時(shí) 靜

(濟(jì)南市水利工程服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250099)

水利工程中常需要針對運(yùn)營時(shí)間較久的水工建筑開展除險(xiǎn)加固，而安全可靠的加固設(shè)計(jì)對修建運(yùn)行時(shí)間較長的水工結(jié)構(gòu)具有重要價(jià)值，如何確定設(shè)計(jì)方案是許多水利工程師持續(xù)專注研究的課題[1-3]。若考慮在室內(nèi)進(jìn)行實(shí)際模型研究，則可基于物理模型試驗(yàn)理論，設(shè)計(jì)原型試驗(yàn)，研究水工建筑等設(shè)施在破壞過程中水力特征、應(yīng)力變形特征等，為水工安全設(shè)計(jì)提供重要參考[4-6]。若在工程現(xiàn)場，則可采用原位儀器，開展相關(guān)現(xiàn)場長期監(jiān)測或安裝預(yù)警傳感器等，分析工程建設(shè)或運(yùn)營過程中相關(guān)參數(shù)的變化特征，從而準(zhǔn)確預(yù)判水利工程安全性[7-10]。不可否認(rèn)，上述相關(guān)研究或手段均對提高水利設(shè)計(jì)水平具有重要幫助，但均需耗費(fèi)大量人工或材料成本，而數(shù)值仿真軟件可根據(jù)現(xiàn)場不同運(yùn)營工況，模擬研究不同約束荷載條件下水工結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力分布及量值變化，并對比不同設(shè)計(jì)方案下差異性，為確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案提供基礎(chǔ)依據(jù)[11-13]。本文利用仿真軟件建立閘墩結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算不同設(shè)計(jì)方案下應(yīng)力變化，為確定閘墩錨固洞最優(yōu)設(shè)計(jì)方案提供參考[14]。

1 工程概況

魯東水庫位于山東半島與魯西南地區(qū)的重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌區(qū)內(nèi)，為區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源灌溉及水資源空間、時(shí)間分布調(diào)控起到重要作用，該水庫在豐水期可承擔(dān)供水量超過200萬m3，下游建設(shè)有輸水渠道與抽水泵站作為水資源輸送調(diào)控站，渠道總長度超過80 km，渠首設(shè)計(jì)流量為0.65m3/s，渠道內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)均采用防滲與防固結(jié)雙系統(tǒng)，確保渠道內(nèi)水資源輸送效率。但由于水庫樞紐工程運(yùn)營時(shí)間較久，部分水工建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)老化及滲漏等現(xiàn)象，因此農(nóng)業(yè)水利管理部門考慮對該水庫樞紐工程重要水工結(jié)構(gòu)部位開展除險(xiǎn)加固。該水閘底板高程為695m，寬度51m，設(shè)置有80 cm厚的導(dǎo)墻，插入基巖深度1.5m，可減弱流體沖刷作用，閘室段總長度為42m，采用多孔式水閘設(shè)計(jì)，單孔尺寸為10m×6m，設(shè)置有直徑為2.8m的弧形鋼閘門作為水流通道。泄洪閘作為水庫上游重要水位調(diào)控設(shè)施，為下游積蓄水能等提供重要支撐作用，而該閘重要支撐結(jié)構(gòu)是閘墩設(shè)施，泄洪閘共分布有8根閘墩，每根閘墩厚度為4m，采用預(yù)應(yīng)力錨索作為加固結(jié)構(gòu)，錨固洞對稱設(shè)置，每個(gè)錨固洞可承受拉力2700kN，主錨索可張拉噸位超過2000 kN。為最大程度保證樞紐工程運(yùn)營安全可靠性，考慮對泄洪閘墩開展安全除險(xiǎn)加固，而其中首當(dāng)其沖受到長期水力沖刷影響的乃是閘墩錨固洞底面部位，因而管理部門首先考慮對閘墩錨固洞底面部位開展加固設(shè)計(jì)，并開展設(shè)計(jì)方案對比分析，進(jìn)而確定該泄洪閘墩錨固洞底面的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

