林澤輝

（惠州市惠陽區(qū)永良堤圍管理所，廣東 惠州 516007）

水工結(jié)構(gòu)體系中如何增強(qiáng)抗拉特性、抗傾覆能力及抗滑移性能［1，2］，乃是水工設(shè)計(jì)持續(xù)優(yōu)化探討的重要問題。研究水工設(shè)計(jì)優(yōu)化方案對(duì)推動(dòng)水工設(shè)計(jì)、水利設(shè)施運(yùn)營(yíng)水平等均具有重要作用。鐘砥寧等［3］、邱海娟等［4］認(rèn)為模型試驗(yàn)?zāi)耸且环N接近工程實(shí)際的試驗(yàn)方法，通過在室內(nèi)建立工程原型，并配備以原模材料，研究在不同設(shè)計(jì)方案下結(jié)構(gòu)的滲流特征與靜、動(dòng)力學(xué)特性，從而評(píng)價(jià)方案的利弊性。水工模型試驗(yàn)耗時(shí)周期較長(zhǎng)，且試驗(yàn)成本較高，不利于工程效率化設(shè)計(jì)。因而，邢磊磊［5］、沈志平［6］等采用數(shù)值仿真的試驗(yàn)手段，通過建立不同的設(shè)計(jì)方案模型，開展同一仿真試驗(yàn)計(jì)算，進(jìn)而分析不同參數(shù)或方案下靜力與動(dòng)力學(xué)特征差異，最終評(píng)價(jià)最佳設(shè)計(jì)方案。本文基于永良堤圍淡塘水閘實(shí)際工程現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)墩體預(yù)應(yīng)力錨索加固方案，研究墩體與墊塊接觸面截面體型長(zhǎng)度參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，為工程實(shí)際設(shè)計(jì)提供參考與依據(jù)。

1 仿真試驗(yàn)概況

1.1 工程概況

永良堤圍乃是惠陽區(qū)重要堤防工程，承擔(dān)著地區(qū)防洪排澇、水資源調(diào)度等重要水利功能，其堤內(nèi)圍護(hù)農(nóng)田超過300hm2，而所建設(shè)的水利設(shè)施可灌溉農(nóng)田超過6000hm2。該堤圍分為南、北兩側(cè)，全長(zhǎng)超過24km，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，堤頂最高處為25.5m，最大落差不超過2.5m。

當(dāng)前，永良堤圍內(nèi)有6座排澇站及24臺(tái)抽水泵站，而中小型水閘共有8座，其中以淡塘水閘為最大泄流量控制樞紐，堤圍內(nèi)水利調(diào)度的可靠性很大程度上取決于淡塘水閘。該水閘原設(shè)計(jì)泄流量為125m3/s，但由于閘室底板支撐結(jié)構(gòu)體系受限，無法按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，另閘頂高程為22.5m，采用平面鋼閘門為通行水流控制樞紐，直徑為1.8m，其開度亦受支撐體系影響，僅能在0.4~1.2m間調(diào)整。淡塘水閘運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀雖較安全，但其開度、泄流設(shè)計(jì)參數(shù)等均無法有效發(fā)揮作用，而永良堤圍其他水利設(shè)施也有類似問題。因而，工程管理部門考慮以永良堤圍內(nèi)淡塘水閘為典型對(duì)象，設(shè)計(jì)開展支撐結(jié)構(gòu)體系加固提升，從而為其他工程的改、擴(kuò)建及加固提供范本。

1.2 仿真試驗(yàn)介紹

根據(jù)永良堤圍淡塘水閘支撐結(jié)構(gòu)體系加固問題，對(duì)閘室支撐體系采用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)閘墩的方案，搭配有主、次錨索為加固體系，其平面位置如圖1。方案中主錨索根數(shù)為16根；次錨索采用雙層式錨筋布置，層間距為10mm。錨索與閘墩的接觸面設(shè)置有方形墊塊，厚度為0.2m，尺寸為0.6×0.6m，預(yù)估張拉預(yù)應(yīng)力損失量為10%，閘墩上錨固洞截面體型為圓弧，有效適配錨索與閘墩間連接整體性。

圖1 錨索加固方案平面設(shè)計(jì)圖

根據(jù)永良堤圍淡塘水閘錨索設(shè)計(jì)方案，各參數(shù)基本敲定最優(yōu)化，但仍存在墩體與錨索墊塊間接觸面體型設(shè)計(jì)參數(shù)不明確問題。為此，本文針對(duì)墩體與墊塊接觸面體型展開設(shè)計(jì)優(yōu)化分析，接觸面體型如圖2，墊塊邊長(zhǎng)應(yīng)與接觸面短邊長(zhǎng)度一致，故墩體與墊塊接觸面寬度統(tǒng)一設(shè)定為0.6m，接觸面體型設(shè)計(jì)研究方案實(shí)質(zhì)上轉(zhuǎn)化為接觸面長(zhǎng)度參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化問題。

