靜動力荷載工況下水利樞紐工程中閘墩及錨索結構應力特征研究

張瑞霞

(呂梁市水利工程建筑總隊，山西 呂梁 033000)

1 概 述

水利工程面臨的工程環境差異性較大，變化的工程環境勢必會帶來不同的約束荷載工況，研究不同荷載工況下水工結構應力特征，為實際水工設計提供重要參考[1-3]。歷從實等[4]、周旭銳等[5]、馮新等[6]利用物理模型實驗，包括有振動臺或者靜力模型試驗等，研究了溢洪閘、大壩以及其他水利設施的安全狀態，為實際工程水利參數設計提供依據。盡管物理模型試驗結果較為可靠，但不可忽視模型試驗成本較高，計算效率較慢，因而一些專家與學者通過微震、現場傳感器監測等手段[7-9]，研究水利結構在實際運營工況中應力場或滲流場變化特征，及時預判工程失穩臨界狀態，一定程度豐富了水利工程設計的參考依據。數值仿真作為一種高效計算手段，能夠快速解決復雜工況下實際工程應力穩定性，指導工程實際運營[10-12]。本文根據水利樞紐工程中閘墩與錨索錨固洞實際工況，設計數值仿真計算，解決工程在靜、動力荷載工況下的應力特征解問題，為工程運營及除險加固設計提供參考。

2 工程概況

2.1 工程資料

某水電站乃是區域內重要水利樞紐設施，承擔著區域內蓄水、防洪、發電、豐水期與枯水期水資源調度的重要作用，水資源供應主要面向農業用水與工業用水，建設有長度為65 km的輸水渠道，水渠工程全長均采用格賓石籠作為襯砌形式，減少水流損耗，進而提升枯水期水資源灌溉效率的穩定性，工業用水主要通過水庫輸水隧洞設施傳送至泵站，進而調度至各個用水項目，該水庫年可供工業用水量超過50×104m3，隧洞渠首流量設計為0.6 m3/s。該水利工程設施包括有大壩、發電廠房、泄洪水閘、消能池水工設施等，其中壩體采用混凝土重力式設計形式，壩軸線全長258 m，壩頂高程581 m，上下游迎水側坡度均為1/2.5，設計正常蓄水位575 m，洪水位579.8 m，沖淤泥沙高程為494 m，場地基巖峰值加速度為0.25 g；壩體防滲系統采用厚60 cm防滲墻與止水面板，防滲墻插入基巖深度1.5 m，可減弱流體沖刷作用，其中止水面板鋪設至壩身，防滲效果較佳，壩身滲透坡降監測值不超過0.2；水電廠房全年可發電超過1 300×104kW·h，主要面向工業用電與生活用電；泄洪水閘采用預應力錨索作為錨固支護結構，設計有6根閘墩作為支撐結構，每根閘墩間距為2.2 m，按照主次預應力錨索分別在閘墩承重臺上下排分布，上排與下排各自錨索的間距為60 cm，上下排錨索之間距離為2.5 cm，次錨索間距為1 m，主錨索設計張拉應力為2 380 kN，次錨索為2 250 kN，錨索布置平面圖見圖1；設計有錨固洞作為錨索連接設施，與閘墩為整體式連接。以弧形鋼閘門作為流量啟閉通道，設計閘門直徑為3.6 m，圖2為該弧形鋼閘門平面示意圖，設計有液壓式啟閉機，精確控制閘門開度，確保水利資源運輸安全性。為提升該水利樞紐工程運營安全性，需對重點部位開展結構穩定性驗算，本文針對性解決水利樞紐工程中水閘預應力錨索在各運營工況下應力穩定性，為樞紐工程除險加固提供重要參考。

圖2 弧形鋼閘門平面示意圖

為確保錨索應力仿真計算準確性，對工程現場開展地質踏勘調查。該工程表面覆蓋有第四系種植土，松散性較大，顆粒粒徑以1 mm左右為主，磨圓度較差，厚度為0.3 m；在基巖層上覆存在有一層壤土，含砂量較大，承載力適中，輸水渠道襯砌結構持力層即為該土層，含水量較小，干燥狀態下滲透性較好；基巖層以弱風化花崗巖為主，室內測試單軸抗壓強度超過50 MPa，彈性模量為10 GPa，顆粒粒徑以粗顆粒為主，局部夾有破碎帶，層間厚度為1.6 m，裂隙亦主要發育在碎屑夾層中，測試含軟弱夾層的花崗巖試樣破壞形式主要在夾層處發生剪切破壞，錨索與錨固洞等水工結構設計之時已避開相關破壞性夾層處。

