摘要：為進(jìn)一步優(yōu)化遼陽(yáng)葠窩水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程擋水壩段錨索設(shè)計(jì)方案，通過(guò)使用Midas GTS NX軟件對(duì)該工程23號(hào)擋水壩段原壩體、壩體施工縫和縱縫、錨索及下游新澆筑壩面混凝土進(jìn)行組合建模，分析在正常、設(shè)計(jì)及校核水位下，施加預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)壩體內(nèi)應(yīng)力分布情況的影響。結(jié)果表明：錨索使上游壩面的壓應(yīng)力增大約10%，對(duì)下游面的應(yīng)力及壩體內(nèi)應(yīng)力改變幾乎沒(méi)有影響。研究成果有效解決了壩踵拉應(yīng)力問(wèn)題，對(duì)同類型工程具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)除險(xiǎn)加固； 擋水壩段； 錨索； Midas GTS NX

中圖法分類號(hào)：TV222 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.04.013 文章編號(hào)：1006-0081（2025）04-0066-05

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)50%以上大中型水庫(kù)、75%以上小型水庫(kù)建成于20世紀(jì)50～70年代，其中部分水庫(kù)在運(yùn)行多年后，可能存在病害問(wèn)題，需實(shí)施除險(xiǎn)加固［1-2］。葠窩水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程是遼寧省在“十三五”期間實(shí)施的大型工程，主要采用錨索解決擋水壩段除險(xiǎn)加固的拉應(yīng)力問(wèn)題，其中錨索設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)錨索設(shè)計(jì)主要借助力學(xué)理論計(jì)算分析［3-5］，理論計(jì)算復(fù)雜，設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣，效率較低，且設(shè)計(jì)成果難以充分考慮大壩整體及細(xì)微縫隙和應(yīng)力分布，具有一定局限性，設(shè)計(jì)成果不易于推廣。Midas GTS NX是一款針對(duì)巖土領(lǐng)域研發(fā)的通用有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于地鐵、隧道、邊坡、基坑、樁基、水工、礦山等各種實(shí)際工程［6-8］，但在錨索設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少。Midas GTS NX與其他有限元軟件相比，建模功能優(yōu)勢(shì)突出，錨索建模功能可根據(jù)工程數(shù)據(jù)生成器結(jié)合錨孔數(shù)據(jù)建立真實(shí)的壩體應(yīng)力模型和分析工況，與工程實(shí)際契合度高。本文通過(guò)葠窩水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程，研究Midas GTS NX在錨索設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，為解決除險(xiǎn)加固中的擋水壩段原壩體、壩體施工縫和縱縫、錨索及下游新澆筑壩面混凝土組合建模問(wèn)題提供新思路。

1 工程概況

葠窩水庫(kù)位于遼寧省遼陽(yáng)市以東約40 km處的太子河干流上，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、工業(yè)用水、發(fā)電的綜合利用大（2）型水利樞紐工程。水庫(kù)控制流域面積6 175 km2，原按照100 a一遇洪水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水位101.8 m，1 000 a一遇洪水校核，校核洪水位102.0 m，總庫(kù)容7.91億m3，汛限水位77.8 m，大壩為二級(jí)建筑物［9-12］。

葠窩水庫(kù)大壩為混凝土重力壩。根據(jù)大壩安全鑒定報(bào)告，擋水壩段壩踵出現(xiàn)拉應(yīng)力，鑒定結(jié)果為三類壩，須除險(xiǎn)加固。除險(xiǎn)加固方案如下：擋水壩段、溢流壩段、電站壩段仍保持原有布置和功能不變；擋水壩段在79 m高程以上（電站壩段80.5 m高程以上）采用瀝青混凝土面板進(jìn)行防滲，厚度為0.2 m，瀝青混凝土面板外掛預(yù)制混凝土掛板；上游壩面79 m高程至壩前淤泥以上范圍內(nèi)的縫寬大于0.5 mm的縫隙采用水下處理工藝處理；大壩下游面澆筑1.5 m厚混凝土壩面；溢流單孔寬度從原12 m 縮至10 m，溢流壩段上游79 m 高程以上加厚1 m，堰面加厚4.2～1.0 m［13］。

