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。

1 工程設(shè)計(jì)概況

1.1 工程概況

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

1.2 設(shè)計(jì)仿真

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。

2 溢洪道邊墻隔板厚度參數(shù)優(yōu)化分析

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。

2.1 拉應(yīng)力特征

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)。

2.2 壓應(yīng)力特征

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。

3 溢洪道邊墻踵板長(zhǎng)度參數(shù)優(yōu)化分析

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。

3.1 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

3.2 應(yīng)力分布特征

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)。

4 結(jié)論

（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。