唐 楊，田俊國(guó)，唐衛(wèi)國(guó)，林錦霞，王國(guó)煒

(1.五峰土家族自治縣農(nóng)村公路管理所，湖北 宜昌 443413；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司五峰縣供電公司，湖北 宜昌 443413；3.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；4.山東金衢設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

溢流壩作為重要的水工建筑物，多年運(yùn)行后，可能出現(xiàn)露沙露石、沖刷坑槽、裂縫、滲水、混凝土剝落、露筋等病害，須對(duì)其進(jìn)行加固改造[1-3]。在溢流壩前設(shè)置擋水墻及上鋪柵欄形成一道引水渠是加固改造的方法之一。目前，擋水墻的設(shè)計(jì)研究已在煤炭工程和水利工程中得到廣泛應(yīng)用[4-7]，但砌體結(jié)構(gòu)擋水墻在水利工程中鮮見(jiàn)。為選擇合適的溢流壩擋水墻加固形式，本研究以湖北省五峰縣境內(nèi)龍洞電站溢流壩加固改造項(xiàng)目為工程背景，根據(jù)建設(shè)單位提出的砌體和混凝土兩種擋水墻結(jié)構(gòu)形式，分別建立仿真模型，對(duì)比分析其結(jié)構(gòu)受力情況，確定最適宜的擋水墻設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式。

1 工程概況

湖北省五峰縣龍洞電站的引水渠靠山建造，主要依靠引水渠源頭安裝的閘門(mén)引水，洪水期間，大量河沙、枯枝、生活垃圾通過(guò)閘門(mén)進(jìn)入引水渠，易造成沉沙池河沙淤積，嚴(yán)重縮小了引水渠的過(guò)水?dāng)嗝妫扛魯?shù)年都需要人工除沙，從而增加了水電站的運(yùn)行成本。同時(shí)，渠道中的垃圾、枯枝需要依靠設(shè)置柵欄進(jìn)行阻攔，然后進(jìn)行人工清除，洪水期間，為了保證水電站的高效運(yùn)行，除渣工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度極大。故需對(duì)其進(jìn)行加固改造。

其具體的加固改造思路為：在原溢流壩前平行設(shè)置10 m長(zhǎng)的U形槽，上鋪柵欄做成柵欄壩，柵欄壩寬1.0 m；擋水墻在擋土墻側(cè)的深度為0.6 m，沉沙池側(cè)的深度為1.6 m；U形槽的深度從擋土墻側(cè)到沉沙池側(cè)線性增加。為節(jié)省資金，以原溢流壩作為U形槽的背水面，只在原溢流壩前施工底部墊層和迎水面擋水墻。改造后，河水將通過(guò)柵欄進(jìn)入渠道，然后連接節(jié)制閘側(cè)的沉沙池，以避免洪水期間大量雜物進(jìn)入引水渠。溢流壩改造設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 溢流壩改造設(shè)計(jì)圖(單位：m)Fig.1 Reconstruction design of the overflow dam in meter (unit:m)

建設(shè)單位提出兩種擋水墻結(jié)構(gòu)形式：一是砌體擋水墻，墻厚為一皮磚的長(zhǎng)邊長(zhǎng)240 mm；二是混凝土擋水墻，墻厚300 mm。

2 有限元建模

2.1 砌體擋水墻建模

砌體擋水墻的有限元建模，通常采用分離式模型和整體式模型。分離式模型對(duì)磚、砂漿分別進(jìn)行建模，并分別賦予材料特性、劃分網(wǎng)格，此模型考慮了磚與砂漿之間的滑移，可真實(shí)模擬結(jié)構(gòu)受力，但建模過(guò)程繁瑣，計(jì)算量大，對(duì)計(jì)算機(jī)的要求較高；整體式模型將砂漿彌散于整個(gè)單元中，不考慮磚與砂漿間的相互作用，把砌體看作均勻的連續(xù)性介質(zhì)材料，其計(jì)算速度快，容易收斂，但未能考慮磚與砂漿之間的滑移，計(jì)算結(jié)果精確度不如分離式模型[8-9]。