圖2 接觸面截面體型

利用COMSOL有限元仿真平臺(tái)建立淡塘水閘計(jì)算模型［6］，如圖3，該模型包括有墩體與墊塊接觸面，由于錨索設(shè)計(jì)方案已固定，故簡(jiǎn)化了預(yù)應(yīng)力錨索的計(jì)算模型。經(jīng)網(wǎng)格劃分共劃分四邊形微單元86528個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)67628個(gè)，其中閘室結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，故按照實(shí)際彈塑性本構(gòu)方程建立力學(xué)變形模型，其他尺寸參數(shù)以實(shí)際墩體、閘門設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定。淡塘水閘計(jì)算模型的外荷載包括有結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力等，均施加在模型上，而在模型頂部設(shè)置為水平向約束度條件，閘室底部為零自由度邊界，兩側(cè)均為法向約束條件。為分析方便，本文計(jì)算模型中設(shè)定X、Y、Z正向分別為順?biāo)飨掠?、閘室右岸向及豎直向上?；谟懒嫉虈了l基本現(xiàn)狀與地質(zhì)條件，對(duì)接觸面上不同體型長(zhǎng)度設(shè)計(jì)參數(shù)方案對(duì)比仿真試驗(yàn)分析，進(jìn)而確定最佳方案。

圖3 淡塘水閘整體模型

2 加固結(jié)構(gòu)體型影響應(yīng)力特征

為研究永良堤圍淡塘水閘墩體與墊塊接觸面截面體型最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)定截面體型長(zhǎng)度參數(shù)分別為0.6，0.9，1.2，1.5，1.8，2.1m，其他設(shè)計(jì)參數(shù)保持一致進(jìn)行仿真計(jì)算，重點(diǎn)針對(duì)水閘結(jié)構(gòu)體系中閘頂、墩體迎水側(cè)與背水側(cè)3個(gè)特征部位進(jìn)行分析，進(jìn)而評(píng)價(jià)方案利弊性，各特征部位上所在位置如圖4。

圖4 特征部位示意圖

2.1 拉應(yīng)力特征

基于前述設(shè)計(jì)方案的仿真試驗(yàn)計(jì)算，獲得淡塘水閘加固后特征部位最大拉應(yīng)力與截面體型長(zhǎng)度參數(shù)關(guān)系，如圖5。從圖中可知，在水閘3個(gè)特征部位中，墩體迎水側(cè)拉應(yīng)力最大，在截面長(zhǎng)度0.6m時(shí)迎水側(cè)最大拉應(yīng)力為4.95MPa，而相同長(zhǎng)度設(shè)計(jì)方案下墩體背水側(cè)、閘頂部位最大拉應(yīng)力較前者分別減少了32%，87.5%；從整體各設(shè)計(jì)方案對(duì)比可知，墩體迎水側(cè)最大拉應(yīng)力分布為1.42~4.95MPa，而背水側(cè)、閘頂上最大拉應(yīng)力較前者分別具有差幅27.9%~46.4%、53.2%~87.5%；分析表明控制淡塘水閘張拉應(yīng)力的關(guān)鍵乃是迎水側(cè)，應(yīng)重點(diǎn)在該部位加密布筋，增強(qiáng)其剛度［7］。

