蘇北水利排險工程中水閘除險加固結構模擬設計分析研究

齊春舫，王霄，谷靜，陳超，繆成美

（1.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇淮安223005；2.淮安市淮河水利建設工程有限公司，江蘇漣水223400）

水資源調度、防洪蓄水及排澇等均離不開水閘等水利設施，水工建筑結構安全穩定是實現用水安全的重要課題。提升水利設施運營可靠性對確保水資源利用效率有較大益處，針對病險水利設施開展加固設計，提升水工結構的安全運營效率很有必要[1-4]。施得兵等、李鶴等、賈紅娟根據水利設計原型開展物理模型試驗，研究水工結構在室內模型試驗狀態下失穩、潰壩及響應特征，為水利工程設計提供參考[5-7]。由于物理模型試驗成本較高，一些專家與學者開始探討對已有相似工程的運營狀態進行研究，利用已有工程運營狀態監測數據，分析工程穩定性與運營數據之間聯系，為擬建工程設計研發、參數優化及結構穩定性評價提供參考[8-10]。不可忽視，數值仿真在工程安全可靠性計算中占有一定地位，利用水工結構幾何模型建立仿真計算模型，施加工程運營下模擬荷載，進而求解水利工程應力變形場、滲流場等特征，為評價水利工程安全穩定性提供指導依據[11-13]。針對蘇北嶂山閘目前運營狀態，設計模擬加固結構，研究水工結構設計參數優化度，為提升水利設計水平提供重要指導。

1 工程分析

1.1 工程概況

為提升蘇北區域內水利運營安全性，淮安水利部門考慮對地區內所有水利設施進行排險調查。根據調查得知，嶂山閘建設運營年限較長，其在淮安-宿遷水資源調度區域內起著較大作用，目前運營較穩定，但不可忽視其水資源調度、防洪蓄水等效率均有所降低，有必要考慮對其進行除險加固。嶂山閘設計多孔式泄流，每孔寬度10 m，閘底高程15.4 m，采用弧型鋼閘門作為通行流量啟閉口，設置液壓式啟閉機控制閘門開度，確保泄洪流量滿足安全允許要求。閘頂寬度4.5 m，設計有通行橋面，高度33.7 m，參照二級公路建設。原設計泄洪流量8 000 m3/s，可承擔區域內超過16.67萬hm2農田生產灌溉用水，最大排澇面積超過3.67萬hm2。上游水位受季節降雨影響，局部超過25 m，水閘安全泄洪遇到極大挑戰，同時影響水閘等水工結構安全穩定性。排險調查發現，嶂山閘由于設計年代較早，并未采用預應力結構作為支撐加固措施，目前水閘支護承重結構在上游水位較高時常出現險情，考慮對其進行先遣式模擬設計研究，為除險加固結構設計提供參考。

地勘結果表明，區域內基巖以片麻巖、灰巖為主，承載力較大，單軸抗壓強度75 MPa，若設置預應力閘墩等結構，可滿足安全承載要求；上覆土層包括砂土層與壤土，砂土層厚度3.6 m，含水量中等，最優含水量17%，顆粒粒徑0.04～4 mm，壤土層承載力較高，該土層作為水閘下游輸水灌渠持力層可較好穩定運營。考慮到目前嶂山閘整體運營較穩定，除險加固設計方案以增添預應力閘墩結構為主，據此優化設計加固結構相關參數。

1.2 工程模型

按照實際，設計主、次錨索搭配式加固方案，如圖1所示。主錨索雙層分布，層間距100 mm，張拉噸位根據具體工況設計，拉錨系數設定為2.2，本方案主錨索14根，根據實際情況優化根數；次錨索與主錨索垂直分布，分為上、下2排，設計為6根，間距120 mm；預應力錨索與錨固洞采用接觸式連接，錨固洞截面體型為半圓弧型，錨索與閘墩間采用墊塊作為荷載傳遞載體，墊塊截面尺寸為0.3 m×0.3 m，厚度為0.05 m。

