陳素明

(浙江省水利防汛技術(shù)中心，浙江 杭州 310014)

水工結(jié)構(gòu)中設(shè)計優(yōu)化可提升水利設(shè)施的安全運營水平，特別是病險水工建筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化很有必要，對提升水利安全性具有重要意義[1- 2]。研究水工結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計需要對不同設(shè)計參數(shù)的影響性開展分析，而優(yōu)化分析乃是評判最佳方案的重中之重。周望武[3]、邱海娟[4]、李鶴[5]等利用物理模型試驗，在室內(nèi)原型尺寸復(fù)制設(shè)計了水工建筑，研究了大壩、溢洪道、水閘等水工建筑在不同設(shè)計方案下滲流場、靜力場特征，為確定最優(yōu)方案提供了重要參照。當(dāng)然，物理模型試驗成本較高，因而退而求其次選擇一些精度較高的數(shù)據(jù)監(jiān)測亦是可行的，根據(jù)已有工程的宏、微觀數(shù)據(jù)監(jiān)測，分析工程運營監(jiān)測數(shù)據(jù)變化特征或規(guī)律[6- 7]，為擬建工程的設(shè)計備選提供參考。數(shù)據(jù)監(jiān)測分析耗時周期較長，不利于工程建設(shè)設(shè)計管理，因而利用模擬仿真具有高效性優(yōu)勢。利用Abaqus、ANSYS等仿真計算平臺，建立有限元模型，獲得不同水工建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的靜、動力場特征[8- 10]，分析設(shè)計參數(shù)與結(jié)構(gòu)安全性指標(biāo)間的聯(lián)系，進而評價工程最優(yōu)性方案。本文根據(jù)浙北聯(lián)圩樞紐工程西側(cè)干堤溢流閘門加固設(shè)計方案，設(shè)計開展了閘墩加固結(jié)構(gòu)體型最優(yōu)性計算分析，為西側(cè)干堤建設(shè)提供了依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程分析

浙北地區(qū)降雨量豐富，在汛期極易發(fā)生洪澇災(zāi)害，考慮在富春江上游支流地區(qū)建設(shè)防洪排澇聯(lián)圩樞紐工程，提升地區(qū)整體水利安全性。擬建聯(lián)圩工程設(shè)計有東、西兩側(cè)干堤，延伸長度超過4km，容納有多座中小型水閘，承擔(dān)著聯(lián)圩工程內(nèi)水位控制，各類水閘最大設(shè)計泄流量為1500m3/s。流經(jīng)河流含沙量最大為8.5kg/m3，水質(zhì)中COD等污染物含量較低，主要是由于上游水源來自浙北山區(qū)，水質(zhì)受污染程度較低。浙北干堤東側(cè)采用土石壩與混凝土壩作為主要結(jié)構(gòu)，借助已有水工建筑進行串聯(lián)形成防洪干堤，水利設(shè)施已基本處于安全運營狀態(tài)；西側(cè)干堤目前堤壩運營效率較低，部分水利設(shè)施運營年限較長，設(shè)計性能無法滿足安全要求，更重要的是西側(cè)干堤局部需要進行堤壩加固或重修，此乃浙北聯(lián)圩樞紐工程的重中之重。工程設(shè)計部門考慮，在K1+335～K1+980區(qū)段內(nèi)重修一混凝土堤壩，作為下游地區(qū)重要防洪中樞，設(shè)計壩頂高程為132.6m，壩底高程為100.5m，最大壩高為32.1m，滿足上游最大蓄水位131.5m要求。在西側(cè)干堤局部重修堤壩基礎(chǔ)上，另在重修混凝土壩與運營中的西側(cè)堆石壩臨界面處增設(shè)一溢流閘孔，以弧型鋼閘門作為過閘控制設(shè)施，滿足聯(lián)圩內(nèi)農(nóng)田生產(chǎn)用水灌溉以及排澇輸水等功能需求。該溢流閘孔即為西側(cè)中心溢流閘，其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。該溢流閘設(shè)置有直徑為1m的預(yù)應(yīng)力閘墩，閘門與堤頂配置有連接梁設(shè)施，采用連系梁作為加固支撐結(jié)構(gòu)，每根橫、縱連系梁截面尺寸為0.8m×0.8m，溢流堰頂高程與泄流水面線距離為1.2m左右，閘門結(jié)構(gòu)支撐力來自于背水側(cè)的壓桿與支臂梁結(jié)構(gòu)體系。水利部門調(diào)查得知，溢流閘應(yīng)力穩(wěn)定性需加強，初步計劃采用增大閘墩直徑方案以及閘墩平臺與堤頂交界處局部增設(shè)剛度方案兩項措施，為此，需探討溢流閘門加固設(shè)計方案的最優(yōu)設(shè)計。

