莫桑比克CORUMANA壩泄洪閘結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析研究

鄒建平

（江西省水利水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330209）

1 引言

水工結(jié)構(gòu)中施工工藝、設(shè)計(jì)參數(shù)的改變，均會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性，開展施工技術(shù)及設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化分析，有利于提升水工設(shè)計(jì)水平，為水利設(shè)施建設(shè)提供重要安全保障[1,2]。已有一些專家與學(xué)者開展過相關(guān)水工設(shè)計(jì)對(duì)比研究，趙雪萍等[3]、潘淼等[4]采用了模型試驗(yàn)等研究手段，分析了水工結(jié)構(gòu)滲流場(chǎng)、靜力場(chǎng)等參數(shù)變化，獲得了結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。數(shù)值仿真可較快速研究不同設(shè)計(jì)參數(shù)、不同技術(shù)方案下結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形特征，利用包括ANSYS、ABAQUS、MIDAS等在內(nèi)的多種數(shù)值計(jì)算平臺(tái)[5-7]，可分析設(shè)計(jì)參數(shù)或施工技術(shù)對(duì)靜力場(chǎng)的影響特征，以此評(píng)價(jià)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案乃是一種有效快捷手段。本文根據(jù)莫桑比克Corumana水庫樞紐工程心墻堆石壩泄洪閘錨索加固設(shè)施，開展預(yù)埋管施工工藝、鋼梁間距設(shè)計(jì)參數(shù)下的方案對(duì)比分析，為工程設(shè)計(jì)與施工提供重要參考。

2 工程分析

2.1 工程概況

Corumana水庫樞紐工程位于莫桑比克南部馬普托省，承擔(dān)著馬普托地區(qū)水資源供給、下游農(nóng)田灌溉及發(fā)電作用，另按照百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)防洪堤壩，該水庫樞紐工程建設(shè)可實(shí)現(xiàn)地區(qū)年供水量增加1.5億m3，該水庫大壩衛(wèi)星平面圖如圖1所示。該水庫樞紐工程包括Corumana心墻堆石壩、泄洪水閘、溢洪道以及其他附屬水利設(shè)施，壩體高度為45 m，軸線長(zhǎng)度為3 050 m，設(shè)計(jì)蓄水位117 m，在壩體沿線共設(shè)置有6個(gè)泄洪水閘，每個(gè)水閘采用的加固方案有所差異，心墻壩體中部Z1+860～Z2+252 m區(qū)段內(nèi)水閘最大泄流量設(shè)計(jì)為1 055 m3/s，閘墩直徑為1.2 m，閘門有限元模型如圖2所示。目前，壩體部分區(qū)段泄洪閘預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行施工時(shí)，考慮預(yù)埋鋼管構(gòu)件與鋼梁間距設(shè)計(jì)差異性，結(jié)構(gòu)應(yīng)力穩(wěn)定性均會(huì)有一定影響，因而針對(duì)Corumana心墻堆石壩水閘錨索施工工藝及設(shè)計(jì)參數(shù)，開展結(jié)構(gòu)應(yīng)力穩(wěn)定性仿真計(jì)算分析。

圖1 Corumana水庫樞紐工程衛(wèi)星平面圖

圖2 閘門有限元模型

2.2 仿真建模

本文主要研究對(duì)象為Corumana心墻堆石壩水閘預(yù)應(yīng)力錨索施工段，錨索布設(shè)平面形式如圖3所示，橫錨索間距為220 mm，每排錨索共有三根為一層，層間距為14 mm，錨索與錨固洞夾角為35°，預(yù)埋鋼管直徑與錨固洞相匹配，錨索直徑為22 mm。現(xiàn)為針對(duì)錨索預(yù)埋鋼管形式及預(yù)埋鋼梁間距參數(shù)開展對(duì)比分析，筆者利用ABAQUS仿真計(jì)算平臺(tái)建立水閘有限元計(jì)算模型，如圖4所示，并在計(jì)算模型中標(biāo)注出水閘墩特征部位，包括錨固洞與錨塊體在內(nèi)的關(guān)鍵部位，另對(duì)錨塊體模型進(jìn)行獨(dú)立加密劃分網(wǎng)格[8]，計(jì)算模型整體共獲得網(wǎng)格單元126 825個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)98 627個(gè)，而錨塊模型在側(cè)面與條面等區(qū)域就有網(wǎng)格單元26 826個(gè)。在計(jì)算模型中X、Y、Z正向分別為順?biāo)飨掠巍㈤l室軸線向右岸壩體向、垂直向上方向。以迎水側(cè)水位115.5 m為計(jì)算工況，模型底部設(shè)置有多向約束條件，在此基礎(chǔ)上計(jì)算各設(shè)計(jì)方案中閘體特征部位應(yīng)力特征，反映該閘室結(jié)構(gòu)施工工藝影響及最優(yōu)方案。

圖3 錨索布設(shè)平面形式圖

圖4 泄洪閘及錨塊有限元模型

3 錨索預(yù)埋管形式影響性分析

本工程中錨索預(yù)埋管形式包括有目前錨索施工工藝中最典型的5種[9]，分別為波紋管（A方案）、無縫鋼管（B方案），普通鋼管（C方案）、腳架管（D方案）、扣式鋼管（E方案），分別就此5種不同預(yù)埋管形式開展對(duì)比計(jì)算分析。