2 擋水壩段基本設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

現(xiàn)狀上游壩面79.00 m高程以上鋪設(shè)0.2 m厚瀝青混凝土防滲面板，79.00 m高程以下縫隙采用水下處理工藝，下游壩面新澆筑1.5 m厚混凝土壩面。23號(hào)壩段采用錨索加固，壩頂壩軸線0+002處布置6孔豎向預(yù)應(yīng)力錨索，錨索間距為3.0 m，設(shè)計(jì)拉力3 600 kN/束，超張拉力4 000 kN/束，加固斷面見(jiàn)圖1。

2.2 錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

錨索是目前應(yīng)用范圍較廣的一種支護(hù)載體，在所支護(hù)體系中起著雙向力的作用，錨固體系包括外錨頭、錨索及錨根3個(gè)部分［14-15］。

2.2.1 錨 索

預(yù)應(yīng)力錨索按照自由段鋼絞線與膠結(jié)材料之間能否相對(duì)滑動(dòng)，分為黏結(jié)型和無(wú)黏結(jié)型［16］。考慮本工程錨固力噸位較大，設(shè)計(jì)采用無(wú)黏結(jié)型預(yù)應(yīng)力錨索，即拉力分散型錨固段，進(jìn)行長(zhǎng)期數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，針對(duì)可能發(fā)生的拉力松弛情況，需及時(shí)補(bǔ)償張拉以保障工程安全運(yùn)行。

錨索采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線制作，由7根直徑為15.2 mm、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa的鋼絲構(gòu)成，鋼材強(qiáng)度利用系數(shù)為材料抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的60%，單根鋼絞線超張拉力156 kN。錨索內(nèi)錨固段采用一系列的束線環(huán)和隔離架使之成為波紋狀，注漿后形成棗核狀。錨索孔注漿材料采用M40水泥砂漿，注漿采用孔底注漿法，砂漿灌注必須飽滿密實(shí)。錨索自由段也采用M40水泥漿灌注。該工程為弱腐蝕環(huán)境，按C級(jí)進(jìn)行耐久性防護(hù)，采用無(wú)黏結(jié)鋼絞線并灌注水泥漿能夠滿足防護(hù)要求。

2.2.2 錨 根

錨根采用膠結(jié)式內(nèi)錨頭，在造孔完成后，將錨索送至孔底，再對(duì)內(nèi)錨固段灌注膠結(jié)材料，待膠結(jié)材料達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，即可施加張拉力。

根據(jù)SL/T 212-2020《水工預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范》，膠結(jié)式錨固段長(zhǎng)度按式（1）確定，并按式（2）復(fù)核：

式中：L1為錨固段長(zhǎng)度，mm；Pm為單根預(yù)應(yīng)力錨索超張拉力，一般為設(shè)計(jì)張拉力的110%，N；k為錨固段長(zhǎng)度的安全系數(shù)，依據(jù)SL/T 212-2020《水工預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范》表5.3.1-1為1.5；C為膠結(jié)材料與孔壁的黏結(jié)強(qiáng)度，MPa；C1為膠結(jié)材料與鋼絞線的握裹力，取2.0 MPa；D為錨索孔直徑，根據(jù)鋼絞線根數(shù)取240 mm；d為單股預(yù)應(yīng)力鋼絞線直徑，15.2 mm；n為預(yù)應(yīng)力鋼絞線股數(shù)。

根據(jù)地質(zhì)勘察成果可知，23號(hào)壩段壩基巖體多為強(qiáng)風(fēng)化，少部分為弱風(fēng)化，巖體破碎，局部較破碎，為Ⅳ類巖體，水泥砂漿與圍巖黏結(jié)強(qiáng)度按1.0 MPa計(jì)算，預(yù)應(yīng)力錨索布置見(jiàn)表1。

