李斯楊
(河北省水利水電勘測設(shè)計研究院,天津 300250)
農(nóng)業(yè)水利工程中,擋土墻是重要水工建筑物,確保擋土墻安全設(shè)計對提升農(nóng)業(yè)水利設(shè)施高效運營具有重要意義,因而推動擋土墻參數(shù)設(shè)計優(yōu)化具有重要實踐指導(dǎo)價值[1-3]。擋土墻結(jié)構(gòu)在建筑、公路等行業(yè)中運用較多,學(xué)者研究主要采用有限元計算方法,針對性解決土層與擋土墻間壓力計算分析,為探討擋土墻實際工況下安全穩(wěn)定提供重要計算支撐[4-6]。模型試驗是一種重要水利研究方法[7-8],根據(jù)水工結(jié)構(gòu)實際尺寸在室內(nèi)開發(fā)出原型,配合以實際荷載約束條件,研究水利大壩、溢洪道、擋土墻等[9-10]多種水工設(shè)施的運營穩(wěn)定,為工程最優(yōu)設(shè)計、運營分析等提供重要參考。當然,逐漸有部分學(xué)者開發(fā)出預(yù)制擋土墻或其他類型擋土墻,既方便了水利工程施工,又對水工結(jié)構(gòu)的安全防護提升具有重要作用[11-13]。拼裝式擋土墻是一種重要裝配式開發(fā)設(shè)施,利用拼裝式擋土墻,可較好地在包括農(nóng)業(yè)灌區(qū)在內(nèi)的多個水利工程中使用,提高水工設(shè)計水平與施工效率。本文根據(jù)華北地區(qū)灌區(qū)擋土墻實際使用工況條件,對擋土墻前后墻厚度參數(shù)開展優(yōu)化設(shè)計,為確定最優(yōu)設(shè)計方案提供重要計算參考。
華北地區(qū)由于水資源分布不均,依賴于海河水系以及滹沱河水系完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)化用水等調(diào)度,目前已投入建設(shè)有南水北調(diào)中線工程,為天津、保定等城市用水提供重要保障。灌區(qū)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要組成部分,保定南部望都地區(qū)是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌區(qū),建設(shè)有全長50 km的輸水灌渠,確保輸水安全性。采用內(nèi)襯式預(yù)制混凝土防滲渠道,渠坡最大滲透坡降不超過0.3,水資源輸水及利用均在農(nóng)業(yè)水利部門安全調(diào)度監(jiān)測中。另一方面,在該灌渠渠首擬建一水利擋土墻,為確保擋土墻施工與水資源調(diào)度相協(xié)調(diào),采用預(yù)制拼裝式設(shè)計。初步設(shè)計擋土墻高度為16.5 m,底板厚度為16.6 m,墻底高程為33.5 m,沿灌渠輸水方向長度為14.5 m,厚度設(shè)計為1.2 m,內(nèi)置有空箱,降低水力沖刷作用,空箱與擋土墻間隔為0.6 m,墻頂板厚度設(shè)計為0.7 m,而灌渠渠首流量設(shè)計為0.65 m3/s,擬設(shè)預(yù)制拼裝式擋土墻立面示意圖見圖1。目前該水工擋土墻頂墻厚度以及側(cè)壁截面體型等參數(shù)均已完成優(yōu)化,但前后墻厚度設(shè)計參數(shù)還需優(yōu)化,為確定擋土墻最優(yōu)設(shè)計方案提供重要支撐。
圖1 預(yù)制拼裝式擋土墻立面示意圖
本文為確定該預(yù)制拼裝式水工擋土墻設(shè)計參數(shù)最優(yōu)方案,采用ABAQUS仿真計算平臺與UG建模軟件協(xié)同計算,解決擋土墻前后墻厚度參數(shù)優(yōu)化問題[14-15]。根據(jù)擋土墻所在工程環(huán)境,本計算中考慮擋土墻應(yīng)力變形場影響范圍為寬35 m的回填土層,地基土體影響深度范圍設(shè)定為30 m,不考慮土體各向異性對擋土墻應(yīng)力特征影響。擋土墻所有材料均為鋼混結(jié)構(gòu),因而建模時均視為均值材料,土體物理參數(shù)均以現(xiàn)場取樣在室內(nèi)土工試驗中實測值。對UG建模后的幾何圖在ABAQUS中進行網(wǎng)格劃分,整體擋土墻模型共獲得網(wǎng)格單元102 102個,節(jié)點數(shù)82 672個,劃分后模型見圖2。
