岳彬彬

(江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223001)

1 概 述

水利工程中，由于設(shè)計(jì)年代久遠(yuǎn)，或由于運(yùn)營年限較長，亦或由于運(yùn)營環(huán)境較惡劣等原因，原水工設(shè)計(jì)均無法滿足安全運(yùn)營要求，因而開展對水工建筑結(jié)構(gòu)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)研究很有必要，特別是針對加固方案開展設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化，對提升設(shè)計(jì)水平具有重要指導(dǎo)意義[1-3]。根據(jù)水利工程原型，孫洪亮等[4]、沈衛(wèi)等[5]、陳斌等[6]設(shè)計(jì)室內(nèi)物理模型方案，根據(jù)設(shè)計(jì)對比方案，開展實(shí)際工況下設(shè)計(jì)方案間差異性分析，為探討最佳設(shè)計(jì)方案提供重要參考。此類物理模型試驗(yàn)在對比設(shè)計(jì)方案中成本較高，因而主要應(yīng)用在前瞻式研究中，包括動(dòng)荷載下水利設(shè)施的動(dòng)力響應(yīng)特性等[7-8]。還有一些專家與學(xué)者通過對加固結(jié)構(gòu)材料的離散元分析，李文霞等[9]、朱小磊等[10]、侯英偉等[11]利用離散元計(jì)算方法，探討微觀與宏觀下結(jié)構(gòu)材料破壞特性，為加固結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，此類研究包括顆粒流的離散元計(jì)算等。當(dāng)然也有一些學(xué)者通過數(shù)值模擬建立計(jì)算模型，葉柏陽等[12]、楊川江[13]、袁潔等[14]根據(jù)不同的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，計(jì)算相應(yīng)的結(jié)果，并對比設(shè)計(jì)方案間的結(jié)果差異性，為工程設(shè)計(jì)提供重要對比參考。本文根據(jù)沐陽水閘除險(xiǎn)加固措施，對預(yù)應(yīng)力錨索方案進(jìn)行自由端長度、平面夾角參數(shù)優(yōu)化，進(jìn)而為工程確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案提供支撐。

2 沭陽閘工程計(jì)算介紹

2.1 工程概況

沭陽閘位于淮沭河尾閭，閘身總寬288.15 m，共25孔，單孔凈寬10 m，閘長180.3 m，設(shè)計(jì)通行流量3 000 m3/s。該水閘為多孔式設(shè)計(jì)，孔口斷面為3.0 m×3.0 m，分為5組，分別為4孔、4孔、6孔、4孔、4孔，閘頂高程5.0 m，沭陽閘上下游包括消力池等其他輔助水利設(shè)施，全長356.8 m，寬為81.10 m。由于工程建設(shè)年限較長，部分泄流灌溉效率降低，特別是部分水工建筑物出現(xiàn)破損、碳化，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性顯著降低，限制了水閘高效率運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，對沐陽閘進(jìn)行除險(xiǎn)加固，主要包括通航孔改造、建筑物防滲處理、更新便橋欄桿、改造公路橋外側(cè)防撞墩。特別是對水工設(shè)施中重要承重結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行加固改造，提升沐陽水閘運(yùn)營可靠性、水利功能、安全穩(wěn)定。工程設(shè)計(jì)部門擬采用預(yù)應(yīng)力錨索作為重要加固結(jié)構(gòu)，對沐陽閘墩及承重結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，作為提升整體承載穩(wěn)定性的重要舉措。

2.2 工程仿真

所采用的預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)是橫縱分層性架設(shè)，設(shè)計(jì)閘墩與錨索間有墊塊作為連接載體，且兩者之間為接觸式連接，降低預(yù)應(yīng)力損失，擬采用預(yù)應(yīng)力錨索初步設(shè)計(jì)平面圖見圖1。橫錨索設(shè)計(jì)間距為120 mm，每排橫錨索為雙層錨筋，層間距為20 mm，錨筋直徑為22 mm，設(shè)計(jì)橫錨索張拉噸位為3 500 kN，每個(gè)斷面上擬采用14根橫錨索；縱錨索布設(shè)在橫錨索垂直線上，間距為140 mm，亦為雙層錨索鉸束，設(shè)計(jì)張拉噸位為2 655 kN，初步確定單根錨索有6個(gè)鉸束。墊塊截面為正方形，邊長為12 cm，采用預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，靜動(dòng)力穩(wěn)定性均較佳。

