焦麗艷
(瓦房店市水庫(kù)事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 瓦房店 116300)
水工設(shè)施除險(xiǎn)加固方案最優(yōu)化對(duì)提升水利工程長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)具有重要意義[1-3]。劉婷婷[4]、顏磊等[5]、莊佳等[6]根據(jù)已建工程安全運(yùn)營(yíng)案例,引入物理模型試驗(yàn)理論,設(shè)計(jì)水工模型試驗(yàn),分析試驗(yàn)過程中水利設(shè)施破壞、滲流場(chǎng)或靜力場(chǎng)特征,為工程最優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要佐證。借助工程原位試驗(yàn)或監(jiān)測(cè)手段,均可直接獲得病險(xiǎn)工程運(yùn)營(yíng)狀態(tài),采取針對(duì)性加固方案或措施,解決病險(xiǎn)工程運(yùn)營(yíng)中一系列安全問題[7-9]。上述方法中,水工模型試驗(yàn)研究成本較高,而原位試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)手段存在精度不高、監(jiān)測(cè)時(shí)間過長(zhǎng)等缺點(diǎn),因而蔣禮瑜[10]、李壯等[11]、王磊[12]探討借助數(shù)值仿真手段,對(duì)加固工程設(shè)計(jì)方案開展對(duì)比計(jì)算分析,探討方案中變量因素與工程穩(wěn)定性關(guān)系,進(jìn)而獲得工程設(shè)計(jì)最優(yōu)方案。結(jié)合金廠東溝水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程,開展溢洪道邊墻加固方案隔板厚度、踵板長(zhǎng)度設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析,為確定溢洪道最優(yōu)加固方案提供計(jì)算支撐。
金廠東溝水庫(kù)位于瓦房店元臺(tái)鎮(zhèn)前元社區(qū),設(shè)計(jì)總庫(kù)容29.95 萬m3,大壩上游坡比為1∕2.48,干砌石厚度300 mm,壩長(zhǎng)228 m,壩頂高度74.03 m。大壩上、下游坡度分別為1∕2.48、1∕2.2。溢洪道位于大壩右岸,頂高程72.6 m,底板鋪設(shè)有碎石料,兩側(cè)為重力式漿砌石直立邊墻。溢洪道為開敞寬淺式明渠溢洪道,主槽左、右側(cè)均為漿砌石直立式擋墻,墻頂高程72.57~73.93 m。根據(jù)調(diào)研得知,該水庫(kù)庫(kù)容受泥沙淤積影響,水位上升較高,在枯水季可調(diào)度水資源較小,故研究對(duì)該水庫(kù)樞紐工程開展除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì),擬在原壩頂高程基礎(chǔ)上增設(shè)0.5 m高防浪墻,壩頂加寬至4.5 m,壩軸線長(zhǎng)度延長(zhǎng)為233.5 m,整體提升大壩防洪、蓄水安全穩(wěn)定性。水庫(kù)溢洪道是重點(diǎn)加固設(shè)施工程,考慮拆除重建原溢洪道擋土墻,加設(shè)深度為0.8 m消力池,設(shè)計(jì)進(jìn)口底高程72.40 m,凈寬4.0 m,并拆除原有漿砌石墻48 m,兩側(cè)修建擋土砌墻,設(shè)計(jì)墻身高度為12 m,底板寬度為8 m,墻厚度為0.9 m,順?biāo)鞣较驂w長(zhǎng)度為5 m,前、后墻厚度分別為1、1.2 m。為確保溢洪道運(yùn)行安全性,設(shè)計(jì)有空箱設(shè)施,內(nèi)部寬度為1.2 m,同時(shí)設(shè)置有扶壁作為水力沖刷作用下?lián)跬翂Ψ€(wěn)定性加固措施,擋土墻立面示意如圖1所示。目前,溢洪道邊墻擋土墻結(jié)構(gòu)隔板厚度與踵板長(zhǎng)度參數(shù)還處于優(yōu)化探討階段,其隔板厚度參數(shù)改變對(duì)溢洪道正常泄流工況有一定影響,應(yīng)合理控制踵板長(zhǎng)度參數(shù),確保設(shè)計(jì)參數(shù)處于合理區(qū)間,使溢洪道加固設(shè)計(jì)方案處于綜合最優(yōu)。
圖1 擋土墻立面示意
