)計方案開展對比分析，為確定最適合該閘墩錨固洞的設(shè)計方案提供科學依據(jù)。

2 工程概況

某水庫樞紐設(shè)施是粵西地區(qū)水資源重要輸送調(diào)控水工結(jié)構(gòu)，承擔區(qū)域農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水及枯水期一部分生活用水供應，年承擔水量超過200×104m3。下游建設(shè)有輸水渠道與抽水泵站作為水利輸送調(diào)控站，渠道總長度超過80 km，渠首流量設(shè)計為0.65 m3/s，渠道內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)均采用防滲與防固結(jié)雙系統(tǒng)，確保渠道內(nèi)水資源輸送效率。該水庫大壩設(shè)置有節(jié)制閘，作為輸送水流量的控制設(shè)施，該閘底板高程為695 m，寬度51 m，設(shè)置有厚80 cm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，水閘孔尺寸為10 m×6 m，所設(shè)置的單扇弧形鋼閘門直徑為4.2 m，以液壓式啟閉機作為控制設(shè)備，根據(jù)具體的工程所需流量以最佳的開度完成輸水放行。目前，由于該水庫建設(shè)運營周期較長，部分水工結(jié)構(gòu)運行出現(xiàn)老化，水資源輸送效率降低，因而工程設(shè)計部門考慮對水閘等重要水利結(jié)構(gòu)展開除險加固設(shè)計，而首要加固目標即為節(jié)制閘墩。

目前，節(jié)制閘墩工作狀態(tài)較好的有6根，每根墩厚度為4m，設(shè)計有預應力錨索為支撐錨固結(jié)構(gòu)，按照主次錨索順序布設(shè)在閘墩剖面上。其中，主錨索按照上下兩排布置，上排與下排各自錨索間距為60 cm，上下排錨索之間距離為140 cm；次錨索共設(shè)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和80 cm。錨固洞對稱設(shè)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，錨固澆筑材料均為C40混凝土，錨固洞與閘墩為整體式連接，錨索結(jié)構(gòu)平面布置見圖1。為最大程度保證加固設(shè)計安全可靠性，現(xiàn)需對閘墩錨固洞頂面開展最優(yōu)設(shè)計計算，利用Abaqus仿真軟件，建立閘墩與錨固洞一體式模型，開展不同設(shè)計參數(shù)方案下應力特征分析。

圖1 錨索結(jié)構(gòu)平面布置圖

為保證仿真計算準確性或方案對比可靠性，對工程現(xiàn)場展開地質(zhì)踏勘，并鉆孔取樣，獲得現(xiàn)場地質(zhì)巖土體狀態(tài)。踏勘結(jié)果表明，所存土層為人工填土層，不同于自然風化堆積土層，該填土層松散型較大，實測彈性模量高于普通碎石土填層，厚度為1.8 m，中等承載力，輸水渠道所在持力層即位于該土層，僅設(shè)置碎石墊層作為防滲沉降變形，天然地基即可滿足承載力設(shè)計要求。閘室下臥土層中存在有黏土質(zhì)淤泥，含水量較大，原設(shè)計采用鉆孔灌注樁穿過淤泥層，直達基巖層，但由于部分土層松散型，因而局部地段設(shè)置有固結(jié)灌漿，保證地層滿足閘墩結(jié)構(gòu)安全要求。基巖為弱風化灰?guī)r，細顆粒結(jié)構(gòu)，所取樣品表面無顯著孔隙，單軸抗壓強度高達55 MPa，無顯著碎屑夾層，磨圓度較高，目前預應力錨索錨固洞支護結(jié)構(gòu)以該結(jié)構(gòu)層為母體，保證錨索張拉應力安全狀態(tài)。利用上述工程地質(zhì)資料，在Abaqus建模過程中采用較佳的物理力學參數(shù)，針對不同錨固洞頂面設(shè)計參數(shù)展開對比計算分析。

3 閘墩錨固洞模型建立及設(shè)計方案

3.1 仿真模型

本文專注研究閘墩錨固洞頂面設(shè)計參數(shù)，因而針對閘墩錨塊體型以及錨固洞底面等設(shè)計參數(shù)均保持一致。其中錨塊體型為橢圓形，長、短軸分別為3和0.8 m，且設(shè)定錨塊空腔原點距離閘墩上游距離為2 m，錨固洞底面采用半徑1 m的1/4圓弧形，且錨塊與閘墩采用整體式連接方式。借助Abaqus仿真軟件建立閘墩數(shù)值模型，錨塊作為子結(jié)構(gòu)，采用與閘墩共用模型節(jié)點的方式，材料屬性均以C40混凝土參數(shù)計算；數(shù)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(shù)值模型見圖2。劃分單元網(wǎng)格數(shù)共66 584個，節(jié)點數(shù)47 762個，單元網(wǎng)格質(zhì)量均在0.96以上，在錨塊等特征部位網(wǎng)格劃分較密，圖3為錨固洞特征剖面所在位置。為準確評價不同工況下閘墩與錨塊安全穩(wěn)定性，設(shè)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，分別研究錨固洞不同切面部位的特征剖面應力特征，本文所有拉壓應力參數(shù)均以正負號區(qū)分。

