基于仿真優化的宮山咀水庫泄洪閘加固結構研究

時 靜

（濟南市水利工程服務中心，山東 濟南 250099）

部分水利工程由于運營年限較長、設計標準較低，導致水工設施運營能力、工作效率等均有所降低，開展相關水工設施除險加固很有必要[1-3]，進行水工結構加固設計優化探討對提高水利工程運營水平具有重要意義。施得兵等[4]、劉婷婷[5]、黃智峰等[6]根據模型試驗理論，在室內設計開展水工物理模型試驗，根據不同設計方案開展滲流或靜力場分析，為評價最優方案提供依據。當然，不可忽視水工模型試驗成本較高、試驗周期較長，而仿真計算可高效解決不同設計方案下水工結構應力、變形分析問題[7，8]，確定最優方案，為工程設計提供重要佐證[9，10]。結合宮山咀水庫泄洪閘錨索加固設計方案，開展錨索保護層厚度參數優化分析，為評價最優設計方案提供重要參考。

1 工程概況

宮山咀水庫是地區重要水利控制樞紐工程，正常蓄水位73.70 m，枯水期水位線高程62.4 m，按照100 a一遇洪水標準設計，設計最大庫容7 975萬m3。該樞紐承擔著防洪、灌溉、排澇等重要任務，其中下游農田灌溉面積超過533 km2，年可供水量超過790萬m3，地區用水缺水率最大不超過2%。樞紐設有壩體、溢洪道等水利設施，其中壩體設計高程80.1 m，設計壩高33.7 m，心墻厚度2.5 m，彎曲段長度15 m，心墻曲率根據壩體延伸坡度而不同，具體分布為5×10-4～20×10-4，上、下游坡度分別為1∕2.5、1∕3，壩頂寬度5.5 m，為雙車道硬化路面設計，壩體另設置有防浪墻，高度81.4 m，壩體滲流監測傳感器表明，運營期內最大滲透坡降不超過0.25，防滲墻穿過基巖覆蓋層，墻基礎深度4.5 m、厚0.6 m。引水隧洞采用邊開挖邊襯砌形式，斷面直徑2.5 m，采用噴錨支護，局部噴射混凝土硬化圍巖，確保圍巖受擾動后不出現拉應力集中區域，斷面進水口高程54 m，進口管直徑設計為1.6 m，隧洞最大徑流量為20.1 m3∕s，微震監測表明圍巖破裂程度不高，類別以Ⅲ～Ⅳ類為主，處于流變變形穩定階段。溢洪道設計為直泄陡槽式，圍堰頂高程67.7 m，堰頂凈寬10.8 m，采用多孔式泄流閘結構，共9 孔，每孔尺寸12 m×6.5 m，泄洪閘最大泄量6 562 m3∕s。根據目前調查得知，黏土心墻壩體穩定性較好，不論在靜力荷載下還是動力作用下，最大沉降不超過5 mm。目前最大問題是溢洪道泄洪閘泄流能力大大降低，相比設計值，運營中最大泄流量僅為3 258 m3∕s，極大限制了溢洪道運用能力，分析這與泄洪閘閘墩局部穩定性不佳有關，導致多年低壓水位運行。為此，工程設計部門考慮對宮山咀水庫溢洪道泄洪閘設施開展加固設計。

2 工程建模

設計考慮采用主、次錨索搭配加固方案，主錨索控制在14～16根，為雙層式分布，每層間距20～30 mm，共有6～7 排，排間距140 mm，主錨索與水平面夾角為30°，設計最大張拉噸位4 550 kN，拉錨系數為2.6，錨索與閘墩間為接觸式連接方式，布設有邊長為0.35 m×0.35 m 截面的矩形墊塊，厚度50 mm。次錨索與主錨索呈垂直向布設，采用雙層錨筋搭接，排間距160 mm，次錨索設計張拉噸位3 750 kN，共有10根，主、次錨索錨筋直徑均為50 mm。錨索連接錨固洞截面體型為圓弧，最長處580 mm，設計預應力損失量為20%，水庫泄洪閘閘墩厚度為1.2～1.4 m，錨索加固方案基本平面設計如圖1 所示。錨索加固設計方案中各參數基本已確定，但由于錨索采用的錨筋在長期負荷過程中易受到侵蝕影響，需對主、次錨索設計素混凝土保護層，但保護層過厚會影響錨索荷載傳遞，過小不滿足保護層設計要求，因而針對錨索保護層厚度設計參數開展優化很有必要。