根據(jù)對(duì)不同錨索預(yù)埋管設(shè)計(jì)方案開展模擬計(jì)算，獲得不同預(yù)埋管形式下錨索加固結(jié)構(gòu)特征部位最大拉應(yīng)力變化特征，如圖5所示。從圖中可看出，三個(gè)特征部位中拉應(yīng)力最大乃是錨固洞，各設(shè)計(jì)方案中均以該部位為加固結(jié)構(gòu)上最大拉應(yīng)力，在C方案中錨固洞最大拉應(yīng)力為2.13 MPa，而相同方案中閘頂、錨塊最大拉應(yīng)力較之前者分別減少了81.6%、28.8%，各方案中拉應(yīng)力最小屬閘頂部位，各設(shè)計(jì)方案中錨固洞與閘頂間拉應(yīng)力差異幅度分布為60%～4.4倍，平均差距幅度為2.12倍；分析認(rèn)為錨索加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮錨固洞安全設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)過程中不發(fā)生失效。對(duì)比不同于預(yù)埋管形式下特征部位拉應(yīng)力變化可知，三個(gè)特征部位中拉應(yīng)力最低值均為B方案，在錨塊上該方案最大拉應(yīng)力為0.62 MPa，而A、D、E方案相比B方案分別增高了3.7倍、2.9倍、3.4倍，即采用無縫鋼管預(yù)埋形式時(shí)加固結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力分布最低，更有利于結(jié)構(gòu)抗拉效果。在五種不同預(yù)埋管形式中拉應(yīng)力最大為波紋管，閘頂上最大拉應(yīng)力為1.96 MPa，較之無縫鋼管形式下降低了77.4%，錨索預(yù)埋管施工中應(yīng)盡量避免采用普通鋼管，防止出現(xiàn)拉應(yīng)力過大。綜合分析各方案拉應(yīng)力量值可知，超過結(jié)構(gòu)允許張拉應(yīng)力的有A、D、E方案，此三種預(yù)埋管形式不利于加固結(jié)構(gòu)與Corumana心墻堆石壩水閘的穩(wěn)定性。筆者認(rèn)為，不同于波紋管或無縫鋼管，普通鋼管、腳架管等在內(nèi)的三種預(yù)埋管在受力時(shí)無緩沖、無削弱帶，錨固洞上靜力荷載會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大彎矩，造成鋼管發(fā)生變形，從而結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部失穩(wěn)[10]。

圖5 不同預(yù)埋管形式下特征部位最大拉應(yīng)力特征

4 錨索預(yù)埋鋼梁間距參數(shù)影響性分析

為確定預(yù)埋鋼梁間距影響下結(jié)構(gòu)應(yīng)力特征，按照工程實(shí)際初步擬定鋼梁間距在0.5～3 m，按照對(duì)比方案原則分別設(shè)定五個(gè)不同設(shè)計(jì)方案：0.5 m（1號(hào)方案）、1 m（2號(hào)方案）、1.5 m（3號(hào)方案）、2 m（4號(hào)方案）、2.5 m（5號(hào)方案）、3 m（6號(hào)方案），其他設(shè)計(jì)參數(shù)均為一致，計(jì)算不同鋼梁間距設(shè)計(jì)方案下結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化特征。

圖6為不同鋼梁間距參數(shù)下特征部位拉應(yīng)力變化特征。從圖中可知，錨固洞與錨塊最大拉應(yīng)力均與鋼梁間距參數(shù)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，且遞減幅度有所差異。在鋼梁間距0.5～2 m區(qū)間內(nèi)，間距增大0.5 m，錨固洞上最大拉應(yīng)力平均降幅為28%，而間距為2～3 m時(shí)，錨固洞平均降幅僅為2.8%，表明控制鋼梁間距在合理區(qū)間內(nèi)有利于既控制工程建設(shè)成本，又利于結(jié)構(gòu)安全。錨塊拉應(yīng)力變化趨勢(shì)與錨固洞有所類似，但鋼梁間距參數(shù)影響下幅度差異不及錨固洞，表明錨塊受鋼梁間距參數(shù)影響敏感弱于錨固洞，在鋼梁間距0.5～2 m區(qū)間內(nèi)，錨塊平均降幅為25.2%，而在間距2～3 m內(nèi)，降幅又為3.2%。閘頂最大拉應(yīng)力與前兩特征部位有所不同，其最大拉應(yīng)力在間距2 m前基本穩(wěn)定在1 MPa左右，而在間距超過2 m后，拉應(yīng)力呈增大趨勢(shì)，間距2.5 m、3 m下閘頂最大拉應(yīng)力較之間距2 m時(shí)分別提升了10.8%、20.6%，因而控制鋼梁間距在2 m以內(nèi)有利于閘頂部位張拉應(yīng)力發(fā)展。綜合三個(gè)特征部位拉應(yīng)力可知，當(dāng)鋼梁間距在2 m時(shí)不僅有利于錨固洞、錨塊上拉應(yīng)力控制，亦可限制閘頂上拉應(yīng)力發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全性較優(yōu)。

圖6 不同鋼梁間距參數(shù)下特征部位拉應(yīng)力特征

5 結(jié)論

（1）加固結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力最大位于錨固洞，各方案錨固洞與閘頂間拉應(yīng)力差幅分布為60%～4.4倍；拉應(yīng)力最低值均為無縫鋼管方案。

（2）錨固洞、錨塊最大拉應(yīng)力均與鋼梁間距參數(shù)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，且降幅遞減，鋼梁間距0.5～2 m區(qū)間，兩特征部位平均降幅分別為28%、25.2%，而間距2～3 m時(shí)，平均降幅僅為2.8%、3.2%；閘頂最大拉應(yīng)力在間距2 m后遞增，0.5～2 m區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定在1 MPa左右。

（3）綜合應(yīng)力特征，認(rèn)為采用無縫鋼管施工更有利于結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)，而預(yù)埋鋼梁間距為2 m時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最佳，此為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。