蘇北水利排險工程中水閘除險加固結(jié)構(gòu)模擬設(shè)計分析研究

齊春舫，王霄，谷靜，陳超，繆成美

（1.淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇淮安223005；2.淮安市淮河水利建設(shè)工程有限公司，江蘇漣水223400）

水資源調(diào)度、防洪蓄水及排澇等均離不開水閘等水利設(shè)施，水工建筑結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定是實現(xiàn)用水安全的重要課題。提升水利設(shè)施運營可靠性對確保水資源利用效率有較大益處，針對病險水利設(shè)施開展加固設(shè)計，提升水工結(jié)構(gòu)的安全運營效率很有必要[1-4]。施得兵等、李鶴等、賈紅娟根據(jù)水利設(shè)計原型開展物理模型試驗，研究水工結(jié)構(gòu)在室內(nèi)模型試驗狀態(tài)下失穩(wěn)、潰壩及響應(yīng)特征，為水利工程設(shè)計提供參考[5-7]。由于物理模型試驗成本較高，一些專家與學者開始探討對已有相似工程的運營狀態(tài)進行研究，利用已有工程運營狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析工程穩(wěn)定性與運營數(shù)據(jù)之間聯(lián)系，為擬建工程設(shè)計研發(fā)、參數(shù)優(yōu)化及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評價提供參考[8-10]。不可忽視，數(shù)值仿真在工程安全可靠性計算中占有一定地位，利用水工結(jié)構(gòu)幾何模型建立仿真計算模型，施加工程運營下模擬荷載，進而求解水利工程應(yīng)力變形場、滲流場等特征，為評價水利工程安全穩(wěn)定性提供指導(dǎo)依據(jù)[11-13]。針對蘇北嶂山閘目前運營狀態(tài)，設(shè)計模擬加固結(jié)構(gòu)，研究水工結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)優(yōu)化度，為提升水利設(shè)計水平提供重要指導(dǎo)。

1 工程分析

1.1 工程概況

為提升蘇北區(qū)域內(nèi)水利運營安全性，淮安水利部門考慮對地區(qū)內(nèi)所有水利設(shè)施進行排險調(diào)查。根據(jù)調(diào)查得知，嶂山閘建設(shè)運營年限較長，其在淮安-宿遷水資源調(diào)度區(qū)域內(nèi)起著較大作用，目前運營較穩(wěn)定，但不可忽視其水資源調(diào)度、防洪蓄水等效率均有所降低，有必要考慮對其進行除險加固。嶂山閘設(shè)計多孔式泄流，每孔寬度10 m，閘底高程15.4 m，采用弧型鋼閘門作為通行流量啟閉口，設(shè)置液壓式啟閉機控制閘門開度，確保泄洪流量滿足安全允許要求。閘頂寬度4.5 m，設(shè)計有通行橋面，高度33.7 m，參照二級公路建設(shè)。原設(shè)計泄洪流量8 000 m3/s，可承擔區(qū)域內(nèi)超過16.67萬hm2農(nóng)田生產(chǎn)灌溉用水，最大排澇面積超過3.67萬hm2。上游水位受季節(jié)降雨影響，局部超過25 m，水閘安全泄洪遇到極大挑戰(zhàn)，同時影響水閘等水工結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性。排險調(diào)查發(fā)現(xiàn)，嶂山閘由于設(shè)計年代較早，并未采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)作為支撐加固措施，目前水閘支護承重結(jié)構(gòu)在上游水位較高時常出現(xiàn)險情，考慮對其進行先遣式模擬設(shè)計研究，為除險加固結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

地勘結(jié)果表明，區(qū)域內(nèi)基巖以片麻巖、灰?guī)r為主，承載力較大，單軸抗壓強度75 MPa，若設(shè)置預(yù)應(yīng)力閘墩等結(jié)構(gòu)，可滿足安全承載要求；上覆土層包括砂土層與壤土，砂土層厚度3.6 m，含水量中等，最優(yōu)含水量17%，顆粒粒徑0.04～4 mm，壤土層承載力較高，該土層作為水閘下游輸水灌渠持力層可較好穩(wěn)定運營?？紤]到目前嶂山閘整體運營較穩(wěn)定，除險加固設(shè)計方案以增添預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)為主，據(jù)此優(yōu)化設(shè)計加固結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)。

