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        基于仿真優(yōu)化的宮山咀水庫(kù)泄洪閘加固結(jié)構(gòu)研究

        2021-12-28 11:09:06時(shí)
        海河水利 2021年6期
        關(guān)鍵詞:特征設(shè)計(jì)

        時(shí) 靜

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

        部分水利工程由于運(yùn)營(yíng)年限較長(zhǎng)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低,導(dǎo)致水工設(shè)施運(yùn)營(yíng)能力、工作效率等均有所降低,開展相關(guān)水工設(shè)施除險(xiǎn)加固很有必要[1-3],進(jìn)行水工結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)優(yōu)化探討對(duì)提高水利工程運(yùn)營(yíng)水平具有重要意義。施得兵等[4]、劉婷婷[5]、黃智峰等[6]根據(jù)模型試驗(yàn)理論,在室內(nèi)設(shè)計(jì)開展水工物理模型試驗(yàn),根據(jù)不同設(shè)計(jì)方案開展?jié)B流或靜力場(chǎng)分析,為評(píng)價(jià)最優(yōu)方案提供依據(jù)。當(dāng)然,不可忽視水工模型試驗(yàn)成本較高、試驗(yàn)周期較長(zhǎng),而仿真計(jì)算可高效解決不同設(shè)計(jì)方案下水工結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形分析問(wèn)題[7,8],確定最優(yōu)方案,為工程設(shè)計(jì)提供重要佐證[9,10]。結(jié)合宮山咀水庫(kù)泄洪閘錨索加固設(shè)計(jì)方案,開展錨索保護(hù)層厚度參數(shù)優(yōu)化分析,為評(píng)價(jià)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案提供重要參考。

        1 工程概況

        宮山咀水庫(kù)是地區(qū)重要水利控制樞紐工程,正常蓄水位73.70 m,枯水期水位線高程62.4 m,按照100 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)最大庫(kù)容7 975萬(wàn)m3。該樞紐承擔(dān)著防洪、灌溉、排澇等重要任務(wù),其中下游農(nóng)田灌溉面積超過(guò)533 km2,年可供水量超過(guò)790萬(wàn)m3,地區(qū)用水缺水率最大不超過(guò)2%。樞紐設(shè)有壩體、溢洪道等水利設(shè)施,其中壩體設(shè)計(jì)高程80.1 m,設(shè)計(jì)壩高33.7 m,心墻厚度2.5 m,彎曲段長(zhǎng)度15 m,心墻曲率根據(jù)壩體延伸坡度而不同,具體分布為5×10-4~20×10-4,上、下游坡度分別為1∕2.5、1∕3,壩頂寬度5.5 m,為雙車道硬化路面設(shè)計(jì),壩體另設(shè)置有防浪墻,高度81.4 m,壩體滲流監(jiān)測(cè)傳感器表明,運(yùn)營(yíng)期內(nèi)最大滲透坡降不超過(guò)0.25,防滲墻穿過(guò)基巖覆蓋層,墻基礎(chǔ)深度4.5 m、厚0.6 m。引水隧洞采用邊開挖邊襯砌形式,斷面直徑2.5 m,采用噴錨支護(hù),局部噴射混凝土硬化圍巖,確保圍巖受擾動(dòng)后不出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū)域,斷面進(jìn)水口高程54 m,進(jìn)口管直徑設(shè)計(jì)為1.6 m,隧洞最大徑流量為20.1 m3∕s,微震監(jiān)測(cè)表明圍巖破裂程度不高,類別以Ⅲ~Ⅳ類為主,處于流變變形穩(wěn)定階段。溢洪道設(shè)計(jì)為直泄陡槽式,圍堰頂高程67.7 m,堰頂凈寬10.8 m,采用多孔式泄流閘結(jié)構(gòu),共9 孔,每孔尺寸12 m×6.5 m,泄洪閘最大泄量6 562 m3∕s。根據(jù)目前調(diào)查得知,黏土心墻壩體穩(wěn)定性較好,不論在靜力荷載下還是動(dòng)力作用下,最大沉降不超過(guò)5 mm。目前最大問(wèn)題是溢洪道泄洪閘泄流能力大大降低,相比設(shè)計(jì)值,運(yùn)營(yíng)中最大泄流量?jī)H為3 258 m3∕s,極大限制了溢洪道運(yùn)用能力,分析這與泄洪閘閘墩局部穩(wěn)定性不佳有關(guān),導(dǎo)致多年低壓水位運(yùn)行。為此,工程設(shè)計(jì)部門考慮對(duì)宮山咀水庫(kù)溢洪道泄洪閘設(shè)施開展加固設(shè)計(jì)。

