滄江水利樞紐中擋墻設(shè)計對靜力場及水沙演變穩(wěn)定性影響研究

何杰明

(佛山市高明區(qū)城市重建和項目代建中心，廣東 佛山 528000)

1 工程概況

佛山市滄江水利樞紐是地區(qū)重要水利樞紐設(shè)施，目前，考慮對其開展重建設(shè)計，包括水閘、泵站等水工設(shè)施。滄江水閘按照大Ⅱ型水閘設(shè)計，水閘施工一、二期圍堰導(dǎo)流流量設(shè)計為552 m3/s。一期上游橫向土石圍堰堰體采用工程現(xiàn)場土料填筑，上、下游堰殼填料采用碎石料填筑。作為滄江重建水利樞紐工程中重要結(jié)構(gòu)，船閘上下閘首的施工，采用貝雷梁鋼平臺與擋墻結(jié)構(gòu)，貝雷梁平臺與閘首結(jié)構(gòu)垂直，并與主梁截面相連接，鋼平臺尺寸為14.5 m×18.0 m，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較佳，設(shè)計方案已在一期圍堰的下閘首施工中應(yīng)用。擋墻結(jié)構(gòu)是配合貝雷梁鋼平臺作為施工支撐結(jié)構(gòu)的重要組成部分，設(shè)計擋墻厚度為1.2 m，其類型為扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)，墻頂板厚度為0.6 m，墻身頂標(biāo)高與貝雷梁鋼平臺一致，側(cè)壁夾角為37°，踵板厚度為0.5 m，踵板寬度為墻高1/3，順?biāo)鞣较蜷L度為3.2 m，目前擋墻扶壁厚度參數(shù)還處于優(yōu)化設(shè)計階段，這也是本文重點研究對象。

2 設(shè)計仿真

本文采用FLAC 3D平臺構(gòu)建起船閘上閘首擋墻幾何模型[1]，該模型包括船閘上、下游區(qū)段長度12 m，順貝雷梁鋼平臺標(biāo)高分別建立墻后巖土層、堆筑料等。由于本文重點研究扶壁厚度對該擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計穩(wěn)定性影響，因而在確保擋墻各設(shè)計參數(shù)均為一致前提下，設(shè)定擋墻扶壁厚度分別為0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m、1.0 m，模型中相應(yīng)的扶肋間厚度按照設(shè)計扶壁厚度設(shè)置。根據(jù)墻體結(jié)構(gòu)材料組成性質(zhì)，對船閘上閘首扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，獲得三面體單元數(shù)120 682個，節(jié)點數(shù)136 894個。

由于該擋墻結(jié)構(gòu)扶壁厚度設(shè)計優(yōu)化本質(zhì)上關(guān)聯(lián)船閘施工穩(wěn)定性，因而研究工況以船閘迎水側(cè)為分析對象，所受荷載包括結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力及貝雷梁鋼平臺摩擦應(yīng)力等，特征水位取滄江水利樞紐設(shè)計洪水位。計算模型上、下邊界均設(shè)定為無自由度體系，而側(cè)壁設(shè)計為無縱向約束；模型中X、Y、Z正向分別設(shè)定為順閘首下游方向、擋墻左岸向及結(jié)構(gòu)豎直上方向。根據(jù)對擋墻結(jié)構(gòu)與船閘上閘首分析，面板部分是閘首重要承重結(jié)構(gòu)，而扶壁、踵板是擋墻結(jié)構(gòu)的重要組成部分，因而本文重點探討擋墻結(jié)構(gòu)的三特征部位靜力特征與設(shè)計方案關(guān)系。

