高效防洪閘施工技術(shù)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

張 侃

(北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 102299)

0 引 言

在水電工程施工中,往往受環(huán)境等因素的制約,加之施工條件不完備,施工技術(shù)多樣,如果忽視安全管理,容易造成施工過程出現(xiàn)安全隱患。水工建筑物中,閘門負(fù)責(zé)關(guān)閉和調(diào)節(jié)孔口,是一種可活動式結(jié)構(gòu)。新閘防洪控制工程是水利工程中的基礎(chǔ)性工程,其建設(shè)周期長,投資大,建設(shè)難度大,因此必須依靠科學(xué)、合理的施工手段[1]。防洪工程中,防洪閘門是一種常見的基礎(chǔ)設(shè)施,其主要功能是控水、防洪。防洪閘是一種可開可關(guān)的大型水閘,一般設(shè)于江河、水庫、河道等水域的出水口。水位上漲時,控制門被關(guān)閉,防止洪水流向下游;水位降低時,開啟洪水閘門,使水順利流向下游[2]。防洪閘門的基本原理就是通過對水位高低進(jìn)行控制,以實(shí)現(xiàn)對洪水的有效控制[3]。地震時,可能造成水閘的損壞,導(dǎo)致其無法正常運(yùn)行,甚至產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞,進(jìn)而引發(fā)次生水災(zāi)等連鎖反應(yīng)[4]。

因此,本文采用有限元技術(shù),通過模擬結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng),有效評估和優(yōu)化加固設(shè)計。研究旨在提供詳盡的結(jié)構(gòu)分析,為改善抗震性能提供準(zhǔn)確的工程解決方案,為防洪閘的安全提供更全面、更準(zhǔn)確的保障措施。

1 高效防洪閘施工技術(shù)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1.1 工程概況

面對不斷變化的氣候和地球環(huán)境,研究和發(fā)展高效防洪閘成為防洪工程領(lǐng)域的關(guān)鍵任務(wù)之一。本次研究選擇北京市順義區(qū)潮白河右堤與北減河相交處的某工程開敞式防洪閘為研究對象,防洪閘的主要作用是控制水位、防止洪水并調(diào)節(jié)水流,在上游河段發(fā)生20年一遇以上洪水時,會降下閘門,以避免河道內(nèi)的水倒流至城北。為了確保城市的防洪安全,在河道水位低于20年一遇洪水位的情況下,必須打開防洪閘。以上布置不僅可以阻止河水倒流,還能保證城市的洪水不受阻礙地排放。

該開敞式防洪閘共有6個開孔,每個開孔寬6m,相鄰兩個閘墩之間設(shè)置伸縮縫,因此兩個孔為一組,共3組。圖1為開敞式防洪閘布置圖。

圖1 開敞式防洪閘布置圖

圖1中,閘室底板和門頂標(biāo)高分別為27.00、32.00m。從底板最低處至啟閉室的最高點(diǎn)為17.5m,上下游的墻頂均為33.30 m。上游平面與一條河流相連,在下游進(jìn)行深1m的落水口后,與下游一條26.00m的河段相連接,該工程總長度108.5m。順河方向的閘門底板寬12m,底板1.5m。該閘門為平板型,高5m,厚0.8m,閘室結(jié)構(gòu)材質(zhì)為C25。新閘緊靠開敞攔洪閘門南面,毗鄰側(cè)孔閘室,并聯(lián)設(shè)置,滿足上下游水面連通的要求,新閘單寬6m,采用平底板結(jié)構(gòu),上游最高水位29.5m,下游最高水位29.2m,通航最低水位28.65m,下游為28.2m,上下游水位相差0.3～1.3m。

通過區(qū)域地質(zhì)數(shù)據(jù)分析,該地區(qū)下第三系紅黏土和紅綠泥相間的砂礫層,第四系松散堆積體主要為砂卵石、粉土和黏質(zhì)土。場區(qū)10口井所揭露的地層都是近代沖積物,又有第四紀(jì)沖積物,主要分布在河道及洪泛區(qū)。經(jīng)地質(zhì)調(diào)查,該工程環(huán)境類型分為兩類,當(dāng)抗震設(shè)防烈度為VII度時,存在基礎(chǔ)液化問題。為了應(yīng)對該情況,工程采用換填砂礫料的地基處理方法。