圖1 西側(cè)干堤溢流閘門設(shè)計圖

1.2 工程建模

利用Abaqus仿真平臺結(jié)合溢流閘孔設(shè)計圖，建立溢流閘與堤壩整體有限元模型[11- 12]，如圖2所示，模型采用四邊體單元劃分網(wǎng)格單元后共獲得微單元體98288個，節(jié)點數(shù)78652個，模型材料參數(shù)均按照西側(cè)干堤實際取材計算，如主材料為C30混凝土，而閘門推動結(jié)構(gòu)為支鋼支臂，以鋼材物理力學(xué)參數(shù)代入計算。計算模型中外荷載包括結(jié)構(gòu)自重、水壓力以及閘門推力等作用力，其中水壓力包括上揚壓力與泥沙壓力等水流荷載。模型計算邊界包括河流上、下游100、200m，閘室底部為30m，在模型頂部設(shè)置有水平向自由度，而模型底部與兩側(cè)均為無自由度邊界條件，本文模型中X、Y、Z正向分別設(shè)定為順下游水流向、豎直向上、閘孔右岸向?；谏鲜鲅芯抗r開展不同閘墩體型與閘墩局部增設(shè)剛度方案開展仿真計算優(yōu)化分析，確定最優(yōu)方案。

圖2 溢流閘門整體模型

2 閘墩厚度對閘門應(yīng)力影響

閘墩作為溢流閘與堤壩重要支撐結(jié)構(gòu)，開展閘墩體型加固很有必要，設(shè)計加固閘墩厚度參數(shù)分別為1(不增加、A方案)、1.2(B方案)、1.4(C方案)、1.6(D方案)、1.8(E方案)、2m(F方案)，其他設(shè)計參數(shù)保持一致，計算閘墩厚度對溢流閘門應(yīng)力影響。