        2 工程建模

        設(shè)計(jì)考慮采用主、次錨索搭配加固方案,主錨索控制在14~16根,為雙層式分布,每層間距20~30 mm,共有6~7 排,排間距140 mm,主錨索與水平面夾角為30°,設(shè)計(jì)最大張拉噸位4 550 kN,拉錨系數(shù)為2.6,錨索與閘墩間為接觸式連接方式,布設(shè)有邊長(zhǎng)為0.35 m×0.35 m 截面的矩形墊塊,厚度50 mm。次錨索與主錨索呈垂直向布設(shè),采用雙層錨筋搭接,排間距160 mm,次錨索設(shè)計(jì)張拉噸位3 750 kN,共有10根,主、次錨索錨筋直徑均為50 mm。錨索連接錨固洞截面體型為圓弧,最長(zhǎng)處580 mm,設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力損失量為20%,水庫(kù)泄洪閘閘墩厚度為1.2~1.4 m,錨索加固方案基本平面設(shè)計(jì)如圖1 所示。錨索加固設(shè)計(jì)方案中各參數(shù)基本已確定,但由于錨索采用的錨筋在長(zhǎng)期負(fù)荷過(guò)程中易受到侵蝕影響,需對(duì)主、次錨索設(shè)計(jì)素混凝土保護(hù)層,但保護(hù)層過(guò)厚會(huì)影響錨索荷載傳遞,過(guò)小不滿足保護(hù)層設(shè)計(jì)要求,因而針對(duì)錨索保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)參數(shù)開展優(yōu)化很有必要。

        圖1 錨索加固方案平面設(shè)計(jì)

        利用COMSOL 仿真計(jì)算平臺(tái)建立泄洪閘整體模型[11,12],如圖2 所示。為方便分析,重點(diǎn)對(duì)泄洪閘關(guān)鍵特征部位展開討論,因建立計(jì)算模型時(shí)已進(jìn)行簡(jiǎn)化,重點(diǎn)對(duì)閘墩、錨塊體、錨固洞上進(jìn)行計(jì)算分析,并特別對(duì)錨塊體進(jìn)行網(wǎng)格加密劃分,各特征部位所在位置及加密后錨塊體如圖3 所示。針對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行微單元網(wǎng)格劃分后,共獲得網(wǎng)格單元442 866個(gè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)368 567 個(gè),除錨塊體采用三角形網(wǎng)格劃分,其他區(qū)域均為四邊形微單元體。模型施加荷載均為靜荷載,并以正常蓄水期作為計(jì)算工況,計(jì)算模型中X、Y、Z 正向分別為泄洪閘所在溢洪道右堰、下游水流向、閘頂垂直向上方向。根據(jù)上述資料及仿真模型開展加固方案設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析,為確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。

        圖2 泄洪閘整體模型

        圖3 各特征部位所在位置及錨塊體獨(dú)立模型

        3 錨索加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析

        依據(jù)錨索加固方案與泄洪閘適配性,設(shè)計(jì)錨索保護(hù)層厚度分別為0.4 m(1#方案)、0.6 m(2#方案)、0.8 m(3#方案)、1 m(4#方案)、1.2 m(5#方案)、1.4 m(6#方案),在保持錨索其他設(shè)計(jì)參數(shù)一致情況下,僅改變計(jì)算模型中保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)參數(shù),計(jì)算泄洪閘特征部位應(yīng)力變化特征,以確定保護(hù)層厚度最優(yōu)方案。