圖2 擋土墻劃分網(wǎng)格后模型
以擋土墻竣工期水位工況作為外荷載條件,擋土墻前后水位分別為35、36.5 m,荷載主要包括墻體自重、靜水壓力、土壓力及水流上揚壓力等;墻底板設(shè)置為固定約束,側(cè)壁為側(cè)向約束,頂部為自由邊界;模型計算過程中X、Y、Z正向分別為擋土墻軸線右向、下游水流向以及垂直向上方向,對各擋土墻設(shè)計參數(shù)方案施加荷載后開展對比計算。
針對擋土墻前墻厚度參數(shù),在保證其他設(shè)計參數(shù)(包括壁厚、頂厚等)均為一致的前提下,僅改變前墻厚度,分別設(shè)定前墻厚度參數(shù)為0.6、0.8、1、1.2、1.4和1.5 m,后墻厚度參數(shù)統(tǒng)一設(shè)定為1 m。為對比方便,本文計算結(jié)果重點以擋土墻填土側(cè)、臨水側(cè)及底板展開計算分析。
根據(jù)對擋土墻各前墻厚度參數(shù)設(shè)計方案開展計算,獲得前墻厚度參數(shù)影響下?lián)跬翂μ卣鞑课惶幾畲罄瓚?yīng)力變化特征,見圖3。從圖3中可知,3個特征部位中拉應(yīng)力以底板部位為最大,在前墻厚度為1 m時,底板處最大拉應(yīng)力為1.02 MPa,而擋土墻填土側(cè)、背水側(cè)最大拉應(yīng)力僅為前者的69.5%、80.4%,表明擋土墻底板結(jié)構(gòu)受到較大張拉應(yīng)力集中,擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)注重鋼筋加密防護,確保墻底板結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定[16-17]。由前墻厚度參數(shù)對3個部位拉應(yīng)力影響特征可看出,6個設(shè)計方案中最大拉應(yīng)力變化趨勢為V形,以前墻厚度0.8 m時為轉(zhuǎn)變節(jié)點,墻厚低于0.8 m時最大拉應(yīng)力為遞減態(tài)勢,厚度增長0.2 m導(dǎo)致?lián)跬翂μ钔羵?cè)、臨水側(cè)及底板最大拉應(yīng)力分別降低60.1%、55.5%和49.4%。當前墻厚度超過0.8 m后,各特征部位最大拉應(yīng)力均為上升趨勢,填土側(cè)最大拉應(yīng)力在墻厚0.8 m時是各方案中最低值,為0.5 MPa,而墻厚1.2、1.5 m時的最大拉應(yīng)力相比前者分別增大96.4%、150.9%。與之同時在臨水側(cè)同樣的設(shè)計方案對比下,最大拉應(yīng)力亦分別增大66.2%、112.3%,該區(qū)間內(nèi)厚度增長0.2 m,填土側(cè)、臨水側(cè)及底板最大拉應(yīng)力分別增長26.6%、21.1%和16.8%,表明前墻厚度參數(shù)超過0.8m后,該預(yù)制拼裝式擋土墻拉應(yīng)力顯著集中,墻體受張拉破壞威脅陡升,對擋土墻安全運營帶來較大挑戰(zhàn)。分析認為,當前墻厚度超過一定節(jié)點后,此時前墻自重應(yīng)力集中在底板上,造成底板產(chǎn)生彎曲應(yīng)力,進而影響填土側(cè)與背水側(cè)拉應(yīng)力分布狀態(tài),造成應(yīng)力集中上升的現(xiàn)象,因而應(yīng)控制前墻厚度在合理區(qū)間。
圖3 前墻厚度參數(shù)影響下特征部位最大拉應(yīng)力變化
根據(jù)前墻厚度參數(shù)對拉應(yīng)力影響計算,同理獲得壓應(yīng)力受之影響變化特征,見圖4所示。從圖4中可知,3個特征部位最大壓應(yīng)力與前墻厚度參數(shù)均為負相關(guān)關(guān)系,各曲線變化呈L形;3個特征部位最大壓應(yīng)力均以臨水側(cè)為最大,在前墻厚度為1.2 m時臨水側(cè)最大壓應(yīng)力為2.44 MPa,而填土側(cè)、底板部位最大壓應(yīng)力相比前者降低25.4%、16.4%,這與臨水側(cè)所受上揚壓力、靜水壓力影響有關(guān),故各方案中該部位上壓應(yīng)力均為擋土墻身上最大。