根據(jù)SL/T 212-2020《水工預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)規(guī)范》，當(dāng)設(shè)計(jì)張拉力大于2 000 kN，可選用拉力分散型錨索，以降低錨固段拉應(yīng)力峰值，減小應(yīng)力集中?？紤]施工方便，共分2段錨固，每個(gè)錨固段各13根鋼絞線，錨固段長(zhǎng)度計(jì)算見(jiàn)表2。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，總錨固長(zhǎng)度取10 m，2段錨固長(zhǎng)度分別取6 m及5 m，重疊范圍搭接1 m。相鄰錨孔的錨固端高程錯(cuò)開(kāi)5 m，拉力分散錨固段示意見(jiàn)圖2。

2.2.3 外錨頭

葠窩水庫(kù)擋水壩段壩頂寬度6 m，且有上、下游欄桿等結(jié)構(gòu)，雖然壩頂加高0.75 m，但設(shè)置混凝土墊墩將在施工期間會(huì)影響壩頂交通。因此本次設(shè)計(jì)考慮在外錨頭位置鑿除局部壩體深0.5 m，錨孔口設(shè)C40混凝土墊墩，厚0.5 m，平面尺寸0.6 m×0.6 m，配置3層14@100 mm加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)片，錨夾具埋設(shè)于混凝土墊墩內(nèi)。超張拉時(shí)，錨索孔未灌漿情況下，混凝土墊墩受壓面積0.59 m2，單根錨索超張拉力4 000 kN，墊墩底部壓強(qiáng)為7.5 MPa，小于大壩混凝土抗壓強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生局部受壓破壞。為便于后期維護(hù)和運(yùn)行期補(bǔ)償張拉，外錨頭采用金屬防護(hù)罩進(jìn)行保護(hù)，防護(hù)罩內(nèi)填塞黃油油脂，并定期進(jìn)行補(bǔ)充。

3 Midas GTS NX計(jì)算分析

通過(guò)三維有限元計(jì)算模擬23號(hào)壩段所采取的加固方案對(duì)大壩應(yīng)力的影響。該三維建模綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)檢查縫隙結(jié)果，主要考慮施工縫和縱縫，采用Midas GTS NX軟件建立23號(hào)擋水壩段含施工縫和縱縫的三維有限元模型。

3.1 計(jì)算范圍

23號(hào)壩段結(jié)構(gòu)有限元模型計(jì)算范圍：向上游截取2倍壩高，向下游截取2倍壩高，向基巖截取2倍壩高，23號(hào)壩段寬度為18 m。采用六面體八節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)縫隙情況，建立含主要施工縫和縱縫的有限元模型。錨索采用桁架單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為分析錨索作用對(duì)壩體施工縫和縱縫的影響，采用界面單元對(duì)施工縫和縱縫進(jìn)行模擬，并降低界面單元的混凝土彈性模量?，F(xiàn)狀23號(hào)壩段含縫大壩三維有限元模型見(jiàn)圖3，剖面網(wǎng)格劃分、界面單元模擬施工縫和縱縫、桁架單元模擬錨索分別見(jiàn)圖4～6。

根據(jù)調(diào)洪成果和工程實(shí)際運(yùn)行情況，得到復(fù)核計(jì)算工況：① 正常蓄水位96.60 m，下游無(wú)水；② 設(shè)計(jì)洪水位102.43 m，下游尾水位70.63 m；③ 校核洪水位102.66 m，下游尾水位74.12 m。

老壩體混凝土彈性模量取25.5 GPa，下游加厚1.5 m混凝土彈性模量取30.0 GPa，基巖變形模量ER=12.0 GPa；混凝土泊松比和基巖泊松比分別取0.167和0.30；在壩頂施加6根錨索，每根錨索拉力為3 600 kN。