為保證仿真計(jì)算準(zhǔn)確性或方案對比可靠性，對工程現(xiàn)場展開地質(zhì)踏勘，并鉆孔取樣，獲得現(xiàn)場地質(zhì)巖土體狀態(tài)，表明所存土層為人工填土層，不同于自然風(fēng)化堆積土層，該填土層松散型較大，實(shí)測彈性模量高于普通碎石土填層，厚度為1.8m，中等承載力，輸水渠道所在持力層即位于該土層，僅設(shè)置碎石墊層作為防滲沉降變形，天然地基即可滿足承載力設(shè)計(jì)要求。而泄洪閘下臥基礎(chǔ)土層中含有淤泥質(zhì)黏土，沉降變形較大，含水量較高，因而需要對該天然地基進(jìn)行人工處理，考慮采用鉆孔灌注樁作為樁基礎(chǔ)部件，并以素混凝土作為固結(jié)材料灌注入淤泥質(zhì)土中，提升地基承載力。經(jīng)對基巖材料室內(nèi)測試發(fā)現(xiàn)，所取樣基巖為中風(fēng)化花崗巖，表面無顯著孔隙，單軸抗壓強(qiáng)度測試值在58MPa以上，靜圧試驗(yàn)所測孔隙度最低可達(dá)0.6%，多個(gè)鉆孔取樣資料表明，基巖并無較大面積的碎屑夾層，節(jié)理等裂隙發(fā)育較少，因而預(yù)應(yīng)力錨索錨固洞設(shè)置在淤泥質(zhì)土固結(jié)層與基巖層接觸界面。利用上述工程資料，借助ANSYS仿真計(jì)算軟件建立閘墩錨固洞模型，進(jìn)而對比分析不同設(shè)計(jì)方案下的應(yīng)力特征，為綜合確定錨固洞底面設(shè)計(jì)方案提供參考依據(jù)。

2 泄洪閘墩錨固結(jié)構(gòu)模型及設(shè)計(jì)方案

2.1 閘墩錨固結(jié)構(gòu)模型

由于本文只探討閘墩錨固洞底面部位設(shè)計(jì)方案，因而，在對比設(shè)計(jì)方案中閘墩錨塊空腔體型、錨固洞頂面設(shè)計(jì)參數(shù)等均為一致，其中閘墩錨塊空腔體型為橢圓形，長、短軸分別為3、0.8m，且設(shè)定錨塊空腔原點(diǎn)距離閘墩上游距離為2m，錨固洞頂面采用1/4圓弧半徑弧長與下游面相切，半徑設(shè)定為1.5m，錨塊與閘墩連接為整體式，進(jìn)而錨塊乃是閘墩重要構(gòu)成的一部分，其應(yīng)力安全狀態(tài)均關(guān)乎閘墩能否安全運(yùn)營。借助ANSYS仿真軟件建立閘墩數(shù)值模型，錨塊作為子結(jié)構(gòu)，采用與閘墩共用模型節(jié)點(diǎn)的方式，材料屬性按照C40混凝土物理參數(shù)設(shè)定；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1所示，劃分單元網(wǎng)格數(shù)共66584個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)47762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，錨固洞截面上各特征剖面所在位置劃分示意圖如圖2所示。為準(zhǔn)確評價(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處蓄水期(工況二)為計(jì)算背景，分別研究錨固洞不同切面部位的特征剖面應(yīng)力特征，本文所有拉、壓應(yīng)力參數(shù)均以正、負(fù)號區(qū)分[15-16]。

圖1 數(shù)值模型圖

圖2 閘墩錨固洞截面上特征剖面

2.2 錨固洞底面設(shè)計(jì)方案

錨固洞底面設(shè)計(jì)參數(shù)主要考慮與下游面相切狀態(tài)，設(shè)定錨固洞底面與下游面相切的切點(diǎn)位于下游面底部端點(diǎn)，且兩者之間為1/4圓弧長，但圓弧半徑不同，錨固洞底面體型也會(huì)發(fā)生較大改變，進(jìn)而影響受力荷載方式，因而，錨固洞底面設(shè)計(jì)方案主要專注于研究不同圓弧半徑對錨固洞安全狀態(tài)的影響。根據(jù)實(shí)際工程荷載狀態(tài)，確定圓弧半徑設(shè)計(jì)參數(shù)分別為0.5m(A方案)、1m(B方案)、1.5m(C方案)、2m(D方案)、2.5m(E方案)，進(jìn)而展開對比分析計(jì)算，由此確定閘墩錨固洞底面最佳設(shè)計(jì)方案。

