趙雯雯

（臨沂市水利局，山東 臨沂 276000）

水利工程中除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)通常根據(jù)已有工程監(jiān)測資料或設(shè)計(jì)資料，對工程運(yùn)營中出現(xiàn)的微觀數(shù)據(jù)開展分析，進(jìn)而為目標(biāo)加固工程的設(shè)計(jì)方案提供借鑒參考，此亦有利于工程設(shè)計(jì)優(yōu)化[1，2]。數(shù)值仿真計(jì)算可高效解決不同方案、不同參數(shù)的水工設(shè)計(jì)對比，利用包括ANSYS、ABAQUS、COMSOL 等在內(nèi)的仿真計(jì)算平臺(tái)[3，4]，對有限元模型開展不同設(shè)計(jì)方案的計(jì)算對比，探討設(shè)計(jì)參數(shù)變化對工程穩(wěn)定性影響，對提升水工結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)水平具有重要作用。本文根據(jù)蒙陰縣境內(nèi)小型水庫現(xiàn)狀，開展心墻堆筑吧加固設(shè)計(jì)分析，為工程設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

1 工程仿真

1.1 工程概況

本文以上峪水庫心墻設(shè)計(jì)為研究對象，開展計(jì)算優(yōu)化。上峪水庫庫容量為120 萬m3，初步設(shè)計(jì)壩高最大為35.30 m，采用粉質(zhì)壤土作為填筑料，分層壓實(shí)填筑，壩基處鋪設(shè)有厚度為0.45 m 的砂土墊層，運(yùn)營期監(jiān)測最大沉降不超過3 cm，最大滲透坡降為0.28，壩身采用混凝土網(wǎng)格結(jié)合植物護(hù)坡形式，采用弧形鋼閘門弧門寬度為1.8 m，液壓啟閉機(jī)啟閉，閘室底部高程為28.5 m，最大泄流量設(shè)計(jì)為1 050 m3/s，壩體下游設(shè)置有長度為55 km的輸水灌渠，渠首流量監(jiān)測為0.3～0.7 m3/s。在目前壩體運(yùn)營基礎(chǔ)上，對上峪水庫壩體設(shè)計(jì)為心墻填筑形式，以該水庫K1+150～K1+305 區(qū)段內(nèi)為計(jì)算分析對象，該區(qū)段內(nèi)心墻長度為3，2 m，曲率為6×10-4，設(shè)計(jì)心墻厚度為40 cm，該區(qū)段內(nèi)壩體高度為30.2～32.8 m，心墻壩高擬定為32～35 m，針對心墻壩高設(shè)計(jì)參數(shù)開展計(jì)算優(yōu)化分析。

1.2 仿真建模

為確保上峪水庫心墻填筑壩設(shè)計(jì)合理性，利用CAD 建模軟件獲得水庫心墻壩幾何模型，簡化壩身非關(guān)鍵部位。該模型包括上、下游壩坡，坡度分別為1/2、1/3，設(shè)有防浪墻結(jié)構(gòu)，厚度為60 cm，所建立的計(jì)算模型經(jīng)ABAQUS 仿真平臺(tái)劃分微單元25 362 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)19 562 個(gè)，其中心墻體劃分網(wǎng)格時(shí)重點(diǎn)加密，壩體各部位物理力學(xué)參數(shù)均以實(shí)際巖土體實(shí)測值帶入計(jì)算，如壩體覆蓋料以混凝土力學(xué)參數(shù)作為計(jì)算參考，確保模型計(jì)算精度。另根據(jù)計(jì)算模型所在工程場地，確定X、Y、Z 正向分別為壩體右岸、順?biāo)飨掠渭皦误w垂直向上。

本文針對心墻壩高設(shè)計(jì)參數(shù)開展優(yōu)化分析，以壩體竣工期下靜力荷載工況下開展計(jì)算，該工況下模型邊界包括有靜水壓力、壩體自重以及揚(yáng)壓力等；在計(jì)算模型底部設(shè)置為多向約束條件，頂部為單向移動(dòng)約束條件，設(shè)定上游水位為32 m。本文計(jì)算采用瞬態(tài)法計(jì)算壩體靜力場特征參數(shù)，包括有設(shè)計(jì)參數(shù)影響下的壩體變形、應(yīng)力特征，根據(jù)心墻壩高設(shè)計(jì)范圍，設(shè)定心墻壩高參數(shù)有6種方案，分別為32.5（1#方案）、33（2#方案）、33.5（3#方案）、34（4#方案）、34.5（5#方案）、35（6#方案），各設(shè)計(jì)方案中心墻曲率、心墻厚度以及長度等設(shè)計(jì)參數(shù)均保持一致，僅改變心墻壩高設(shè)計(jì)參數(shù)，分析心墻壩高參數(shù)影響下的壩體靜力場特征，獨(dú)立心墻體典型設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

