張 巍 朱瀟瀟 陳冬冬

(淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005)

1 引 言

水利工程中堤壩水閘水利設施對防洪、調度水資源具有重要作用，確保水閘類水利設施運營的安全性，是促進地區(qū)水利安全的重要舉措之一[1]。中順大圍是中山市重要防洪排澇樞紐工程，所涉及的水利設施眾多，其中水利設施的檢修及除險加固尤為重要[2]。重多學者借助物理模型理論，設計水工模型試驗，通過研究水利模型在失穩(wěn)、潰壩等破壞過程中的相關數(shù)據(jù)，為實際工程設計、加固處理等提供重要指導[3-5]。當然，一些水利工程建設過程中，已在某些特征部位埋設有特定的監(jiān)測傳感器，通過工程運營過程中相應的數(shù)據(jù)監(jiān)測及分析，可及時預判水利工程運營可靠性，亦可為其他工程水利參數(shù)比較設計提供參考[6-8]。此外，對水利設施的安全運營應未雨綢繆，對一些運營年限較長的水工建筑開展模擬仿真分析，在仿真軟件中演練設計方案的合理性，可為后續(xù)的水工結構加固、性能提升等提供重要數(shù)據(jù)支持[9-11]。本文針對中順大圍東河水閘防洪性能提升問題，模擬設計結構加固方案，并就方案開展結構設計參數(shù)優(yōu)化分析，為東河水閘后續(xù)運營能力提升、安全加固提供重要數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 中順大圍東河水閘工程概況

中順大圍干堤東起中山市火炬開發(fā)區(qū)東河口，西至順德區(qū)均安鎮(zhèn)，南至中山市神灣鎮(zhèn)磨刀門出?？?，東南面與五桂山山脈相連，1953—1957年，當?shù)厝罕姲言瓉淼男靽?、均安圍?00多個小圍聯(lián)網(wǎng)修筑而成大圍。大圍干堤總長119.106km，分東西兩段，以順德區(qū)均安鎮(zhèn)金沙灘為界，東干堤長52.744km，堤頂設計高程從樁號0+000的8.85m至樁號52+740的4.81m，西干堤長66.362km，堤頂設計高程從樁號0+000 的8.85m至樁號66+360的5.10m，設計外坡比1∶3，內坡比1∶2.5，設計堤面寬6～8m，堤頂路面已全部混凝土硬化，可全天候通行汽車。2009年底，大堤工程完成城鄉(xiāng)水利防災減災達標工程建設，達到防御50年一遇洪水標準，屬2級堤防工程，堤頂設計高程按50年一遇洪水位加堤頂超高2m設防。在中順大圍防洪干堤樞紐工程中共有2座重要大型水閘，發(fā)揮著水資源調度、防洪蓄水等重要作用，東河水閘即為其中之一。東河水閘位于岐江河東端與橫門水道交界處，與東河泵站、東河船閘組成東河水利樞紐工程，于1998年建設完成，共10孔，單孔凈寬15m，總凈寬150m，閘頂高程5m，徑高10.2m，設計內、外江水位分別為0.5m、2.97m，最大過閘流量1020m3/s，是外江低潮位時中順大圍圍內主要的排澇工程之一，將澇水排向橫門水道。東河水閘乃是中順大圍防洪干堤東線工程中重要樞紐設施之一，其安全運營對東線干堤防洪的作用不言而喻，特別是在2019年和2020年夏天臺風災害愈演愈烈，強降雨導致了城市內澇等自然災害頻發(fā)，而該水閘受限于建設年代較早，運營時間較長，泄洪、排澇、調度水資源等作用大打折扣，對東線干堤整體防洪帶來較大壓力。為此，考慮對東河水閘樞紐工程進行加固，以提升中順大圍整體防洪能力，但由于目前東河水閘還處于較為安全運營狀態(tài)，因而本次加固設計主要是進行“先遣式”研究，對比相關設計參數(shù)，進而為東河水閘后續(xù)加固設計施工提供重要參考作用。

工程設計部門對中順大圍防洪干堤水工設施調研后提出，東河水閘加固設計應重點放在閘墩結構，由于排澇、蓄水等工況影響，閘墩結構受到較為顯著的動水壓力和閘室結構自重等荷載。東河水閘所在工程場地以河流淤積土為主，表面覆蓋土層含水量大，土工測試表明最優(yōu)含水量為21%；現(xiàn)場鉆孔獲取的基巖層為片麻巖，混雜有砂巖與砂礫石等巖體，處于微風化狀態(tài)，適合增設預應力錨索等加固結構。