        3.1 拉應(yīng)力特征

        對(duì)各保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算,獲得厚度參數(shù)與拉應(yīng)力變化關(guān)系,如圖4所示。從圖4可知,3個(gè)特征部位中,泄洪閘最大拉應(yīng)力位于錨固洞上,該部位拉應(yīng)力集中較顯著,在各設(shè)計(jì)方案中均是如此。2#方案中錨固洞最大拉應(yīng)力為4.35 MPa,而在相同方案中錨塊體、閘坎處最大拉應(yīng)力僅為前者的67.3%、39.1%,各方案中錨塊體、閘坎最大拉應(yīng)力分別為錨固洞上的64%~93%、50%~78%,即泄洪閘加固方案中應(yīng)重點(diǎn)考慮錨固洞部位,該部位是加固方案中易受張拉破壞截面。分析3個(gè)特征部位與厚度設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系可知,除閘坎部位外,錨塊體與錨固洞上拉應(yīng)力與厚度參數(shù)均為負(fù)相關(guān)關(guān)系,在厚度為0.4 m 時(shí),錨塊體上最大拉應(yīng)力為3.34 MPa,而厚度增大至0.8、1.2、1.4 m 后,其最大拉應(yīng)力相比前者分別下降了21.6%、33%、34.5%,表明錨塊體上拉應(yīng)力受厚度參數(shù)限制影響。同樣,在錨固洞上厚度0.8、1.2、1.4 m 時(shí)最大拉應(yīng)力相比厚度0.4 m 時(shí)分別下降了30.3%、53.4%、53.9%,表明錨固洞上最大拉應(yīng)力受厚度參數(shù)影響更為敏感。從厚度參數(shù)限制拉應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)可知,在厚度為0.4~1 m,錨塊體與錨固洞上拉應(yīng)力降幅最為顯著,錨塊體上厚度1 m 時(shí)最大拉應(yīng)力較厚度0.4、0.8 m時(shí)分別下降了31.1%、12.1%,而厚度1.2、1.4 m時(shí)拉應(yīng)力相比厚度1 m時(shí)下降幅度僅為2.4%、4.3%,即特征部位上最大拉應(yīng)力隨厚度設(shè)計(jì)參數(shù)的降幅為逐漸減小過(guò)程。從幅度區(qū)間劃分可知,厚度為0.4~1 m,厚度增長(zhǎng)0.2 m,錨塊體與錨固洞上最大拉應(yīng)力分別損耗了11.7%、21%;而厚度為1~1.4 m,兩特征部位上最大拉應(yīng)力降幅分別為2.3%、2.8%。另一特征部位閘坎隨厚度設(shè)計(jì)參數(shù)變化無(wú)顯著影響,各設(shè)計(jì)方案中均穩(wěn)定在1.7 MPa 左右,最大波動(dòng)幅度不超過(guò)0.8%,即選擇任一厚度值,對(duì)閘坎上拉應(yīng)力改變或限制均無(wú)顯著作用。從經(jīng)濟(jì)成本與限制拉應(yīng)力發(fā)展兩方面來(lái)看,厚度設(shè)計(jì)參數(shù)不需過(guò)大,控制在合理值內(nèi)即可,工程運(yùn)營(yíng)安全可靠性俱佳,而針對(duì)厚度設(shè)計(jì)參數(shù)影響下的拉應(yīng)力值變化可知,厚度1 m時(shí)設(shè)計(jì)方案處于最優(yōu)。