圖5 特征部位最大拉應(yīng)力與截面長(zhǎng)度參數(shù)關(guān)系

當(dāng)截面體型長(zhǎng)度參數(shù)遞增時(shí)，墩體迎、背水側(cè)最大拉應(yīng)力隨之均為先減后增變化關(guān)系，以長(zhǎng)度參數(shù)1.5m時(shí)拉應(yīng)力為各方案中最低，墩體背水側(cè)在長(zhǎng)度參數(shù)0.6m方案時(shí)最大拉應(yīng)力為3.37MPa，而長(zhǎng)度1.2，1.5m較前者分別減少了56.4%，74.2%，但長(zhǎng)度1.8，2.1m時(shí)最大拉應(yīng)力較長(zhǎng)度1.5m時(shí)又分別增長(zhǎng)了44.1%，2.12倍，即截面體型長(zhǎng)度參數(shù)對(duì)墩體兩側(cè)拉應(yīng)力具有抑制與促進(jìn)區(qū)間關(guān)系。當(dāng)截面長(zhǎng)度為0.6~1.5m時(shí)，長(zhǎng)度平均每增大0.3m，墩體迎、背水側(cè)上最大拉應(yīng)力隨之平均降低33.8%，36.3%；而長(zhǎng)度參數(shù)超過1.5m后，在長(zhǎng)度1.5~2.1m區(qū)間內(nèi)，墩體迎、背水側(cè)上最大拉應(yīng)力呈遞增態(tài)勢(shì)，平均增幅可達(dá)62.5%，80.2%；從結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)角度考慮，應(yīng)盡量使長(zhǎng)度參數(shù)位于拉應(yīng)力抑制區(qū)間。與前兩特征部位不同的是，閘頂上最大拉應(yīng)力在各設(shè)計(jì)方案中均保持較小幅變化，最大變幅僅為10.8%，屬長(zhǎng)度0.6m與0.9m方案，各設(shè)計(jì)方案中閘頂最大拉應(yīng)力分布在0.62~0.69MPa，對(duì)比結(jié)構(gòu)材料安全允許值，閘頂上張拉“威脅”遠(yuǎn)小于墩體兩側(cè)。綜合認(rèn)為，從拉應(yīng)力角度選擇截面體型長(zhǎng)度參數(shù)，基本考慮墩體迎、背水側(cè)影響即可，而從本文仿真試驗(yàn)對(duì)比計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)長(zhǎng)度1.5m時(shí)此兩特征部位均處于最低，且滿足位于抑制區(qū)間特性，故確定該方案乃是有利于拉應(yīng)力特征。

2.2 壓應(yīng)力特征

同理，可獲得仿真試驗(yàn)結(jié)果中各設(shè)計(jì)方案下水閘3個(gè)特征部位上最大壓應(yīng)力變化特征，如圖6。從圖中可知，與拉應(yīng)力不同，水閘上壓應(yīng)力最大位于閘頂，相同設(shè)計(jì)方案0.9m時(shí)其最大壓應(yīng)力為10.49MPa，而墩體迎、背水側(cè)最大壓應(yīng)力較之分別減少17.8%，39.2%，整體上6個(gè)設(shè)計(jì)方案閘頂最大壓應(yīng)力分布為8.25~15.16MPa，而墩體迎、背水側(cè)上壓應(yīng)力較之具有差幅12.1%~24.7%、29.4%~56.3%，表明閘頂處預(yù)壓效果較好，閘體抗滑移性能較佳。3個(gè)特征部位最大壓應(yīng)力隨截面長(zhǎng)度參數(shù)均為遞增特性，但增長(zhǎng)幅度在寬度1.5m后有所減小；在截面長(zhǎng)度0.6m時(shí)墩體迎水側(cè)最大壓應(yīng)力為6.21MPa，而長(zhǎng)度1.2，1.5，2.1m較之分別遞增了81.3%，111.8%，114.7%。壓應(yīng)力的增長(zhǎng)區(qū)間主要集中在截面長(zhǎng)度0.6~1.5m，墩體迎水側(cè)最大壓應(yīng)力在該區(qū)間內(nèi)漲幅占6個(gè)設(shè)計(jì)方案中的97.7%，該區(qū)間內(nèi)長(zhǎng)度每增大0.3m，平均可促進(jìn)迎水側(cè)最大壓應(yīng)力增長(zhǎng)28.8%；而長(zhǎng)度超過1.5m后，迎水側(cè)壓應(yīng)力增長(zhǎng)趨緩，平均增幅僅0.6%。截面長(zhǎng)度對(duì)特征部位壓應(yīng)力影響的此種特性在墩體背水側(cè)與閘頂處亦是如此，兩部位在截面長(zhǎng)度0.6~1.5m區(qū)間內(nèi)，壓應(yīng)力分別平均增大45.4%，22.4%；而在長(zhǎng)度1.5~2.1m區(qū)間，最大增幅分別只有0.1%，0.2%。從結(jié)構(gòu)抗滑移效果考慮，當(dāng)壓應(yīng)力滿足結(jié)構(gòu)材料安全允許值，且處于較高水平時(shí)，有利于抵抗基礎(chǔ)滑移面，降低傾覆可能，而根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果考慮，當(dāng)然應(yīng)選擇截面長(zhǎng)度在1.5~2.1m區(qū)間參數(shù)，但綜合工程經(jīng)濟(jì)考慮，當(dāng)截面長(zhǎng)度參數(shù)1.5m時(shí)處于最適宜，故從壓應(yīng)力角度選擇長(zhǎng)度參數(shù)，也應(yīng)以體型長(zhǎng)度1.5m時(shí)為最優(yōu)。