圖1 預(yù)應(yīng)力錨索初步設(shè)計(jì)平面圖

基于沐陽閘加固工程擬建方案及安全設(shè)計(jì)要求，采用ABAQUS數(shù)值計(jì)算平臺對加固結(jié)構(gòu)開展對比計(jì)算。由于加固結(jié)構(gòu)方案中以錨索自由端長度L、錨索平面夾角θ還處于討論設(shè)計(jì)中，因而本文主要對這兩個(gè)參數(shù)開展設(shè)計(jì)優(yōu)化研究。利用建模軟件建立沐陽閘典型剖面整體模型，見圖2，共獲得單元網(wǎng)格156 825個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)135 628個(gè)。另一方面，對沐陽閘加固結(jié)構(gòu)典型特征部位特殊網(wǎng)格加密處理，分別為水閘閘頂(1#部位)、錨塊(2#部位)及錨固洞(3#部位)3個(gè)部位，見圖3。其中，錨塊獨(dú)立模型劃分出單元網(wǎng)格85 625個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)75 682個(gè)。在計(jì)算過程中設(shè)定X、Y、Z正向分別為閘右岸、下游水流、模型垂直上方。所施加邊界荷載采用洪水位工況，荷載包括閘室自重、水揚(yáng)壓力及錨索預(yù)應(yīng)力等，模型頂面設(shè)置為自由邊界[15-16]。

圖2 沐陽水閘整體模型

圖3 錨索加固結(jié)構(gòu)特征部位計(jì)算模型

3 錨索自由端長度參數(shù)優(yōu)化分析

根據(jù)錨索參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化要求，設(shè)計(jì)錨索自由端長度L為研究變量，其他設(shè)計(jì)參數(shù)均保持一致，包括錨索層間距、錨索直徑以及布設(shè)形式等，均為相同，荷載工況均保持一致。研究對象錨索自由端長度參數(shù)分別設(shè)定為3 m(A方案)、4 m(B方案)、5 m(C方案)、6 m(D方案)、7 m(E方案)、8 m(F方案)。

3.1 拉應(yīng)力特征

根據(jù)不同錨索自由端長度參數(shù)設(shè)計(jì)方案，獲得錨索自由端長度與沐陽水閘加固結(jié)構(gòu)特征部位最大拉應(yīng)力關(guān)系，見圖4。

圖4 錨索自由端長度與特征部位最大拉應(yīng)力關(guān)系

從圖4中拉應(yīng)力變化可知，各設(shè)計(jì)方案中拉應(yīng)力最大位置是錨固洞截面。在錨索自由端長度5 m方案中，錨固洞(3#部位)最大拉應(yīng)力可達(dá)2.365 MPa，而1#、2#特征部位處最大拉應(yīng)力相比前者分別降低70.2%、30.1%。從加固結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)面來看，以錨固洞受張拉威脅最大，其應(yīng)重點(diǎn)加固防護(hù)，采取包括鋼筋網(wǎng)加密在內(nèi)的多項(xiàng)舉措。自由端長度參數(shù)增大，除1#部位最大拉應(yīng)力為降低，其他特征部位均為遞增，特別是以錨固洞最大拉應(yīng)力漲幅最大；在自由端長度為3 m時(shí)，錨固洞最大拉應(yīng)力為2.026 MPa，而長度為5、7和8 m時(shí)的最大拉應(yīng)力相比前者分別增長16.7%、38%和51.6%，各方案中自由端長度增大1 m，錨固洞上最大拉應(yīng)力平均可增大8.7%；而在錨塊2#部位上最大拉應(yīng)力隨自由端長度增大1 m，可上漲8.6%；表明錨固洞與錨塊拉應(yīng)力漲幅基本接近，均是加固結(jié)構(gòu)中最危險(xiǎn)面，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。另一方面，閘頂1#部位的最大拉應(yīng)力與自由端長度參數(shù)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，長度為5、7和8 m時(shí)的最大拉應(yīng)力相比長度3m時(shí)分別減少40.4%、66.8%和73.5%，自由端長度增大1 m，閘頂處最大拉應(yīng)力平均可減少23%，即自由端長度參數(shù)愈大，愈可顯著閘頂拉應(yīng)力發(fā)展，降低沐陽水閘頂部張拉破壞。具體分析錨索自由端長度對閘頂拉應(yīng)力抑制關(guān)系可知，在長度3～6 m區(qū)間內(nèi)，閘頂最大拉應(yīng)力降幅最大可達(dá)34.9%，平均每增長1 m長度，最大拉應(yīng)力降低26.8%；而在長度6～8 m區(qū)間內(nèi)，最大拉應(yīng)力降幅顯著降低，平均每增長1 m長度，拉應(yīng)力僅降低16.3%。由此可知，閘頂拉應(yīng)力受錨索自由端長度的抑制影響為逐步減弱。