根據(jù)溢洪道邊墻擋土墻工作環(huán)境,采用CADAbaqus 聯(lián)合計(jì)算編制擋土墻設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化方案,確保頂板、踵板長(zhǎng)度參數(shù)與溢洪道應(yīng)力穩(wěn)定性相匹配,降低擋土墻張拉破壞應(yīng)力對(duì)溢洪道設(shè)施結(jié)構(gòu)影響。根據(jù)CAD 幾何模型獲得擋土墻所在溢洪道壩段基本形態(tài),對(duì)幾何模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分后,共獲得網(wǎng)格單元128 562 個(gè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)106 824 個(gè),網(wǎng)格單元?jiǎng)澐趾竽P腿鐖D2 所示[13,14]。該計(jì)算模型中設(shè)定擋土墻靜力計(jì)算穩(wěn)定場(chǎng)為30 m 寬度范圍,深度范圍為20 m,此參數(shù)根據(jù)溢洪道地基應(yīng)力分布確定,模型中所有材料均視為各向同性。
圖2 擋土墻劃分網(wǎng)格后模型
計(jì)算工況以擋土墻竣工期溢洪道前、后水位參數(shù)作為荷載條件,分別為65.55、67.05 m,外荷載另有土體側(cè)向壓力、臨水側(cè)靜水壓力與揚(yáng)壓力,在模型頂部設(shè)定為法向約束、模型底部為限制性約束條件。為分析方便,規(guī)定模型中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,本文僅討論擋土邊墻頂板、踵板長(zhǎng)度參數(shù)優(yōu)化,所涉及其他設(shè)計(jì)參數(shù)均保持一致,利用Abaqus 后處理計(jì)算平臺(tái)對(duì)各設(shè)計(jì)方案展開對(duì)比性分析。
為確保溢洪道加固工程中邊墻隔板厚度設(shè)計(jì)參數(shù)最優(yōu)化,在擋土墻頂板、底板、前墻或后墻厚度等設(shè)計(jì)參數(shù)均不變狀態(tài)下,設(shè)計(jì)邊墻隔板厚度參數(shù)分別為0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 m,由于邊墻隔板厚度不宜超過空箱寬度過大,因而設(shè)定中隔板厚度上限值為1.5 m,根據(jù)擋土邊墻上填土側(cè)、臨水側(cè)及底板特征部位上應(yīng)力穩(wěn)定性影響特征展開對(duì)比分析。
對(duì)擋土邊墻不同隔板厚度設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算,獲得隔板厚度設(shè)計(jì)參數(shù)影響下邊墻特征部位最大拉應(yīng)力變化特征,如圖3所示。
從圖3 可看出,各特征部位最大拉應(yīng)力隨隔板厚度呈先減后增變化,各部位拉應(yīng)力最低方案為厚度0.9 m,且僅有該方案中邊墻各特征部位拉應(yīng)力均低于1 MPa,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。從3個(gè)特征部位拉應(yīng)力對(duì)比可知,邊墻底板結(jié)構(gòu)部位拉應(yīng)力最大,在隔板厚度0.6 m方案中底板最大拉應(yīng)力為2.882 MPa,而擋土墻填土側(cè)、臨水側(cè)最大拉應(yīng)力相比前者分別降低了11.2%、28.2%,從隔板厚度各設(shè)計(jì)方案對(duì)比可知,底板最大拉應(yīng)力分布為0.857~4.459 MPa,而填土側(cè)、臨水側(cè)部位最大拉應(yīng)力較之前者分別降低幅度為10.6%~22.6%、19.7%~35.7%,這表明底板是溢洪道邊墻設(shè)計(jì)與施工加固中重點(diǎn)考慮部位,其應(yīng)力安全穩(wěn)定性決定了邊墻能否穩(wěn)定運(yùn)行,是溢洪道除險(xiǎn)加固工程中重要一環(huán)。分析隔板厚度與擋土邊墻拉應(yīng)力關(guān)系可知,在厚度0.3~0.9 m,各特征部位最大拉應(yīng)力均為遞減變化,在厚度0.3 m時(shí)填土側(cè)最大拉應(yīng)力為3.468 MPa,而厚度0.6、0.9 m時(shí)比前者分別下降了26.2%、79.7%,該區(qū)間內(nèi)各方案間填土側(cè)最大拉應(yīng)力平均降幅為49.4%;而臨水側(cè)、底板部位處最大拉應(yīng)力在該區(qū)間內(nèi)變化趨勢(shì)與填土側(cè)基本一致,厚度增加0.3 m,兩部位最大拉應(yīng)力分別下降51.3%、48.5%,即在該區(qū)間內(nèi)增大厚度,可以限制結(jié)構(gòu)上拉應(yīng)力發(fā)展。