才登巴

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

水閘安全穩(wěn)定性運(yùn)營(yíng)有助于提升水資源調(diào)度能力，為地區(qū)水資源高效利用提供重要基礎(chǔ)動(dòng)力[1- 2]。閘墩是水閘重要結(jié)構(gòu)組成部分，研究閘墩安全受力狀態(tài)，亦是水閘安全設(shè)計(jì)的重要子方面，目前預(yù)應(yīng)力閘墩在水閘承重結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較廣泛，而改善該結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的重要舉措即是設(shè)置有錨塊體，提升閘墩穩(wěn)定性[3- 4]。已有較多學(xué)者或水利工程師基于水工模型試驗(yàn)，研究了水閘以及溢洪道等水利工程中預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)錨塊的應(yīng)力特性，為水工設(shè)計(jì)提供了重要試驗(yàn)依據(jù)[5- 7]。根據(jù)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)，研究水工結(jié)構(gòu)中閘墩或錨索的應(yīng)力變形狀態(tài)，為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性提供重要參考[8- 10]。數(shù)值計(jì)算可研究較復(fù)雜工況，因而，采用數(shù)值仿真計(jì)算，研究預(yù)應(yīng)力閘墩錨塊設(shè)置空腔下應(yīng)力變化，及不同空腔設(shè)計(jì)方案下閘墩應(yīng)力變化，為提升實(shí)際工程設(shè)計(jì)水平提供重要作用[11- 13]。本文將以此計(jì)算理論為基礎(chǔ)，開展預(yù)應(yīng)力閘墩錨塊空腔設(shè)計(jì)分析，研究對(duì)閘墩穩(wěn)定性最佳的空腔體型設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

某防洪樞紐工程上游蓄水庫(kù)總庫(kù)容超過(guò)200萬(wàn)m3，面向區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市生活用水，該樞紐工程在水平規(guī)劃年可幫助降低缺水率6.2%，可謂是地區(qū)內(nèi)重要水利設(shè)施。防洪樞紐工程中，通行流量采用水閘調(diào)控，其結(jié)構(gòu)底板高程為695m，閘室寬度為51m，設(shè)計(jì)為多孔式閘門，每孔寬度為8m，設(shè)置有檢修閘門啟閉系統(tǒng)，堰頂設(shè)置有交通橋與工作橋，均寬為4m，其中工作橋采用混凝土T梁結(jié)構(gòu)。水閘兩側(cè)建設(shè)有導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)，減弱水流對(duì)水利工程沖擊磨損效應(yīng)，導(dǎo)墻厚度最厚處為0.85m，結(jié)構(gòu)層以鋼筋混凝土一體式澆筑形成，面層材料為M15抹灰砂漿，底部設(shè)置有縱向變形縫，減弱混凝土漲裂效應(yīng)；輸水干渠通道借助導(dǎo)墻側(cè)引流，確保渠首流量精確控制在0.65m3/s。設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力閘墩為承重結(jié)構(gòu)，每個(gè)排墩厚度均為4.2m，邊墩設(shè)置為重力式混凝土擋墻墩，增強(qiáng)排墩整體承載力，閘墩結(jié)構(gòu)材料為C30混凝土；所有閘墩主錨索與錨固洞連接，而下游段設(shè)計(jì)以錨塊的形式布設(shè)在排墩兩側(cè)，錨塊對(duì)稱式分布，每根預(yù)應(yīng)力錨索張拉鎖定荷載為2050kN，閘墩立面布置和錨固洞平面如圖1所示。

圖1 閘墩立面布置和錨固洞平面

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查分析得知，工程場(chǎng)地表面覆蓋土層為第四系軟性填土層，厚度約為1.5m，松散型較大，室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)定其變形模量參數(shù)高于常規(guī)填土層，承載力中等，農(nóng)業(yè)灌區(qū)內(nèi)輸水干渠以該土層為持力層；下臥土層為重粘土質(zhì)淤泥，沉降變形較大，局部夾有壤土與砂壤土，故而本工程中閘室基礎(chǔ)采用灌注樁，減弱淤泥土層大變形沉降對(duì)工程安全穩(wěn)定性的危害，該土層含水量亦較高，灌注樁施工超挖土層均以素混凝土作為固結(jié)材料灌注入淤泥質(zhì)土層中，增強(qiáng)地基穩(wěn)定性?；鶐r層材料為弱風(fēng)化灰?guī)r，晶體顆粒粒徑超過(guò)4mm，承載力較強(qiáng)，可作為大型工程承基層，現(xiàn)場(chǎng)取樣表明，基巖層基本無(wú)顯著夾層破碎帶，因而現(xiàn)場(chǎng)取出巖芯長(zhǎng)度均較高，巖體表面磨圓度較好，中粗粒結(jié)構(gòu)受到上游河流沖刷影響，造成巖體內(nèi)部晶體顆粒一體化結(jié)構(gòu)較穩(wěn)固，靜水壓力下巖體滲透率低于10- 18m2，部分預(yù)應(yīng)力錨索錨固洞布設(shè)即以淤泥質(zhì)土層與基巖層截面。本文將利用仿真計(jì)算手段，研究水閘預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)及錨塊尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)影響特性。