當前墻厚度參數(shù)增大時,特征部位最大壓應(yīng)力呈“快速下降-緩慢下降”兩階段變化特征。以臨水側(cè)壓應(yīng)力為例,其在前墻厚度0.6~0.8 m區(qū)間內(nèi),最大壓應(yīng)力降低54.2%;在厚度區(qū)間0.8~1.4 m內(nèi),最大壓應(yīng)力平均降幅為0.2%,其中各設(shè)計方案間最大降幅為0.36%,表明厚度參數(shù)過大,其壓應(yīng)力降幅并無較大的增長。填土側(cè)最大壓應(yīng)力降幅變化與臨水側(cè)有所類似,厚度0.6~0.8 m區(qū)間內(nèi)的最大壓應(yīng)力降幅為45.4%,在此之后各方案間壓應(yīng)力最大降幅為0.56%。分析認為,最大壓應(yīng)力隨前墻厚度參數(shù)變化具有顯著降幅轉(zhuǎn)變節(jié)點,該節(jié)點為厚度0.8 m;超過該節(jié)點后,增大前墻厚度參數(shù),對整體擋土墻壓應(yīng)力抑制效應(yīng)并無顯著促進作用。綜合應(yīng)力影響特征認為,當擋土墻前墻厚度為0.8 m時,墻體各特征部位上應(yīng)力均處于較佳狀態(tài),擋土墻運營穩(wěn)定性最優(yōu)。
圖4 前墻厚度參數(shù)影響下特征部位最大壓應(yīng)力變化
擋土墻前墻最優(yōu)設(shè)計參數(shù)確定后,對后墻參數(shù)進行進一步優(yōu)化分析很有必要。在保證擋土墻其他設(shè)計參數(shù)不變情況下,設(shè)定前墻厚度為0.8 m,分別設(shè)定后墻厚度參數(shù)為0.6、0.8、1、1.2、1.4和1.6 m,同樣以擋土墻填土側(cè)、臨水側(cè)及底板特征部位應(yīng)力開展計算分析。
根據(jù)后墻厚度參數(shù)設(shè)計方案計算出擋土墻各特征部位拉應(yīng)力影響特征,見圖5。從圖5中可看出,后墻厚度參數(shù)與填土側(cè)、臨水側(cè)部位最大拉應(yīng)力為負相關(guān)關(guān)系,在后墻厚度0.6 m時填土側(cè)最大拉應(yīng)力為1.28 MPa,而厚度增大至1、1.4和1.6 m后,最大拉應(yīng)力相比前者分別減少32.8%、58.6%和61%,同樣各方案間臨水側(cè)最大拉應(yīng)力降幅分別為26.7%、55.6%和57.9%。從整體降幅亦可知,后墻厚度增大0.2 m,填土側(cè)、臨水側(cè)部位最大拉應(yīng)力平均降低16.3%、15.1%,且集中在厚度參數(shù)方案0.6~1.2 m區(qū)間內(nèi),兩者在該區(qū)間內(nèi)最大降幅分別為36%、35.4%;表明后墻厚度參數(shù)愈大,對填土側(cè)、背水側(cè)拉應(yīng)力抑制效果顯著。但不可忽視,當后墻厚度參數(shù)增大至1.2 m后,兩特征部位最大拉應(yīng)力降幅呈較小波動,表明填土、背水兩個側(cè)壁上最大拉應(yīng)力在后墻厚度參數(shù)增大至一定節(jié)點后,抑制效應(yīng)達到“飽和”狀態(tài),降幅穩(wěn)定。與前兩特征部位不同的是,底板部位最大拉應(yīng)力隨后墻厚度參數(shù)為遞增關(guān)系,厚度為1、1.4和1.6 m時,最大拉應(yīng)力相比厚度0.6 m下分別增長26.9%、87.3%和152.7%,特別是在厚度參數(shù)1.2 m后,底板部位最大拉應(yīng)力增幅顯著提升;厚度為0.6~1.2 m時,每0.2 m厚度增長,僅帶來最大拉應(yīng)力增幅10.4%;但在此之后,厚度1.6、1.4 m與厚度1.2 m方案間最大拉應(yīng)力分別達到87.8%、39.2%差幅。筆者認為,后墻厚度參數(shù)雖一定程度上可導(dǎo)致底板結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力增長,但其增長空間主要集中在后墻厚度1.2 m方案后,因而設(shè)計時可優(yōu)先考慮后墻厚度對拉應(yīng)力影響節(jié)點參數(shù)方案。
圖5 后墻厚度參數(shù)影響下特征部位最大拉應(yīng)力變化