1.2 工程模型

按照實際，設(shè)計主、次錨索搭配式加固方案，如圖1所示。主錨索雙層分布，層間距100 mm，張拉噸位根據(jù)具體工況設(shè)計，拉錨系數(shù)設(shè)定為2.2，本方案主錨索14根，根據(jù)實際情況優(yōu)化根數(shù)；次錨索與主錨索垂直分布，分為上、下2排，設(shè)計為6根，間距120 mm；預(yù)應(yīng)力錨索與錨固洞采用接觸式連接，錨固洞截面體型為半圓弧型，錨索與閘墩間采用墊塊作為荷載傳遞載體，墊塊截面尺寸為0.3 m×0.3 m，厚度為0.05 m。

圖1 錨索布設(shè)平面示意

利用數(shù)值計算平臺建立水閘整體計算模型，如圖2所示。

圖2 水閘整體計算模型

由于模型涉及水利結(jié)構(gòu)較多，簡化后對涉及的閘墩、錨塊、錨固洞特征結(jié)構(gòu)進行重點分析，如圖3所示。

圖3 水閘特征部位計算模型

利用數(shù)值計算平臺對模型進行網(wǎng)格劃分，采用三角形與四邊形作為微單元體，共獲得網(wǎng)格單元423 856個、節(jié)點389 656個，其中錨塊劃分網(wǎng)格單元78 652個、節(jié)點68 325個。在數(shù)值計算平臺中設(shè)定順水閘右肩為X正向，順下游水流為Y正向，沿水閘向上為Z正向。結(jié)合上述方案，主要討論預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中主錨索根數(shù)參數(shù)影響下水閘應(yīng)力特征變化，另對錨索直徑參數(shù)進行分析，為選擇最佳設(shè)計參數(shù)提供依據(jù)。

2 加固結(jié)構(gòu)錨索根數(shù)參數(shù)設(shè)計分析

2.1 拉應(yīng)力特征

根據(jù)加固結(jié)構(gòu)應(yīng)用環(huán)境及水閘泄流工況，設(shè)計錨索根數(shù)分別為10（1#方案）、12（2#方案）、14（3#方案）、16（4#方案）、18（5#方案）、20（6#方案），錨索直徑均為22 mm，主、次錨索張拉荷載分別為5 600、3 860 kN，其他張拉參數(shù)保持一致，各具體設(shè)計參數(shù)詳見表1。錨索結(jié)構(gòu)中僅改變錨索根數(shù)，計算水閘加固結(jié)構(gòu)應(yīng)力特征。

表1 各方案加固結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

根據(jù)各錨索根數(shù)設(shè)計方案計算獲得預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)特征部位最大拉應(yīng)力變化特征，如圖4所示。從圖4可看出，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中拉應(yīng)力以錨固洞截面上為最高。以錨索根數(shù)12根為例，錨固洞截面上最大拉應(yīng)力為2.51 MPa，而其他特征部位包括閘臺、錨塊體上最大拉應(yīng)力相比前者分別降低59.5%、41.2%。在其他方案中亦是如此，隨著錨索根數(shù)增多，錨固洞截面與閘臺、錨塊上最大拉應(yīng)力差異幅度逐步減小，在錨索根數(shù)18時，閘臺、錨塊體上相比錨固洞截面上的最大拉應(yīng)力分別降低40.3%、25.2%。由此表明，隨著錨索根數(shù)增多，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)特征部位最大拉應(yīng)力差異幅度逐步減小，拉應(yīng)力具有發(fā)展成各區(qū)同性趨勢。對比各特征部位最大拉應(yīng)力與錨索根數(shù)關(guān)系可知，錨固洞截面上最大拉應(yīng)力隨錨索根數(shù)增加逐步降低，在錨索根數(shù)10時，最大拉應(yīng)力為2.81 MPa；而在錨索根數(shù)增加至14、18、20后，相應(yīng)的最大拉應(yīng)力相比前者分別降低18.1%、35.5%、46.4%，即錨索根數(shù)增多，可抑制錨固洞截面上拉應(yīng)力發(fā)展，限制錨固洞拉應(yīng)力破壞威脅。與錨固洞截面上最大拉應(yīng)力發(fā)展態(tài)勢不同，閘臺與錨塊上最大拉應(yīng)力變化較穩(wěn)定，僅在錨索根數(shù)增加至16根后，其最大拉應(yīng)力才出現(xiàn)較大降幅。在錨索根數(shù)低于16根之前，閘臺最大拉應(yīng)力穩(wěn)定在1.01 MPa，而在增加至16根之后，其最大拉應(yīng)力降低，如閘臺、錨塊最大拉應(yīng)力在根數(shù)20時相比16根時分別降低14.7%、12.1%。這表明閘臺、錨塊上拉應(yīng)力在錨索根數(shù)低于一定節(jié)點時，并不會出現(xiàn)較大波動，而在超過該節(jié)點后，拉應(yīng)力才會受到錨索根數(shù)抑制影響。

