基于仿真計算的響水引水閘預應力閘墩錨固洞尺寸參數分析研究

蔣禮瑜

(江蘇省通榆河薔薇河送清水管理處灌河響水地涵管理所，江蘇 響水 224600)

為提升地區水資源供給能力，許多城市都建有引水工程，而該類引水設施大都會建設引水閘水工結構，而閘墩作為水閘重要組成部分，必須重視其結構設計[1-2]。目前，許多水利工程師考慮采用預應力錨索等設施對閘墩進行設計修建，增強結構安全穩定性，但另一方面錨索的長期運營與錨固洞有關，因而研究錨固洞設計方案對推動水工設計水平具有重要意義[3-4]。目前已有諸多學者基于室內水工模型試驗研究了預應力錨固設施的水工結構工程破壞特性，為工程實際應用提供重要參考[5-7]。基于仿真計算，可對水工結構靜力、動力等問題開展分析[8-9]，為探討工程結構最佳設計提供重要研究手段。本文將基于仿真計算手段，對預應力閘墩水利工程中錨固洞設計參數開展對比研究，為水利設計提供重要數值參考。

1 工程概況

響水引水閘為通榆河北延送水工程的引水建筑物，而送水工程主要面向響水縣城生活用水與工業用水，可提供水量超過200萬m3，另枯水季可為農業灌區輸送較大水量，保證農業用水項目缺水率不致過高。而本文研究對象響水引水閘為雙孔式設計，每孔凈寬8.0 m，閘室總寬76.5 m，閘頂高程729.5 m，閘室長15.0 m；另在閘頂建設有現澆式交通橋，寬度為5.0 m，橋面高程為732.8 m，通行水流調控設施為一平面弧型鋼閘門，直徑約為3.2 m，采用液壓式啟閉機作為控制設備，精確調度閘門開度，確保通行流量滿足下游農業灌區內輸水干渠要求，渠首流量設計為0.58 m3/s。引水閘承重結構為預應力閘墩，墩厚4.1 m，設計以預應力錨索作為錨固結構，上、下游共預設4排錨固洞，對稱布置，每個錨固洞可承受拉力2700 kN，另還設置有輔助錨索，三排間隔式分布在主錨固洞框架內，可張拉噸位超過2000 kN。錨索結構平面布置如圖1所示。

圖1 錨索結構平面布置圖(單位：mm)

根據工程地質調查分析得知，表面覆蓋土層為第四系人工填土層，厚度約為1.5 m，超挖土層采用素混凝土回填，保障基礎較高承載力。本文將基于上述工程地質資料分析基礎上，以預應力錨索所在錨固洞尺寸設計參數為研究對象，分析不同錨固洞體型對閘墩結構穩定性影響。

2 預應力閘墩錨固洞分析

2.1 模型建立與研究工況

本文以梯形截面體型(A方案)、等邊三角形外接圓截面體型(B方案)、心形截面體型(C方案)、三圓弧截面體型(D方案)開展分析，各方案均以工程中預應力錨索實際尺寸設計，四種方案錨固洞設計體型截面示意圖如圖2所示。基于響水引水閘墩幾何設計圖，利用數值仿真軟件建立預應力錨閘墩計算模型，如圖3(a)所示，另確定錨固洞不同特征剖面，以此開展計算分析，特征剖面如圖3(b)所示。為準確評價不同工況下閘墩錨固洞安全穩定性，設計以水閘完建期(工況一)與上游正常蓄水位期(工況二)開展研究。

圖2 錨固洞設計體型截面示意圖(單位：mm)

圖3 預應力閘墩數值模型及錨固洞剖面位置

2.2 不同截面體型計算結果

基于仿真計算獲得錨固洞不同截面體型計算結果，圖4為四種體型設計方案下最大拉應力變化特征曲線，從圖中可看出，各工況下A～D錨固洞體型設計方案中最大拉應力均呈逐漸下降態勢；在錨固洞頂面位置，D方案在工況一最大拉應力為3.1 MPa，而A方案同工況下相比前者增大了54.8%，此種現象不僅在洞頂面是如此，在底面及下游面的兩工況中均是一致，下游面中D方案工況二最大拉應力相比A、B方案分別降低了51.9%、50.0%；分析表明，四種錨固洞截面體型與下游水平面夾角分別為74°、60°、45°、0°，四種體型構造與下游面關系如圖5所示；當錨固洞截面體型與下游面夾角愈小，錨固洞實際承載面積愈大，可進一步削弱閘墩結構受力水平，進而達到限制拉應力集中的作用，結構拉應力水平故保持較低。對比兩個工況中拉應力最大值表現可知，洞頂面以工況一為最大，而在底面與上、下游面中兩工況對比態勢逆轉性變化，洞底面中C方案的兩工況最大拉應力相差24.4%，從兩工況最大拉應力結果對比可知，水閘上游蓄水后，較大的靜水壓力會對閘墩底面、下游面產生顯著影響，但由于預應力閘墩錨固洞頂部還處于水面線上，此時預應力錨索還處于張拉狀態，故而其拉應力以工況一為最大。

