范吉星

(廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340)

水工建筑設(shè)計(jì)水平?jīng)Q定了結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性，但并不僅僅局限于影響結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性[1-2]，對(duì)動(dòng)力響應(yīng)水平、甚至對(duì)流場(chǎng)都具有較大影響[3-4]，故而研究水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)靜力場(chǎng)、滲流場(chǎng)綜合影響很有必要，特別是設(shè)計(jì)方案優(yōu)化分析過程中，更應(yīng)綜合考慮兩場(chǎng)影響特性。一些專家與學(xué)者利用水工運(yùn)營與模型試驗(yàn)關(guān)聯(lián)性，根據(jù)模型試驗(yàn)理論設(shè)計(jì)開展了不同方案下的水工模型試驗(yàn)對(duì)比，基于試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)水工方案的利弊性，其結(jié)果主要依賴于流場(chǎng)的對(duì)比[5-6]。劉菊蓮[7]、龐敏敏[8]利用了流場(chǎng)模擬平臺(tái)開展了水工結(jié)構(gòu)的滲流場(chǎng)分析，通過研究流場(chǎng)的壓強(qiáng)、水位及流速等參數(shù)變化，分析水工設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化性及改進(jìn)方向，為工程建設(shè)提供計(jì)算依據(jù)。楊微等[9]、楊鎮(zhèn)全[10]、杜錦宇等[11]基于ANSYS、ABAQUS、Midas GTS等數(shù)值模擬平臺(tái)，建立了水利計(jì)算模型，疊加不同荷載計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移的量值變化與分布特征，從而探討結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與靜力運(yùn)營安全性關(guān)系。綜合考慮，水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合靜力場(chǎng)與流場(chǎng)影響，本文在高安水庫溢洪道擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)背景下，利用仿真計(jì)算手段開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)“兩場(chǎng)”的影響分析，為工程設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)提供參考。

1 工程概況

高安水庫是贛江水系錦河支流上重要的水利樞紐設(shè)施，其在錦河支流上控制贛江中下游水系，承擔(dān)著區(qū)域內(nèi)防洪排澇、蓄水調(diào)度、發(fā)電等水利功能。該水利樞紐工程包括蓄水庫、多階級(jí)溢洪道、引水工程、大泄洪閘及防洪主壩，全樞紐工程可直接控制流域面積超過31 km2，正常運(yùn)營期可滿足地區(qū)超過0.17萬hm2農(nóng)田灌溉。由于高安上游水庫運(yùn)營年限較長，部分水利設(shè)施出現(xiàn)滲漏及運(yùn)營效率降低的現(xiàn)象，因而管理部門考慮對(duì)該水利樞紐工程開展加固改造，計(jì)劃擴(kuò)建上游蓄水庫總庫容超過2200萬m3，采用水下清淤方式沉降浮沙，確保水庫原有正常蓄水位58.0 m增加至62.5 m。另一方面，防洪主壩也相應(yīng)升級(jí)，設(shè)計(jì)防浪墻與防滲面板，在局部區(qū)段增設(shè)瀝青心墻體，厚度控制在30～75 cm，且心墻率適配于現(xiàn)有主壩運(yùn)營參數(shù)，確保增設(shè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件與現(xiàn)有運(yùn)營設(shè)施安全過渡。加固后主壩最大壩高為69.8 m，平均壩高為64.7 m，并為運(yùn)營監(jiān)測(cè)方便在所有增設(shè)結(jié)構(gòu)體中均安裝監(jiān)測(cè)傳感器，對(duì)壩身內(nèi)滲流場(chǎng)及上、下游岸坡壓強(qiáng)開展監(jiān)測(cè)，確保主壩防洪安全性。溢洪道在原有多階級(jí)基礎(chǔ)上開展階梯式溢流面改造，降低水力勢(shì)能對(duì)下游水工建筑消耗，原有溢洪道斷面全長為20 m，溢洪道剖面長度增大28%，且增長區(qū)域集中在溢流面段，采用多階梯式設(shè)計(jì)，每個(gè)階梯高為0.38 m，最大程度削弱泄洪帶來的水力沖刷勢(shì)能影響。同時(shí)，溢洪道不僅加長斷面距離，且在溢洪道下游增設(shè)消能池，在原有明渠泄流基礎(chǔ)上增設(shè)有坎高為0.55～0.75 m 的消能坎，多層次減少水力勢(shì)能。由于溢洪道運(yùn)營期內(nèi)水力勢(shì)能對(duì)周邊下游的引水設(shè)施、泄流設(shè)施具有較大影響，因而考慮在溢洪道突逸點(diǎn)設(shè)置擋墻設(shè)施與支臂式控流閘門。該類型閘門計(jì)劃在溢洪道、泄洪閘等高安水庫重點(diǎn)控流區(qū)域采用，配備有雙支臂系統(tǒng)，橫、縱連系梁在面板上具有穩(wěn)固作用，每根橫梁均采用型鋼制成。目前，閘門設(shè)計(jì)參數(shù)已在泄洪閘中得到較好實(shí)際應(yīng)用，但擋墻的設(shè)計(jì)參數(shù)還有待優(yōu)化，特別是擋墻結(jié)構(gòu)的面板、扶壁等尺寸參數(shù)。因而，針對(duì)性解決溢洪道擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析乃是工程設(shè)計(jì)水平進(jìn)一步提升的重點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)模擬