2.2 模型建立與約束荷載

根據該水利樞紐工程實際運營狀態，以其中閘室所在壩段為研究對象，采用ANSYS仿真計算平臺建立計算模型。為適應靜力荷載與動力荷載下工況計算，采用六面體單元作為模型網格單元，每個單元網格尺寸為0.5 m[13-14]，所建立的仿真模型見圖3，分別為閘墩所在區段壩體模型、閘墩模型、錨索連接設施錨塊模型，其中錨塊模型共獲得156 824個網格單元，節點數124 862個。模型應力方向設定為沿壩右軸線為X正向，沿下游水流方向為Y正向，沿高度向上為Z正向。

按照靜力工況與動荷載工況分別設置3個研究方案，其中A方案屬靜力工況，乃是上游水電站處于正常蓄水位期、閘門關閉狀態；B方案屬靜力工況，設計洪水位，雙孔閘門均開啟；C方案屬地震動荷載工況，閘門迎水側水位與A方案一致，但以地震動反應譜分解方法施加有地震動水壓力。其計算式見式(1)[15-16]：

(1)

式中：Pw為動水壓力；ρw為流體密度；αh為動水壓力系數；H0、h分別為水位高度與水面以上高度。

圖3 仿真計算模型

3 靜力工況下錨索應力分析

3.1 閘墩應力

經仿真計算獲得兩個靜力工況下閘墩應力分布特征，見圖4。從圖4中可看出，A方案閘墩X向以壓應力為主，且左右側閘門的應力分布具有對稱性，最大壓應力為4.5 MPa，最大壓應力主要出現在閘墩頸部，該區域中無顯著拉應力；B方案中該區域壓應力有一定增大，相比A方案最大壓應力增大55.6%，相比閘墩材料壓應力允許值，A方案、B方案兩靜力工況均處于受壓安全狀態。從主拉、壓應力分布特征可看出，A方案中最大拉應力位于閘墩底部與溢流段相交處，達0.9 MPa；B方案拉應力分布相比A方案下有一定增長態勢，其中最大拉應力相比后者增大33.3%，特別是在閘墩頸部出現有顯著拉應力。分析認為，設計洪水位下預應力錨索下的張拉預應力在靜水壓力下有所降低，進而無法進一步削弱閘墩頸部處拉應力發展。兩個方案的主壓應力分布無顯著變化，僅最大壓應力分布所處區域發生變化，A方案下最大壓應力位于閘墩底部，而B方案下最大拉應力處于閘墩頸部，其主要內因與高水位下閘室受到的靜水壓有關。

圖4 閘墩應力分布特征(由左至右分別為X向應力、主拉應力、主壓應力)

圖5為兩個工況中閘墩特征部位最大拉、壓應力變化特征。從圖5中可知，A方案中Y向拉應力以閘墩頂面為最大，達0.8 MPa，但在B方案中Y方向最大拉應力乃是以閘墩頸部為最大，達1 MPa；同樣的情況出現在Z向，A、B兩方案中在Z向的最大拉應力分別位于閘墩頂面、下游面，量值以B方案下最大，增長了1倍，表明閘墩各方向上最大拉應力分布受上游蓄水位影響會發生偏移，閘墩頂面、下游面、頸部等特征部位上應為重點加固。主壓應力中最大壓應力量值在5個特征部位中變化態勢均為一致，呈W形；張拉預應力對閘墩影響主要在閘墩頸部與閘墩頂面，A方案中閘墩頸部的主拉應力受張拉預應力保護，而最大拉應為0，B方案中該部位出現最大拉應力為1.1 MPa，同樣的現象出現在閘墩頂面。綜上可知，張拉預應力主要對閘墩特殊部位產生影響，水工設計時應對這類區域考慮威脅工況下的張拉破壞。

