張瑞霞

(呂梁市水利工程建筑總隊(duì)，山西 呂梁 033000)

1 概 述

水利工程面臨的工程環(huán)境差異性較大，變化的工程環(huán)境勢(shì)必會(huì)帶來(lái)不同的約束荷載工況，研究不同荷載工況下水工結(jié)構(gòu)應(yīng)力特征，為實(shí)際水工設(shè)計(jì)提供重要參考[1-3]。歷從實(shí)等[4]、周旭銳等[5]、馮新等[6]利用物理模型實(shí)驗(yàn)，包括有振動(dòng)臺(tái)或者靜力模型試驗(yàn)等，研究了溢洪閘、大壩以及其他水利設(shè)施的安全狀態(tài)，為實(shí)際工程水利參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。盡管物理模型試驗(yàn)結(jié)果較為可靠，但不可忽視模型試驗(yàn)成本較高，計(jì)算效率較慢，因而一些專家與學(xué)者通過(guò)微震、現(xiàn)場(chǎng)傳感器監(jiān)測(cè)等手段[7-9]，研究水利結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況中應(yīng)力場(chǎng)或滲流場(chǎng)變化特征，及時(shí)預(yù)判工程失穩(wěn)臨界狀態(tài)，一定程度豐富了水利工程設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。數(shù)值仿真作為一種高效計(jì)算手段，能夠快速解決復(fù)雜工況下實(shí)際工程應(yīng)力穩(wěn)定性，指導(dǎo)工程實(shí)際運(yùn)營(yíng)[10-12]。本文根據(jù)水利樞紐工程中閘墩與錨索錨固洞實(shí)際工況，設(shè)計(jì)數(shù)值仿真計(jì)算，解決工程在靜、動(dòng)力荷載工況下的應(yīng)力特征解問(wèn)題，為工程運(yùn)營(yíng)及除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況

2.1 工程資料

某水電站乃是區(qū)域內(nèi)重要水利樞紐設(shè)施，承擔(dān)著區(qū)域內(nèi)蓄水、防洪、發(fā)電、豐水期與枯水期水資源調(diào)度的重要作用，水資源供應(yīng)主要面向農(nóng)業(yè)用水與工業(yè)用水，建設(shè)有長(zhǎng)度為65 km的輸水渠道，水渠工程全長(zhǎng)均采用格賓石籠作為襯砌形式，減少水流損耗，進(jìn)而提升枯水期水資源灌溉效率的穩(wěn)定性，工業(yè)用水主要通過(guò)水庫(kù)輸水隧洞設(shè)施傳送至泵站，進(jìn)而調(diào)度至各個(gè)用水項(xiàng)目，該水庫(kù)年可供工業(yè)用水量超過(guò)50×104m3，隧洞渠首流量設(shè)計(jì)為0.6 m3/s。該水利工程設(shè)施包括有大壩、發(fā)電廠房、泄洪水閘、消能池水工設(shè)施等，其中壩體采用混凝土重力式設(shè)計(jì)形式，壩軸線全長(zhǎng)258 m，壩頂高程581 m，上下游迎水側(cè)坡度均為1/2.5，設(shè)計(jì)正常蓄水位575 m，洪水位579.8 m，沖淤泥沙高程為494 m，場(chǎng)地基巖峰值加速度為0.25 g；壩體防滲系統(tǒng)采用厚60 cm防滲墻與止水面板，防滲墻插入基巖深度1.5 m，可減弱流體沖刷作用，其中止水面板鋪設(shè)至壩身，防滲效果較佳，壩身滲透坡降監(jiān)測(cè)值不超過(guò)0.2；水電廠房全年可發(fā)電超過(guò)1 300×104kW·h，主要面向工業(yè)用電與生活用電；泄洪水閘采用預(yù)應(yīng)力錨索作為錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)有6根閘墩作為支撐結(jié)構(gòu)，每根閘墩間距為2.2 m，按照主次預(yù)應(yīng)力錨索分別在閘墩承重臺(tái)上下排分布，上排與下排各自錨索的間距為60 cm，上下排錨索之間距離為2.5 cm，次錨索間距為1 m，主錨索設(shè)計(jì)張拉應(yīng)力為2 380 kN，次錨索為2 250 kN，錨索布置平面圖見圖1；設(shè)計(jì)有錨固洞作為錨索連接設(shè)施，與閘墩為整體式連接。以弧形鋼閘門作為流量啟閉通道，設(shè)計(jì)閘門直徑為3.6 m，圖2為該弧形鋼閘門平面示意圖，設(shè)計(jì)有液壓式啟閉機(jī)，精確控制閘門開度，確保水利資源運(yùn)輸安全性。為提升該水利樞紐工程運(yùn)營(yíng)安全性，需對(duì)重點(diǎn)部位開展結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算，本文針對(duì)性解決水利樞紐工程中水閘預(yù)應(yīng)力錨索在各運(yùn)營(yíng)工況下應(yīng)力穩(wěn)定性，為樞紐工程除險(xiǎn)加固提供重要參考。

