病險(xiǎn)堤壩動(dòng)力擾動(dòng)下靜、動(dòng)力響應(yīng)特性分析研究

高四軍

(廣東益鑫源工程建設(shè)管理咨詢有限公司，廣東 江門 529000)

水利工程中不僅需要考慮工程設(shè)施在靜力荷載下穩(wěn)定性，同樣需要考慮動(dòng)力響應(yīng)下安全穩(wěn)定性，特別是病險(xiǎn)水利工程，其安全穩(wěn)定性受到多方面動(dòng)力擾動(dòng)影響[1- 2]，包括已建、運(yùn)營(yíng)中的水利設(shè)施所引起的動(dòng)力擾動(dòng)作用，故而開(kāi)展相應(yīng)的動(dòng)力擾動(dòng)下工程靜、動(dòng)力響應(yīng)分析很有必要。蔣才等[3]、楊玉生等[4]、於正芳等[5]類比靜力荷載下水利工程物理模型試驗(yàn)方法，借助振動(dòng)臺(tái)等室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備，開(kāi)展水利工程原型的模型試驗(yàn)，獲得工程靜、動(dòng)力數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)之間的關(guān)系為工程設(shè)計(jì)探討提供指導(dǎo)。當(dāng)然，由于動(dòng)力響應(yīng)的特殊性，在一些水工建筑中，安裝有相應(yīng)的微震或聲發(fā)射等監(jiān)測(cè)設(shè)備[6- 7]，從微觀角度分析工程動(dòng)力響應(yīng)、微裂紋產(chǎn)生等變化，對(duì)工程動(dòng)力安全性預(yù)判具有重要價(jià)值[8]。數(shù)值仿真計(jì)算乃是一種高效研究手段，一些學(xué)者利用包括ANSYS、ABAQUS在內(nèi)的多種仿真計(jì)算平臺(tái)解決了水工建筑的地震荷載下抗震分析、滲流場(chǎng)變化分析、多工況下的靜力穩(wěn)定性分析等[9]，極大豐富了水利工程中仿真計(jì)算成果，為工程設(shè)計(jì)提供重要參考。本文以中山市大圍聯(lián)圩樞紐工程病險(xiǎn)堤壩的泄流動(dòng)力擾動(dòng)工況作為分析案例，開(kāi)展工程靜、動(dòng)力下位移、應(yīng)力、加速度等分析，為工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供重要參考。

1 工程概況

1.1 工程資料

中山市防洪樞紐工程包括有大圍聯(lián)圩設(shè)施，該樞紐工程面向境內(nèi)多條河道，總長(zhǎng)度超過(guò)650km，所在聯(lián)圩內(nèi)寬度10m以上的河流有25條，監(jiān)測(cè)防洪堤壩滲透坡降在0.2～0.4的有19條，滲透坡降低于0.2的有6條，護(hù)坡采用梯形斷面與矩形斷面兩種形式，兩種方式長(zhǎng)度分別為158、82km，圍內(nèi)寬度10m 以上內(nèi)河涌217 條，總長(zhǎng)度601.6km。中山大圍聯(lián)圩工程包括有南、北兩側(cè)防洪干堤，堤頂高程為13.5m，凈高度為70m，堤頂寬度為5.8m，迎水側(cè)、背水側(cè)坡度分別為1/2、1/3，按照50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，在5年前已進(jìn)行堤頂價(jià)高、坡身防護(hù)等措施。根據(jù)對(duì)Z1+320—Z1+550區(qū)段內(nèi)堤防調(diào)查可知，該堤段內(nèi)包含有一座中型南線水閘，乃是堤防防洪排澇重要水利調(diào)度設(shè)施，而堤防采用心墻壩體堆筑加固防滲設(shè)計(jì)[10]，南線水閘設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)通行流量為325m3/s，采用直徑為3m的弧型鋼閘門作為水流控制通道，閘室頂部高程為14.8m，閘基礎(chǔ)采用灌注樁支撐加固，并配備有相應(yīng)的主、次預(yù)應(yīng)力錨索，其中錨索橫向間距為140mm，布設(shè)有14根橫錨索，次錨索乃是與橫錨索呈90°，閘室整體結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性較佳。該水閘所在堤段經(jīng)調(diào)研得知抗傾覆性能較弱，堤壩底部滲流活動(dòng)較強(qiáng)，屬于由于堤身穩(wěn)定性欠佳引起的滲流場(chǎng)變化，因而考慮對(duì)大圍聯(lián)圩樞紐病險(xiǎn)堤防開(kāi)展穩(wěn)定性分析，為工程實(shí)施準(zhǔn)確除險(xiǎn)加固措施提供參考。另一方面，南線水閘目前處于泄流時(shí)期，其較大水力作用引起的動(dòng)力擾動(dòng)對(duì)病險(xiǎn)堤防具有重要影響，因而本文重點(diǎn)考慮在水閘運(yùn)行中產(chǎn)生的動(dòng)力作用對(duì)病險(xiǎn)堤防的靜、動(dòng)力響應(yīng)特性。