依據(jù)后墻厚度各設(shè)計方案計算獲得壓應(yīng)力特征,見圖6。根據(jù)圖6中特征部位最大壓應(yīng)力變化特征可知,其變化趨勢與前墻厚度參數(shù)影響拉應(yīng)力變化特征類似,均呈短V形。壓應(yīng)力最低點為厚度參數(shù)1.2 m時,當后墻厚度參數(shù)為0.6m時,填土側(cè)最大壓應(yīng)力為3.268 MPa;而后墻厚度為0.8、1.2 m時,分別降低15.7%、53.2%;在厚度0.6~1.2 m區(qū)間內(nèi),厚度增大0.2 m,填土側(cè)最大壓應(yīng)力平均降低22.2%;在厚度為0.6 m后,最大壓應(yīng)力為上升態(tài)勢,厚度增大0.2 m,最大壓應(yīng)力平均增長25.4%。在3個特征部位中,最大壓應(yīng)力變化態(tài)勢基本與之類似,厚度0.6~1.2 m區(qū)間內(nèi),厚度增大0.2 m,臨水側(cè)、底板部位最大壓應(yīng)力分別平均降低21.3%、19.9%;而在厚度參數(shù)1.2 m后,壓應(yīng)力均開始上升,厚度0.2 m可導(dǎo)致臨水側(cè)、底板部位最大壓應(yīng)力增幅21.1%、21.5%。從整體壓應(yīng)力影響態(tài)勢可知,后墻厚度參數(shù)應(yīng)不超過壓應(yīng)力最低方案節(jié)點,確保壓應(yīng)力不處于過快上升區(qū)段內(nèi),控制后墻厚度參數(shù)低于1.2 m,更利于擋土墻安全運營。
圖6 后墻厚度參數(shù)影響下特征部位最大壓應(yīng)力變化
綜合后墻厚度參數(shù)對應(yīng)力影響特征認為,當后墻厚度參數(shù)為1.2 m時,擋土墻拉應(yīng)力處于較佳抑制狀態(tài),壓應(yīng)力處于最低,該方案為擋土墻后墻厚度參數(shù)設(shè)計最優(yōu)。
根據(jù)ABAQUS應(yīng)力特征計算,不僅可得到量值變化特征,也可獲得擋土墻應(yīng)力分布特征。由于張拉應(yīng)力是結(jié)構(gòu)設(shè)計中最為關(guān)注的重點,因而本文給出最優(yōu)設(shè)計方案(前后墻厚度分別為0.8、1.2 m)在某一時刻運營節(jié)點時擋土墻各特征面拉應(yīng)力分布特征,見圖7。
圖7 擋土墻各特征面拉應(yīng)力分布特征
從各特征面拉應(yīng)力分布可看出,該最優(yōu)方案中,擋土墻拉應(yīng)力值均較低,最大拉應(yīng)力位于底板部位,但運營中最大拉應(yīng)力并未達到1 MPa,低于結(jié)構(gòu)材料安全允許值,滿足運營要求。從運營安全性考慮,所確定的最優(yōu)方案是科學(xué)、合理、適配的。
1) 擋土墻底板部位拉應(yīng)力最大;3個特征部位最大拉應(yīng)力隨前墻厚度參數(shù)變化呈V形,以厚度0.8 m時為拉應(yīng)力最低方案;超過該方案后,厚度增長0.2 m可致填土側(cè)、臨水側(cè)及底板最大拉應(yīng)力分別增長26.6%、21.1%和16.8%。
2) 后墻厚度參數(shù)與填土側(cè)、背水側(cè)部位最大拉應(yīng)力為負相關(guān)關(guān)系,厚度增大0.2 m,填土側(cè)、背水側(cè)最大拉應(yīng)力平均降低16.3%、15.1%,且集中在厚度0.6~1.2 m區(qū)間內(nèi),該區(qū)間內(nèi)兩部位最大降幅分別為36%、35.4%;底板最大拉應(yīng)力隨后墻厚度為遞增,以厚度1.2 m后拉應(yīng)力增幅增長最為顯著。
3) 3個特征部位最大壓應(yīng)力與前墻厚度參數(shù)均為負相關(guān)關(guān)系,曲線變化呈L形,但特征部位最大壓應(yīng)力隨后墻厚度參數(shù)為V形變化,前墻厚度影響下的平穩(wěn)節(jié)點與后墻厚度影響下最低節(jié)點分別為0.8、1.2 m。
4) 綜合應(yīng)力變化特征與分布特征,當擋土墻前后墻厚度分別為0.8、1.2 m時,預(yù)制拼裝式水工擋土墻設(shè)計最優(yōu)。