圖1 錨索布設平面示意

利用數值計算平臺建立水閘整體計算模型，如圖2所示。

圖2 水閘整體計算模型

由于模型涉及水利結構較多，簡化后對涉及的閘墩、錨塊、錨固洞特征結構進行重點分析，如圖3所示。

圖3 水閘特征部位計算模型

利用數值計算平臺對模型進行網格劃分，采用三角形與四邊形作為微單元體，共獲得網格單元423 856個、節點389 656個，其中錨塊劃分網格單元78 652個、節點68 325個。在數值計算平臺中設定順水閘右肩為X正向，順下游水流為Y正向，沿水閘向上為Z正向。結合上述方案，主要討論預應力結構中主錨索根數參數影響下水閘應力特征變化，另對錨索直徑參數進行分析，為選擇最佳設計參數提供依據。

2 加固結構錨索根數參數設計分析

2.1 拉應力特征

根據加固結構應用環境及水閘泄流工況，設計錨索根數分別為10（1#方案）、12（2#方案）、14（3#方案）、16（4#方案）、18（5#方案）、20（6#方案），錨索直徑均為22 mm，主、次錨索張拉荷載分別為5 600、3 860 kN，其他張拉參數保持一致，各具體設計參數詳見表1。錨索結構中僅改變錨索根數，計算水閘加固結構應力特征。

表1 各方案加固結構設計參數

根據各錨索根數設計方案計算獲得預應力結構特征部位最大拉應力變化特征，如圖4所示。從圖4可看出，預應力結構中拉應力以錨固洞截面上為最高。以錨索根數12根為例，錨固洞截面上最大拉應力為2.51 MPa，而其他特征部位包括閘臺、錨塊體上最大拉應力相比前者分別降低59.5%、41.2%。在其他方案中亦是如此，隨著錨索根數增多，錨固洞截面與閘臺、錨塊上最大拉應力差異幅度逐步減小，在錨索根數18時，閘臺、錨塊體上相比錨固洞截面上的最大拉應力分別降低40.3%、25.2%。由此表明，隨著錨索根數增多，預應力結構特征部位最大拉應力差異幅度逐步減小，拉應力具有發展成各區同性趨勢。對比各特征部位最大拉應力與錨索根數關系可知，錨固洞截面上最大拉應力隨錨索根數增加逐步降低，在錨索根數10時，最大拉應力為2.81 MPa；而在錨索根數增加至14、18、20后，相應的最大拉應力相比前者分別降低18.1%、35.5%、46.4%，即錨索根數增多，可抑制錨固洞截面上拉應力發展，限制錨固洞拉應力破壞威脅。與錨固洞截面上最大拉應力發展態勢不同，閘臺與錨塊上最大拉應力變化較穩定，僅在錨索根數增加至16根后，其最大拉應力才出現較大降幅。在錨索根數低于16根之前，閘臺最大拉應力穩定在1.01 MPa，而在增加至16根之后，其最大拉應力降低，如閘臺、錨塊最大拉應力在根數20時相比16根時分別降低14.7%、12.1%。這表明閘臺、錨塊上拉應力在錨索根數低于一定節點時，并不會出現較大波動，而在超過該節點后，拉應力才會受到錨索根數抑制影響。

圖4 錨索根數影響下特征部位最大拉應力變化特征

2.2 壓應力及分布特征

通過應力計算，獲得錨索根數參數影響下預應力結構壓應力特征，如圖5所示。從圖5可知，加固結構中最大壓應力仍位于錨固洞截面，2#方案中錨固洞截面上最大壓應力為25 MPa，而相應方案中閘臺、錨塊體最大壓應力相比前者分別降低66%、18.5%。由此可見，預應力結構中最大拉、壓應力均位于錨固洞截面上，應重點加固防護。對比錨索根數影響下預應力結構特征部位最大壓應力變化關系，除閘臺部位外，錨塊體、錨固洞截面上最大壓應力均隨錨索根數遞減變化。以錨塊為例，在1#方案錨索根數10根時其最大壓應力為27.4 MPa，而14、16、20根時的最大壓應力相比前者分別降低41.1%、52.9%、66.6%。由此可見，錨索根數愈多，愈可顯著加固結構壓縮作用，降低結構預壓影響。閘臺結構最大壓應力隨錨索根數變化較小，基本穩定在8.5 MPa左右，最大降幅在根數為14根時為1.9%。綜上可知，選擇錨索根數超過16根時更有利于保證結構安全性，為確保工程成本經濟性，選擇錨索根數為18根時（5#方案）最佳。

