滄江水利樞紐中擋墻設計對靜力場及水沙演變穩定性影響研究

何杰明

(佛山市高明區城市重建和項目代建中心，廣東 佛山 528000)

1 工程概況

佛山市滄江水利樞紐是地區重要水利樞紐設施，目前，考慮對其開展重建設計，包括水閘、泵站等水工設施。滄江水閘按照大Ⅱ型水閘設計，水閘施工一、二期圍堰導流流量設計為552 m3/s。一期上游橫向土石圍堰堰體采用工程現場土料填筑，上、下游堰殼填料采用碎石料填筑。作為滄江重建水利樞紐工程中重要結構，船閘上下閘首的施工，采用貝雷梁鋼平臺與擋墻結構，貝雷梁平臺與閘首結構垂直，并與主梁截面相連接，鋼平臺尺寸為14.5 m×18.0 m，結構穩定性較佳，設計方案已在一期圍堰的下閘首施工中應用。擋墻結構是配合貝雷梁鋼平臺作為施工支撐結構的重要組成部分，設計擋墻厚度為1.2 m，其類型為扶壁式擋墻結構，墻頂板厚度為0.6 m，墻身頂標高與貝雷梁鋼平臺一致，側壁夾角為37°，踵板厚度為0.5 m，踵板寬度為墻高1/3，順水流方向長度為3.2 m，目前擋墻扶壁厚度參數還處于優化設計階段，這也是本文重點研究對象。

2 設計仿真

本文采用FLAC 3D平臺構建起船閘上閘首擋墻幾何模型[1]，該模型包括船閘上、下游區段長度12 m，順貝雷梁鋼平臺標高分別建立墻后巖土層、堆筑料等。由于本文重點研究扶壁厚度對該擋墻結構設計穩定性影響，因而在確保擋墻各設計參數均為一致前提下，設定擋墻扶壁厚度分別為0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m、1.0 m，模型中相應的扶肋間厚度按照設計扶壁厚度設置。根據墻體結構材料組成性質，對船閘上閘首扶壁式擋墻結構進行網格劃分，獲得三面體單元數120 682個，節點數136 894個。

由于該擋墻結構扶壁厚度設計優化本質上關聯船閘施工穩定性，因而研究工況以船閘迎水側為分析對象，所受荷載包括結構自重、靜水壓力及貝雷梁鋼平臺摩擦應力等，特征水位取滄江水利樞紐設計洪水位。計算模型上、下邊界均設定為無自由度體系，而側壁設計為無縱向約束；模型中X、Y、Z正向分別設定為順閘首下游方向、擋墻左岸向及結構豎直上方向。根據對擋墻結構與船閘上閘首分析，面板部分是閘首重要承重結構，而扶壁、踵板是擋墻結構的重要組成部分，因而本文重點探討擋墻結構的三特征部位靜力特征與設計方案關系。

3 擋墻設計參數與靜力特征關系

3.1 應力特征

圖1為計算獲得的擋墻結構拉應力變化特征。分析拉應力變化趨勢可知，不同部位拉應力隨設計參數變化并不一致，面板與扶壁結構上拉應力為先減后增變化，且全過程中擋墻結構拉應力最大位于面板部位，其最大拉應力分布為1.70～4.69 MPa，而扶壁、踵板部位上拉應力比之降低了17.8%～34.7%、53.5%～78.6%。在各設計方案中，扶壁與面板部位上最大拉應力最低點均指向厚度0.7 m方案，分別為1.16 MPa、1.70 MPa，以該節點前、后區間方案分別為遞減、遞增態勢，扶壁厚度0.8 m、1 m方案下面板最大拉應力較前者分別增大了50%和1.96倍，隨厚度每增大0.1 m，該區間內方案下面板拉應力平均增幅為37.3%，而在厚度0.4～0.7 m區間方案中的平均降幅為28.1%。扶壁部位拉應力與面板上有所類似，其在厚度0.4～0.7 m與0.7～1.0 m區間內各方案中拉應力分別平均降幅32.3%與增幅43.7%。分析認為，擋墻結構設計應重點注意拉應力較大區域，易造成結構出現張拉破壞，特別是在扶壁部位與貝雷梁鋼平臺相焊接，故而扶壁部位應選擇一個拉應力較低的方案。相比前兩部位，作為與船閘上閘首承重墩同一標高的踵板部位，其最大拉應力全方案中均穩定在1 MPa，方案間最大波幅不超過1.5%，即踵板部位受擋墻扶壁厚度參數影響敏感度較低。綜合分析可知，扶壁厚度參數應以擋墻面板、扶壁部位拉應力受影響為關切要點，確保滄江重建船閘的結構穩定性。

圖1 擋墻各部位最大拉應力特征

圖2 擋墻各部位最大壓應力特征

圖2為各方案中結構壓應力表現特征。根據圖中壓應力變化特征，可知擋墻結構壓應力最大位于踵板部位，分布為15.3～27.0 MPa，該部位壓應力主要來源于結構自重，表明擋墻結構在船閘重建工程中應力最大發生來源仍為結構自重。當扶壁厚度參數增大后，擋墻結構的踵板、面板、扶壁三個部位上壓應力均呈遞增變化，但增幅在厚度方案0.7 m后出現放緩態勢。面板部位在厚度0.5 m、0.7 m方案中壓應力較0.4 m下分別增長了25.2%、64.7%，但厚度0.8 m、1.0 m方案下壓應力與0.7 m間的增幅均低于1.0%，面板壓應力在全過程中平均增幅為9.2%，但在厚度0.4～0.7 m方案間平均增幅達18.2%，而厚度0.7～1.0 m區間內平均增幅僅為0.19%，表明面板部位壓應力實質上在扶壁厚度0.4～0.7 m區間內即已逐步達到“飽和”壓應力狀態，后再增大扶壁厚度，對結構預壓應力效果的增長較弱[2]。踵板、扶壁兩部位也是類似，全方案中壓應力平均增幅分別為10.4%、8.4%，而在厚度0.4～0.7 m方案間平均增幅為20.4%、16.7%，當厚度超過0.7 m后，平均增幅分別僅為0.36%、0.16%。從增幅態勢也可看出，三個部位中壓應力受扶壁厚度參數影響最為敏感屬踵板，而扶壁部位受影響敏感最弱。從船閘擋墻結構設計優化來看，應控制扶壁厚度在0.7 m以內，而結合拉應力影響特征，本文認為扶壁厚度0.7 m時應力狀態最佳[3]。