1.2 工程建模

利用ABAQUS仿真計(jì)算平臺(tái)與CAD幾何繪圖軟件進(jìn)行聯(lián)合建模計(jì)算，根據(jù)大圍聯(lián)圩病險(xiǎn)堤防工程設(shè)計(jì)圖，采用CAD構(gòu)建起堤防幾何模型，后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后有限元模型如圖1所示[11]。該模型根據(jù)堤防心墻壩體堆筑材料差異性，分別由不同材料模型構(gòu)成，共獲得網(wǎng)格單元253658個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)223687個(gè)，其中在心墻壩體等重要部位處進(jìn)行特殊加密，心墻與外壩身間為接觸式連接方式，本模型中壩身側(cè)邊界均為法向限定條件，底部為單向限制條件。計(jì)算模型中X、Y、Z正向分別設(shè)定為下游河流、河流水平向、堤壩垂直向上。分別分析竣工期、蓄水期兩個(gè)工況下穩(wěn)定性特征，工況水位分別為11.8、12.5m。

圖1 堤壩有限元模型

2 靜力特性分析

2.1 位移特征

根據(jù)ABAQUS仿真計(jì)算，獲得兩工況下病險(xiǎn)堤壩靜力荷載下位移特征，其中沉降位移對(duì)于病險(xiǎn)堤壩安全穩(wěn)定重中之重，因而給出典型兩工況下沉降位移分布特征，如圖2所示。從圖中可知，竣工期最大沉降值為0.6m，而分布于壩基底部，其竣工期沉降值并未達(dá)到壩高1%，因而竣工期沉降滿足安全要求，同樣在蓄水期其最大沉降為0.68m，亦滿足堤壩運(yùn)營(yíng)要求；另一方面，根據(jù)計(jì)算獲得竣工期X、Y向最大位移分別為0.13、0.11m，而方向分別為向上游和右岸壩體方向，在蓄水期X向位移受上揚(yáng)壓力影響，位移量值較小，最大僅為0.05m，而Y向位移受靜水壓力作用同向影響，其最大位移值為0.16m。從兩工況下沉降分析可知，最大沉降均位于壩基靠近左岸區(qū)域，壩身沉降層次性分布顯著，從壩頂至壩基持續(xù)遞增，且從壩身中部向兩側(cè)壩肩為遞減態(tài)勢(shì)，竣工期壩身中部沉降值分布為0.45～0.6m，蓄水期有所增大13.3%～51.1%，為0.51～0.68m。分析認(rèn)為，兩工況中最大沉降基本均接近安全設(shè)計(jì)要求的上限值，此種現(xiàn)象主要受上游水位靜水壓力對(duì)壩體產(chǎn)生較大沉降有關(guān)，當(dāng)然亦不可忽視壩體采用心墻體分層堆筑，每層堆筑體變形模量差異性、不均勻性均會(huì)影響最終沉降，因而在該堤段內(nèi)有中大型水閘運(yùn)行環(huán)境下，進(jìn)行病險(xiǎn)提防的擾動(dòng)加固，應(yīng)重點(diǎn)控制沉降變形的負(fù)面影響。