圖2 弧形鋼閘門平面示意圖

為確保錨索應(yīng)力仿真計(jì)算準(zhǔn)確性，對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)開展地質(zhì)踏勘調(diào)查。該工程表面覆蓋有第四系種植土，松散性較大，顆粒粒徑以1 mm左右為主，磨圓度較差，厚度為0.3 m；在基巖層上覆存在有一層壤土，含砂量較大，承載力適中，輸水渠道襯砌結(jié)構(gòu)持力層即為該土層，含水量較小，干燥狀態(tài)下滲透性較好；基巖層以弱風(fēng)化花崗巖為主，室內(nèi)測(cè)試單軸抗壓強(qiáng)度超過(guò)50 MPa，彈性模量為10 GPa，顆粒粒徑以粗顆粒為主，局部夾有破碎帶，層間厚度為1.6 m，裂隙亦主要發(fā)育在碎屑夾層中，測(cè)試含軟弱夾層的花崗巖試樣破壞形式主要在夾層處發(fā)生剪切破壞，錨索與錨固洞等水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之時(shí)已避開相關(guān)破壞性?shī)A層處。

2.2 模型建立與約束荷載

根據(jù)該水利樞紐工程實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，以其中閘室所在壩段為研究對(duì)象，采用ANSYS仿真計(jì)算平臺(tái)建立計(jì)算模型。為適應(yīng)靜力荷載與動(dòng)力荷載下工況計(jì)算，采用六面體單元作為模型網(wǎng)格單元，每個(gè)單元網(wǎng)格尺寸為0.5 m[13-14]，所建立的仿真模型見圖3，分別為閘墩所在區(qū)段壩體模型、閘墩模型、錨索連接設(shè)施錨塊模型，其中錨塊模型共獲得156 824個(gè)網(wǎng)格單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)124 862個(gè)。模型應(yīng)力方向設(shè)定為沿壩右軸線為X正向，沿下游水流方向?yàn)閅正向，沿高度向上為Z正向。

按照靜力工況與動(dòng)荷載工況分別設(shè)置3個(gè)研究方案，其中A方案屬靜力工況，乃是上游水電站處于正常蓄水位期、閘門關(guān)閉狀態(tài)；B方案屬靜力工況，設(shè)計(jì)洪水位，雙孔閘門均開啟；C方案屬地震動(dòng)荷載工況，閘門迎水側(cè)水位與A方案一致，但以地震動(dòng)反應(yīng)譜分解方法施加有地震動(dòng)水壓力。其計(jì)算式見式(1)[15-16]：

(1)