圖4 錨索根數(shù)影響下特征部位最大拉應(yīng)力變化特征

2.2 壓應(yīng)力及分布特征

通過應(yīng)力計算，獲得錨索根數(shù)參數(shù)影響下預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力特征，如圖5所示。從圖5可知，加固結(jié)構(gòu)中最大壓應(yīng)力仍位于錨固洞截面，2#方案中錨固洞截面上最大壓應(yīng)力為25 MPa，而相應(yīng)方案中閘臺、錨塊體最大壓應(yīng)力相比前者分別降低66%、18.5%。由此可見，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中最大拉、壓應(yīng)力均位于錨固洞截面上，應(yīng)重點加固防護。對比錨索根數(shù)影響下預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)特征部位最大壓應(yīng)力變化關(guān)系，除閘臺部位外，錨塊體、錨固洞截面上最大壓應(yīng)力均隨錨索根數(shù)遞減變化。以錨塊為例，在1#方案錨索根數(shù)10根時其最大壓應(yīng)力為27.4 MPa，而14、16、20根時的最大壓應(yīng)力相比前者分別降低41.1%、52.9%、66.6%。由此可見，錨索根數(shù)愈多，愈可顯著加固結(jié)構(gòu)壓縮作用，降低結(jié)構(gòu)預(yù)壓影響。閘臺結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力隨錨索根數(shù)變化較小，基本穩(wěn)定在8.5 MPa左右，最大降幅在根數(shù)為14根時為1.9%。綜上可知，選擇錨索根數(shù)超過16根時更有利于保證結(jié)構(gòu)安全性，為確保工程成本經(jīng)濟性，選擇錨索根數(shù)為18根時（5#方案）最佳。

圖5 錨索根數(shù)影響下特征部位最大壓應(yīng)力變化特征

5#方案在運行工況中仿真計算的錨固洞截面某一時刻拉、壓應(yīng)力分布特征，如圖6所示。從圖6可知，模擬運營過程中，錨固洞截面上拉應(yīng)力主要分布在頂、底面，且滿足結(jié)構(gòu)材料設(shè)計要求，但此時還未達到結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力。壓應(yīng)力分布以錨固洞左、右截面為主，最大壓應(yīng)力較小。綜上，5#方案錨索根數(shù)較佳。

圖6 錨固洞截面拉、壓應(yīng)力分布特征

3 加固結(jié)構(gòu)錨索直徑參數(shù)設(shè)計分析

3.1 拉應(yīng)力特征

根據(jù)錨索直徑對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)安全性影響，選取錨索直徑分別為18 mm（A方案）、20 mm（B方案）、22 mm（C方案）、24 mm（D方案）、26 mm（E方案），錨索根數(shù)設(shè)定為18根，其他張拉荷載參數(shù)均保持一致，僅研究錨索直徑參數(shù)因素對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)拉、壓應(yīng)力影響。