圖2 堤壩沉降位移分布特征

2.2 應(yīng)力特征

經(jīng)計(jì)算獲得兩工況下應(yīng)力特征，如圖3所示，大、小主應(yīng)力分別表征了結(jié)構(gòu)張拉與壓縮應(yīng)力狀態(tài)。從圖中可看出，竣工期兩主應(yīng)力最大值分別為1.24、0.61MPa，位于壩基部位；不論是大主應(yīng)力亦或是小主應(yīng)力，從壩頂至壩址，均為遞增態(tài)勢(shì)，壩頂處大主應(yīng)力約為8.96kPa，在壩體中部大主應(yīng)力增長(zhǎng)近2個(gè)量級(jí)，達(dá)779.4kPa，進(jìn)而在壩址底部達(dá)到大主應(yīng)力最大值，增長(zhǎng)幅度約59.1%，1/2壩高的變化，平均引起大主應(yīng)力幅度增長(zhǎng)40倍。從竣工期壩體應(yīng)力穩(wěn)定性考慮，病險(xiǎn)堤防壩體無(wú)較大拉應(yīng)力集中區(qū)域，各區(qū)間拉應(yīng)力分布均為均勻，層次性分明，壩頂亦未出現(xiàn)局部彎拱效應(yīng)。當(dāng)病險(xiǎn)堤壩為蓄水期時(shí)，其主應(yīng)力最大值分別為1.3、0.7MPa，較之竣工期分別增長(zhǎng)了4.8%、14.8%，最大值亦均位于壩址；應(yīng)力增長(zhǎng)與蓄水期水位上漲有關(guān)，導(dǎo)致堤壩應(yīng)力值提高，但從整體主應(yīng)力值來(lái)看，均低于結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)值，表明應(yīng)力穩(wěn)定性較佳，張拉破壞或堆筑料發(fā)生應(yīng)力失穩(wěn)可能性較低，堤壩結(jié)構(gòu)應(yīng)力處于較為安全狀態(tài)。

圖3 堤壩應(yīng)力分布特征(從左至右分別為大、小主應(yīng)力)

3 動(dòng)力響應(yīng)特性分析

根據(jù)動(dòng)力監(jiān)測(cè)，獲得動(dòng)力擾動(dòng)下的參數(shù)特征，給出泄流時(shí)水閘所產(chǎn)生的動(dòng)力荷載各向加速度反應(yīng)譜特征圖，X、Y兩向加速度反應(yīng)譜曲線如圖4所示，所分解出的X、Y、Z像最大加速度分別為1.98、-1.98、-1.46m/s2。

圖4 X、Y兩向加速度反應(yīng)譜曲線

荷載的施加處運(yùn)營(yíng)水閘泄流時(shí)動(dòng)力荷載，另還包括有動(dòng)水壓力Mw，其計(jì)算式如(1)式所示：

(1)

式中，zi—計(jì)算深度與水面線距離，m；H0—堤壩迎水側(cè)水深，m；Ai—截面面積，m2；ρ—水密度,kg/m3。

根據(jù)地震反應(yīng)譜疊加至病險(xiǎn)堤壩上，分析泄流水閘運(yùn)營(yíng)動(dòng)力擾動(dòng)下堤壩響應(yīng)特征，并對(duì)模型中特征剖面展開(kāi)重點(diǎn)分析，各特征剖面所在位置如圖5所示。

圖5 堤壩各特征剖面位置

3.1 加速度響應(yīng)特征

根據(jù)對(duì)病險(xiǎn)堤壩四個(gè)特征剖面上的加速度響應(yīng)值進(jìn)行計(jì)算，獲得特征剖面上各向加速度響應(yīng)最大值，如圖6所示。從圖中可知，加速度響應(yīng)最大值總以X向?yàn)樽畲?，但其方向?yàn)槟嫠飨?，在A剖面中X向加速度最大值為5.38m/s2，而Y、Z向加速度最大值僅為前者的66.5%、51.1%，此類現(xiàn)象在B、C、D剖面中均是如此，但差距以A剖面上X向與Y、Z向加速度響應(yīng)值差異性最大。分析認(rèn)為，當(dāng)水閘泄流產(chǎn)生動(dòng)力擾動(dòng)時(shí)，水流方向敏感性更大，水力作用傳遞性更快，因而在堤壩X向上加速度響應(yīng)值最大。在X向上，四個(gè)特征剖面中以A剖面加速度為最大，C剖面加速度響應(yīng)值最低，表明堤壩X向上受到水閘泄流動(dòng)力擾動(dòng)最敏感的屬壩中剖面部位。Y向加速度響應(yīng)方向均指向壩體右岸，且各值基本接近，穩(wěn)定在3.55m/s2；Z向加速度響應(yīng)值以D剖面上為最大，達(dá)2.98m/s2，A、B、C剖面上Z向加速度響應(yīng)值基本接近，均穩(wěn)定為2.75m/s2，此主要由于A～C剖面均為同向剖面，在Z向方向上所受自重作用基本同向、同作用點(diǎn)，因而加速度響應(yīng)值基本一致。整體來(lái)看，水閘泄流動(dòng)力擾動(dòng)下，病險(xiǎn)堤壩均會(huì)出現(xiàn)一定加速度響應(yīng)，其中屬堤壩水流方向上受危險(xiǎn)性最大，設(shè)計(jì)除險(xiǎn)加固時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