為構(gòu)建擋墻結(jié)構(gòu)模型，本文在簡(jiǎn)化相關(guān)水工建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用COMSOL有限元仿真平臺(tái)建立擋墻幾何模型[12]。該幾何模型沿溢洪道建立，采用工程地基實(shí)際巖土層參數(shù)。該模型在研究之初已設(shè)定扶壁厚度為0.8 m，且扶壁厚度設(shè)計(jì)參數(shù)的差異性不影響面板迎水側(cè)滲流特征。本文各研究方案在確保結(jié)構(gòu)其他參數(shù)一致前提下，重點(diǎn)探討面板厚度參數(shù)最優(yōu)性，設(shè)定擋墻面板厚度分別為0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m，方案的設(shè)定是在考慮扶壁厚度與面板厚度之間0.5～2.0倍關(guān)系基礎(chǔ)上。

基于擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，采用COMSOL有限元平臺(tái)對(duì)扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以三面體為微單元，共獲得132 682個(gè)網(wǎng)格單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)146 826個(gè)。劃分后的擋墻單元模型可導(dǎo)入至FLUENT滲流場(chǎng)仿真平臺(tái)中開展流場(chǎng)計(jì)算，流場(chǎng)斷面計(jì)算距離控制在與溢流面距離相當(dāng)?shù)膿鯄嗝鎱^(qū)域。

研究該擋墻結(jié)構(gòu)面板厚度參數(shù)不僅僅需要考慮結(jié)構(gòu)靜力場(chǎng)穩(wěn)定性，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變引起的流場(chǎng)變化也必須重視，因而本文針對(duì)靜力場(chǎng)穩(wěn)定性計(jì)算主要疊加結(jié)構(gòu)自重、水壓力，不考慮動(dòng)水壓力影響，按照上游水庫正常蓄水位計(jì)算擋墻迎水側(cè)水壓力參數(shù)。該模型的頂部設(shè)定為零約束條件，但底板的存在必須設(shè)定底部為法向約束。在該模型中X、Y、Z三個(gè)正方向均與COMSOL幾何模型中一致，即分別為下游消能設(shè)施水流向、橫水流右岸向及自重應(yīng)力方向。由于扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，以擋墻重要部位為分析重點(diǎn)，包括擋墻結(jié)構(gòu)的扶壁構(gòu)件、面板及踵板部位，各部位所在如圖1所示?；谏鲜鲋攸c(diǎn)部位的靜力場(chǎng)穩(wěn)定性及面板迎水側(cè)流場(chǎng)特征，評(píng)價(jià)面板結(jié)構(gòu)厚度最優(yōu)參數(shù)。