2.1 拉應(yīng)力特征

根據(jù)閘墩厚度設(shè)計方案開展溢流閘門應(yīng)力計算，獲得閘墩厚度參數(shù)與溢流閘門關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力變化關(guān)系，如圖3所示。從圖3中可知，溢流閘門最大拉應(yīng)力位于閘墩內(nèi)側(cè)面，在閘墩厚度1.4m時閘墩內(nèi)側(cè)面最大拉應(yīng)力為3.2MPa，而閘墩外側(cè)面、閘門與壩頂連接梁部位的最大拉應(yīng)力較前者分別降低了22.5%、52.5%；從整體各設(shè)計方案知閘墩內(nèi)側(cè)面最大拉應(yīng)力分布為2.18MPa～5.33MPa，而閘墩外側(cè)面及連接梁最大拉應(yīng)力較前者分別降低了19.3%～29.5%和51.6%～58.7%。從結(jié)構(gòu)加固角度考慮，應(yīng)重點考慮閘墩內(nèi)側(cè)面潛在張拉破壞，加密配筋，提升閘墩內(nèi)側(cè)面剛度[13- 14]。分析3個關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力隨閘墩厚度變化特征可知，兩者具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)閘墩厚度為1m時閘墩外側(cè)面最大拉應(yīng)力為4.3MPa，而厚度1.4、1.8、2m方案中最大拉應(yīng)力相比分別降低了42.3%、58.4%、59.5%，當(dāng)閘墩直徑增大0.2m時，閘墩外側(cè)面最大拉應(yīng)力平均降幅達15.9%，而閘墩內(nèi)側(cè)面與連接梁部位亦是如此，隨閘墩厚度每增大0.2m，最大拉應(yīng)力平均降幅分別可達15.7%、18.3%，即3個關(guān)鍵部位中以連接梁受閘墩厚度參數(shù)影響敏感度最大。具體分析溢流閘門關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力降幅可知，當(dāng)閘墩厚度為1～1.6m時，關(guān)鍵部位拉應(yīng)力降幅顯著高于厚度1.6m的方案，在厚度1～1.6m設(shè)計區(qū)間內(nèi)，閘墩內(nèi)、外側(cè)面、連接梁最大拉應(yīng)力隨厚度每增長0.2m，平均降幅分別為23.6%、24.4%、26.5%；而在厚度超過1.6m后，降幅顯著減小，拉應(yīng)力處于較平穩(wěn)，3個關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力平均降幅達3.6%、3.3%、6.1%。從結(jié)構(gòu)安全設(shè)計分析，閘墩厚度超過1.4m后，溢流閘門各部位中最大拉應(yīng)力并未超過3MPa，均滿足安全運營要求，而當(dāng)厚度超過1.6m后，增大閘墩直徑，對結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力抑制效應(yīng)有所減小，提升結(jié)構(gòu)安全性并不顯著，設(shè)計“性價比”有所降低。

圖3 關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力與閘墩厚度變化關(guān)系

2.2 壓應(yīng)力特征

結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計僅通過拉應(yīng)力特征來評判，具有片面性，因而本文計算出各設(shè)計方案中溢流閘門壓應(yīng)力變化特征，如圖4所示。

從圖4中可知，溢流閘門壓應(yīng)力最大亦是閘墩內(nèi)側(cè)面，當(dāng)閘墩厚度為1.2m時其最大壓應(yīng)力為11.26MPa，與之同時閘墩外側(cè)面、連接梁處最大壓應(yīng)力較前者分別減少了44.2%、52.1%，各設(shè)計方案中閘墩內(nèi)側(cè)面最大壓應(yīng)力為7.33 MPa～13.65MPa，而外側(cè)面、連接梁壓應(yīng)力相比之下分別減少了6.2%～54%、46%～55.3%。由此可知，閘墩內(nèi)側(cè)面不僅僅是受到張拉應(yīng)力集中顯著，其受壓狀態(tài)亦較為關(guān)鍵，在該部位處增大結(jié)構(gòu)剛度，有利于控制結(jié)構(gòu)應(yīng)力穩(wěn)定性。隨閘墩厚度增大，溢流閘門上閘墩內(nèi)側(cè)面、連接梁部位處的最大壓應(yīng)力隨之為先減后增變化，兩者均以閘墩厚度1.6m時為壓應(yīng)力最低方案，達7.33MPa、3.48MPa。當(dāng)閘墩厚度為1、1.4m時，閘墩內(nèi)側(cè)面上最大壓應(yīng)力較厚度1.6m方案分別增大了86.2%、27.6%；而厚度1.8、2m方案壓應(yīng)力相比最低方案也有29.9%、73%增幅。從閘墩厚度區(qū)間變化性考慮，當(dāng)閘墩厚度為1～1.6m時，對閘墩內(nèi)側(cè)面、連接梁部位壓應(yīng)力均為抑制效應(yīng)，每增長0.2m墩厚，兩部位壓應(yīng)力平均降低18.7%、17.4%；而在厚度1.6～2m區(qū)間，兩部位壓應(yīng)力為遞增變化，平均增幅分別為31.5%、40.3%。另一關(guān)鍵部位閘墩外側(cè)面最大壓應(yīng)力與前兩者有所不同，其在閘墩厚度1～1.6m區(qū)間內(nèi)時，最大壓應(yīng)力處于較穩(wěn)定狀態(tài)，為6.28MPa左右，無顯著波動，當(dāng)閘墩厚度超過1.6m后，外側(cè)面最大壓應(yīng)力有所增大，厚度1.8、2m方案中閘墩外側(cè)面最大壓應(yīng)力較前述穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)壓應(yīng)力值分別增大了42.2%、84.1%，表明閘墩厚度不應(yīng)過大，避免溢流閘門局部部位出現(xiàn)過大的壓應(yīng)力分布，影響整體結(jié)構(gòu)安全性[15- 16]。筆者認(rèn)為，閘墩厚度對結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力影響并不是一致性規(guī)律，而是具有階段性影響特征，對閘墩厚度影響壓應(yīng)力表現(xiàn)應(yīng)“一分為二”考慮，而對應(yīng)于結(jié)構(gòu)安全設(shè)計，可選擇影響變化轉(zhuǎn)折節(jié)點，本文溢流閘門模型中閘墩厚度1.6m即為臨界節(jié)點。