圖2 數(shù)值模型圖

圖3 閘墩錨固洞截面上特征剖面

3.2 錨固洞頂面設(shè)計方案

錨固洞頂面設(shè)計參數(shù)主要為與下游面相切狀態(tài)的體型設(shè)計，因此以頂面為圓弧形，與下游面為相切狀態(tài)，設(shè)計有1/4圓弧的弧長，與下游面的切點正契合。但不同圓弧半徑的設(shè)計參數(shù)對下游面應力或錨固洞頂面應力均有影響，因而本文主要研究確定錨固洞頂面圓弧半徑設(shè)計參數(shù)。根據(jù)實際工程荷載狀態(tài)，確定圓弧半徑設(shè)計參數(shù)分別為0.4 m(A方案)、0.8 m(B方案)、1.2 m(C方案)、1.6 m(D方案)、2.0 m(E方案)，進而展開對比分析計算，由此確定閘墩錨固洞頂面最佳設(shè)計參數(shù)。

4 閘墩錨固洞頂面設(shè)計分析

4.1 錨固洞頂面應力特征

基于不同錨固洞頂面圓弧半徑設(shè)計方案計算獲得各方案下錨固洞頂面應力特征，見圖4。從圖4可看出，對比完建期(工況一)與蓄水期(工況二)兩工況，錨固洞頂面均會出現(xiàn)拉應力，其中工況一(完建期)在頂面圓弧半徑為0.8 m時最大拉應力為3.6 MPa，而相同研究方案下工況二(蓄水期)最大拉應力相比前者降低27.8%，即完建期錨固洞頂面最大拉應力高于蓄水期，此種現(xiàn)象在另外其他設(shè)計方案中亦是如此。分析認為，不論是蓄水期亦或是完建期，水位很難超過或漫頂至錨固洞頂面部位，即靜水壓力對錨固洞頂面并不產(chǎn)生拉應力影響，相反蓄水期由于靜水壓力產(chǎn)生的彎矩影響水位以下錨固洞部位，因而可削弱錨固洞頂部拉應力分布，進而產(chǎn)生蓄水期錨固洞頂面最大拉應力低于完建期的現(xiàn)象。從相同工況不同設(shè)計方案角度考慮，錨固洞頂面最大拉應力與頂面圓弧半徑具有負相關(guān)關(guān)系，在工況一(完建期)中，A方案圓弧半徑0.4 m下最大拉應力為5.2 MPa，而B、C、D、E方案相比前者分別降低30.8%、44.2%、51.9%和59.6%，圓弧半徑愈大，愈能限制錨固洞頂面拉應力發(fā)展，提升錨固洞整體安全穩(wěn)定性，此種現(xiàn)象在工況二(蓄水期)中同樣存在。且各設(shè)計方案之間最大拉應力降低幅度均基本一致，表明水位并不影響圓弧半徑對錨固洞頂面拉應力的限制作用。

圖4 錨固洞頂面應力特征

4.2 錨固洞上游面應力特征

圖5為錨固洞頂面不同設(shè)計方案下錨固洞上游面應力特征變化。從3個剖面上應力特征對比可知，13-13、14-14兩個剖面上在完建期、蓄水期均為壓應力主導，其中最大壓應力為13-13剖面，而15-15剖面在蓄水期(工況二)中均為拉應力。對比相同剖面上應力特征可知，13-13剖面上壓應力以蓄水期(工況二)最大，而14-14剖面上又以完建期(工況一)為最大。分析認為，13-13剖面更靠近錨塊下部，當處于蓄水期時，較大的水頭壓力勢必需要錨塊上游面13-13剖面更多的壓力來平衡承擔，因而其以蓄水期壓應力更大，且為同工況下各剖面中最大壓應力。對比不同設(shè)計方案下錨固洞上游面應力變化可知，13-13剖面上最大壓應力不受頂面圓弧半徑設(shè)計參數(shù)改變影響，在完建期與蓄水期兩工況中分別保持一致，壓應力穩(wěn)定在1.1和2 MPa；14-14剖面與13-13剖面類似，壓應力基本不受圓弧半徑設(shè)計參數(shù)改變影響，在兩工況中壓應力亦是分布在0.6～0.7和0.4～0.5 MPa。分析認為，錨固洞頂面體型的改變對錨塊上游面13-13、14-14浸水面并不產(chǎn)生較大影響，其壓應力的產(chǎn)生主要來源與閘墩迎水截面積有關(guān)，并不受到錨塊頂部體型設(shè)計參數(shù)影響。15-15剖面位于錨固洞頂部，其在完建期均為壓應力分布，且所分布壓應力值均較小，隨錨固洞頂面圓弧半徑增大，完建期該剖面上的壓應力稍有增大，E方案壓應力為1.3 MPa，相比A方案該剖面的壓應力增大18.2%；蓄水期15-15剖面均為拉應力分布，且隨頂面圓弧半徑增大而遞增，其中A方案中該剖面的拉應力為0.3 MPa，而C、D、E方案相比前者分別增大66.7%、133.3%和166.7%。即蓄水期工況中，圓弧半徑參數(shù)與錨固洞上游面拉應力為正相關(guān)，從閘墩結(jié)構(gòu)安全設(shè)計方面考慮，圓弧半徑不應過大，避免錨固洞上游面面臨較大張拉應力狀態(tài)[13-14]。