圖1 擋墻結(jié)構(gòu)重要部位

3 擋墻結(jié)構(gòu)特征與靜力場(chǎng)關(guān)系

3.1 應(yīng)力特征

基于對(duì)各面板厚度參數(shù)方案開展結(jié)構(gòu)靜力場(chǎng)計(jì)算，獲得擋墻各重要部位最大拉應(yīng)力與面板厚度參數(shù)關(guān)系，如圖2所示。從圖中可觀察得知，擋墻最大拉應(yīng)力位于踵板處，其在各方案中分布為1.48～6.60 MPa，而面板、扶壁部位最大拉應(yīng)力相比前者分別減少了34.2%～48.5%、19.2%～83.5%，分析表明不論面板厚度參數(shù)如何變化，擋墻結(jié)構(gòu)上張拉應(yīng)力集中區(qū)域以踵板為主，該部位處的抗拉效果應(yīng)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)注重點(diǎn)。另一方面，當(dāng)面板厚度參數(shù)增大，踵板、面板上拉應(yīng)力均隨之遞減，但降低趨勢(shì)在面板厚度1.2 m后出現(xiàn)減緩特征，以面板厚度0.4 m為例，該方案下踵板最大拉應(yīng)力為4.34 MPa，而厚度為0.8 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m方案下拉應(yīng)力相比之分別減少了56.0%、78.8%、79.6%、79.7%；從降幅區(qū)間來看，在面板厚度0.4～1.2 m方案區(qū)間內(nèi)，當(dāng)厚度增大0.2 m，踵板最大拉應(yīng)力平均可減少30.3%，但設(shè)計(jì)參數(shù)超過該方案邊界值后，其拉應(yīng)力降幅較低，平均降幅僅為2.2%；從結(jié)構(gòu)重要部位拉應(yīng)力表現(xiàn)可知，控制面板厚度設(shè)計(jì)參數(shù)位于合理區(qū)間即可，過大的面板厚度不利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)“性價(jià)比”的科學(xué)性[13]。此種現(xiàn)象在面板部位上也是如此，當(dāng)面板厚度位于0.4～1.2 m方案區(qū)間內(nèi)時(shí)，隨各方案間厚度0.2 m增長，面板上最大拉應(yīng)力平均降幅為28.8%，最大降幅超過33.4%，而厚度超過1.2 m設(shè)計(jì)值后，其最大拉應(yīng)力平均僅減少2.6%。與前兩者部位有所不同的是，扶壁最大拉應(yīng)力在各方案中均處于較穩(wěn)定狀態(tài)，維持在0.7 MPa左右，各方案間最大變幅僅為1.2%，厚度0.4～0.6 m兩方案間，即扶壁拉應(yīng)力分布狀態(tài)受面板厚度設(shè)計(jì)參數(shù)影響較小。綜合各部位拉應(yīng)力表現(xiàn)可知，選擇面板厚度最適參數(shù)即可，而在厚度1.2 m時(shí)滿足結(jié)構(gòu)最優(yōu)“性價(jià)比”。

圖2 隨設(shè)計(jì)參數(shù)最大拉應(yīng)力變化特征

同理，根據(jù)靜力場(chǎng)穩(wěn)定性計(jì)算，可獲得結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力隨方案參數(shù)變化特征，如圖3。分析圖中變化特征可知，結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力最大位于踵板，各方案中最大壓應(yīng)力分布為10.3～19.1 MPa。不同于各部位拉應(yīng)力的差異變化特性，壓應(yīng)力隨面板設(shè)計(jì)參數(shù)均為先增后減變化，厚度1.2 m方案下壓應(yīng)力為各部位最大，此方案下?lián)鯄Y(jié)構(gòu)預(yù)壓效果最好，對(duì)拉應(yīng)力的“擴(kuò)散”效應(yīng)最佳。面板厚度設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)各部位壓應(yīng)力影響可分為遞增與抑制區(qū)間，分別為0.4～1.2 m與1.2～1.6 m方案區(qū)間，在前一方案區(qū)間內(nèi)，隨方案間厚度0.2 m增長，踵板、扶壁及面板部位最大壓應(yīng)力分別平均可增長16.7%、17.0%、21.6%，而在后一區(qū)間內(nèi)，各部位的壓應(yīng)力平均降低10.1%、14.3%、10.6%。從結(jié)構(gòu)預(yù)壓效果及承拉應(yīng)力重分布來看，控制面板厚度位于遞增區(qū)間更為適配，而拉應(yīng)力分析指出的厚度1.2 m方案正與壓應(yīng)力表現(xiàn)結(jié)果一致，故從壓應(yīng)力表現(xiàn)也應(yīng)調(diào)整面板厚度為1.2 m。

圖3 隨設(shè)計(jì)參數(shù)最大壓應(yīng)力變化特征

3.2 位移特征

位移特征表現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靜力場(chǎng)長期安全穩(wěn)定性，依據(jù)仿真計(jì)算獲得了面板厚度參數(shù)與結(jié)構(gòu)各向位移變化特征，如圖4所示。依據(jù)圖中位移變化可知，Z向位移為最高，即結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力決定了結(jié)構(gòu)靜力場(chǎng)位移方向變化，Z向位移分布為4.94～14.52 mm，而X、Y向位移較之分別減少了30.9%～36.8%、46.8%～65.1%。當(dāng)面板厚度參數(shù)每增大0.2 m，X向位移在厚度1.2 m時(shí)為3.38 mm，而較之厚度0.4 m、0.8 m時(shí)分別減少了66.3%、29.7%，但厚度1.4 m、1.6 m時(shí)較之又分別增長了38.1%、87.5%，即在厚度1.2 m處結(jié)構(gòu)位移變化趨勢(shì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)變化。當(dāng)厚度為0.4～1.2 m區(qū)間內(nèi)時(shí)，X向位移隨之各方案平均減少23.4%，而在厚度1.2～1.6 m區(qū)間內(nèi)，卻平均遞增為36.9%。同樣的現(xiàn)象在Y、Z向位移中均是如此，在厚度0.4～1.2 m區(qū)間分別為平均遞減28.1%、36.7%，而在厚度1.2～1.6 m區(qū)間平均遞增39.8%、61.1%。不可忽視，三向位移中受面板厚度參數(shù)影響最為敏感屬Z向，因而其位移趨勢(shì)也是面板厚度設(shè)計(jì)重中之重[14]，從圖中數(shù)據(jù)變化可知，在應(yīng)力表現(xiàn)效果評(píng)價(jià)厚度1.2 m的最優(yōu)前提下，位移特征表現(xiàn)也是如此，該方案下適配性較高。