3 擋墻設(shè)計參數(shù)與靜力特征關(guān)系

3.1 應(yīng)力特征

圖1為計算獲得的擋墻結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力變化特征。分析拉應(yīng)力變化趨勢可知，不同部位拉應(yīng)力隨設(shè)計參數(shù)變化并不一致，面板與扶壁結(jié)構(gòu)上拉應(yīng)力為先減后增變化，且全過程中擋墻結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力最大位于面板部位，其最大拉應(yīng)力分布為1.70～4.69 MPa，而扶壁、踵板部位上拉應(yīng)力比之降低了17.8%～34.7%、53.5%～78.6%。在各設(shè)計方案中，扶壁與面板部位上最大拉應(yīng)力最低點均指向厚度0.7 m方案，分別為1.16 MPa、1.70 MPa，以該節(jié)點前、后區(qū)間方案分別為遞減、遞增態(tài)勢，扶壁厚度0.8 m、1 m方案下面板最大拉應(yīng)力較前者分別增大了50%和1.96倍，隨厚度每增大0.1 m，該區(qū)間內(nèi)方案下面板拉應(yīng)力平均增幅為37.3%，而在厚度0.4～0.7 m區(qū)間方案中的平均降幅為28.1%。扶壁部位拉應(yīng)力與面板上有所類似，其在厚度0.4～0.7 m與0.7～1.0 m區(qū)間內(nèi)各方案中拉應(yīng)力分別平均降幅32.3%與增幅43.7%。分析認(rèn)為，擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)重點注意拉應(yīng)力較大區(qū)域，易造成結(jié)構(gòu)出現(xiàn)張拉破壞，特別是在扶壁部位與貝雷梁鋼平臺相焊接，故而扶壁部位應(yīng)選擇一個拉應(yīng)力較低的方案。相比前兩部位，作為與船閘上閘首承重墩同一標(biāo)高的踵板部位，其最大拉應(yīng)力全方案中均穩(wěn)定在1 MPa，方案間最大波幅不超過1.5%，即踵板部位受擋墻扶壁厚度參數(shù)影響敏感度較低。綜合分析可知，扶壁厚度參數(shù)應(yīng)以擋墻面板、扶壁部位拉應(yīng)力受影響為關(guān)切要點，確保滄江重建船閘的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖1 擋墻各部位最大拉應(yīng)力特征

圖2 擋墻各部位最大壓應(yīng)力特征

圖2為各方案中結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力表現(xiàn)特征。根據(jù)圖中壓應(yīng)力變化特征，可知擋墻結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力最大位于踵板部位，分布為15.3～27.0 MPa，該部位壓應(yīng)力主要來源于結(jié)構(gòu)自重，表明擋墻結(jié)構(gòu)在船閘重建工程中應(yīng)力最大發(fā)生來源仍為結(jié)構(gòu)自重。當(dāng)扶壁厚度參數(shù)增大后，擋墻結(jié)構(gòu)的踵板、面板、扶壁三個部位上壓應(yīng)力均呈遞增變化，但增幅在厚度方案0.7 m后出現(xiàn)放緩態(tài)勢。面板部位在厚度0.5 m、0.7 m方案中壓應(yīng)力較0.4 m下分別增長了25.2%、64.7%，但厚度0.8 m、1.0 m方案下壓應(yīng)力與0.7 m間的增幅均低于1.0%，面板壓應(yīng)力在全過程中平均增幅為9.2%，但在厚度0.4～0.7 m方案間平均增幅達(dá)18.2%，而厚度0.7～1.0 m區(qū)間內(nèi)平均增幅僅為0.19%，表明面板部位壓應(yīng)力實質(zhì)上在扶壁厚度0.4～0.7 m區(qū)間內(nèi)即已逐步達(dá)到“飽和”壓應(yīng)力狀態(tài)，后再增大扶壁厚度，對結(jié)構(gòu)預(yù)壓應(yīng)力效果的增長較弱[2]。踵板、扶壁兩部位也是類似，全方案中壓應(yīng)力平均增幅分別為10.4%、8.4%，而在厚度0.4～0.7 m方案間平均增幅為20.4%、16.7%，當(dāng)厚度超過0.7 m后，平均增幅分別僅為0.36%、0.16%。從增幅態(tài)勢也可看出，三個部位中壓應(yīng)力受扶壁厚度參數(shù)影響最為敏感屬踵板，而扶壁部位受影響敏感最弱。從船閘擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化來看，應(yīng)控制扶壁厚度在0.7 m以內(nèi)，而結(jié)合拉應(yīng)力影響特征，本文認(rèn)為扶壁厚度0.7 m時應(yīng)力狀態(tài)最佳[3]。

3.2 位移特征

圖3 擋墻各向位移特征

位移特征是反映擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性與安全性的重要指標(biāo)，依據(jù)不同扶壁厚度參數(shù)設(shè)計方案下仿真計算，獲得擋墻結(jié)構(gòu)各向最大位移值隨厚度參數(shù)變化特征，如圖3所示。從圖中可以看出，三向最大位移值隨扶壁厚度參數(shù)均為遞減變化，相似性較高，但位移最高仍為Z向，各方案中分布為6.57～13.87 mm，而X、Y向最大位移較之分別減少了47.9%～63.6%、28.1%～38.7%。當(dāng)扶壁厚度參數(shù)增大后，厚度0.6 m、0.8 m、1.0 m 方案中X向最大位移較厚度0.4 m下分別減少了56.00%、64.30%、64.31%，平均厚度每增大0.1 m可導(dǎo)致X向最大位移減少14.4%。另一方面，與壓應(yīng)力受影響變化有所類似，X向位移同樣在厚度0.7 m后呈現(xiàn)“停滯”穩(wěn)定狀態(tài)，為2.57 mm 左右，而在厚度0.4～0.7 m方案間X向位移平均降幅可達(dá)27.9%，在厚度0.7 m后方案間最大降幅僅為2.4%。另兩向位移與之有所類似，均是在厚度0.7 m后出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，分別穩(wěn)定在4.68 mm、6.57 mm，而在厚度0.4～0.7 m方案間平均降幅分別達(dá)21.1%、21.7%，分別占各自位移中降幅的98.6%、98.8%。由此可知，扶壁厚度參數(shù)增大后，結(jié)構(gòu)抗拉特性增強，受張拉應(yīng)力產(chǎn)生的微裂隙減少，反映在位移特征值上降低，但扶壁厚度的影響能力受有限的，僅局限在厚度0.7 m以內(nèi)。根據(jù)靜力場特征表現(xiàn)，應(yīng)力與位移特征均指向扶壁厚度參數(shù)0.7 m時對擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計最優(yōu)，有助于船閘上閘首的施工穩(wěn)定性。