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 壩踵及壩趾強(qiáng)度

根據(jù)三維有限元計(jì)算模擬3種水位下加固前后的最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，加固后壩踵和壩趾壓應(yīng)力顯著增加，大壩擋水能力有所提高。根據(jù)表3統(tǒng)計(jì)的有限元計(jì)算結(jié)果可知：在施加錨索后，壩踵壓應(yīng)力在3種水位下分別由1.3，1.0，1.0 MPa，增至1.4，1.1，1.1 MPa，壓應(yīng)力平均增幅9.2%；壩趾壓應(yīng)力在3種水位下仍保持1.7，2..1 MPa不變?；炷磷鳛閺椥詣傮w材料，在施加錨索后發(fā)生彈性形變，形變及應(yīng)力均在控制范圍內(nèi)（混凝土無(wú)破壞變形），使壩踵在豎直方向的垂直壓力增加，從而提高壩體與基面摩擦力，增加壩體的抗滑穩(wěn)定，達(dá)到了加固效果；主應(yīng)力在混凝土材料介質(zhì)中的傳遞角度在30°范圍內(nèi)，且在剛體之間主應(yīng)力傳遞方向集中，故對(duì)壩趾幾乎無(wú)影響。因此，施加錨索可以增加壩踵壓應(yīng)力，但對(duì)壩趾應(yīng)力影響較小。

3.2.2 施工縫強(qiáng)度

根據(jù)三維有限元計(jì)算模擬3種水位下加固前后最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，加固后上游和下游施工縫壓應(yīng)力顯著增加。由表4可知：在施加錨索后，上游壓應(yīng)力在3種水位下分別由0.380，0.317，0.314 MPa，增至0.600，0.588，0.585 MPa，壓應(yīng)力平均增幅76.6%；下游壓應(yīng)力在3種水位下變化不大?；炷磷鳛閺椥詣傮w材料，其在施加錨索后發(fā)生彈性形變，形變及應(yīng)力均在控制范圍內(nèi)（混凝土無(wú)破壞變形），使壩體在豎直方向垂直壓力增加；施工縫為水平向混凝土澆筑縫，在結(jié)構(gòu)力學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算中，視兩條水平施工縫之間為一個(gè)結(jié)構(gòu)體，在施加壓力后，各結(jié)構(gòu)體傳導(dǎo)壓應(yīng)力，提高了水平縫間的壓應(yīng)力；主應(yīng)力在混凝土材料介質(zhì)中傳遞角度在30°范圍內(nèi)，且在剛體之間主應(yīng)力傳遞方向集中，故對(duì)下游壩面幾乎無(wú)影響。因此，施加錨索可以增加靠近上游壩面施工縫上下壩體的連接，對(duì)下游壩面應(yīng)力影響較小。

3.2.3 縱縫強(qiáng)度

根據(jù)三維有限元計(jì)算模擬3種水位下加固前后的最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。加固后，下部壓應(yīng)力略有增加，上部應(yīng)力略有下降。由表5統(tǒng)計(jì)的有限元計(jì)算結(jié)果可知：在施加錨索后，下部壓應(yīng)力在3種水位下分別由0.621，0.718，0.718 MPa增至0.676，0.739，0.739 MPa，壓應(yīng)力平均增幅4.9%；上部壓應(yīng)力在3種水位下略有降低，但總體變化不大。施加錨索后，混凝土發(fā)生彈性形變，形變及應(yīng)力均在控制范圍內(nèi)（混凝土無(wú)破壞變形），使壩體在豎直方向垂直壓力增加；縱縫是在混凝土澆筑時(shí)，為減少溫度應(yīng)力影響、便于壩體施工而在豎直向設(shè)置的縫。豎縫縫面設(shè)置鍵槽，并埋設(shè)灌漿系統(tǒng)進(jìn)行灌漿。在施加壓力后，各結(jié)構(gòu)體傳導(dǎo)壓應(yīng)力，由于壓應(yīng)力方向?yàn)樨Q直向，縱縫已灌漿，與混凝土壩體組成剛性實(shí)體，發(fā)生彈性形變，形變及應(yīng)力均在控制范圍內(nèi)，應(yīng)力能良性傳導(dǎo)。因此，施加錨索對(duì)縱縫應(yīng)力影響較小。