1.2 基于靜力有限元計算的閘室結(jié)構(gòu)分析方法

閘室結(jié)構(gòu)的靜力有限元計算方法,用于分析和評估閘室在靜態(tài)條件下的結(jié)構(gòu)行為5-6]。研究根據(jù)防洪閘的結(jié)構(gòu)特征,采用ADINA有限元技術(shù),構(gòu)建閘室結(jié)構(gòu)三維水動力計算模型,并對其進(jìn)行數(shù)值模擬。地基高度為閘室總高2倍,上下游延伸寬度為閘室寬度1倍,兩邊間距為閘室寬度1.5倍,有限元模型包含120 492個節(jié)點(diǎn)和94 310個六面體單元?？紤]開閉機(jī)房等細(xì)節(jié),對閘室的各部位進(jìn)行劃分。圖2為閘室結(jié)構(gòu)各混凝土構(gòu)件。

圖2 閘室整體結(jié)構(gòu)有限元模型

開放式防洪閘門的主要作用是防止河道內(nèi)的河水倒流和滯蓄,因此研究將數(shù)值模擬計算劃分為4種工況。工況1為正常蓄水位時,閘前與閘后水深分別為29.50、29.20m;工況2為設(shè)計水位,閘前與閘后水深分別為29.602、29.40m;工況3為校核水位,閘前與閘后水深分別為31.106、30.90m;工況4為反向擋水位,閘前與閘后水深分別為29.50、31.784m。在進(jìn)行有限元數(shù)值模擬時,對混凝土采用線彈性本構(gòu)模型[7],同時為了更好地反映鋼筋在混凝土中的功能,提出將等效的彈性模量作為混凝土的彈性模量。在線彈性過程中,鋼筋和混凝土是協(xié)調(diào)變形的。等效彈性模量原則如下:

式中:Ec為素混凝土彈性模量,GPa;Es為鋼筋彈性模量,GPa;As、A分別為鋼筋和混凝土的橫截面積,m2。

靜水壓力主要作用于閘室結(jié)構(gòu)的前部和后部、底板的頂面、閘墩的側(cè)面和鋼閘的前后。閘室內(nèi)部及閘墩兩側(cè)的靜水壓均呈三角形分布,且隨著深度的增加而增大,方向垂向作用面。閘門上壁所受的靜水壓是隨著深度增加而增加的階梯形,且方向垂向作用面。靜水壓的計算公式如下:

q=γwhw

(2)

式中:γw為水的容重,kN/m3;hw為水的深度,m。

在計算中,采用最不利荷載方式,將河道內(nèi)的泥沙視為渾水,不再單獨(dú)計算淤沙壓力。閘基滲流屬于有壓滲流,在研究閘基滲流時一般作為平面問題考慮,使用改進(jìn)阻力系數(shù)法進(jìn)行計算[8-10]。在水閘設(shè)計中,風(fēng)荷載的確定涉及結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力,研究根據(jù)相關(guān)規(guī)定確定[11-12]。在風(fēng)荷載的計算中,穩(wěn)定風(fēng)壓是指建筑物表面上靜態(tài)風(fēng)力作用的壓力分布,研究將該系數(shù)的取值定為1.3,基本風(fēng)壓w0取值0.4kN/m2[13-14]。風(fēng)載荷的計算如下:

wk=βzμsμzw0

(3)

式中:βz為高度處風(fēng)荷載引起的振動系數(shù);μz為高度修正系數(shù);μs為結(jié)構(gòu)形狀系數(shù)。

1.3 防洪閘的施工及閘室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

使用閘室與地基構(gòu)成的整體三維有限元模型,分析閘室底板的動力響應(yīng)量。在動力響應(yīng)研究中,通常會考慮地震加載、結(jié)構(gòu)的固有振動頻率、阻尼特性等幾個方面。研究通過引入無質(zhì)量基礎(chǔ),在充分考慮閘門前后水體對閘室結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的基礎(chǔ)上,利用結(jié)構(gòu)振動特性分析法,分析閘室結(jié)構(gòu)的振動特性。在進(jìn)行水工建筑物的動力分析時,混凝土材料的彈性模量通常需要根據(jù)具體的工程情況來確定。對于混凝土而言,在不同的應(yīng)力、應(yīng)變和載荷頻率下,其彈性模量可能會有所變化。由于閘墩為偏心受壓構(gòu)件,所以從安全性的角度來看,閘墩在最不利狀態(tài)下應(yīng)按純彎構(gòu)件考慮。圖3為單位長度閘墩截面的配筋簡圖。