3 錨固結(jié)構(gòu)底面設(shè)計(jì)方案仿真計(jì)算

3.1 錨固洞底面應(yīng)力特征

利用ANSYS仿真軟件計(jì)算獲得錨固洞底面不同設(shè)計(jì)方案下錨固洞底面部位各特征剖面上應(yīng)力特征，如圖3所示。從圖3中可看出，錨固洞底面部位的10-10、11-11兩剖面在完建期、蓄水期均為拉應(yīng)力，而12-12剖面均為壓應(yīng)力，其中又以10-10剖面上拉應(yīng)力為同工況中最大，壓應(yīng)力在各設(shè)計(jì)方案中分布較穩(wěn)定，其中以蓄水期壓應(yīng)力為最大。比較各剖面中完建期與蓄水期最大拉應(yīng)力可知，蓄水期最大拉應(yīng)力均高于完建期，當(dāng)?shù)酌鎴A弧半徑為1m時(shí)(B方案)，完建期工況中最大拉應(yīng)力為2.9MPa，而蓄水期最大拉應(yīng)力相比前者增大了48.3%，分析認(rèn)為蓄水期錨固洞所受靜水壓力會(huì)產(chǎn)生靜水彎矩，而錨固洞底面處于水位以下，處于“下拉上壓”狀態(tài)，因而12-12上剖面處于壓應(yīng)力主導(dǎo)，而完建期彎矩僅來源于閘墩自重，因而最大拉應(yīng)力相比蓄水期較小。分析錨固洞底面設(shè)計(jì)參數(shù)與錨固洞底面最大拉應(yīng)力變化關(guān)系可知，兩者為負(fù)相關(guān)特征，在完建期工況中A方案最大拉應(yīng)力為4.9MPa，而錨固洞底面圓弧半徑增大至1、1.5、2.5m后，方案B、C、D、E最大拉應(yīng)力相比前者分別降低了40.2%、55.1%、61.2%、65.3%，分析認(rèn)為錨固洞底面圓弧半徑愈大，愈可限制閘墩錨固洞底面最大拉應(yīng)力發(fā)展，進(jìn)而確保錨固洞不致發(fā)生張拉破壞。

圖3 錨固洞底面應(yīng)力特征

3.2 錨固洞上游面應(yīng)力特征

不同底面圓弧設(shè)計(jì)參數(shù)影響下錨固洞上游面應(yīng)力特征如圖4所示。從圖4中可看出，13-13、14-14兩剖面不論是完建期亦或是蓄水期，均處于受壓主導(dǎo)，且在兩工況中均以13-13剖面上應(yīng)力為最大壓應(yīng)力，當(dāng)?shù)酌鎴A弧設(shè)計(jì)參數(shù)改變后，14-14剖面上壓應(yīng)力變化較小，完建期蓄水期分別穩(wěn)定在0.7～0.8、0.4MPa，而13-13剖面在蓄水期壓應(yīng)力隨底面圓弧半徑呈遞增態(tài)勢，E方案蓄水期最大壓應(yīng)力相比A、B方案下分別增大了71.4%、33.3%，但壓應(yīng)力分布范圍相比材料允許壓應(yīng)力值仍較小。從拉應(yīng)力分布變化特征可知，僅15-15剖面在蓄水期存在一定拉應(yīng)力，且各設(shè)計(jì)方案中最大拉應(yīng)力均保持不變，穩(wěn)定為0.5MPa，而該剖面在完建期雖為受壓主導(dǎo)作用，但其最大壓應(yīng)力與底面圓弧半徑亦無顯著影響，穩(wěn)定在1.3MPa。筆者認(rèn)為，錨固洞上游面15-15剖面在蓄水期所產(chǎn)生的拉應(yīng)力主要與穩(wěn)定的水位靜水壓力彎矩有關(guān)，而底面圓弧半徑的改變，僅改變了底面部位的受力面積或受力方式，對錨固洞上游面所受彎矩荷載并無影響，因而錨固洞上游面15-15剖面最大拉應(yīng)力穩(wěn)定不變。