3 東河水閘預應力錨索加固結構模擬分析

3.1 模擬工況

根據(jù)對中順大圍中線干堤東河水閘的分析，考慮對該水閘閘墩結構增設預應力錨索設施，以此提升水閘排澇效率，進而提升區(qū)域內防洪性能。通過對水閘運營荷載以及閘墩截面受力狀態(tài)的分析，預應力錨索設計成主、次錨索分布，參照水閘錨固結構通用標準，主錨索設計張拉噸位為2800kN，預應力錨索截面布設狀態(tài)見圖1。主錨索設計上、下排結構，兩排主錨索間距為240mm，而各排錨索由3根加固處理后的張拉鋼筋組成，共有4根主錨索確保錨索預應力張拉有效。次錨索與主錨索垂直相交，雙層布設，層間距為120mm，本次模擬設計中確定的參數(shù)主要為主錨索超載噸位與張拉噸位，次錨索張拉噸位和墊板厚度參數(shù)也是模擬分析的設計參數(shù)。由于預應力錨索與閘墩的連接方式為整體式，設墊板作為荷載傳遞載體，墊板平面圖見圖2，其厚度參數(shù)設計差異性會影響錨索與閘墩結構的拉、壓應力變化，因而研究墊板厚度參數(shù)對優(yōu)化設計具有重要意義。

圖1 預應力錨索截面布設圖

圖2 墊板平面圖

借助ABAQUS數(shù)值計算軟件建立加固后的東線干堤壩上東河水閘模型，見圖3。該模型采用三角形與四邊形單元體進行網(wǎng)格劃分，共獲得微單元368216個，節(jié)點數(shù)328220個，干堤上、下游均設定為自由邊界，上游洪水位為4.5m，洪水流量為115m3/s，均以閘門單側開啟作為研究工況，該工況下包括閘室自重、水壓力、閘門推力、揚程壓力及錨索預應力等荷載。為準確對東河水閘閘墩進行模擬，對其中增設的預應力錨索的重要部位進行提取，獲得閘墩、錨塊體的計算模型，見圖4，并在圖中閘墩模型處標注出包括錨塊、錨固洞等特征部位所在區(qū)域。加固后水閘模型計算過程中，以東線干堤壩所在右岸方向為X正向，下游水流方向為Y正向，順高度向上為Z正向[12]，在預定的幾何模型中按照計算方案輸入設計參數(shù)，計算獲得相應的拉、壓應力特征后更改研究的設計參數(shù)，獲得改變參數(shù)后方案的應力特征，全過程中保持工況與邊界荷載條件一致。

圖3 東線干堤壩上東河水閘模型

圖4 預應力錨索重要部位計算模型

3.2 次錨索張拉噸位參數(shù)設計

由于東河水閘模擬設計中主錨索設計噸位已被確定，拉錨系數(shù)取值為2，因而次錨索張拉噸位設計參數(shù)重點關注，根據(jù)次錨索張拉噸位與主錨索張拉噸位關系，本次優(yōu)化方案設計次錨索張拉噸位為1400kN(A方案)、1600kN(B方案)、1800kN(C方案)、2000kN(D方案)、2200kN(E方案)，各方案中除次錨索張拉噸位不一致，其他設計參數(shù)均保持一致，各方案設計參數(shù)見表1。

表1 各方案加固結構設計參數(shù)

根據(jù)模擬工況下計算獲得加固結構特征部位處最大拉應力與次錨索張拉噸位關系，并給出最大拉應力變化特征，見圖5。從圖5中可看出，東河水閘加固結構最大拉應力均處于錨塊體上，在次錨索張拉噸位為1600kN時閘墩結構最大拉應力為2.21MPa，在錨塊體下游面上，而與此同時在閘墩肩部和錨固洞截面上的最大拉應力相比前者分別降低了31.2%、57%，各特征部位上的差異性規(guī)律在其他張拉方案中亦是如此。分析認為，若采用預應力錨索對東河水閘樞紐工程進行加固設計，此時結構體系中受到最大張拉破壞威脅的是錨塊體，其聚集了結構體系中較大的拉應力，雖然最大拉應力并未超過材料安全允許區(qū)間，但需重點關注防護。對比最大拉應力與次錨索張拉噸位關系可知，錨塊體上最大拉應力隨張拉噸位變化并無波動，各方案均穩(wěn)定在2.2MPa，而受波動影響最大的是錨固洞，其最大拉應力隨張拉噸位變化呈遞減態(tài)勢，張拉噸位為1400kN時錨固洞截面最大拉應力為1.08MPa，而張拉噸位增大至1800kN和2200kN后，相應的最大拉應力相比前者分別降低了23.7%、38.2%，計算張拉噸位增長幅度與最大拉應力遞減幅度可知，當張拉噸位增大200kN時，錨固洞截面上最大拉應力的最大降幅為13.4%，而平均可降低幅度為11.3%，表明張拉噸位設計參數(shù)大，可限制錨固洞上拉應力發(fā)展，對錨固洞安全穩(wěn)定性具有促進作用。閘墩肩部最大拉應力波動幅度較小，最大波動幅度僅為0.8%，表明閘墩肩部拉應力對張拉噸位影響的敏感度弱于錨固洞截面。