式中：Pw為動(dòng)水壓力；ρw為流體密度；αh為動(dòng)水壓力系數(shù)；H0、h分別為水位高度與水面以上高度。

圖3 仿真計(jì)算模型

3 靜力工況下錨索應(yīng)力分析

3.1 閘墩應(yīng)力

經(jīng)仿真計(jì)算獲得兩個(gè)靜力工況下閘墩應(yīng)力分布特征，見圖4。從圖4中可看出，A方案閘墩X向以壓應(yīng)力為主，且左右側(cè)閘門的應(yīng)力分布具有對(duì)稱性，最大壓應(yīng)力為4.5 MPa，最大壓應(yīng)力主要出現(xiàn)在閘墩頸部，該區(qū)域中無(wú)顯著拉應(yīng)力；B方案中該區(qū)域壓應(yīng)力有一定增大，相比A方案最大壓應(yīng)力增大55.6%，相比閘墩材料壓應(yīng)力允許值，A方案、B方案兩靜力工況均處于受壓安全狀態(tài)。從主拉、壓應(yīng)力分布特征可看出，A方案中最大拉應(yīng)力位于閘墩底部與溢流段相交處，達(dá)0.9 MPa；B方案拉應(yīng)力分布相比A方案下有一定增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，其中最大拉應(yīng)力相比后者增大33.3%，特別是在閘墩頸部出現(xiàn)有顯著拉應(yīng)力。分析認(rèn)為，設(shè)計(jì)洪水位下預(yù)應(yīng)力錨索下的張拉預(yù)應(yīng)力在靜水壓力下有所降低，進(jìn)而無(wú)法進(jìn)一步削弱閘墩頸部處拉應(yīng)力發(fā)展。兩個(gè)方案的主壓應(yīng)力分布無(wú)顯著變化，僅最大壓應(yīng)力分布所處區(qū)域發(fā)生變化，A方案下最大壓應(yīng)力位于閘墩底部，而B方案下最大拉應(yīng)力處于閘墩頸部，其主要內(nèi)因與高水位下閘室受到的靜水壓有關(guān)。

圖4 閘墩應(yīng)力分布特征(由左至右分別為X向應(yīng)力、主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力)

圖5為兩個(gè)工況中閘墩特征部位最大拉、壓應(yīng)力變化特征。從圖5中可知，A方案中Y向拉應(yīng)力以閘墩頂面為最大，達(dá)0.8 MPa，但在B方案中Y方向最大拉應(yīng)力乃是以閘墩頸部為最大，達(dá)1 MPa；同樣的情況出現(xiàn)在Z向，A、B兩方案中在Z向的最大拉應(yīng)力分別位于閘墩頂面、下游面，量值以B方案下最大，增長(zhǎng)了1倍，表明閘墩各方向上最大拉應(yīng)力分布受上游蓄水位影響會(huì)發(fā)生偏移，閘墩頂面、下游面、頸部等特征部位上應(yīng)為重點(diǎn)加固。主壓應(yīng)力中最大壓應(yīng)力量值在5個(gè)特征部位中變化態(tài)勢(shì)均為一致，呈W形；張拉預(yù)應(yīng)力對(duì)閘墩影響主要在閘墩頸部與閘墩頂面，A方案中閘墩頸部的主拉應(yīng)力受張拉預(yù)應(yīng)力保護(hù)，而最大拉應(yīng)為0，B方案中該部位出現(xiàn)最大拉應(yīng)力為1.1 MPa，同樣的現(xiàn)象出現(xiàn)在閘墩頂面。綜上可知，張拉預(yù)應(yīng)力主要對(duì)閘墩特殊部位產(chǎn)生影響，水工設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)這類區(qū)域考慮威脅工況下的張拉破壞。

圖5 閘墩特征部位最大拉、壓應(yīng)力變化特征

3.2 錨索應(yīng)力

在計(jì)算獲得閘墩靜力工況下應(yīng)力分布特征后，同樣獲得了錨索結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特征，圖6為錨索錨固洞典型應(yīng)力分布特征。從圖6中可知，錨固洞上存在較多張拉應(yīng)力，兩方案中錨固洞X向最大拉應(yīng)力均為2 MPa，但在錨固洞主拉應(yīng)力特征中以B方案拉應(yīng)力最大，達(dá)4.2 MPa，而A方案中最大拉應(yīng)力相比前者降低14.3%，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)部位主要集中于張拉預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)與錨固洞側(cè)面連接段，另在錨固洞頂、底面亦分布有較大拉應(yīng)力分布，且部分區(qū)域的最大拉應(yīng)力超過(guò)材料安全允許拉應(yīng)力范圍；從錨固洞主壓應(yīng)力分布特征來(lái)看，兩工況中最大壓應(yīng)力值均為9.6 MPa，相比材料允許壓應(yīng)力，處于較安全狀態(tài)。綜上表明，錨固洞局部區(qū)域易受張拉破壞，受壓應(yīng)力滿足要求，應(yīng)加強(qiáng)受彎鋼筋配置。

圖6 錨索結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特征(由左至右分別為X向應(yīng)力、主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力)