圖4 隨設(shè)計(jì)參數(shù)各向位移變化特征

4 擋墻結(jié)構(gòu)特征與滲流場(chǎng)關(guān)系

為分析擋墻面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)流場(chǎng)影響，本文以FLUENT流場(chǎng)模擬平臺(tái)計(jì)算獲得的區(qū)域流速參數(shù)變化特征為分析對(duì)象，由靜力穩(wěn)定性計(jì)算分析得知面板厚度1.2 m方案更為適配，故而流速參數(shù)計(jì)算重點(diǎn)驗(yàn)證該方案，如圖5所示。

從圖中各方案下區(qū)域內(nèi)流速參數(shù)變化可知，當(dāng)面板厚度參數(shù)愈大，對(duì)流速限制效果越好，在相同斷面5 m處面板厚度0.4 m的流速為1.37 m/s，而厚度增大至1.0 m、1.2 m、1.6 m后，該斷面處流速較之分別減少了37.5%、48.1%、72.0%；從平均流速來看，面板厚度0.4 m方案下全斷面上平均流速為1.37 m/s，而方案間厚度增大0.2 m，可導(dǎo)致斷面平均流速值損失24.4%。當(dāng)面板厚度愈大，對(duì)水流水力勢(shì)能削弱愈強(qiáng)，此時(shí)流速水平受約束降低，但流速過低，勢(shì)必會(huì)造成擋墻面板迎水側(cè)流域內(nèi)泥沙懸浮過多，含沙量較大，泥沙淤積導(dǎo)致?lián)鯄Φ装逅惶Ц撸焕诮Y(jié)構(gòu)運(yùn)營安全性。因而，確保流速位于科學(xué)合理狀態(tài)最佳[15-16]。從流速穩(wěn)定性來看，面板厚度過大或過小，均會(huì)造成局部斷面處流速波動(dòng)，特別是面板厚度較小時(shí)，如厚度0.4 m、0.8 m方案中，斷面流速波動(dòng)性較大，在此兩方案中斷面間最大波幅分別超過12.6%、10.1%，極易造成流場(chǎng)內(nèi)紊流、渦旋等現(xiàn)象。當(dāng)面板厚度在1.4 m、1.6 m較大值時(shí)，其斷面上流速集中在下游或上游出現(xiàn)局部的不穩(wěn)定現(xiàn)象，此與面板厚度過大，削弱了水流的邊界擴(kuò)張能力，導(dǎo)致流速出現(xiàn)不穩(wěn)定擴(kuò)展現(xiàn)象。從流場(chǎng)安全角度考慮，面板厚度1 m與1.2 m更為適配，但由于厚度1.2 m方案在結(jié)構(gòu)靜力場(chǎng)分析中更占技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因而確定面板厚度1.2 m較為科學(xué)。

圖5 各方案下斷面流速特征

5 結(jié) 論

(1)踵板處拉、壓應(yīng)力均為最大；隨方案參數(shù)變化，踵板與面板拉應(yīng)力在厚度0.4～1.2 m方案區(qū)間內(nèi)分別平均減少30.3%、28.8%，而在厚度1.2～1.6 m區(qū)間內(nèi)平均降幅僅為2.2%、2.6%，扶壁上拉應(yīng)力在各厚度參數(shù)方案中穩(wěn)定在0.7 MPa；最大壓應(yīng)力隨厚度參數(shù)均為先增后減變化，厚度1.2 m方案下各部位壓應(yīng)力最大。

(2)擋墻Z向位移最大；隨方案厚度增大0.2 m，在厚度0.4～1.2 m區(qū)間內(nèi)，X、Y、Z向位移分別平均減少23.4%、28.1%、36.7%，而在厚度1.2～1.6 m區(qū)間內(nèi)分別平均遞增36.9%、39.8%、61.1%，各向位移均以厚度1.2 m方案下最小。

(3)厚度參數(shù)愈大，愈可限制流速水平，厚度增大0.2 m，各方案的平均流速差幅為24.4%；厚度過大或過小，均會(huì)導(dǎo)致流速出現(xiàn)波動(dòng)，厚度0.4 m、0.8 m方案中斷面流速最大波幅分別超過12.6%、10.1%，厚度1.0 m與1.2 m方案下流速穩(wěn)定性最佳。

(4)綜合結(jié)構(gòu)靜力場(chǎng)與滲流場(chǎng)，認(rèn)為面板厚度1.2 m方案為最優(yōu)。