圖4 不同截面體型最大拉應力變化特征

圖5 四種體型構造與下游面關系圖

圖6為梯形、三圓弧截面體型頂、底面特征剖面上拉應力特征對比。從圖中可知，工況一中頂面特征剖面拉應力高于底面，而工況二則相反；以梯形截面體型為例，在工況一10-10特征剖面上拉應力為4.8 MPa，而底面同工況同剖面下相比前者降低了4.2%，當同樣對比情況發生在工況二中時，后者相比前者增大了41.0%；此種現象在三圓弧截面中亦是如此；筆者分析工況一結構頂部張拉預應力引起其拉應力高于底部，而在工況二中，預應力已被鎖定，且增加有閘門推力以及水壓力等，故而拉應力態勢發生逆轉變化。

圖6 頂、底面特征剖面上應力特征對比

對比上、下游面上的特征剖面拉應力可知(圖7)，下游面14-14剖面在工況一、二中拉應力恒定，分別為2.8 MPa、2.5 MPa，上游面上13-13特征剖面中受壓顯著，而在下游面中以拉應力為主，15-15特征剖面中下游面的拉應力較高；分析是由于下游承載斜面傾角較大，實際承載面積較小，造成拉應力過大。

圖7 上、下游面特征剖面上應力特征對比

2.3 改良三圓弧截面體型尺寸參數分析

從錨固洞拉應力計算結果來看，以D方案三圓弧為最佳，但該種體型截面設計施工較困難，但整體上來看，當錨固洞截面體型為曲線型，比傳統直線形梯形等截面體型要更較安全，因而本文研究認為鑒于上游面拉應力與體型并無顯著一致性關系，因而將截面上游弧線更改成鉛直面，如圖8所示，但上游鉛直面布設位置需通過不同方案開展對比研究，本文設置上游鉛直面距離下游斜面距離分別為2.0 m(1#方案)、2.5 m(2#方案)、3.0 m(3#方案)、3.5 m(4#方案)、4.0 m(5#方案)、4.5 m(6#方案)。

圖8 改良三圓弧截面幾何圖(單位：m)

圖9為改良設計方案下錨固洞各特征部位最大拉應力特征，從圖中可看出，頂、底面以及上游面最大拉應力與鉛直面位置距離為負相關，但下游面最大拉應力不受鉛直面設計參數影響，其工況一、二最大拉應力分別穩定在2.8 MPa、2.5 MPa；當鉛直面與下游面距離愈大，則結構受拉程度愈低，以改良截面體型后的上游面為例分析，工況二中當設定上游鉛直面距下游面2.0 m時，最大拉應力可達1.1 MPa，而體型尺寸參數更改為4.5 m時，該工況下最大拉應力僅為0.1 MPa，結構受力形式主要為受壓；分析表明，當錨固洞采用三圓弧改良截面體型后，鉛直面與下游面距離愈大，則錨固洞口上游面范圍愈廣，結構材料應力分布愈均勻，發生拉應力集中可能性愈低，故而錨固洞上游面逐漸趨于受壓為主導作用，甚至在無蓄水壓力下，即工況一中上游面不存在受拉區域，受壓為主要形式，其最大壓應力為6#方案，達1.9 MPa。綜合結構整體應力特征表現來看，改良后體型截面應用在錨固洞中，可顯著降低結構受拉破壞危險，而結構所受最大壓應力亦遠遠低于材料允許強度值。

圖9 改良三圓弧截面體型方案應力特征與鉛直面設計參數關系

3 結 論

針對響水引水閘預應力閘墩錨固洞體型尺寸設計參數開展計算分析，研究了不同截面體型錨固洞應力特征，并提出改良三圓弧截面體型，主要有如下結論：

(1)研究了錨固洞截面體型與下游面夾角愈小，限制拉應力愈強，截面上最大拉應力愈小，下游面中D方案工況三的最大拉應力相比A、B方案分別降低了51.9%、50.0%；錨固洞底面、下游面工況三最大拉應力高于工況一，而洞頂面與前兩者相反。

(2)工況一中以頂面特征剖面拉應力高于底面，而工況二相反，錨固洞底面工況二10-10剖面上拉應力相比頂面增大了41.0%；下游面14-14剖面在工況一、二中拉應力恒定，分別為2.8 MPa、2.5 MPa，13-13剖面在上游面受壓為主，15-15剖面中下游面拉應力高于上游面。

(3)研究了改良三圓弧截面體型設計方案，上游弧線以鉛直面代替，而鉛直面與下游面距離愈大，發生拉應力集中可能性愈低，拉應力愈小，且結構逐漸以受壓為主，鉛直面與下游距離4.5 m時的最大拉應力相比2.0 m時減少了91%；截面下游面應力特征與鉛直面設計參數無影響關系，兩工況下最大拉應力分別恒定為2.8 MPa、2.5 MPa。