圖6 特征剖面上各向加速度響應(yīng)最大值關(guān)系

3.2 位移響應(yīng)特征

由動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算，亦可獲得各特征剖面上位移響應(yīng)最大值，如圖7所示，從圖中位移響應(yīng)值可看出，三個(gè)方向中位移最大值為X向，在B剖面上X向位移值為7.5cm，而該剖面Y、Z向位移最大值相比前者分別減少了41.1%、43.5%，表明X向位移響應(yīng)程度高于Y、Z向。從同一方面中各特征剖面比較可知，X向中最大值出現(xiàn)在D剖面上，各剖面間位移最大值差距最大幅度僅為10%，表明動(dòng)力擾動(dòng)下病險(xiǎn)堤壩X向位移響應(yīng)差異性較小。Y、Z向中最大值剖面均為D剖面，達(dá)5.5cm、4.8cm，其中Y向中各剖面上位移響應(yīng)值差異性較大，最大差異幅度為B、D剖面間，幅度達(dá)77.4%；各剖面Z向位移響應(yīng)值基本接近，僅有7.9%差距，分布范圍為4.25～4.8cm，響應(yīng)值最低為C剖面。整體位移響應(yīng)分析可知，泄流工況動(dòng)力擾動(dòng)下的堤壩各向位移值無(wú)超過(guò)9cm，整體處于較為安全狀態(tài)，但也應(yīng)適當(dāng)考慮在堤壩軸線X方向上受到的水利沖刷影響，壩身應(yīng)重點(diǎn)加固，減少由于該向位移引起的壩體表面開(kāi)裂等現(xiàn)象。

圖7 特征剖面上各向位移響應(yīng)最大值關(guān)系

3.3 應(yīng)力響應(yīng)特征

同理，可獲得病險(xiǎn)堤壩各特征剖面應(yīng)力響應(yīng)最大值，如圖8所示。根據(jù)圖8可知，大主應(yīng)力響應(yīng)值以D剖面上最大，達(dá)1.35MPa，最低大主應(yīng)力為C剖面，兩者相差幅度為4.4倍，大主應(yīng)力在各特征剖面上分布不均，以B、C剖面上大主應(yīng)力較小，且未超過(guò)材料安全抗拉應(yīng)力值，但在A、D剖面上大主應(yīng)力值較大，接近或超過(guò)堆筑料允許值，具有張拉破壞的可能性；小主應(yīng)力在各特征剖面上分布范圍為2.2MPa～2.45MPa，差距較小，且各小主應(yīng)力均未超過(guò)堤壩堆筑料抗壓強(qiáng)度，安全性較佳。從整體應(yīng)力響應(yīng)值來(lái)看，壓應(yīng)力均滿足要求，但在A、D剖面上應(yīng)重點(diǎn)設(shè)計(jì)加固結(jié)構(gòu)，確保張拉應(yīng)力分布不會(huì)擴(kuò)散，造成病險(xiǎn)堤壩出現(xiàn)大范圍拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，影響壩體穩(wěn)定性。

圖8 特征剖面上主應(yīng)力關(guān)系

4 結(jié)論

(1)竣工期、蓄水期最大沉降分別為0.6、0.68m，且從壩頂至壩基遞增、壩身中部向兩側(cè)遞減，兩工況壩中部沉降分別為0.45～0.6m、0.51～0.68m；最大拉應(yīng)力為1.24MPa、1.3MPa。

(2)動(dòng)力擾動(dòng)下，加速度響應(yīng)最大值以X向?yàn)樽畲?；各剖面上Y向加速度響應(yīng)值基本接近，均指向右岸；Z向加速度響應(yīng)最大值為D剖面，達(dá)2.98m/s2，A—C剖面響應(yīng)值接近，穩(wěn)定在2.75m/s2。

(3)位移響應(yīng)最大值為X向，D剖面上位移最大，Z向位移值基本接近，穩(wěn)定在4.25～4.8cm；大主應(yīng)力值以D剖面上最大，達(dá)1.35MPa，A、D剖面上大主應(yīng)力接近或超過(guò)抗拉應(yīng)力，小主應(yīng)力在各特征剖面上分布范圍為2.2～2.45MPa，低于堆筑料安全應(yīng)力。