2 心墻壩高對壩體位移影響

根據(jù)各設(shè)計(jì)方案計(jì)算獲得心墻壩高影響下壩體各向最大位移變化特征，如圖2 所示：壩體各向位移中以Z 向?yàn)樽畲螅琗 向最低，在3#設(shè)計(jì)方案中X 向最大位移為0.605 m，而Y、Z 向位移值較之前者分別增大了1.1 倍、3.1 倍，各設(shè)計(jì)方案中Z 向、X 向位移間差異幅度分布為2.25～4倍，表明心墻堆筑壩中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注壩體沉降位移值變化，其對壩體安全性影響較為關(guān)鍵。

圖2 壩體各向最大位移變化特征

分析壩體位移受心墻壩高影響變化可知，3個(gè)方向最大位移隨心墻壩高均為先減后增變化，位移最低值均指向壩高34 m 設(shè)計(jì)方案，心墻壩高32.5 m 時(shí)X 向上最大位移為0.825 m，而壩高為33.5 m、34 m 時(shí)X 向最大位移較之前者分別減少了26.7%、43.5%，與之同時(shí)壩高34.5 m、35 m 相比壩高34 m 時(shí)又分別增大了13.3%、30.5%，表明以壩高34 m 為節(jié)點(diǎn)，X 向位移變化呈階段區(qū)間變化，此現(xiàn)象在Y、Z 向均是如此，壩高34 m 時(shí)Y 向位移相比壩高32.5 m、33.5 m 分別減小了30.2%、11.7%，而壩高34.5 m、35 m 位移相比34 m時(shí)分別增大了15.9%、30.8%。在壩高32.5～34 m 區(qū)間內(nèi)，壩高增大0.5 m 時(shí)，壩體X 向最大位移較之減少17.2%，而Y、Z 向位移的減少幅度分別為11.3%、4.5%，即該區(qū)間內(nèi)增大心墻體壩高，堆筑壩整體位移有降低態(tài)勢，可抑制壩體發(fā)生滑移趨勢；在壩高34～35 m 區(qū)間內(nèi)，壩高0.5 m 的增長，平均可導(dǎo)致X、Y、Z 向位移分別增大14.2%、14.4%、6.5%，即該區(qū)間內(nèi)壩高愈大，其穩(wěn)定性愈弱。分析認(rèn)為，壩體各向位移隨心墻壩高變化具有最低節(jié)點(diǎn)，此與壩體結(jié)構(gòu)材料所能承受最大荷載有關(guān)，當(dāng)壩高處于一定節(jié)點(diǎn)區(qū)間內(nèi)時(shí)，壩體各部分材料均處于完全負(fù)荷狀態(tài)，水工結(jié)構(gòu)安全性較佳，但壩高過大時(shí)，此時(shí)水利結(jié)構(gòu)超過受荷極限，壩體出現(xiàn)較大變形，不利于工程安全運(yùn)營[5，6]。從壩體位移安全性考慮，在心墻壩高34 m 時(shí)堆筑壩位移狀態(tài)最好，最有利于大壩穩(wěn)定運(yùn)行。

3 心墻壩高對壩體應(yīng)力影響

根據(jù)對心墻壩高影響下應(yīng)力計(jì)算，獲得壩體拉、壓應(yīng)力隨心墻壩高變化關(guān)系，圖3 為壩體拉應(yīng)力變化特征。從圖中壩體各向拉應(yīng)力變化可知，X、Z 向最大拉應(yīng)力隨心墻壩高參數(shù)均為先減后增變化，拉應(yīng)力最低均指向壩高34 m 時(shí)，心墻壩高34 m 下X 向最大拉應(yīng)力相比壩高32.5 m、33.5 m 時(shí)分別減少了98.4%、96%，而之后壩高34.5 m、35 m 下最大拉應(yīng)力相比壩高34 m 下分別增大了22 倍、29.4 倍，在壩高32.5～34 m 區(qū)間內(nèi)，X、Z 向拉應(yīng)力均為遞減，平均各方案間最大拉應(yīng)力降低幅度分別為35.8%、15.1%，而在壩高34～35 m 區(qū)間內(nèi)，此兩向上拉應(yīng)力變化態(tài)勢為遞增，平均增幅為32.8%、121.8%，而為確保結(jié)構(gòu)應(yīng)力安全性，應(yīng)控制壩體拉應(yīng)力處于兩階段變化節(jié)點(diǎn)處。