圖4 錨固洞上游面應(yīng)力特征

3.3 錨固洞下游面應(yīng)力特征及方案比選

與前文計(jì)算錨固洞上游面應(yīng)力特征類似，同樣可獲得下游面應(yīng)力受底面圓弧半徑影響特征，如圖5所示。從圖5中可看出，三個(gè)剖面在兩工況中均為受拉，13-13剖面中拉應(yīng)力呈先減后增變化，底面圓弧半徑為2m時(shí)拉應(yīng)力最小，即D方案13-13剖面上拉應(yīng)力最低，此種現(xiàn)象不僅存在于完建期，蓄水期與之類似，A方案13-13剖面上最大拉應(yīng)力為3.3MPa，而D方案最大拉應(yīng)力相比A方案降低了48.5%，當(dāng)?shù)酌鎴A弧半徑增大至2.5m后，則E方案最大拉應(yīng)力相比D方案又增大了11.8%，表明底面圓弧半徑設(shè)計(jì)參數(shù)對錨固洞下游面應(yīng)力影響存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)?shù)酌鎴A弧半徑超過2m后，錨固洞下游面半徑參數(shù)有助于提升下游面張拉應(yīng)力發(fā)展；實(shí)質(zhì)上當(dāng)?shù)酌鎴A弧半徑超過一定界限后，13-13剖面與所受彎矩點(diǎn)距離會(huì)逐漸減小，因而拉應(yīng)力會(huì)有增大態(tài)勢。另從14-14、15-15剖面上應(yīng)力變化特征可知，14-14剖面在兩工況中最大拉應(yīng)力不受底面圓弧半徑參數(shù)影響，同一工況下均為一致，完建期14-14剖面上最大拉應(yīng)力為2.8MPa，而蓄水期最大拉應(yīng)力又穩(wěn)定在2.5MPa；同樣的現(xiàn)象出現(xiàn)在15-15剖面上，其完建期、蓄水期中最大拉應(yīng)力在各底面圓弧設(shè)計(jì)方案中均保持不變，分別穩(wěn)定在2.3、1.3MPa；分析認(rèn)為，錨固洞下游面14-14、15-15剖面上拉應(yīng)力來源于上游靜水壓力產(chǎn)生的彎矩，而14-14、15-15剖面上拉應(yīng)力產(chǎn)生與底面圓弧半徑所產(chǎn)生的弧長截面并無影響，因而其最大拉應(yīng)力在各設(shè)計(jì)方案中均保持一致。

圖5 錨固洞下游面應(yīng)力特征

錨固洞特征部位在完建期、蓄水期應(yīng)力分布狀態(tài)如圖6所示。從圖6中可知最大拉應(yīng)力均位于圓弧區(qū)域，當(dāng)工況改變，蓄水期最大拉應(yīng)力向斜截面方向上發(fā)展，錨固洞下游面兩個(gè)工況中拉應(yīng)力差異主要出現(xiàn)在上、下圓弧面上，即工況改變很大程度上影響13-13剖面或15-15剖面應(yīng)力。從錨固洞底面及上、下游面應(yīng)力特征考慮，圓弧半徑過大有助于限制拉應(yīng)力發(fā)展，但超過一定界限后，拉應(yīng)力發(fā)展趨勢會(huì)有所逆轉(zhuǎn)，因而當(dāng)?shù)酌鎴A弧半徑設(shè)計(jì)參數(shù)為2m時(shí)(D方案)，不論是圖6中應(yīng)力分布狀態(tài)，亦或是特征部位上拉、壓應(yīng)力值，均較安全合理。

圖6 D方案錨固洞特征部位應(yīng)力分布(左、右圖分別為完建期、蓄水期)

4 結(jié)論

(1)錨固洞底面蓄水期最大拉應(yīng)力均高于完建期，10-10、11-11兩剖面在完建期、蓄水期均為拉應(yīng)力， 12-12剖面為受壓，壓應(yīng)力受錨固洞底面設(shè)計(jì)參數(shù)影響較小。

(2)錨固洞上游面最大壓應(yīng)力為13-13剖面，隨底面圓弧半徑呈遞增，14-14剖面壓應(yīng)力受底面圓弧半徑參數(shù)影響較小，15-15剖面應(yīng)力不受底面圓弧半徑參數(shù)影響。

(3)錨固洞下游面在兩工況中均為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力位于13-13剖面；14-14、15-15剖面上拉應(yīng)力不受底面圓弧半徑參數(shù)影響。

(4)綜合錨固洞各特征部位應(yīng)力特征，確定底面圓弧半徑設(shè)計(jì)參數(shù)為2m時(shí)，錨固洞底面處于最佳狀態(tài)，閘墩安全性可靠。