由于本次擋水墻的計(jì)算注重結(jié)構(gòu)的宏觀反映，同時(shí)，考慮到分離式模型的計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，且計(jì)算中僅僅考慮結(jié)構(gòu)彈性階段的受力，不考慮磚與砂漿之間的滑移和產(chǎn)生的破壞，故而選用較為簡(jiǎn)單的整體式模型。先利用Midas FEA建立擋水墻的幾何模型，然后選用六面體為主的自動(dòng)實(shí)體網(wǎng)格劃分擋水墻實(shí)體，網(wǎng)格共計(jì)6 881個(gè)。其有限元模型具體如圖2所示。

圖2 擋水墻有限元模型Fig.2 Retaining wall finite element model

荷載考慮結(jié)構(gòu)自重和擋水墻后的土壓力和水壓力。自重荷載因子設(shè)置為Z=-1；壓力零點(diǎn)設(shè)置在擋水墻的頂面，壓力施加于擋水墻的迎水面，擋水墻的背水面不考慮水壓力的作用；擋水墻后的土壓力采用朗肯土壓力理論中的主動(dòng)土壓力計(jì)算；土的容重考慮為浮重度，水壓力簡(jiǎn)化考慮為靜水壓力，擋水墻后的總壓力為水壓力和土壓力之和。土的浮重度為γ土=7 kN·m-3，水的容重為γ水=10 kN·m-3，土的內(nèi)摩擦角φ為0°，z為距離擋水墻頂面的距離，σ土為土應(yīng)力，σ水為水應(yīng)力，土產(chǎn)生的壓力按照式(1)計(jì)算，水產(chǎn)生的壓力按照式(2)計(jì)算。計(jì)算中忽略原溢流壩的變形和擋水墻底部位移，將擋水墻的兩端和底部簡(jiǎn)化為固結(jié)處理。

σ土=γ土ztan2(45°-φ/2),

(1)

σ水=γ水×z。

(2)

燒結(jié)普通磚強(qiáng)度等級(jí)為MU10，砂漿強(qiáng)度等級(jí)為M7.5，燒結(jié)普通磚砌體容重設(shè)置為21 kN·m-3，根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50003—2011)[10]得到燒結(jié)普通磚砌體的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=1.69 MPa。根據(jù)式(3)

E=1 600f，

(3)

計(jì)算得到燒結(jié)普通磚砌體的彈性模量E=2 704 MPa，泊松比設(shè)置為0.15。

根據(jù)文獻(xiàn)[10]中砌體受彎破壞時(shí)的彎曲抗拉強(qiáng)度平均值計(jì)算公式

(4)

可得砌體擋水墻彎曲抗拉強(qiáng)度平均值為0.34 MPa。式(4)中：ftm為砌體的彎曲抗拉強(qiáng)度平均值；fc為砂漿的抗壓強(qiáng)度平均值；k為與砌體類(lèi)別有關(guān)的參數(shù)，燒結(jié)普通磚砌體沿齒縫截面破壞時(shí)k=0.250，沿通縫截面破壞時(shí)k=0.125，在此將k值考慮為0.125。

2.2 混凝土擋水墻建模

混凝土擋水墻建模即整體式建模。將擋水墻厚度改為300 mm；材料特性修改為C30混凝土的材料特性：容重為25 kN·m-3，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.2，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為13.8 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.39 MPa；其荷載、邊界條件設(shè)置與砌體擋水墻相同。

3 擋水墻受力分析

3.1 砌體擋水墻受力分析

砌體擋水墻的結(jié)構(gòu)受力情況具體如圖3所示。

圖3 砌體擋水墻結(jié)構(gòu)受力Fig.3 Stress of the masonry retaining wall structure

由圖3(a)和圖3(b)可以看出，砌體擋水墻的最大應(yīng)力出現(xiàn)在沉沙池側(cè)柵欄壩端部擋水墻的底部。其中，迎水面有最大拉應(yīng)力，背水面有最大壓應(yīng)力；最大主應(yīng)力主要來(lái)源于豎向正應(yīng)力，豎向拉應(yīng)力最大值為0.68 MPa，主拉應(yīng)力最大值為0.70 MPa。由圖3(c)可以看出，砌體擋水墻在迎水面壓力的作用下向背水面的水平位移為0.90 mm，水平位移最大值出現(xiàn)在沉沙池側(cè)柵欄壩端部擋水墻的頂部附近。