2 閘墩錨塊空腔橢圓體型研究

基于上述工程地質(zhì)資料基礎(chǔ)，利用建模軟件獲得預(yù)應(yīng)力閘墩數(shù)值模型，而錨塊作為閘墩預(yù)應(yīng)力錨索的一部分重要結(jié)構(gòu)，其材料為C40混凝土，在數(shù)值模型中與預(yù)應(yīng)力閘墩共用單元節(jié)點(diǎn)，錨塊與閘墩連接方式初步設(shè)計(jì)為整體式節(jié)點(diǎn)連接[14]；另數(shù)值仿真計(jì)算坐標(biāo)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)值模型如圖2所示，劃分單元網(wǎng)格數(shù)共63584個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)46762個(gè)，單元網(wǎng)格質(zhì)量均在0.96以上，另在錨塊等特征部位網(wǎng)格劃分較密，圖2為水閘預(yù)應(yīng)力閘墩及其錨固設(shè)施結(jié)構(gòu)特征剖面所在位置。為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)不同工況下閘墩與錨塊安全穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)以水閘完建期(工況一)與上游水位72.3m蓄水期(工況二)開展研究，分別研究預(yù)應(yīng)力閘墩錨塊空腔體應(yīng)力特征，本文所有拉、壓應(yīng)力參數(shù)均以正、負(fù)號(hào)區(qū)分。

圖2 數(shù)值模型

3 空腔橢圓體型設(shè)計(jì)參數(shù)研究

本文在前人研究基礎(chǔ)上考慮以橢圓形截面作為錨塊空腔體型，但由于截面不同體型參數(shù)均會(huì)對(duì)錨塊應(yīng)力特征影響，因而，本文考慮對(duì)橢圓形空腔體型設(shè)計(jì)參數(shù)開展研究分析，其中截面橢圓體型分為長(zhǎng)、短軸設(shè)計(jì)參數(shù)，分別對(duì)這2個(gè)參數(shù)開展對(duì)比計(jì)算。

3.1 空腔體型長(zhǎng)軸設(shè)計(jì)參數(shù)

為研究空腔體型長(zhǎng)軸參數(shù)，本文設(shè)計(jì)橢圓形空腔長(zhǎng)軸設(shè)計(jì)方案分別為2m(A方案)、2.5m(B方案)、3m(C方案)、3.5m(D方案)4種方案，空腔上游面距離錨塊的位置參數(shù)統(tǒng)一均設(shè)定為1.85m，各典型長(zhǎng)軸設(shè)計(jì)方案數(shù)值模型如圖3所示，閘墩、錨塊以及空腔截面上特征剖面如圖4所示。

圖3 各典型長(zhǎng)軸設(shè)計(jì)方案數(shù)值模型

圖4 特征剖面位置示意圖

基于仿真計(jì)算獲得各長(zhǎng)軸設(shè)計(jì)方案下預(yù)應(yīng)力閘墩應(yīng)力特征，如圖5所示。從圖中可看出，工況一中閘墩主要以受壓為主導(dǎo)作用，且最大壓應(yīng)力與截面體型長(zhǎng)軸參數(shù)為正相關(guān)，A方案最大壓應(yīng)力為9.8MPa，而在C、D方案中分別相對(duì)前者增長(zhǎng)了12.2%、20.4%；工況二中閘墩最大壓應(yīng)力亦是如此，但工況二中出現(xiàn)有拉應(yīng)力，且均分布在1- 1特征剖面上，最大拉應(yīng)力與截面體型長(zhǎng)軸參數(shù)為負(fù)相關(guān)變化。分析表明，工況二外荷載具有水壓力，一定程度上會(huì)影響結(jié)構(gòu)受彎特性，且1- 1剖面處于閘墩底部，直接受到上揚(yáng)壓力影響，故而在1- 1剖面中產(chǎn)生拉應(yīng)力，而2- 2、3- 3剖面中仍然處于無(wú)水狀態(tài)，以受壓為主。對(duì)比工況一、二可知，工況二中最大壓應(yīng)力雖相比工況一有所降低，但局部剖面上出現(xiàn)有拉應(yīng)力，長(zhǎng)軸B方案中工況二最大壓應(yīng)力相比工況一減少了16.3%，圖6為2種工況C方案閘墩應(yīng)力分布對(duì)比，圖中應(yīng)力分布亦可知，工況一中結(jié)構(gòu)上大部分分布有壓應(yīng)力，而工況二中拉應(yīng)力分布較多，量值約為0.3～0.7MPa。從特征剖面應(yīng)力表現(xiàn)可知，工況一中1- 1、3- 3特征剖面壓應(yīng)力為一致，兩者為對(duì)稱式分布，B方案中1- 1、3- 3特征剖面壓應(yīng)力均保持為10.4MPa。從長(zhǎng)軸設(shè)計(jì)參數(shù)與閘墩應(yīng)力可知，長(zhǎng)軸參數(shù)應(yīng)盡量保持適中，可抑制應(yīng)力集中現(xiàn)象，增強(qiáng)閘墩穩(wěn)定性。