與研究錨索根數(shù)參數(shù)影響類似，獲得錨索直徑參數(shù)影響下水閘加固結(jié)構(gòu)特征部位最大拉應(yīng)力變化特征，如圖7所示。由圖7可知，隨著錨索直徑增大，3個特征部位最大拉應(yīng)力均呈遞減變化，在A方案錨索直徑為18 mm時，閘臺最大拉應(yīng)力為2.57 MPa，而直徑增大至C、E方案后，其最大拉應(yīng)力相比前者分別降低51%、65%。從各方案最大拉應(yīng)力降幅來看，總體上當錨索直徑增大2 mm時，閘臺最大拉應(yīng)力平均降低22.7%，但錨索直徑增大過程中降幅有所差異：錨索直徑在18～22 mm內(nèi)，每增大2 mm，可導(dǎo)致最大拉應(yīng)力損失30%；而在直徑22～26 mm內(nèi)，損失幅度為15.2%，表明錨索直徑對閘臺最大拉應(yīng)力影響幅度呈逐步降低態(tài)勢。隨著錨索直徑每增大2 mm，錨固洞截面與錨塊上最大拉應(yīng)力分別降低7.6%、24.4%，其中錨固洞最大拉應(yīng)力降幅在錨筯直徑22 mm左右時發(fā)生改變，直徑22 mm下最大拉應(yīng)力相比直徑18 mm時降低了21.8%，而直徑26 mm比直徑22 mm時最大拉應(yīng)力降幅為7.1%。分析認為，錨索根數(shù)控制在合理區(qū)間內(nèi)即可，錨索直徑愈大對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)安全性愈有保障，但不可忽視錨索直徑增大對工程成本的影響。從整體上來看，選擇錨索直徑22 mm更為可靠。

圖7 錨索直徑影響下特征部位最大拉應(yīng)力變化特征

3.2 壓應(yīng)力特征

根據(jù)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力變化特征，最大壓應(yīng)力與錨索直徑關(guān)系如圖8所示。

圖8 錨索直徑影響下特征部位最大壓應(yīng)力變化特征

從圖8可知，除錨塊外，其他2個特征部位最大壓應(yīng)力均隨錨索直徑呈遞減態(tài)勢，錨索直徑18 mm時閘臺最大壓應(yīng)力為21.2 MPa，而錨索直徑增大2 mm，閘臺最大壓應(yīng)力損失25%，且閘臺最大壓應(yīng)力與錨索直徑參數(shù)具有冪函數(shù)關(guān)系。在錨固洞截面上，最大壓應(yīng)力與錨索直徑關(guān)系基本與閘臺一致，這2個特征結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力隨錨索直徑增加降低幅度基本接近，錨索直徑增大2 mm，錨固洞截面最大壓應(yīng)力損失23.5%。錨塊最大壓應(yīng)力隨錨索直徑變化較平穩(wěn)，均維持在16.8 MPa左右，即錨索直徑參數(shù)改變，對錨塊最大壓應(yīng)力無顯著性影響。在錨索直徑22 mm時，閘臺與錨固洞截面上最大壓應(yīng)力分別為11.7、14.6 MPa，位于安全允許區(qū)間。這表明，從拉、壓應(yīng)力特征來看，錨索直徑22 mm為較合適的設(shè)計方案。

4 結(jié)論

（1）加固結(jié)構(gòu)中錨固洞上拉應(yīng)力最大，但錨索根數(shù)增多，其他特征部位拉應(yīng)力與錨固洞最大拉應(yīng)力差異幅度縮?。诲^固洞最大拉應(yīng)力與錨索根數(shù)為負相關(guān)關(guān)系，錨索根數(shù)14、18、20時最大拉應(yīng)力相比根數(shù)10時分別降低了18.1%、35.5%、46.4%，而閘臺與錨塊最大拉應(yīng)力在錨索根數(shù)超過16后才降低。

（2）加固結(jié)構(gòu)特征部位最大拉應(yīng)力與錨索直徑均為負相關(guān)關(guān)系，錨索直徑增大2 mm，閘臺、錨固洞、錨塊最大拉應(yīng)力分別平均降低22.7%、7.6%、24.4%，且降低幅度逐漸減小。以錨索直徑18 mm為界，閘臺在該界限左、右區(qū)間中，錨索直徑每增大2 mm可分別降低拉應(yīng)力30%、15.2%。

（3）錨塊、錨固洞上最大壓應(yīng)力均隨錨索根數(shù)遞減變化，閘臺受錨索根數(shù)影響較小，穩(wěn)定在8.5 MPa；閘臺、錨固洞最大壓應(yīng)力與錨索直徑均呈冪函數(shù)關(guān)系，錨索直徑增大2 mm，兩者最大壓應(yīng)力分別損失25%、23.5%，錨塊最大壓應(yīng)力受錨索直徑影響較小，穩(wěn)定在16.8 MPa。

（4）綜合預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)拉、壓應(yīng)力特征，認為錨索根數(shù)16、錨索直徑22 mm時，加固方案最優(yōu)。