3.2 壓應(yīng)力特征

與拉應(yīng)力相對應(yīng)，錨索自由端長度參數(shù)對加固結(jié)構(gòu)特征部位壓應(yīng)力影響變化關(guān)系見圖5。從圖5中可知，1#-3#這3個(gè)特征部位最大壓應(yīng)力隨錨索自由端長度參數(shù)均為遞增關(guān)系。以錨塊為例分析，其在長度3 m時(shí)最大壓應(yīng)力為10.4 MPa，長度為5、7和8 m時(shí)的最大拉應(yīng)力相比長度3 m時(shí)分別增大13.8%、27%和28.5%，自由端長度增大1 m，錨塊最大壓應(yīng)力平均可增長5.2%。而在閘頂與錨固洞上，最大壓應(yīng)力分別平均可增大3.4%、6.2%，即以錨固洞上壓應(yīng)力漲幅最為顯著，承壓效果對降低預(yù)應(yīng)力損失具有較大正面作用。從壓應(yīng)力漲幅可知，在3～6 m區(qū)間內(nèi)，1#-3#特征部位隨錨索自由端長度參數(shù)增長1 m，分別平均可增長4.2%、7.3%和6.8%，而在6～8 m區(qū)間內(nèi)，最大壓應(yīng)力又分別平均增大2.2%、2%和3.3%。綜合拉壓應(yīng)力特征可知，為確保水閘較佳加固支護(hù)效果，且降低工程成本，當(dāng)水閘預(yù)應(yīng)力錨索自由端長度為6 m時(shí)，最大拉應(yīng)力控制在合理區(qū)間，且此時(shí)壓應(yīng)力所產(chǎn)生的預(yù)壓效果最為顯著。

圖5 錨索自由端長度與特征部位最大壓應(yīng)力關(guān)系

3.3 擬設(shè)計(jì)方案應(yīng)力分布

圖6為錨索自由端長度參數(shù)6 m時(shí)的擬設(shè)計(jì)方案中水閘加固結(jié)構(gòu)錨固洞拉壓應(yīng)力分布特征。從圖6中可知，錨固洞是最大張拉應(yīng)力發(fā)展區(qū)域，集中于洞頂、底面等部位，而最大壓應(yīng)力是洞側(cè)面區(qū)域，表明錨固洞各截面上應(yīng)力還控制在較為分散狀態(tài)，有利于加固結(jié)構(gòu)對水閘設(shè)施的安全保護(hù)。

圖6 加固結(jié)構(gòu)錨固洞拉壓應(yīng)力分布特征

4 錨索平面夾角參數(shù)優(yōu)化分析

同理，對錨索平面夾角參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。在保持其他參數(shù)均為一致前提下，設(shè)定錨索平面夾角θ分別為30°、40°、50°、60°和70°，加固結(jié)構(gòu)荷載工況均保持一致，錨索自由端長度參數(shù)設(shè)定為6 m，進(jìn)行錨索平面夾角參數(shù)影響下特征分析。

4.1 拉應(yīng)力特征

對錨索平面夾角參數(shù)各設(shè)計(jì)方案進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，獲得平面夾角影響下各特征部位拉應(yīng)力變化特征，見圖7。