圖5 各長(zhǎng)軸設(shè)計(jì)方案下預(yù)應(yīng)力閘墩應(yīng)力特征

圖6 C方案閘墩應(yīng)力分布對(duì)比

圖7為各方案空腔上、下游表面在z向上應(yīng)力特征。從圖中z向應(yīng)力結(jié)果可看出，不論是上游面亦或是下游面，或者說(shuō)不論是工況一還是工況二，空腔截面z向最大拉應(yīng)力均與長(zhǎng)軸設(shè)計(jì)參數(shù)為正相關(guān)變化，A方案工況一中空腔上游面最大拉應(yīng)力為2.7MPa，而在同等情況D方案中相比前者增大了25.9%；對(duì)比工況一與工況二應(yīng)力表現(xiàn)可知，空腔z向上最大拉應(yīng)力以工況一為最高，B方案中工況二下游面最大拉應(yīng)力為2.1MPa，而工況一下相比增長(zhǎng)了38.1%；圖8為2種工況C方案空腔上游面應(yīng)力分布對(duì)比，兩者應(yīng)力分布形態(tài)具有相似性，僅是應(yīng)力范圍內(nèi)量值差異。對(duì)比空腔Z向特征剖面上應(yīng)力結(jié)果可知，6- 6剖面上均為壓應(yīng)力，而4- 4、5- 5剖面上均為拉應(yīng)力，2種工況均如此；由于6- 6剖面處于結(jié)構(gòu)截面下側(cè)，依據(jù)材料力學(xué)彎曲理論知，該截面為下拉上壓型受力方式。

圖9為空腔端部x向應(yīng)力特征，該方向上應(yīng)力均為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力亦是與長(zhǎng)軸設(shè)計(jì)參數(shù)為正相關(guān)，D方案工況一最大壓應(yīng)力是A方案的1.4倍；同一方案下工況二最大壓應(yīng)力低于工況一，C方案中工況二最大壓應(yīng)力僅為工況一的84%。從特征剖面應(yīng)力可知，2種工況4- 4—6- 6剖面上壓應(yīng)力遞減，且同一剖面上壓應(yīng)力以工況一為大，B方案工況一中5- 5、6- 6剖面相比4- 4剖面分別降低了49%、83%。

圖10為空腔y向上、下游表面應(yīng)力與長(zhǎng)軸設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系曲線。從圖中可知，y向上最大壓應(yīng)力表現(xiàn)與閘墩上具有一致性，但空腔y向在2種工況中均會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，其中以工況一中拉應(yīng)力較大，B方案空腔下游面上工況一最大拉應(yīng)力為工況二的1.33倍。對(duì)比上、下游表面應(yīng)力可知，隨長(zhǎng)軸設(shè)計(jì)參數(shù)變化，兩者并無(wú)顯著一致性規(guī)律。從特征剖面可知，7- 7、9- 9剖面關(guān)系與閘墩上1- 1、3- 3剖面關(guān)系具有相似性，2個(gè)剖面上壓應(yīng)力均一致，但與閘墩中間2- 2剖面仍為壓應(yīng)力不同的是，空腔y向的中間8- 8剖面上均為拉應(yīng)力。

3.2 空腔體型短軸設(shè)計(jì)參數(shù)

為研究空腔體型短軸設(shè)計(jì)參數(shù)，同上，設(shè)計(jì)不同短軸參數(shù)方案，分別為0.4m(a方案)、0.6m(b方案)、0.8m(c方案)、1m(d方案)，長(zhǎng)軸均統(tǒng)一設(shè)定為3m，典型橢圓短軸設(shè)計(jì)方案示意圖如圖11所示。