圖6 特征部位最大壓應(yīng)力與截面長(zhǎng)度參數(shù)關(guān)系

3 加固結(jié)構(gòu)體型影響位移特征

3.1 位移變化特征

位移特征乃是衡量結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性的另一重要參數(shù)，本文以淡塘水閘特征部位的Y向最大負(fù)位移為例分析，獲得截面長(zhǎng)度參數(shù)與特征部位Y向負(fù)位移關(guān)系，如圖7。從圖中可知，3個(gè)部位中迎水側(cè)具有最大負(fù)向位移，而負(fù)向位移的產(chǎn)生根源主要來自結(jié)構(gòu)體系張拉應(yīng)力［8］，因而需重點(diǎn)關(guān)注墩體迎水側(cè)。隨長(zhǎng)度參數(shù)遞增，墩體迎、背水側(cè)最大負(fù)向位移均為遞減，此亦印證了截面體型長(zhǎng)度參數(shù)抑制結(jié)構(gòu)體系張拉應(yīng)力發(fā)展的特性。當(dāng)長(zhǎng)度為0.6m時(shí)墩體背水側(cè)最大負(fù)位移為9.9mm，而長(zhǎng)度0.9，1.5，2.1m方案時(shí)位移較前者分別降低了27.1%，77.1%，77.2%，以長(zhǎng)度參數(shù)1.5m前的方案負(fù)向位移減少最為顯著。在長(zhǎng)度0.6~1.5m區(qū)間內(nèi)，墩體迎、背水側(cè)Y向負(fù)位移平均降低33%，37%，長(zhǎng)度超過1.5m后位移降幅趨緩。閘頂處負(fù)向位移隨長(zhǎng)度參數(shù)變化不變，穩(wěn)定在2.6mm左右。從負(fù)向位移特征考慮，選擇長(zhǎng)度參數(shù)1.5m也是一個(gè)最優(yōu)方案。

圖7 特征部位負(fù)向位移與截面長(zhǎng)度參數(shù)關(guān)系

3.2 位移分布特征

基于淡塘水閘位移特征計(jì)算，可獲得各設(shè)計(jì)方案下閘體位移分布特征，圖8為典型設(shè)計(jì)方案下墩體迎水側(cè)位移分布特征。依照位移分布計(jì)算結(jié)果可看出，在接觸面截面體型長(zhǎng)度參數(shù)0.6m方案中，墩體迎水側(cè)正、負(fù)向位移均最高，達(dá)17.77mm與11.16mm，且負(fù)向位移分布區(qū)域面積是各方案中最大，最大正、負(fù)向位移所在位置基本類對(duì)稱；在長(zhǎng)度1.2m方案中，位移整體分布特征基本與前者一致，但最大正、負(fù)向位移分布面積減小，特別是長(zhǎng)度參數(shù)1.5m方案中，最大正、負(fù)向位移分布面積最小，結(jié)構(gòu)體系抗拉效果顯著，最大正、負(fù)向位移較方案0.6m是分別降低了65.4%，73.7%。綜合應(yīng)力、位移特征考慮，接觸面截面體型長(zhǎng)度1.5m乃是最適合淡塘水閘加固設(shè)計(jì)方案。

圖8 墩體迎水側(cè)Y向位移分布特征

4 結(jié)語

（1）水閘拉應(yīng)力最大位于墩體迎水側(cè)，而背水側(cè)、閘頂最大拉應(yīng)力與之差幅分別為27.9%~46.4%、53.2%~87.5%；墩體迎、背水側(cè)最大拉應(yīng)力隨截面長(zhǎng)度參數(shù)均為先減后增變化，長(zhǎng)度為0.6~1.5m時(shí)墩體迎、背水側(cè)上最大拉應(yīng)力平均降低33.8%，36.3%，而在長(zhǎng)度1.5~2.1m區(qū)間內(nèi)平均增幅分別為62.5%，80.2%，各設(shè)計(jì)方案中閘頂最大拉應(yīng)力分布在0.62~0.69MPa，較小輻波動(dòng)。

（2）水閘上壓應(yīng)力最大位于閘頂，特征部位最大壓應(yīng)力隨長(zhǎng)度參數(shù)均為遞增，但增幅在長(zhǎng)度1.5m后趨緩，在長(zhǎng)度0.6~1.5m區(qū)間墩體迎、背水側(cè)及閘頂最大壓應(yīng)力平均增幅可達(dá)28.8%，45.4%，22.4%。

（3）墩體迎水側(cè)具有最大負(fù)Y向位移，長(zhǎng)度0.6~1.5m區(qū)間內(nèi)，墩體迎、背水側(cè)Y向負(fù)位移平均降低33%，37%，超過1.5m后降幅趨緩，閘頂位移穩(wěn)定在2.6mm；截面長(zhǎng)度1.5m時(shí)墩體迎水側(cè)最大正、負(fù)向位移值均較低，且負(fù)向位移分布區(qū)域較少。

（4）綜合應(yīng)力、位移特征認(rèn)為，截面長(zhǎng)度參數(shù)1.5m時(shí)為最適宜設(shè)計(jì)方案。