圖7 錨索平面夾角與特征部位最大拉應(yīng)力關(guān)系

從圖7中可看出，錨固洞以及錨塊最大拉應(yīng)力均隨夾角參數(shù)增大而遞增，夾角30°時(shí)錨固洞最大拉應(yīng)力為1.58 MPa，而在夾角為50°、70°時(shí)最大拉應(yīng)力相比提升了23.5%、54%，表明夾角參數(shù)愈大，加固結(jié)構(gòu)錨固洞與錨塊愈接近其張拉強(qiáng)度，夾角每增大10°，可提升錨固洞最大拉應(yīng)力11.5%；而錨塊最大拉應(yīng)力受平面夾角影響敏感度不及錨固洞，其在各設(shè)計(jì)方案中基本呈線性遞增，夾角為50°、70°時(shí)最大拉應(yīng)力相比夾角30°時(shí)增長16.5%、43.7%，夾角每增大10°，其最大拉應(yīng)力漲幅為9.5%。與前兩特征部位不同的是，閘頂1#特征部位處最大拉應(yīng)力隨平面夾角為遞減關(guān)系，其最大拉應(yīng)力亦是3個(gè)特征部位中最低值，在夾角40°時(shí)最大拉應(yīng)力為0.892 MPa，相比之2#、3#特征部位分別降低26.7%、48.9%；當(dāng)夾角為50°、70°時(shí)最大拉應(yīng)力相比30°時(shí)分別降低66.8%、88.5%，平均每10°夾角可造成其最大拉應(yīng)力損失40.8%，表明平面夾角參數(shù)愈大，對閘頂處拉應(yīng)力具有抑制效應(yīng)。分析3個(gè)特征部位最大拉應(yīng)力變幅變化可知，在平面夾角30°～60°區(qū)間內(nèi)，錨固洞與錨塊最大拉應(yīng)力漲幅還處于可控較低區(qū)間，分別是每10°夾角，最大拉應(yīng)力漲幅分別為8.6%、11.5%；而在夾角60°～70°區(qū)間后，最大拉應(yīng)力分別增大13.5%、17.4%，表明夾角60°以下時(shí)錨固洞與錨塊拉應(yīng)力處于漲幅較緩階段。而對于閘頂，其在平面夾角60°后拉應(yīng)力基本處于較為平緩，下降趨勢較小，故可認(rèn)為錨索平面夾角60°是最有利于加固結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力控制的方案。

4.2 壓應(yīng)力特征

圖8為3個(gè)特征部位最大壓應(yīng)力與平面夾角變化關(guān)系。從圖8中可看出，3個(gè)特征部位最大壓應(yīng)力隨平面夾角參數(shù)均為遞減關(guān)系，其中尤以錨固洞、錨塊遞減趨勢更為顯著。錨固洞夾角為50°、70°時(shí)，最大拉應(yīng)力相比夾角30°時(shí)減少9.8%、15.6%，平均夾角增大10°，可導(dǎo)致錨固洞上夾角降低4.1%，而在錨塊上此幅度為6.6%。閘頂最大壓應(yīng)力在夾角60°前基本維持穩(wěn)定不變，后在70°時(shí)發(fā)生一定降幅，幅度約為2.8%，表明閘頂處最大壓應(yīng)力僅在平面夾角60°后才具有顯著響應(yīng)。而對于錨塊、錨固洞，其最大壓應(yīng)力分布在合適區(qū)間內(nèi)即可，因而筆者認(rèn)為，當(dāng)錨索平面夾角參數(shù)為60°時(shí)，對加固結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力安全穩(wěn)定性是有益的，這一點(diǎn)可從閘頂處應(yīng)力特征可知。綜合拉壓應(yīng)力特征認(rèn)為，平面夾角60°更能確保加固結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全可靠性。

圖8 錨索平面夾角與特征部位最大壓應(yīng)力關(guān)系

5 結(jié) 論

1) 拉應(yīng)力最大位置是錨固洞部位；錨固洞、錨塊最大拉應(yīng)力與自由端長度均為正相關(guān)關(guān)系，自由端長度增大1 m，錨固洞、錨塊上最大拉應(yīng)力分別平均可增大8.7%、8.6%；閘頂最大拉應(yīng)力隨自由端長度為遞減關(guān)系，且以長度3～6 m區(qū)間拉應(yīng)力降幅最大，該區(qū)間內(nèi)每增長1 m長度，最大拉應(yīng)力降低26.8%。

2) 錨固洞、錨塊最大拉應(yīng)力均隨夾角參數(shù)增大而遞增，夾角每增大10°，可分別提升錨固洞、錨塊最大拉應(yīng)力11.5%、9.5%，且夾角超過60°后拉應(yīng)力漲幅最大；閘頂最大拉應(yīng)力隨夾角參數(shù)為減小，平均每10°夾角可造成其最大拉應(yīng)力損失40.8%。

3) 3個(gè)特征部位最大壓應(yīng)力隨錨索自由端長度參數(shù)均為遞增關(guān)系，但隨平面夾角均為遞減關(guān)系；以錨固洞最大壓應(yīng)力受自由端長度影響更為顯著，閘頂最大壓應(yīng)力在夾角60°后才較顯著。

4) 綜合應(yīng)力影響變化特征，錨索自由端長度為6 m、錨索平面夾角參數(shù)為60°時(shí)，更有利于加固結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定運(yùn)營。