圖4 關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力與閘墩厚度變化關(guān)系

3 閘墩厚度對閘門位移影響

根據(jù)對溢流閘門閘墩厚度加固方案的仿真計算，可獲得閘門上位移特征，閘墩厚度1m(未加固)、厚度1.6m方案下閘墩內(nèi)、外側(cè)面Z向位移特征如圖5—6所示。

從圖5中可看出，閘墩內(nèi)側(cè)面位移負(fù)方向值集中在墩頂，筆者認(rèn)為張拉應(yīng)力亦是集中在該區(qū)域，位移方向指向閘室左岸，量值為2.27～2.94mm，其受閘門與壩頂連接梁處受力不均影響，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)負(fù)值位移，此為影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要根源。當(dāng)閘墩厚度為1.6m時，閘墩內(nèi)側(cè)面雖仍分布有張拉應(yīng)力，但指向左岸位移值限制較小，相比未加固時位移量值降低了11.6%～32.7%，達1.98～2.6mm。分析表明，溢流閘門產(chǎn)生張拉應(yīng)力根本來源于結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)面出現(xiàn)指向左岸負(fù)向位移，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部發(fā)生張拉應(yīng)力；而增大閘墩厚度后，結(jié)構(gòu)受力均勻性增強，位移值減小，因而產(chǎn)生的拉應(yīng)力亦較小。結(jié)合溢流閘門加固方案的應(yīng)力與位移特征，當(dāng)閘墩厚度為1.6m時，結(jié)構(gòu)安全性最穩(wěn)固，此即為適合于浙北聯(lián)圩樞紐工程西側(cè)干堤溢流閘加固的最優(yōu)設(shè)計方案。

圖5 閘墩Z向位移特征(閘墩厚度1m)

4 結(jié)論

(1)閘墩內(nèi)側(cè)面拉、壓應(yīng)力均為閘門上最大，各方案中閘墩外側(cè)面、連接梁最大拉應(yīng)力較前者降幅分別達19.3%～29.5%、51.6%～58.7%；關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力與閘墩厚度具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，但在厚度超過1.6m后降幅減小。

圖6 閘墩Z向位移特征(閘墩厚度1.6m)

(2)內(nèi)側(cè)面、連接梁最大壓應(yīng)力隨厚度為先減后增變化，以厚度1.6m時為最低，兩部位在厚度為1～1.6m中降幅為18.7%、17.4%，而厚度1.6～2m區(qū)間內(nèi)增幅31.5%、40.3%；外側(cè)面壓應(yīng)力在厚度低于1.6m時穩(wěn)定在6.28MPa，超過1.6m后遞增。

(3)內(nèi)側(cè)面拉應(yīng)力產(chǎn)生根源為內(nèi)側(cè)面墩頂發(fā)生負(fù)向Z位移，隨閘墩厚度增大，負(fù)向位移減小。

(4)綜合認(rèn)為閘墩厚度1.6m時為西側(cè)干堤溢流閘孔加固最佳方案。