3.2 位移特征

圖3 擋墻各向位移特征

位移特征是反映擋墻結構設計合理性與安全性的重要指標，依據不同扶壁厚度參數設計方案下仿真計算，獲得擋墻結構各向最大位移值隨厚度參數變化特征，如圖3所示。從圖中可以看出，三向最大位移值隨扶壁厚度參數均為遞減變化，相似性較高，但位移最高仍為Z向，各方案中分布為6.57～13.87 mm，而X、Y向最大位移較之分別減少了47.9%～63.6%、28.1%～38.7%。當扶壁厚度參數增大后，厚度0.6 m、0.8 m、1.0 m 方案中X向最大位移較厚度0.4 m下分別減少了56.00%、64.30%、64.31%，平均厚度每增大0.1 m可導致X向最大位移減少14.4%。另一方面，與壓應力受影響變化有所類似，X向位移同樣在厚度0.7 m后呈現“停滯”穩定狀態，為2.57 mm 左右，而在厚度0.4～0.7 m方案間X向位移平均降幅可達27.9%，在厚度0.7 m后方案間最大降幅僅為2.4%。另兩向位移與之有所類似，均是在厚度0.7 m后出現穩定狀態，分別穩定在4.68 mm、6.57 mm，而在厚度0.4～0.7 m方案間平均降幅分別達21.1%、21.7%，分別占各自位移中降幅的98.6%、98.8%。由此可知，扶壁厚度參數增大后，結構抗拉特性增強，受張拉應力產生的微裂隙減少，反映在位移特征值上降低，但扶壁厚度的影響能力受有限的，僅局限在厚度0.7 m以內。根據靜力場特征表現，應力與位移特征均指向扶壁厚度參數0.7 m時對擋墻結構設計最優，有助于船閘上閘首的施工穩定性。

4 擋墻設計參數與閘首水沙關系

閘首水沙特征反映了重建水利樞紐水力特征，本文采用Fluent滲流場模型研究了不同擋墻結構設計下閘首各斷面上泥沙淤積狀態，圖4為模擬重建后船閘閘首運營300 d后泥沙淤積厚度變化。

圖4 泥沙淤積厚度變化特征

根據圖4中泥沙淤積厚度變化可知，泥沙淤積厚度與扶壁厚度為負相關關系。研究區斷面全長為6 m，泥沙淤積厚度在各斷面上呈現波幅最大的屬厚度0.4 m方案，該方案下全斷面泥沙淤積平均厚度為65.43 cm，而隨斷面每變化0.5 m引起的最大波幅達12.3%，斷面上淤積厚度最大、最小分別為70.43 cm、60.34 cm。在厚度0.5 m方案中也是如此，其淤積厚度最大波幅可達11.9%，而厚度最高、最低間差幅達16.8%，不利于閘首控流穩定性[4-5]。當扶壁厚度參數增大至0.9 m、1.0 m后，隨整體上泥沙淤積厚度有所減小，斷面上淤積厚度平均值分別為36.77 cm、28.18 cm，相比厚度0.5 m下分別減少了43.8%、56.9%。但不可忽視此兩方案斷面上泥沙淤積厚度的穩定性僅限于上游或下游，如厚度0.9 m中泥沙淤積厚度在斷面0～3.0 m上穩定為36.7 cm，而在斷面3.0～6.0 m上出現顯著波幅，最大波幅達12.4%；同樣在厚度1.0 m方案中，其泥沙淤積厚度在斷面3.5～6.0 m間穩定在26.45 cm，而超過該斷面后即出現“失穩”現象。各方案中泥沙淤積厚度穩定性較佳屬厚度0.6～0.8 m方案，此三方案中淤積厚度分別穩定在48.62 cm、46.90 cm、43.39 cm，三個方案間受扶壁厚度參數影響下的水沙演化差異性較小，適宜于船閘閘首工程。結合水沙特征與靜力特征，筆者認為扶壁厚度0.7 m是最優方案。

5 結 論

(1)面板與扶壁結構拉應力隨扶壁厚度參數為先減后增變化，以厚度0.7 m為各方案中拉應力最低，踵板拉應力穩定在1 MPa；各部位壓應力與扶壁設計參數具有正相關，但均在厚度0.7 m后達到壓應力穩定。

(2)各向位移隨厚度參數為遞減，在厚度0.7 m 方案后達到停滯穩定狀態，在厚度0.4～0.7 m 區間各方案中，X、Y、Z向位移分別平均減少27.9%、21.1%、21.7%，而厚度超過0.7 m后分別穩定在2.57 mm、4.68 mm、6.57 mm。

(3)扶壁厚度參數過大或過小，均會引起閘首泥沙淤積厚度非穩定現象，且厚度愈大，則淤積厚度愈低，以扶壁厚度0.6～0.8 m三方案中泥沙淤積最穩定，分別為48.62 cm、46.90 cm、43.39 cm，有利于閘首控流排沙。

(4)綜合靜力場特征與泥沙淤積特征，認為扶壁厚度0.7 m時更適宜擋墻結構設計。