圖3 壩體拉應(yīng)力變化特征

從整體應(yīng)力安全性考慮，在X、Z 向上拉應(yīng)力均低于1 MPa 的僅為4#、5#方案，故選擇壩高34 m 時(shí)相比之安全性較佳。Y 向拉應(yīng)力隨心墻壩高持續(xù)為遞減，但遞減幅度在心墻壩高34 m 處發(fā)生顯著變化，超過34 m 后，Y 向最大拉應(yīng)力降幅處于“飽滿”狀態(tài)，后兩方案最大拉應(yīng)力幾乎無顯著降低，最大降幅僅為3.8%，而在心墻壩高32.5～34 m 區(qū)間內(nèi)，平均降幅可達(dá)37.9%，故從工程成本與安全性考慮，在心墻壩高34 m 時(shí)Y 向拉應(yīng)力已處于較佳狀態(tài)。根據(jù)拉應(yīng)力變化可知，確定心墻壩高34 m 為最優(yōu)方案更有利。

與之同時(shí)，獲得壩體各向壓應(yīng)力隨心墻壩高變化特征，如圖4 所示：壩體各向壓應(yīng)力以Z 向?yàn)樽畲螅琗 向最低，在5#方案中，Z 向最大壓應(yīng)力為4.856 MPa，而X、Y 向最大壓應(yīng)力相比前者分別降低了46%、38.5%，表明預(yù)壓效果最顯著的為Z 向，此與壩體Z 向所受荷載最大有關(guān)。分析壩體各向壓應(yīng)力隨心墻壩高參數(shù)變化可知，兩者曲線呈“倒V”型特征，其中壓應(yīng)力最大方案均為壩高34 m，該方案下壩體預(yù)壓效果顯著，壓應(yīng)力分布量值亦滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。在心墻壩高32.5～34 m 區(qū)間內(nèi)，三向壓應(yīng)力均為遞增，心墻壩高每增長0.5 m，平均可提升X、Y、Z 向壓應(yīng)力30.1%、32.2%、27.7%，而在心墻壩高34～35 m 區(qū)間內(nèi)，三向壓應(yīng)力平均降幅為22.9%、24.1%、27.1%。分析認(rèn)為，控制心墻壩高在合適節(jié)點(diǎn)，有利于提升壩體預(yù)壓效果，降低壩體傾覆失穩(wěn)性，因而當(dāng)壩高為34 m 時(shí)乃是有利于壩體抗傾覆，設(shè)計(jì)方案較優(yōu)。

圖4 壩體壓應(yīng)力變化特征

4 結(jié)語

1）壩體Z 向位移為最大，X 向最低；隨心墻壩高增大，各向位移均為先減后增變化，位移最小值為壩高34 m 方案，壩高32.5～34 m 區(qū)間內(nèi)，X、Y、Z 向位移平均降幅分別為17.2%、11.3%、4.5%，而壩高34～35 m 內(nèi)各向位移平均增幅又為14.2%、14.4%、6.5%。

2）X、Z 向最大拉應(yīng)力隨心墻壩高參數(shù)均為先減后增變化，但Y 向拉應(yīng)力隨之為遞減，在心墻壩高34 m 后降幅較小，X、Z 向拉應(yīng)力在該節(jié)點(diǎn)處于最低；各向壓應(yīng)力隨心墻壩高為先增后減變化，最大值為壩高34 m 方案。

3）研究了心墻壩高34 m 方案位移、應(yīng)力分布特征，位移由壩底至壩頂為先增后減變化，應(yīng)力由壩底至壩頂為遞減分布，壩體靜力場分布均處于最優(yōu)狀態(tài)。

4）綜合位移、應(yīng)力變化與分布特征，認(rèn)為心墻壩高34 m 為最佳設(shè)計(jì)方案。