4 擋墻設(shè)計參數(shù)與閘首水沙關(guān)系

閘首水沙特征反映了重建水利樞紐水力特征，本文采用Fluent滲流場模型研究了不同擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計下閘首各斷面上泥沙淤積狀態(tài)，圖4為模擬重建后船閘閘首運營300 d后泥沙淤積厚度變化。

圖4 泥沙淤積厚度變化特征

根據(jù)圖4中泥沙淤積厚度變化可知，泥沙淤積厚度與扶壁厚度為負(fù)相關(guān)關(guān)系。研究區(qū)斷面全長為6 m，泥沙淤積厚度在各斷面上呈現(xiàn)波幅最大的屬厚度0.4 m方案，該方案下全斷面泥沙淤積平均厚度為65.43 cm，而隨斷面每變化0.5 m引起的最大波幅達(dá)12.3%，斷面上淤積厚度最大、最小分別為70.43 cm、60.34 cm。在厚度0.5 m方案中也是如此，其淤積厚度最大波幅可達(dá)11.9%，而厚度最高、最低間差幅達(dá)16.8%，不利于閘首控流穩(wěn)定性[4-5]。當(dāng)扶壁厚度參數(shù)增大至0.9 m、1.0 m后，隨整體上泥沙淤積厚度有所減小，斷面上淤積厚度平均值分別為36.77 cm、28.18 cm，相比厚度0.5 m下分別減少了43.8%、56.9%。但不可忽視此兩方案斷面上泥沙淤積厚度的穩(wěn)定性僅限于上游或下游，如厚度0.9 m中泥沙淤積厚度在斷面0～3.0 m上穩(wěn)定為36.7 cm，而在斷面3.0～6.0 m上出現(xiàn)顯著波幅，最大波幅達(dá)12.4%；同樣在厚度1.0 m方案中，其泥沙淤積厚度在斷面3.5～6.0 m間穩(wěn)定在26.45 cm，而超過該斷面后即出現(xiàn)“失穩(wěn)”現(xiàn)象。各方案中泥沙淤積厚度穩(wěn)定性較佳屬厚度0.6～0.8 m方案，此三方案中淤積厚度分別穩(wěn)定在48.62 cm、46.90 cm、43.39 cm，三個方案間受扶壁厚度參數(shù)影響下的水沙演化差異性較小，適宜于船閘閘首工程。結(jié)合水沙特征與靜力特征，筆者認(rèn)為扶壁厚度0.7 m是最優(yōu)方案。

5 結(jié) 論

(1)面板與扶壁結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力隨扶壁厚度參數(shù)為先減后增變化，以厚度0.7 m為各方案中拉應(yīng)力最低，踵板拉應(yīng)力穩(wěn)定在1 MPa；各部位壓應(yīng)力與扶壁設(shè)計參數(shù)具有正相關(guān)，但均在厚度0.7 m后達(dá)到壓應(yīng)力穩(wěn)定。

(2)各向位移隨厚度參數(shù)為遞減，在厚度0.7 m 方案后達(dá)到停滯穩(wěn)定狀態(tài)，在厚度0.4～0.7 m 區(qū)間各方案中，X、Y、Z向位移分別平均減少27.9%、21.1%、21.7%，而厚度超過0.7 m后分別穩(wěn)定在2.57 mm、4.68 mm、6.57 mm。

(3)扶壁厚度參數(shù)過大或過小，均會引起閘首泥沙淤積厚度非穩(wěn)定現(xiàn)象，且厚度愈大，則淤積厚度愈低，以扶壁厚度0.6～0.8 m三方案中泥沙淤積最穩(wěn)定，分別為48.62 cm、46.90 cm、43.39 cm，有利于閘首控流排沙。

(4)綜合靜力場特征與泥沙淤積特征，認(rèn)為扶壁厚度0.7 m時更適宜擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計。