圖5 錨固洞上游面應力特征

4.3 錨固洞下游面應力特征及方案比選

同理，針對錨固洞下游面3個特征剖面上應力特征展開分析，見圖6。從圖6可看出，不同于錨固洞上游面3個特征剖面上既有拉應力又有壓應力狀態(tài)，在錨固洞下游面各剖面上均為拉應力主導；13-13、14-14兩個特征剖面上最大拉應力隨頂面圓弧半徑參數(shù)改變均保持不變，其中完建期兩個特征剖面上最大拉應力分別為2和2.8 MPa，而在蓄水期兩個剖面上最大拉應力分別為2和2.5 MPa。筆者認為，下游面拉應力的產(chǎn)生與閘墩迎水側(cè)靜水壓力產(chǎn)生的彎矩有關(guān)，而頂面圓弧半徑改變并無實質(zhì)性影響，因而在下游面13-13、14-14兩個水位以下剖面的最大拉應力在各設(shè)計方案中保持不變。15-15特征剖面中完建期最大拉應力高于蓄水期，在B方案中完建期最大拉應力為2.4 MPa，而蓄水期最大拉應力相比之降低45.8%；兩個工況中15-15剖面上的最大拉應力與頂面圓弧半徑設(shè)計參數(shù)為負相關(guān)，且降低幅度為先快后慢，完建期工況中B方案與A方案之間最大拉應力降低44.2%，而在同工況的C方案與B方案之間最大拉應力降低8.3%，此種情況在蓄水期工況中亦是如此。由此表明，錨固洞頂面圓弧半徑設(shè)計參數(shù)對錨固洞下游面張拉應力抑制影響為先快后慢，保持圓弧半徑設(shè)計參數(shù)處于該影響程度轉(zhuǎn)折點附近，錨固洞下游面張拉應力即處于較安全狀態(tài)。

圖6 錨固洞下游面應力特征

以兩工況D方案錨固洞頂面、錨固洞上下游面應力分布狀態(tài)為例進行分析，見圖7。從圖7可知，錨固洞頂面最大拉應力靠近頂面的下游面處，且隨著蓄水位變化，最大拉應力逐漸移動至頂面的上游面處，最大拉應力均保持在頂面圓弧區(qū)域內(nèi)。錨固洞上游面應力分布在兩工況中無顯著差別，僅在靠近頂面圓弧半徑處發(fā)生拉應力變化。從閘墩結(jié)構(gòu)安全性以及工程建設(shè)經(jīng)濟性綜合考慮，當圓弧半徑過大，勢必施工難度以及建設(shè)成本均會較高，且錨塊上游面拉應力會處于較高水平，但另一方面有助于削弱錨固洞頂面應力，因而將錨固洞頂面圓弧半徑設(shè)定為1.2～1.6 m為最佳方案。

圖7 特征部位應力分布狀態(tài)(左、右圖分別為完建期、蓄水期)

5 結(jié) 論

1) 錨固洞頂面完建期最大拉應力高于蓄水期，頂面圓弧B方案下蓄水期最大拉應力相比完建期降低27.8%；錨固洞頂面最大拉應力與頂面圓弧半徑具有負相關(guān)關(guān)系，圓弧半徑愈大，愈能限制頂面拉應力發(fā)展，B、C、D、E方案下頂面最大拉應力相比A方案分別降低30.8%、44.2%、51.9%和59.6%。

2) 錨固洞上游面13-13、14-14剖面壓應力分別為蓄水期、完建期最大壓應力，且此兩剖面壓應力不受圓弧半徑設(shè)計參數(shù)改變影響，分別為0.6～0.7和0.4～0.5 MPa；蓄水期15-15剖面最大拉應力與頂面圓弧半徑參數(shù)為正相關(guān)，C、D、E方案相比A方案分別增大66.7%、133.3%和166.7%，圓弧半徑過大，易導致錨固洞上游面出現(xiàn)張拉破壞。

3) 錨固洞下游面13-13、14-14兩剖面上最大拉應力隨頂面圓弧半徑參數(shù)改變均保持不變，而15-15剖面上的最大拉應力與頂面圓弧半徑設(shè)計參數(shù)為負相關(guān)，且抑制下游面拉應力為先快后慢，完建期B、A方案之間最大拉應力降低了44.2%，而C、B方案之間最大拉應力降低8.3%。

4) 研究了錨固洞頂面、錨固洞上下游面應力分布狀態(tài)在蓄水期、完建期中變化特征，并綜合各特征部位應力受頂面圓弧半徑影響，確定錨固洞頂面圓弧半徑設(shè)定為1.2～1.6 m更有利于閘墩錨固洞安全穩(wěn)定。