當(dāng)厚度增大至0.9 m后,各特征部位最大拉應(yīng)力均上升,在厚度0.9~1.8 m,隨厚度增長(zhǎng),填土側(cè)最大拉應(yīng)力平均增幅為88.2%,而臨水側(cè)、底板部位最大拉應(yīng)力增幅為80.8%、87.2%,即各部位中尤以底板結(jié)構(gòu)處最大拉應(yīng)力受隔板厚度增長(zhǎng)影響最為顯著。綜合拉應(yīng)力變化特征認(rèn)為,隔板厚度參數(shù)應(yīng)控制在合理區(qū)間內(nèi),抑制擋土邊墻結(jié)構(gòu)上拉應(yīng)力發(fā)展態(tài)勢(shì)。
依據(jù)不同隔板厚度設(shè)計(jì)方案計(jì)算,獲得邊墻壓應(yīng)力與隔板厚度設(shè)計(jì)參數(shù)間關(guān)系,如圖4所示。
圖4 隔板厚度參數(shù)影響下邊墻最大壓應(yīng)力特征
從圖4可看出,3個(gè)部位中以底板結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力最大,而臨水側(cè)壓應(yīng)力最低,在厚度0.3 m 時(shí)臨水側(cè)最大壓應(yīng)力為31.65 MPa,而填土側(cè)、底板部位最大壓應(yīng)力較前者分別提高了7.7%、16.5%,分析認(rèn)為這與臨水側(cè)受上揚(yáng)壓力削弱壓縮應(yīng)力有關(guān),從力平衡角度分析可知上揚(yáng)壓力可平衡一部分自重應(yīng)力,表現(xiàn)為臨水側(cè)壓應(yīng)力較其他部位最小[15,16]。分析厚度設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)特征部位最大壓應(yīng)力影響可知,兩者為遞減關(guān)系,其中尤以厚度0.3~0.9 m 更為顯著,底板結(jié)構(gòu)在該區(qū)間內(nèi)最大降幅可達(dá)18.5%,平均降幅為17%,同理填土側(cè)、臨水側(cè)最大壓應(yīng)力在此區(qū)間內(nèi)平均降幅分別為19.1%、19.4%;當(dāng)厚度超過0.9 m 后,各特征部位最大壓應(yīng)力降幅均較小,填土側(cè)在該區(qū)間內(nèi)各方案中最大降幅僅為7.2%,而平均降幅為5.4%,同樣對(duì)于臨水側(cè)、底板部位來說平均降幅分別為5.7%、1.9%。厚度超過0.9 m 后區(qū)間內(nèi)的降幅顯著不及前一區(qū)間內(nèi),表明擋土邊墻隔板厚度增大對(duì)結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力影響逐漸減弱。從工程設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性考慮,隔板厚度保持在最大壓應(yīng)力最佳狀態(tài)即可。本文中最佳狀態(tài)為厚度0.9 m 方案,處于2 個(gè)降幅變化區(qū)間顯著的節(jié)點(diǎn)處。綜合隔板厚度對(duì)結(jié)構(gòu)拉、壓應(yīng)力影響,認(rèn)為厚度0.9 m時(shí)更適合溢洪道邊墻加固。
為研究邊墻踵板長(zhǎng)度參數(shù)最優(yōu)化,設(shè)計(jì)邊墻踵板長(zhǎng)度分別為4、4.5、5、5.5、6、6.5 m 6個(gè)方案,設(shè)定隔板厚度參數(shù)統(tǒng)一為0.9 m,分析特征部位上應(yīng)力特征。
根據(jù)各踵板長(zhǎng)度設(shè)計(jì)方案計(jì)算特征部位應(yīng)力,獲得邊墻特征部位拉應(yīng)力變化特征,如圖5 所示。
圖5 踵板長(zhǎng)度參數(shù)影響下邊墻最大拉應(yīng)力特征
從圖5 可看出,各特征部位最大拉應(yīng)力與踵板長(zhǎng)度為遞減關(guān)系,即踵板設(shè)計(jì)長(zhǎng)度愈大可限制邊墻特征部位拉應(yīng)力發(fā)展態(tài)勢(shì),在踵板長(zhǎng)度4 m 時(shí)臨水側(cè)最大拉應(yīng)力為2.355 MPa,而長(zhǎng)度為5、6、6.5 m 時(shí)最大拉應(yīng)力較前者分別下降了51%、77.3%、79.6%,各特征部位上降幅最為顯著的屬長(zhǎng)度4~5.5 m,臨水側(cè)最大拉應(yīng)力在該區(qū)間各方案間最大降幅為42.9%,平均踵板長(zhǎng)度增大0.5 m,最大拉應(yīng)力降低34.2%;而填土側(cè)、底板部位最大拉應(yīng)力亦是如此,兩者平均降低35.2%、33.3%。