圖1 錨索加固方案平面設計

利用COMSOL 仿真計算平臺建立泄洪閘整體模型[11，12]，如圖2 所示。為方便分析，重點對泄洪閘關鍵特征部位展開討論，因建立計算模型時已進行簡化，重點對閘墩、錨塊體、錨固洞上進行計算分析，并特別對錨塊體進行網格加密劃分，各特征部位所在位置及加密后錨塊體如圖3 所示。針對計算模型進行微單元網格劃分后，共獲得網格單元442 866個、節點數368 567 個，除錨塊體采用三角形網格劃分，其他區域均為四邊形微單元體。模型施加荷載均為靜荷載，并以正常蓄水期作為計算工況，計算模型中X、Y、Z 正向分別為泄洪閘所在溢洪道右堰、下游水流向、閘頂垂直向上方向。根據上述資料及仿真模型開展加固方案設計參數優化分析，為確定最優設計方案提供依據。

圖2 泄洪閘整體模型

圖3 各特征部位所在位置及錨塊體獨立模型

3 錨索加固結構設計參數優化分析

依據錨索加固方案與泄洪閘適配性，設計錨索保護層厚度分別為0.4 m（1#方案）、0.6 m（2#方案）、0.8 m（3#方案）、1 m（4#方案）、1.2 m（5#方案）、1.4 m（6#方案），在保持錨索其他設計參數一致情況下，僅改變計算模型中保護層厚度設計參數，計算泄洪閘特征部位應力變化特征，以確定保護層厚度最優方案。

3.1 拉應力特征

對各保護層厚度設計方案進行計算，獲得厚度參數與拉應力變化關系，如圖4所示。從圖4可知，3個特征部位中，泄洪閘最大拉應力位于錨固洞上，該部位拉應力集中較顯著，在各設計方案中均是如此。2#方案中錨固洞最大拉應力為4.35 MPa，而在相同方案中錨塊體、閘坎處最大拉應力僅為前者的67.3%、39.1%，各方案中錨塊體、閘坎最大拉應力分別為錨固洞上的64%～93%、50%～78%，即泄洪閘加固方案中應重點考慮錨固洞部位，該部位是加固方案中易受張拉破壞截面。分析3個特征部位與厚度設計參數關系可知，除閘坎部位外，錨塊體與錨固洞上拉應力與厚度參數均為負相關關系，在厚度為0.4 m 時，錨塊體上最大拉應力為3.34 MPa，而厚度增大至0.8、1.2、1.4 m 后，其最大拉應力相比前者分別下降了21.6%、33%、34.5%，表明錨塊體上拉應力受厚度參數限制影響。同樣，在錨固洞上厚度0.8、1.2、1.4 m 時最大拉應力相比厚度0.4 m 時分別下降了30.3%、53.4%、53.9%，表明錨固洞上最大拉應力受厚度參數影響更為敏感。從厚度參數限制拉應力發展趨勢可知，在厚度為0.4～1 m，錨塊體與錨固洞上拉應力降幅最為顯著，錨塊體上厚度1 m 時最大拉應力較厚度0.4、0.8 m時分別下降了31.1%、12.1%，而厚度1.2、1.4 m時拉應力相比厚度1 m時下降幅度僅為2.4%、4.3%，即特征部位上最大拉應力隨厚度設計參數的降幅為逐漸減小過程。從幅度區間劃分可知，厚度為0.4～1 m，厚度增長0.2 m，錨塊體與錨固洞上最大拉應力分別損耗了11.7%、21%；而厚度為1～1.4 m，兩特征部位上最大拉應力降幅分別為2.3%、2.8%。另一特征部位閘坎隨厚度設計參數變化無顯著影響，各設計方案中均穩定在1.7 MPa 左右，最大波動幅度不超過0.8%，即選擇任一厚度值，對閘坎上拉應力改變或限制均無顯著作用。從經濟成本與限制拉應力發展兩方面來看，厚度設計參數不需過大，控制在合理值內即可，工程運營安全可靠性俱佳，而針對厚度設計參數影響下的拉應力值變化可知，厚度1 m時設計方案處于最優。

