基于仿真的塘沖水庫閘門加固設計參數分析研究

房一貴

(連南瑤族自治縣水利事務中心,廣東 清遠 513300)

水工結構設計優化提升，乃是保障水利工程長期運營安全性、建設經濟性、工程適配性的重要舉措[1-3]，開展水工設計方案優化分析對此具有重要指導意義。由于擬建工程的設計多樣性以及工程現場環境的復雜性，張笮娜等[4]、沈衛[5]、陳斌等[6]認為可在室內建立水工模型，以模型試驗與實際工況相結合，對工程設計方案開展試驗分析，獲得不同設計方案優劣性，進而確定最適配工程的最優方案。當然，對現有運營工程開展長期穩定監測[7-8]，分析工程運營監測數據，可在此基礎上比選出擬建工程的最優設計方案。水工模型試驗和監測數據分析研究方法，耗時以及試驗成本均較大，無法較快給出設計方案的對比差異性，判斷出工程設計參數的影響性。因而，一些學者利用ANSYS、ABAQUS、FLAC等仿真軟件建立計算模型，施加對應工況荷載條件，可較高效獲得不同設計參數或方案下計算模型的靜力場特征，分析優選出最科學合理的方案，這類研究方法在水利大壩[9]、水閘[10]、溢洪道[11]等水工建筑設計優化中得到應用。本文根據連南瑤族自治縣塘沖水庫閘門加固設計方案，利用ABAQUS有限元仿真完成了閘門加固結構設計參數優化分析，為工程加固設計選擇最適宜參數提供計算依據。

1 工程概況

塘沖水庫工程位于連南瑤族自治縣三江鎮三江河支流上，乃是地區內重要水利樞紐設施，承擔著連南縣城供水、防洪、發電等重要作用，設計總庫容為140.6萬m3。水庫大壩采用混凝土砌石堆筑型式，壩高最大為47.0 m，壩軸線長度為125.0 m，壩頂寬度為5.5 m，正常蓄水位庫容可滿足地區236.67 hm2農田灌溉。該水庫引水口處設置有1#攔污柵水工建筑，設計尺寸為1.2 m×1.2 m，以鋼混結構支撐墩為結構承重系統，中心高程為214.3 m；由于上游河道泥沙含量較高，輸水渠首設置有沖砂管，采用鋼管通行流量形式，壁厚為10 mm，下游輸水涵洞進口底板高程為205.8 m，與塘沖水庫輸水控制閘門相一致，底板坡度為2‰，底板厚度為0.4 m。輸水渠道全長45.0 km，其流量精確控制與渠首塘沖水閘密切相關，渠首流量最大不超過0.6 m3/s，而輸水渠道內最大滲透坡降不超過0.25，水頭壓力波動幅度較小，輸水運營過程中水面線變化較穩定，渠道內無顯著渦流等紊流現象，渠道輸水耗損率不超過15%，防滲效果較好。在塘沖水閘前設置有2#攔污柵，其尺寸為2.2 m×1.8 m，采用橫、縱連系梁加固結構，橫梁采用半圓弧截面體型，圓弧半徑為1.2 m，連系梁最大可降低拉應力60%，柵墩與連系梁互為支撐系統，有限元模擬計算得知柵墩上最大拉應力不超過1.5 MPa，結構沉降變形為12.5 mm，攔污柵整體運營穩定性較佳。從塘沖閘門安全運營考慮，其上游攔污柵附屬設施與下游輸水渠道均較為穩定，因而重點開展水閘自身設計安全性分析。塘沖水閘底板高程為200.4 m，采用多孔式泄流設計，單孔閘門尺寸為2.5 m×2.5 m，最大泄流量設計為255.0 m3/s，采用預應力閘墩為支撐結構，設置有型鋼加固結構，鋼結構截面尺寸為1.2 m×1.0 m，最大可承受4.0 MPa拉應力，加固結構與預應力閘墩錨索支護系統為該塘沖水閘穩定運營的重要保障；閘門現狀有限元模擬計算得知最大拉應力達2.2 MPa，局部滲漏性較嚴重，水閘開度與閘門控制匹配性不佳。從水工結構安全設計考慮，該樞紐設施的閘門結構的靜力穩定性、滲透安全性，均會影響塘沖水庫整體運營，應對該閘門重修加固，為此對塘沖水庫閘門設計參數開展仿真計算分析。