圖3 單位長度閘墩截面的配筋簡圖

在圖3中,在正常工作條件下,閘室在啟閉室的排架立柱上出現(xiàn)顯著的壓應(yīng)力區(qū)。其中,最大值出現(xiàn)在啟閉機(jī)房至閘墩連接處,達(dá)到44.28MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計時所考慮的C25混凝土抗壓強(qiáng)度,因此不能滿足抗震要求,需進(jìn)行相應(yīng)抗震加固處理措施。閘室上方啟閉室排架立柱在地震作用下,在各轉(zhuǎn)角附近產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力區(qū),這是由振型分解反應(yīng)譜方法得到。在地震作用下,這些部位會產(chǎn)生貫穿裂紋,對啟閉室的安全性造成威脅。

因此,研究以這一地區(qū)為研究對象,采取相應(yīng)的加固措施。在不改動既有結(jié)構(gòu)形式的前提下,考慮閘室上部啟閉機(jī)房的特性以及為增加其結(jié)構(gòu)整體剛度,研究提出3種抗震加固方案,并以多種方式與消能減震裝置結(jié)合,以提高結(jié)構(gòu)的耗能能力,進(jìn)而提升結(jié)構(gòu)整體的抗震能力。

方案一的具體措施是在防洪閘室上部結(jié)構(gòu)中,特別是在二層排架立柱的跨中點(diǎn)進(jìn)行加固。方案二包括在防洪閘室上部結(jié)構(gòu),尤其是在啟閉機(jī)房一層排架立柱中的跨中點(diǎn)。方案三計劃加固防洪閘室上部結(jié)構(gòu),利用有限元分析評估結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,增加支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性,采用抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以及采取抗洪材料和防護(hù)措施。研究采用時程分析法,比較不同加固方案在純動荷載下閘室結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在面對Ⅷ級地震時,動力計算方法顯示閘室上方啟閉機(jī)排架柱轉(zhuǎn)角部位承受的應(yīng)力超出抗震安全要求。為了解決該問題,首先對啟閉機(jī)房制定多種不同的抗震加固方案,然后利用時程分析法,評估加固后的閘室結(jié)構(gòu)在地震條件下的抗震性能。本次工程計算所采用的材料參數(shù)見表1。

表1 閘室結(jié)構(gòu)混凝土材料參數(shù)

為了對方案一防洪閘結(jié)構(gòu)的加固抗震效果進(jìn)行分析,將未加固方案與方案一特征點(diǎn)A處的位移時程以及特征點(diǎn)B處應(yīng)力時程進(jìn)行對比,結(jié)果見圖4。

圖4 未加固方案與方案一特征點(diǎn)A處的位移時程以及特征點(diǎn)B處應(yīng)力時程

由圖4(a)與圖4(b)可知,與未加固方案相比,在特征A處橫河流向最大位移增加12.06%,順河流向位移增加11.19%。這主要是由于在不改變一層結(jié)構(gòu)剛度情況下,增大了啟閉室二層結(jié)構(gòu)剛度,提高了啟閉室的整體動力響應(yīng)。由圖4(c)與圖4(d)可知,加固后,特征點(diǎn)B的第一主應(yīng)力增加32.431%,第三主應(yīng)力增加11.202%。其主要原因是加固引起的“鞭梢效應(yīng)”,導(dǎo)致整體動態(tài)響應(yīng)增加?？赡苁怯捎诩庸探Y(jié)構(gòu)剛度增加,在地震時導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。