圖7 空腔上、下游表面在z向上應(yīng)力特征(長(zhǎng)軸參數(shù)方案)

圖8 C方案空腔上游面應(yīng)力分布對(duì)比

圖9 空腔端部x向應(yīng)力特征(長(zhǎng)軸參數(shù)方案)

限于篇幅，本文僅對(duì)錨塊空腔上、下游表面的x、y、z三個(gè)方向應(yīng)力開展分析，圖12為空腔z向應(yīng)力特征。從圖12可以看出，上游表面最大拉應(yīng)力與空腔橢圓短軸設(shè)計(jì)參數(shù)為負(fù)相關(guān)變化，但下游表面最大拉應(yīng)力各工況下基本接近，均為3MPa左右。與前述一致，短軸設(shè)計(jì)參數(shù)研究方案中，工況一最大拉應(yīng)力總高于工況二，D方案中空腔下游表面工況二最大拉應(yīng)力相比工況一降低了32.1%。各特征剖面中，4- 4、5- 5特征剖面在2種工況中均為拉應(yīng)力，而6- 6特征剖面均為壓應(yīng)力，2種工況壓應(yīng)力均維持在04～0.6MPa。從圖13空腔上、下游面Z向應(yīng)力分布可看出，2種工況上、下游面應(yīng)力分布具有對(duì)稱性，最大拉應(yīng)力分布集中在空腔周圍。

圖14為空腔端部x向應(yīng)力特征，從圖中可知，端部x向均為受壓主導(dǎo)，C方案最大壓應(yīng)力乃是4個(gè)方案中最大值，在工況一、二下分別為15.3、11.8MPa；從特征剖面應(yīng)力來(lái)看，其變化趨勢(shì)與圖9一致，4- 4—6- 6剖面應(yīng)力遞減。圖15為空腔y向應(yīng)力變化，從圖15中可發(fā)現(xiàn)，7- 7、9- 9特征剖面均為受壓，而8- 8剖面均為受拉，且2種工況中最大拉應(yīng)力的最小值為C方案，分別為0.7、0.6MPa，D方案工況一中最大拉應(yīng)力為前者的1.3倍。

圖10 空腔上、下游表面在y向上應(yīng)力特征(長(zhǎng)軸參數(shù)方案)

圖11 各典型短軸設(shè)計(jì)方案數(shù)值模型

綜上對(duì)比4個(gè)短軸參數(shù)設(shè)計(jì)方案可知，A方案的上游面z向拉應(yīng)力最大值為3.5MPa；且D方案最大拉應(yīng)力亦達(dá)3.1MPa，為該方案的下游面z向。B、C方案中空腔z向最大拉應(yīng)力相比有所降低，壓應(yīng)力分布較穩(wěn)定，本文認(rèn)為橢圓形空腔截面短軸設(shè)計(jì)參數(shù)取長(zhǎng)軸參數(shù)的20%～30%為最佳。

4 結(jié)論

(1)閘墩最大壓應(yīng)力與長(zhǎng)軸參數(shù)為正相關(guān)，但最大拉應(yīng)力與之為負(fù)相關(guān)變化，閘墩工況二最大壓應(yīng)力低于工況一。

(2)空腔截面z向最大拉應(yīng)力、x向最大壓應(yīng)力均與長(zhǎng)軸設(shè)計(jì)參數(shù)為正相關(guān)，工況一應(yīng)力水平為最高；空腔Y向特征剖面受力形式與閘墩剖面有所相似。

(3)z向上游表面最大拉應(yīng)力與短軸設(shè)計(jì)參數(shù)為負(fù)相關(guān)，下游表面最大拉應(yīng)力均為3MPa左右；2種工況中最大壓應(yīng)力的最大值、最大拉應(yīng)力的最小值均為短軸參數(shù)0.8m方案。

(4)空腔橢圓體型最佳設(shè)計(jì)方案應(yīng)滿足長(zhǎng)軸參數(shù)適中，短軸取長(zhǎng)軸參數(shù)的20%～30%，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，提升閘墩穩(wěn)定性。

圖12 空腔上、下游表面在y向上應(yīng)力特征(長(zhǎng)軸參數(shù)方案)

圖13 空腔上、下游面z向應(yīng)力分布

圖14 空腔端部x向應(yīng)力特征(短軸參數(shù)方案)

圖15 空腔上、下游表面在y向上應(yīng)力特征(短軸參數(shù)方案)