圖7為兩工況中錨固洞特征部位最大拉、壓應(yīng)力變化特征。從圖7中可看出，錨固洞頂、底面最大拉應(yīng)力均以Y向?yàn)樽畲螅珹方案中頂面可達(dá)2.4 MPa，而B方案中相同方向相同部位的最大拉應(yīng)力相比前者增大16.7%；在錨固洞下游面中各方向主要以受壓為主導(dǎo)，僅X向上存在有較大拉應(yīng)力，且兩方案中下游面最大拉應(yīng)力均為2 MPa；錨塊頂面、側(cè)面拉應(yīng)力較小，即使在設(shè)計(jì)洪水位(B方案)中，最大拉應(yīng)力僅為0.7 MPa，主要仍以受壓主導(dǎo)，特別是在錨塊側(cè)面，壓應(yīng)力較大，兩方案中側(cè)面的最大壓應(yīng)力均超過(guò)13 MPa。筆者認(rèn)為，錨固洞作為錨索重要設(shè)施，其所存在的張拉預(yù)應(yīng)力受水閘上游水位影響較小，仍以自身靜力荷載下結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)為主。

圖7 錨索結(jié)構(gòu)特征部位最大拉、壓應(yīng)力變化特征

4 地震動(dòng)力工況下錨索應(yīng)力分析

由于地震動(dòng)力荷載下，水閘所受到地震動(dòng)水壓力，閘墩以及錨索錨固洞等設(shè)施應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生顯著變化，圖8為錨索及閘墩特征部位最大拉、壓應(yīng)力變化特征曲線。從圖8中可知，閘墩底部拉應(yīng)力乃是各特征部位中最大值，相比A方案下底部最大拉應(yīng)力增大6.6倍；反之，與靜力工況下呈顯著差異的乃是閘墩頸部處最大拉應(yīng)力顯著降低，該部位處最大拉應(yīng)力相比B方案下反而降低45.5%，表面動(dòng)荷載主要影響閘墩底面，并且逐漸傳輸至閘墩下游面等區(qū)域。錨固洞各特征部位中最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在下游面，最大拉應(yīng)力可達(dá)6.8 MPa，且在錨固洞頂、底面均為張拉狀態(tài)，無(wú)壓應(yīng)力分布，表明錨固洞頂、底面均已出現(xiàn)張拉破壞，地震動(dòng)荷載在傳遞過(guò)程中首先導(dǎo)致錨固洞頂、底面破壞，進(jìn)而傳輸至下游面，達(dá)到最大拉應(yīng)力。錨固洞最大壓應(yīng)力乃是錨塊側(cè)面，可達(dá)13.5 MPa，當(dāng)?shù)卣饎?dòng)荷載對(duì)錨固洞頂、底面產(chǎn)生張拉破壞時(shí)，所連接的錨塊實(shí)質(zhì)上受到錨索張拉預(yù)應(yīng)力保護(hù)，導(dǎo)致其應(yīng)力狀態(tài)處于受壓，雖壓應(yīng)力水平較高，但處于材料安全允許值；從抗震設(shè)計(jì)安全性出發(fā)，錨固洞配筋加固應(yīng)防護(hù)錨固洞頂、底面以及下游面，而對(duì)于錨塊體的安全性防護(hù)可與錨索張拉預(yù)應(yīng)力的控制相結(jié)合。

圖8 閘墩及錨索結(jié)構(gòu)特征部位最大拉、壓應(yīng)力變化特征

5 結(jié) 論

1) 靜力工況下，閘墩Z(yǔ)向最大拉應(yīng)力分別位于閘墩頂面、下游面，其中B方案最大拉應(yīng)力相比A方案增大1倍，主壓應(yīng)力中最大壓應(yīng)力量值在5個(gè)特征部位中變化態(tài)勢(shì)均為一致，呈W形；閘墩頸部以受壓為主導(dǎo)，其中B方案下最大壓應(yīng)力相比A方案下增大55.6%。

2) 靜力工況下，錨固洞頂、底面最大拉應(yīng)力均以Y向?yàn)樽畲?，需注重配筋加固；下游面以受壓為主?dǎo)，錨塊頂面、側(cè)面最大拉應(yīng)力僅為0.7 MPa；錨固洞X向拉應(yīng)力增大與設(shè)計(jì)洪水位有關(guān)。

3) 地震動(dòng)力工況下，閘墩底部拉應(yīng)力最大，且隨上游蓄水位增大而遞增，B方案最大拉應(yīng)力相比A方案下增大6.6倍；錨固洞最大拉、壓應(yīng)力分別位于下游面與錨塊側(cè)面，且錨固洞頂、底面均為受拉狀態(tài)，張拉破壞顯著。