圖5為未加固方案與方案二特征點(diǎn)A處的位移時程以及特征點(diǎn)B處應(yīng)力時程的對比結(jié)果。

圖5 未加固方案與方案二特征點(diǎn)A處的位移時程以及特征點(diǎn)B處應(yīng)力時程

由圖5(a)和圖5(b)可知,與未加固方案相比,特征點(diǎn)A的橫向位移最大減少37.33%,順河流方向的最大位移減少38.01%。這主要是由于啟閉機(jī)房一層結(jié)構(gòu)剛度得到提高,而啟閉室結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移反應(yīng)明顯減小。由圖5(c)與圖5(d)可知,與未加固方案相比,節(jié)點(diǎn)B處第一主應(yīng)力下降71.63%,第三主應(yīng)力最大下降66.78%。這是由于啟閉機(jī)房一層結(jié)構(gòu)在地震荷載下的受力性能得到明顯改善,從而大大降低啟閉室的受力。

圖6為未加固方案與方案三特征點(diǎn)A處的位移時程以及特征點(diǎn)B處應(yīng)力時程的對比結(jié)果。

圖6 未加固方案與方案三特征點(diǎn)A處的位移時程以及特征點(diǎn)B處應(yīng)力時程

由圖6(a)與圖6(b)可知,與未加固方案相比,特征點(diǎn)A的橫向位移最大減少49.87%,順河道的最大變形量減少46.12%。與加固方案一相比,方案三在提高啟閉室二層結(jié)構(gòu)質(zhì)量的同時,也使一、二層結(jié)構(gòu)的剛度得到提高,從而大大降低啟閉室結(jié)構(gòu)在地震荷載下的位移反應(yīng)。由圖6(c)與圖6(d)可知,與未加固方案相比,特征點(diǎn)B的第一主應(yīng)力下降70.96%,第三主應(yīng)力下降71.50%。這是由于啟閉機(jī)房一、二層結(jié)構(gòu)剛度得到提高,從而大大降低啟閉室結(jié)構(gòu)在地震作用下的應(yīng)力反應(yīng)。

圖7為不同方案的位移與應(yīng)力結(jié)果對比情況。

圖7 不同方案的位移與應(yīng)力結(jié)果對比

由圖7(a)與圖7(b)可知,橫河方向特征點(diǎn)A的最大位移在方案一增加12.06%,方案二減小37.33%,方案三減小49.90%;順河方向特征點(diǎn)A的最大位移在方案一增加11.20%,在方案二和方案三中分別減小38.011%和46.121%。這些變化分析有助于評估抗震加固方案對結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的影響,為選擇最佳方案提供指導(dǎo)。方案二中,在特征點(diǎn)A的位置,橫、順兩個方向的位移分別減小20.01%和13.07%。以特征點(diǎn)B處第一主應(yīng)力最大值為例,與未加固方案相比,方案一提高32.43%,而方案二、方案三分別減少71.63%、70.96%。在特征點(diǎn)B的最大主應(yīng)力下,方案一提高11.20%,方案二、方案三分別減少66.78%和71.50%。與方案二相比,方案三的第一、第三主應(yīng)力分別下降5.78%和14.16%。

綜上可知,方案一提高了啟閉機(jī)房二層結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量,但未調(diào)整一層結(jié)構(gòu)剛度,導(dǎo)致地震時整體動力響應(yīng)增加。相比之下,方案二和方案三通過強(qiáng)化啟閉機(jī)室一層結(jié)構(gòu)剛度,顯著減小了整體動力響應(yīng),表明結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整的重要性。但方案三相較于方案二的效果較差,且經(jīng)濟(jì)成本更高。

3 結(jié) 論

為了提高某開敞式防洪閘工程的防洪閘抗震加固性能,本文提出了基于ADINA有限元軟件,建立了三維有限元計算模型,同時提出了3種不同的防洪閘結(jié)構(gòu)抗震加固方案,并對其進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,與未加固方案相比,方案二的特征點(diǎn)A橫向位移最大減少37.33%,順河流方向的最大位移減少38.01%;方案二的節(jié)點(diǎn)B處第一主應(yīng)力下降71.63%,第三主應(yīng)力最大下降66.78%。相較于方案一和方案三,方案二能夠明顯減小啟閉機(jī)房結(jié)構(gòu)的整體動力響應(yīng),并能更好地節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本,因此將方案二作為本次防洪閘的結(jié)構(gòu)加固方案。