圖5 閘墩特征部位最大拉、壓應力變化特征

3.2 錨索應力

在計算獲得閘墩靜力工況下應力分布特征后，同樣獲得了錨索結構應力分布特征，圖6為錨索錨固洞典型應力分布特征。從圖6中可知，錨固洞上存在較多張拉應力，兩方案中錨固洞X向最大拉應力均為2 MPa，但在錨固洞主拉應力特征中以B方案拉應力最大，達4.2 MPa，而A方案中最大拉應力相比前者降低14.3%，最大拉應力出現部位主要集中于張拉預應力錨固區與錨固洞側面連接段，另在錨固洞頂、底面亦分布有較大拉應力分布，且部分區域的最大拉應力超過材料安全允許拉應力范圍；從錨固洞主壓應力分布特征來看，兩工況中最大壓應力值均為9.6 MPa，相比材料允許壓應力，處于較安全狀態。綜上表明，錨固洞局部區域易受張拉破壞，受壓應力滿足要求，應加強受彎鋼筋配置。

圖6 錨索結構應力分布特征(由左至右分別為X向應力、主拉應力、主壓應力)

圖7為兩工況中錨固洞特征部位最大拉、壓應力變化特征。從圖7中可看出，錨固洞頂、底面最大拉應力均以Y向為最大，A方案中頂面可達2.4 MPa，而B方案中相同方向相同部位的最大拉應力相比前者增大16.7%；在錨固洞下游面中各方向主要以受壓為主導，僅X向上存在有較大拉應力，且兩方案中下游面最大拉應力均為2 MPa；錨塊頂面、側面拉應力較小，即使在設計洪水位(B方案)中，最大拉應力僅為0.7 MPa，主要仍以受壓主導，特別是在錨塊側面，壓應力較大，兩方案中側面的最大壓應力均超過13 MPa。筆者認為，錨固洞作為錨索重要設施，其所存在的張拉預應力受水閘上游水位影響較小，仍以自身靜力荷載下結構受力狀態為主。

圖7 錨索結構特征部位最大拉、壓應力變化特征

4 地震動力工況下錨索應力分析

由于地震動力荷載下，水閘所受到地震動水壓力，閘墩以及錨索錨固洞等設施應力狀態會發生顯著變化，圖8為錨索及閘墩特征部位最大拉、壓應力變化特征曲線。從圖8中可知，閘墩底部拉應力乃是各特征部位中最大值，相比A方案下底部最大拉應力增大6.6倍；反之，與靜力工況下呈顯著差異的乃是閘墩頸部處最大拉應力顯著降低，該部位處最大拉應力相比B方案下反而降低45.5%，表面動荷載主要影響閘墩底面，并且逐漸傳輸至閘墩下游面等區域。錨固洞各特征部位中最大拉應力出現在下游面，最大拉應力可達6.8 MPa，且在錨固洞頂、底面均為張拉狀態，無壓應力分布，表明錨固洞頂、底面均已出現張拉破壞，地震動荷載在傳遞過程中首先導致錨固洞頂、底面破壞，進而傳輸至下游面，達到最大拉應力。錨固洞最大壓應力乃是錨塊側面，可達13.5 MPa，當地震動荷載對錨固洞頂、底面產生張拉破壞時，所連接的錨塊實質上受到錨索張拉預應力保護，導致其應力狀態處于受壓，雖壓應力水平較高，但處于材料安全允許值；從抗震設計安全性出發，錨固洞配筋加固應防護錨固洞頂、底面以及下游面，而對于錨塊體的安全性防護可與錨索張拉預應力的控制相結合。

圖8 閘墩及錨索結構特征部位最大拉、壓應力變化特征

5 結 論

1) 靜力工況下，閘墩Z向最大拉應力分別位于閘墩頂面、下游面，其中B方案最大拉應力相比A方案增大1倍，主壓應力中最大壓應力量值在5個特征部位中變化態勢均為一致，呈W形；閘墩頸部以受壓為主導，其中B方案下最大壓應力相比A方案下增大55.6%。

2) 靜力工況下，錨固洞頂、底面最大拉應力均以Y向為最大，需注重配筋加固；下游面以受壓為主導，錨塊頂面、側面最大拉應力僅為0.7 MPa；錨固洞X向拉應力增大與設計洪水位有關。

3) 地震動力工況下，閘墩底部拉應力最大，且隨上游蓄水位增大而遞增，B方案最大拉應力相比A方案下增大6.6倍；錨固洞最大拉、壓應力分別位于下游面與錨塊側面，且錨固洞頂、底面均為受拉狀態，張拉破壞顯著。