3.2.4 廊道應(yīng)力

根據(jù)三維有限元計(jì)算模擬3種水位下加固前后最大主應(yīng)力。加固后，廊道頂部和底部壓應(yīng)力有所增加，灌漿廊道強(qiáng)度有所提高。由表6的有限元計(jì)算結(jié)果可知：在施加錨索后，頂部壓應(yīng)力在3種水位下分別由0.719，0.794，0.799 MPa增至0.732，0.796，0.801 MPa，壓應(yīng)力平均增幅0.7%；底部壓應(yīng)力在3種水位下略有增加，但總體變化不大。施加錨索后，混凝土發(fā)生彈性形變，形變及應(yīng)力均在控制范圍內(nèi)（混凝土無(wú)破壞變形），使壩體在豎直方向的垂直壓力增加；廊道是混凝土壩體內(nèi)的空間，斷面面積占比小，一般小于1%，對(duì)應(yīng)力分布調(diào)整幾乎無(wú)影響，且廊道頂部為拱形，在結(jié)構(gòu)受力時(shí)也能較好地分散主應(yīng)力。因此，施加錨索對(duì)廊道周圍應(yīng)力影響較小。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)Midas GTS NX軟件，對(duì)葠窩水庫(kù)原壩體、壩體施工縫和縱縫、錨索及下游新澆筑壩面混凝土進(jìn)行組合建模分析。結(jié)果表明：預(yù)應(yīng)力錨索的施加使上游壩面的壓應(yīng)力增大約10%，對(duì)下游面的應(yīng)力及壩體內(nèi)應(yīng)力改變幾乎沒(méi)有影響，施工縫和縱縫位置應(yīng)力變化較小。增加預(yù)應(yīng)力錨索可以在解決壩體抗滑穩(wěn)定及層間穩(wěn)定的同時(shí)，保證壩體應(yīng)力不受影響。此外，Midas GTS NX的應(yīng)用可以解決原有傳統(tǒng)錨索設(shè)計(jì)過(guò)程中計(jì)算復(fù)雜、細(xì)微縫隙應(yīng)力考慮不全面、分析效率低等問(wèn)題，有效規(guī)避了傳統(tǒng)力學(xué)理論計(jì)算分析中，直接將壩體作為整體計(jì)算而未考慮不同細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)缺陷，可生成直觀、可視化的全斷面應(yīng)力圖像與數(shù)值參考，為錨索設(shè)計(jì)提供更為充足的設(shè)計(jì)依據(jù)。研究成果可為其他錨索設(shè)計(jì)提供借鑒。

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（編輯：高小雲(yún)）

Cable anchor design for water-retaining dam section of Liaoyang Shenwo Reservoir based on Midas GTS NX

DU Yajin

（Liaoning Water Resources Management and Ecological Environmental Protection Industry Group Co.，Ltd.，Shenyang 110166，China）

Abstract： To further optimize the cable anchor design for the water-retaining dam section of Shenwo Reservoir risk elimination and reinforcement project in Liaoyang City，by employing Midas GTS NX software，a composite numerical model was established for the original dam body，construction joints，longitudinal joints，cable anchors，and the newly cast downstream concrete face of No.23 dam section.The analysis evaluated the effects of prestressed cable anchors on stress distribution within the dam under normal，design，and check water levels.The results indicated that the cable anchors increased compressive stress at upstream dam face by approximately 10%，while exerting negligible influence on stress and internal stress redistribution at downstream dam face.The findings effectively resolved tensile stress issues at the dam heel and can provide a references for similar engineering projects.

Key words： reservoir risk elimination and reinforcement; water-retaining dam section; cable anchor; Midas GTS NX

收稿日期：2024-12-11

作者簡(jiǎn)介：杜亞進(jìn)，男，工程師，主要從事水利工程施工和管理工作。E-mail：290711833@qq.com

引用格式：杜亞進(jìn).基于Midas GTS NX的遼陽(yáng)葠窩水庫(kù)擋水壩段錨索設(shè)計(jì)［J］.水利水電快報(bào)，2025，46（4）：66-70.