當(dāng)踵板長(zhǎng)度超過5.5 m后,降幅顯著減少,臨水側(cè)在踵板長(zhǎng)度6、6.5 m 時(shí)最大拉應(yīng)力較長(zhǎng)度5.5 m 時(shí)分別下降了18.8%、27.2%,該區(qū)間內(nèi)各方案平均降幅僅為13.3%,對(duì)于填土側(cè)與底板部位來說,該區(qū)間內(nèi)各方案最大降幅為15.1%,平均降幅分別為8.5%、9.2%。筆者認(rèn)為踵板長(zhǎng)度對(duì)拉應(yīng)力影響與隔板厚度對(duì)結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力影響類似,控制踵板長(zhǎng)度在降幅穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)即可,一方面顧及結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力穩(wěn)定,一方面降低工程成本。
踵板長(zhǎng)度影響下特征部位最大壓應(yīng)力變化特征曲線,如圖6 所示。從圖6 可知,踵板長(zhǎng)度參數(shù)與最大壓應(yīng)力值具有二次函數(shù)關(guān)系,且函數(shù)曲線最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)5.5 m方案,在長(zhǎng)度5.5 m前,填土側(cè)最大壓應(yīng)力在各方案中平均降幅為11.6%,最大降幅可達(dá)14.5%,同樣在臨水側(cè)、底板結(jié)構(gòu)上最大壓應(yīng)力降幅平均為11.8%、8.4%;相比之下,在長(zhǎng)度5.5 m 后,各特征部位壓應(yīng)力均為遞增狀態(tài),各部位上最大增幅為9.2%,位于臨水側(cè)部位,而在填土側(cè)、臨水側(cè)及底板部位壓應(yīng)力平均增幅為3.9%、6.5%、2.6%。從應(yīng)力安全性考慮,認(rèn)為踵板長(zhǎng)度5.5 m 時(shí)拉、壓應(yīng)力均滿足安全使用要求,為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
圖6 踵板長(zhǎng)度參數(shù)影響下邊墻最大壓應(yīng)力特征
為評(píng)價(jià)最優(yōu)方案應(yīng)力穩(wěn)定性,計(jì)算獲得隔板厚度0.9 m、踵板長(zhǎng)度5.5 m 時(shí)擋土墻應(yīng)力分布特征,如圖7所示。
圖7 應(yīng)力分布特征
從圖7 可看出,擋土墻填土側(cè)拉應(yīng)力分布區(qū)間以0.529~0.617 MPa 為主,分布在填土側(cè)與頂板接觸區(qū)域,該方案下填土側(cè)整體拉應(yīng)力分布區(qū)域較小,以壓應(yīng)力為主;臨水側(cè)拉應(yīng)力僅分布在與底板接觸部位,其他部位均為壓應(yīng)力;底板上拉應(yīng)力分布在靠近左側(cè)底板邊緣,縱向分布,最大拉應(yīng)力未超過1 MPa。分析認(rèn)為,隔板厚度0.9 m、踵板長(zhǎng)度5.5 m 設(shè)計(jì)方案中應(yīng)力分布較合理,方案最優(yōu)。
(1)邊墻上拉應(yīng)力最大部位為底板處;各特征部位最大拉應(yīng)力隨隔板厚度為先減后增變化,拉應(yīng)力最低值均為厚度0.9 m時(shí);厚度設(shè)計(jì)參數(shù)與特征部位最大壓應(yīng)力為負(fù)相關(guān)關(guān)系,厚度0.3~0.9 m 降幅最大,超過0.9 m后壓應(yīng)力降幅較小。
(2)各特征部位最大拉應(yīng)力與踵板長(zhǎng)度為遞減關(guān)系,填土側(cè)、臨水側(cè)、底板部位最大拉應(yīng)力在長(zhǎng)度4~5.5 m 平均降幅為35.2%、34.2%、33.3%,而超過5.5 m 后各方案間最大降幅僅為18.8%;踵板長(zhǎng)度與最大壓應(yīng)力值具有二次函數(shù)關(guān)系,壓應(yīng)力最低點(diǎn)為長(zhǎng)度5.5 m方案。
(3)綜合拉、壓應(yīng)力與設(shè)計(jì)參數(shù)變化關(guān)系,結(jié)合應(yīng)力分布特征,認(rèn)為邊墻隔板厚度0.9 m、踵板長(zhǎng)度5.5 m為最優(yōu)方案。