可見(jiàn)，砌體擋水墻在受彎的情況下，最大豎向拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到0.68 MPa，即砌體擋水墻彎曲抗拉強(qiáng)度平均值的2倍，擋水墻采用砌體結(jié)構(gòu)顯然無(wú)法抵擋迎水面一側(cè)的水壓力和土壓力作用。

3.2 混凝土擋水墻受力分析

計(jì)算所得混凝土擋水墻的結(jié)構(gòu)受力情況具體如圖4所示。

圖4 混凝土擋水墻結(jié)構(gòu)受力Fig.4 Stress of the concrete retaining wall structure

由圖4(a)和圖4(b)可以看出，混凝土擋水墻的最大應(yīng)力同樣出現(xiàn)在沉沙池側(cè)柵欄壩端部擋水墻的底部，迎水面有最大拉應(yīng)力，背水面有最大壓應(yīng)力，最大主應(yīng)力主要來(lái)源于豎向正應(yīng)力，豎向拉應(yīng)力最大值為0.47 MPa，主拉應(yīng)力最大值為0.48 MPa。由圖4(c)可以看出，混凝土擋水墻在迎水面壓力的作用下向背水面的水平位移為0.05 mm，水平位移最大值同樣出現(xiàn)在沉沙池側(cè)柵欄壩端部擋水墻的頂部附近。

可見(jiàn)，混凝土擋水墻的最大主拉應(yīng)力為0.48 MPa，而C30混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.39 MPa，混凝土擋水墻尚有足夠的拉應(yīng)力儲(chǔ)備。對(duì)比砌體擋水墻和混凝土擋水墻的結(jié)構(gòu)受力發(fā)現(xiàn)，采用混凝土擋水墻，結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移均有所降低，這是由于混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度比砌體結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度更高。因此，擋水墻采用混凝土結(jié)構(gòu)才能有足夠的安全儲(chǔ)備。

經(jīng)過(guò)相關(guān)單位反復(fù)論證，最后決定采用混凝土擋水墻。經(jīng)過(guò)近兩年時(shí)間的運(yùn)營(yíng)發(fā)現(xiàn)，混凝土結(jié)構(gòu)能夠抵御迎水面的水流沖擊，結(jié)構(gòu)受力正常，尚無(wú)較明顯的結(jié)構(gòu)位移；河水能夠正常流入渠道，柵欄起到了阻攔雜物的作用，減緩了渠道淤塞進(jìn)程，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看降低了水流量的損失。

4 結(jié)論

本文以湖北省五峰縣境內(nèi)龍洞電站溢流壩改造項(xiàng)目為工程背景，采用Midas FEA建立三維有限元模型，對(duì)比分析了砌體擋水墻和混凝土擋水墻的受力狀態(tài)，得到以下結(jié)論：

1)砌體擋水墻和混凝土擋水墻的最大拉應(yīng)力和最大位移出現(xiàn)在相同位置，其中最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在沉沙池側(cè)柵欄壩端部擋水墻的底部，最大位移出現(xiàn)在沉沙池側(cè)柵欄壩端部擋水墻的頂部。

2)混凝土擋水墻的應(yīng)力和變形比砌體擋水墻的小。

3)根據(jù)相關(guān)規(guī)范，砌體擋水墻不滿足結(jié)構(gòu)受力的要求，混凝土擋水墻滿足結(jié)構(gòu)受力的要求，尚有一定的安全儲(chǔ)備，故采用混凝土擋水墻。

4)由于擋水墻主要承受豎向拉應(yīng)力的作用，建議實(shí)際施工過(guò)程中，在混凝土擋水墻的迎水面布置鋼筋網(wǎng)，同時(shí)根據(jù)地質(zhì)條件將擋水墻埋置1～2 m深度。另外，可以因地制宜地就地取材，將河床的大石塊漿砌在擋水墻前面，減小水流對(duì)擋水墻的沖擊，以進(jìn)一步提高擋水墻的安全儲(chǔ)備。

近兩年的運(yùn)營(yíng)情況表明，加固改造后的溢流壩產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益較為明顯。