圖5 張拉噸位影響下最大拉應力變化特征

拉應力可體現(xiàn)東河水閘模擬設計過程中結構安全穩(wěn)定性，而壓應力可體現(xiàn)結果運營過程中閘墩結構與預應力錨索間的應力傳遞效果，為此，給出模擬設計中水閘閘墩特征部位最大壓應力與張拉噸位關系，見圖6。從圖6最大壓應力變化特征可知，模擬設計的閘墩結構最大壓應力隨張拉噸位變化較穩(wěn)定，無顯著波動性，最大壓應力仍位于錨塊體，各設計方案中最大壓應力均保持一致，為18.6MPa，而閘墩肩部與錨固洞截面上的最大壓應力分別穩(wěn)定在9.5MPa、7.2MPa，閘墩肩部處最大壓應力變化幅度最大僅為1.5%。綜上分析，次錨索張拉噸位對水閘閘墩最大壓應力影響較小，可忽略其對加固結構影響，而結合拉、壓應力表現(xiàn)認為張拉噸位取2200kN是東河水閘加固的最優(yōu)方案。

圖6 張拉噸位影響下最大壓應力變化特征

4 加固結構參數(shù)設計分析

墊板作為閘墩與預應力錨索間重要傳遞載體，其厚度參數(shù)優(yōu)化設計對比方案分別設定為30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm，墊板截面尺寸均為45cm×45cm，錨索其他設計參數(shù)均保持一致，對上述模擬設計方案開展對比分析。

圖7為東河水閘加固結構特征部位最大拉應力與墊板厚度參數(shù)間關系曲線。從圖7可知，除閘墩肩部外，錨固洞截面與錨塊體最大拉應力均隨墊板厚度增加而遞增，在墊板厚度為30mm時，錨塊最大拉應力為2.63MPa，而墊板厚度為50mm、70mm、80mm時的最大拉應力是前者的1.13倍、1.33倍、1.56倍，從拉應力增長幅度可知，墊板厚度為30～60mm，厚度每增長10mm，錨固最大拉應力可增大6.3%，而在厚度為60～80mm，相同條件下的最大拉應力增長幅度為14.1%，表明錨塊最大拉應力隨墊板厚度的增長幅度為越來越大，錨固洞處變化趨勢亦是如此，墊板厚度為30～60mm與60～80mm，厚度每增長10mm，分別可影響最大拉應力5%、19.2%的增長。另一方面，閘墩肩部最大拉應力受墊板厚度抑制顯著，兩者具有顯著線性負相關關系，墊板厚度為50mm、80mm時的肩部部位處最大拉應力相比厚度30mm時降低了13.1%、25.4%，墊板厚度設計參數(shù)越大，越有利于閘墩肩部處應力安全。

圖7 墊板厚度影響下最大拉應力變化特征

圖8為墊板厚度參數(shù)影響下加固結構最大壓應力變化特征。從圖8可知，加固結構最大壓應力均隨墊板厚度增加而遞增，墊板厚度為50mm、80mm時的錨固洞截面部位處最大壓應力相比厚度30mm時增大了9%、17.7%，即東河水閘采用墊板作為傳遞應力載體后，其壓應力表現(xiàn)狀態(tài)良好，對水閘在低于動水壓力時具有較好的“抵抗”作用。從不同墊板厚度方案結果可知，在60mm后再增加厚度，最大壓應力的增長變緩，厚度80mm時錨塊最大壓應力相比厚度70mm時僅增長了1.3%，表明厚度參數(shù)取值在合理區(qū)間即可。綜上對比分析，考慮工程經(jīng)濟設計因素，不能一味地增大墊板厚度，對于東河水閘模擬設計工況中來說，墊板厚度參數(shù)取值為60mm為較佳方案。

圖8 墊板厚度影響下最大壓應力變化特征

5 結 語

針對中順大圍干堤東線工程中東河水閘防洪穩(wěn)定性能提升問題，設計對其進行模擬加固分析，對加固設計結構參數(shù)進行優(yōu)化，主要得到以下幾點結論：

a.次錨索張拉噸位方案優(yōu)化中，結構最大拉應力均位于錨塊部位，應對其進行重點設計防護；錨塊與肩部處最大拉應力受張拉噸位影響較小，各設計方案下均分別穩(wěn)定在2.2MPa、1.5MPa，錨固洞截面最大拉應力受張拉噸位影響較顯著，且呈遞減態(tài)勢，張拉噸位增大200kN時，平均降幅為11.3%。

b.閘墩加固結構最大壓應力受張拉噸位影響較小，最大壓應力出現(xiàn)在錨塊上，各方案中錨塊最大壓應力均穩(wěn)定在18.6MPa；而加固結構最大壓應力均隨墊板厚度增加而遞增，厚度60mm后最大壓應力增長幅度減小。

c.錨固結構上最大拉應力隨墊板厚度增加而遞增，墊板厚度為30～60mm、60～80mm時，厚度每增長10mm，錨固最大拉應力分別增大6.3%、14.1%；結構肩部處最大拉應力受墊板厚度設計參數(shù)抑制顯著，且兩者具有線性負相關關系。

d.綜合工程設計安全可靠性與經(jīng)濟性，張拉噸位為2200kN、墊板厚度參數(shù)為60mm時為模擬設計工況中的最優(yōu)方案。