        圖4 厚度參數(shù)與特征部位拉應(yīng)力變化關(guān)系

        3.2 壓應(yīng)力特征

        同理,根據(jù)各厚度設(shè)計(jì)參數(shù)方案可計(jì)算獲得加固結(jié)構(gòu)中特征部位壓應(yīng)力變化特征,如圖5 所示。從圖5 可看出,3 個(gè)特征部位中壓應(yīng)力最大是錨固洞,表明各設(shè)計(jì)方案中錨固洞上不僅拉應(yīng)力最大,且壓應(yīng)力亦最大。3#設(shè)計(jì)方案中,錨固洞上最大壓應(yīng)力為13.3 MPa,而錨塊體、閘坎部位上壓應(yīng)力相比前者分別下降了10.5%、23.4%,分析認(rèn)為錨固洞作為孔洞截面,極易出現(xiàn)應(yīng)力集中效應(yīng)[13,14],是加固結(jié)構(gòu)中薄弱面。從各厚度參數(shù)影響加固結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力特征可知,特征部位壓應(yīng)力隨厚度參數(shù)呈V形變化特征,最低點(diǎn)是厚度1 m 時(shí),在厚度0.4~1 m 錨塊體上最大壓應(yīng)力平均降幅為12.2%;而在厚度1~1.4 m,壓應(yīng)力為遞增態(tài)勢(shì),平均增幅為9.8%。同樣,在錨固洞以及閘坎上,壓應(yīng)力在兩區(qū)間內(nèi)分別為遞減、遞增變化,在前一區(qū)間內(nèi)平均降幅為16.9%、8.8%,后一區(qū)間內(nèi)增幅又為17.2%、6.5%,表明3 個(gè)特征部位中錨固洞壓應(yīng)力受厚度參數(shù)影響更為敏感,其拉應(yīng)力亦為最敏感。

        圖5 厚度參數(shù)與特征部位壓應(yīng)力變化關(guān)系

        3.3 最優(yōu)方案應(yīng)力分布特征

        根據(jù)上述厚度設(shè)計(jì)參數(shù)影響拉、壓應(yīng)力特征分析,結(jié)合工程成本考慮,當(dāng)厚度設(shè)計(jì)為1 m 時(shí),加固結(jié)構(gòu)拉、壓應(yīng)力態(tài)勢(shì)處于較佳狀態(tài),且應(yīng)力值均滿足安全設(shè)計(jì)要求,即為最優(yōu)方案。給出該方案下特征部位上應(yīng)力分布特征,如圖6所示。

        圖6 特征部位上應(yīng)力分布特征

        從圖6 可看出,錨塊體上壓應(yīng)力分布具有對(duì)稱性,位于錨塊體迎水側(cè)面,最大拉應(yīng)力位于錨塊體底部位置,達(dá)1.6 MPa;錨固洞上拉應(yīng)力位于頂面區(qū)域,雖拉應(yīng)力分布區(qū)域較多,但量值較小,分布最廣泛區(qū)域?yàn)?.1~0.7 MPa;從以上應(yīng)力特征可知,該方案應(yīng)力分布較穩(wěn)定,拉應(yīng)力控制在合理區(qū)間,結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全可靠性較佳。

        4 結(jié)論

        (1)特征部位上拉、壓應(yīng)力最大值均位于錨固洞,各方案中錨塊體、閘坎最大拉應(yīng)力分別為錨固洞上的64%~93%、50%~78%,應(yīng)重點(diǎn)對(duì)錨固洞部位進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

        (2)錨塊體與錨固洞上拉應(yīng)力與厚度參數(shù)均為負(fù)相關(guān),但降幅在厚度0.4~1、1~1.4 m 兩區(qū)間內(nèi)具有顯著差異,兩特征部位在前一區(qū)間內(nèi)平均降幅分別為11.7%、21%,后一區(qū)間內(nèi)又為2.3%、2.8%,錨固洞上拉應(yīng)力受厚度參數(shù)影響更為敏感;閘坎部位拉應(yīng)力隨厚度參數(shù)變化無(wú)顯著影響。

        (3)特征部位壓應(yīng)力隨厚度參數(shù)變化曲線為V形特征,最低點(diǎn)是厚度1 m 時(shí),厚度0.4~1 m 錨固洞、閘坎、錨塊體平均降幅為16.9%、8.8%、12.2%,而超過(guò)1 m后平均降幅又為17.2%、6.5%、9.8%。

        (4)綜合應(yīng)力變化特征與應(yīng)力分布特征,厚度1 m時(shí)結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)更具安全可靠性,乃是最佳設(shè)計(jì)方案。

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