圖4 厚度參數與特征部位拉應力變化關系

3.2 壓應力特征

同理，根據各厚度設計參數方案可計算獲得加固結構中特征部位壓應力變化特征，如圖5 所示。從圖5 可看出，3 個特征部位中壓應力最大是錨固洞，表明各設計方案中錨固洞上不僅拉應力最大，且壓應力亦最大。3#設計方案中，錨固洞上最大壓應力為13.3 MPa，而錨塊體、閘坎部位上壓應力相比前者分別下降了10.5%、23.4%，分析認為錨固洞作為孔洞截面，極易出現應力集中效應[13，14]，是加固結構中薄弱面。從各厚度參數影響加固結構壓應力特征可知，特征部位壓應力隨厚度參數呈V形變化特征，最低點是厚度1 m 時，在厚度0.4～1 m 錨塊體上最大壓應力平均降幅為12.2%；而在厚度1～1.4 m，壓應力為遞增態勢，平均增幅為9.8%。同樣，在錨固洞以及閘坎上，壓應力在兩區間內分別為遞減、遞增變化，在前一區間內平均降幅為16.9%、8.8%，后一區間內增幅又為17.2%、6.5%，表明3 個特征部位中錨固洞壓應力受厚度參數影響更為敏感，其拉應力亦為最敏感。

圖5 厚度參數與特征部位壓應力變化關系

3.3 最優方案應力分布特征

根據上述厚度設計參數影響拉、壓應力特征分析，結合工程成本考慮，當厚度設計為1 m 時，加固結構拉、壓應力態勢處于較佳狀態，且應力值均滿足安全設計要求，即為最優方案。給出該方案下特征部位上應力分布特征，如圖6所示。

圖6 特征部位上應力分布特征

從圖6 可看出，錨塊體上壓應力分布具有對稱性，位于錨塊體迎水側面，最大拉應力位于錨塊體底部位置，達1.6 MPa；錨固洞上拉應力位于頂面區域，雖拉應力分布區域較多，但量值較小，分布最廣泛區域為0.1～0.7 MPa；從以上應力特征可知，該方案應力分布較穩定，拉應力控制在合理區間，結構運營安全可靠性較佳。

4 結論

（1）特征部位上拉、壓應力最大值均位于錨固洞，各方案中錨塊體、閘坎最大拉應力分別為錨固洞上的64%～93%、50%～78%，應重點對錨固洞部位進行加固設計。

（2）錨塊體與錨固洞上拉應力與厚度參數均為負相關，但降幅在厚度0.4～1、1～1.4 m 兩區間內具有顯著差異，兩特征部位在前一區間內平均降幅分別為11.7%、21%，后一區間內又為2.3%、2.8%，錨固洞上拉應力受厚度參數影響更為敏感；閘坎部位拉應力隨厚度參數變化無顯著影響。

（3）特征部位壓應力隨厚度參數變化曲線為V形特征，最低點是厚度1 m 時，厚度0.4～1 m 錨固洞、閘坎、錨塊體平均降幅為16.9%、8.8%、12.2%，而超過1 m后平均降幅又為17.2%、6.5%、9.8%。

（4）綜合應力變化特征與應力分布特征，厚度1 m時結構運營更具安全可靠性，乃是最佳設計方案。