圖1 塘沖閘門加固結構設計俯視圖

2 研究方案

為保證塘沖水庫閘門運營穩定性，擬采用鋼結構加固措施，提升閘門靜載能力，塘沖閘門加固結構設計俯視圖如圖1所示。所采用的加固結構為型鋼設計方案，全長為17.0 m，以彎拱式為設計形態，跨中寬度2.6 m，梁端部寬度為2.4 m，厚度為0.6 m，鋼結構腹板高度為3.5 m，厚度為0.5 m，肋板厚度為0.4 m，并在腹板、底板等區域重點配筋，提升結構剛度[12]。鋼結構與閘墩之間設置有正方形墊板，截面尺寸為0.8 m×1.2 m，鋼梁截面為梯形體型，布設在閘門支撐結構系統中。

根據對加固結構設計參數分析得知，其翼緣比決定了鋼結構布設型式與穩定系數，此類型鋼結構的設計方案很大程度上就是翼緣比的對比優化，塘沖水庫閘門加固結構剖面型式如圖2所示。根據水庫運營工況下荷載分析得知，靜力荷載下水庫閘門外荷載包括有結構自重、靜水壓力以及閘門推力等，筆者擬定計算工況中水庫蓄水位為35.0 m，以閘門瞬時推力及水壓力推力合力點為閘門推力計算，其作用點如圖3所示。

圖2 閘門加固結構剖面圖

圖3 閘門推力作用點(單位：mm)

利用ABAQUS仿真計算平臺建立水閘整體計算模型[13-14]，如圖4(a)所示，經有限元網格劃分后獲得微單元體108 632個，節點數86 262個；另一方面，針對性給出塘沖水閘閘門與加固結構有限元模型，如圖4(b)所示，其網格分布密度高于整體模型。計算過程中設定模型中X、Y、Z正向分別為水流橫向右岸方向、順水流下游方向及閘門垂直向上方向。

圖4 閘門有限元計算模型

為分析加固鋼結構中翼緣比對閘門穩定性影響，本文以鋼結構截面翼緣寬厚比為分析參數，該參數為工字鋼截面寬度L與厚度a之比[15]，如圖5所示。本文中統一設定閘門加固結構翼緣寬度為2400 mm，而翼緣比中鋼結構寬厚比對比方案分別設定為25(A方案)、26(B方案)、27(C方案)、28(D方案)、29(E方案)、30(F方案)，故鋼結構截面厚度分別為96 mm、92 mm、89 mm、86 mm、83 mm、80 mm，其他設計參數均保持一致，基于上述六種不同設計方案開展對比計算分析。

圖5 工字鋼截面示意圖

3 加固設計參數對閘門力學特征影響

3.1 拉應力特征

圖6 翼緣寬厚比參數與特征部位拉應力關系

根據對塘沖水庫不同設計方案閘門加固鋼結構應力計算，獲得翼緣寬厚比設計參數與鋼結構截面特征部位拉應力關系特征，如圖6所示。從圖6可看出，加固鋼結構上拉應力最大位于下游翼緣部位，其在各設計方案中拉應力分布為4.16～6.12 MPa，在寬厚比為26時最大拉應力為 5.89 MPa，而相同方案中腹板、肋板處最大拉應力較前者分別減少了65.3%、50.1%，從各設計方案對比來看，下游翼緣最大拉應力與腹板、肋板部位間差距分別為21.6%～200.0%、41.4%～110.0%，而上、下游翼緣拉應力差幅較小，各方案中最大差幅僅為30.1%，屬E方案。為確保加固結構應力穩定性，應重點對翼緣進行配筋保護，提升翼緣處剛度，增強結構抗拉特性。當寬厚比增大時，上、下游翼緣最大拉應力均呈先減后增變化，拉應力最低均為寬厚比28方案，在該方案下，翼緣上、下游部位最大拉應力分別為2.75 MPa、3.56 MPa；上游翼緣部位在寬厚比25、27、30方案中最大拉應力較前者方案分別增大了1.14倍、33.1%、88.4%，當寬厚比位于25～28區間內時，上游翼緣部位最大拉應力隨寬厚比增長的平均降幅為24.5%，而寬厚比超過28后，上游翼緣部位拉應力的平均漲幅為38.3%；與之相對應的是，下游翼緣部位在寬厚比25～28與28～30區間內的平均降幅與增幅分別為15.5%、29.8%，即下游翼緣部位拉應力受寬厚比影響敏感性不及翼緣上游。另一特征部位腹板處最大拉應力隨翼緣寬厚比變化，僅在寬厚比28方案后才具有顯著變化，當寬厚比低于28時，其拉應力穩定在2.04 MPa左右，而寬厚比超過28后，寬厚比29、30方案中拉應力較前者分別增大了89.4%、144.0%，即腹板拉應力受寬厚比影響具有一定“門檻”節點特征，僅當腹板拉應力超過該節點后，拉應力才具顯著增長效應，從設計安全性角度考慮，應盡量考慮寬厚比控制在低于28區間內，抑制加固結構內張拉應力發展[16-17]。肋板處最大拉應力受寬厚比影響變化較小，各設計方案中肋板最大拉應力均穩定在2.94 MPa，最大變幅僅為0.1%，故改變翼緣寬厚比參數，對肋板拉應力量值影響較小，設計之時其可視為次要因素。綜合上述特征部位拉應力與寬厚比關系可知，當翼緣寬厚比為28時，翼緣上、下游部位拉應力均滿足設計要求，且抗拉設計“性價比”最大，而腹板、肋板拉應力控制在合理區間內，不損害結構抗拉特性，方案合理性與科學性較佳。

3.2 應力分布特征

由方案比選考慮，針對寬厚比28設計方案應力計算結果，獲得加固結構特征部位Mises應力分布特征，如圖7所示。從圖7可看出，受下游墊塊應力傳遞影響，上游翼緣Mises等效應力低于下游翼緣部位，在該設計方案中下游翼緣Mises等效應力相比上游翼緣增大了1.2倍；上游翼緣最大應力分布于鋼結構與閘門連接處，達0.91 MPa，而下游翼緣最大應力分布于鋼結構兩側支座與墊塊接觸區域。腹板Mises等效應力集中在肋板與腹板連接部位，分布為對稱狀態，部位上大部分區域Mises應力以0.67～0.84 MPa為主；肋板上Mises等效應力在加固鋼梁結構軸線上分布較穩定，無顯著較大應力區間范圍占據結構應力主導作用。從應力分布特征論述，筆者認為，寬厚比28設計方案對閘門加固防護作用顯著，有利于水閘安全運營。

4 設計參數對加固結構變形特征影響

塘沖水庫閘門的變形特征是設計中重點關注參數，本文由不同設計方案計算出加固鋼結構跨中、邊側部位處變形(撓度)特征，如圖8所示。從圖8可知，鋼結構跨中撓度隨翼緣寬厚比增大呈增長趨勢，兩者具有正相關變化特征，當翼緣寬厚比為25時，跨中部位撓度為2.043 mm，而寬厚比為26、28、30時跨中撓度較前者分別提升了3.6%、9.9%、110.0%，表明跨中撓度的變幅具有顯著階段性變化，當寬厚比為25～28時，跨中撓度變幅較小，各方案間撓度平均增幅僅為3.2%，而寬厚比超過28后，在28～30區間內，跨中撓度平均增幅可達39.4%。從跨中撓度與加固結構變形適配性來看，寬厚比不應超過28，避免結構靜力荷載下變形過大，引起結構失穩。在各設計方案中邊側撓度基本不變，且量值較低，僅為1.55 mm，各方案間最大變幅僅為0.06%，改變翼緣寬厚比，對邊側撓度影響較小，此與鋼結構主梁上受力分布有關，在鋼結構主梁兩側，均有支撐支座與墊塊構件，其可抑制撓度過大發展。結合塘沖水庫閘門加固結構應力、變形特征計算可知，當鋼結構翼緣寬厚比為28時，結構抗拉效果、撓度發展等均處于合理、安全狀態，乃為最優設計方案。

圖8 翼緣寬厚比參數與鋼結構變形特征

5 結 論

(1)加固結構上拉應力最大位于下游翼緣，其與腹板、肋板部位間差距分別為21.6%～200.0%、41.4%～110.0%；上、下游翼緣拉應力最低均為寬厚比28方案，而在寬厚比25～28區間內的平均降幅分別為24.5%、15.5%，在28～30 區間內的平均增幅分別為38.3%、29.8%；腹板處最大拉應力在寬厚比28方案前穩定在2.04 MPa，超過該方案后拉應力為遞增；肋板拉應力受寬厚比影響較小，各方案穩定在2.94 MPa。

(2)翼緣寬厚比28設計方案中上游翼緣Mises等效應力低于下游，下游翼緣Mises等效應力最大值分布于鋼結構支座與墊塊接觸區；腹板Mises等效應力以0.67～0.84 MPa為主；肋板Mises應力沿鋼梁軸線分布較均勻。

(3)鋼結構跨中撓度與翼緣寬厚比具有正相關關系，寬厚比25～28與28～30區間內跨中撓度平均增幅分別為3.2%、39.4%；各設計方案中結構邊側撓度基本不變，穩定在1.55 mm，受翼緣寬厚比影響較小。

(4)綜合塘沖閘門加固鋼結構應力、變形特征，翼緣寬厚比28時，結構抗拉、抗失穩效果最佳，此為最優設計方案。