圖5 錨索根數影響下特征部位最大壓應力變化特征

5#方案在運行工況中仿真計算的錨固洞截面某一時刻拉、壓應力分布特征，如圖6所示。從圖6可知，模擬運營過程中，錨固洞截面上拉應力主要分布在頂、底面，且滿足結構材料設計要求，但此時還未達到結構最大拉應力。壓應力分布以錨固洞左、右截面為主，最大壓應力較小。綜上，5#方案錨索根數較佳。

圖6 錨固洞截面拉、壓應力分布特征

3 加固結構錨索直徑參數設計分析

3.1 拉應力特征

根據錨索直徑對預應力結構安全性影響，選取錨索直徑分別為18 mm（A方案）、20 mm（B方案）、22 mm（C方案）、24 mm（D方案）、26 mm（E方案），錨索根數設定為18根，其他張拉荷載參數均保持一致，僅研究錨索直徑參數因素對預應力結構拉、壓應力影響。

與研究錨索根數參數影響類似，獲得錨索直徑參數影響下水閘加固結構特征部位最大拉應力變化特征，如圖7所示。由圖7可知，隨著錨索直徑增大，3個特征部位最大拉應力均呈遞減變化，在A方案錨索直徑為18 mm時，閘臺最大拉應力為2.57 MPa，而直徑增大至C、E方案后，其最大拉應力相比前者分別降低51%、65%。從各方案最大拉應力降幅來看，總體上當錨索直徑增大2 mm時，閘臺最大拉應力平均降低22.7%，但錨索直徑增大過程中降幅有所差異：錨索直徑在18～22 mm內，每增大2 mm，可導致最大拉應力損失30%；而在直徑22～26 mm內，損失幅度為15.2%，表明錨索直徑對閘臺最大拉應力影響幅度呈逐步降低態勢。隨著錨索直徑每增大2 mm，錨固洞截面與錨塊上最大拉應力分別降低7.6%、24.4%，其中錨固洞最大拉應力降幅在錨筯直徑22 mm左右時發生改變，直徑22 mm下最大拉應力相比直徑18 mm時降低了21.8%，而直徑26 mm比直徑22 mm時最大拉應力降幅為7.1%。分析認為，錨索根數控制在合理區間內即可，錨索直徑愈大對預應力結構安全性愈有保障，但不可忽視錨索直徑增大對工程成本的影響。從整體上來看，選擇錨索直徑22 mm更為可靠。

圖7 錨索直徑影響下特征部位最大拉應力變化特征

3.2 壓應力特征

根據預應力結構壓應力變化特征，最大壓應力與錨索直徑關系如圖8所示。

圖8 錨索直徑影響下特征部位最大壓應力變化特征

從圖8可知，除錨塊外，其他2個特征部位最大壓應力均隨錨索直徑呈遞減態勢，錨索直徑18 mm時閘臺最大壓應力為21.2 MPa，而錨索直徑增大2 mm，閘臺最大壓應力損失25%，且閘臺最大壓應力與錨索直徑參數具有冪函數關系。在錨固洞截面上，最大壓應力與錨索直徑關系基本與閘臺一致，這2個特征結構最大壓應力隨錨索直徑增加降低幅度基本接近，錨索直徑增大2 mm，錨固洞截面最大壓應力損失23.5%。錨塊最大壓應力隨錨索直徑變化較平穩，均維持在16.8 MPa左右，即錨索直徑參數改變，對錨塊最大壓應力無顯著性影響。在錨索直徑22 mm時，閘臺與錨固洞截面上最大壓應力分別為11.7、14.6 MPa，位于安全允許區間。這表明，從拉、壓應力特征來看，錨索直徑22 mm為較合適的設計方案。

4 結論

（1）加固結構中錨固洞上拉應力最大，但錨索根數增多，其他特征部位拉應力與錨固洞最大拉應力差異幅度縮小；錨固洞最大拉應力與錨索根數為負相關關系，錨索根數14、18、20時最大拉應力相比根數10時分別降低了18.1%、35.5%、46.4%，而閘臺與錨塊最大拉應力在錨索根數超過16后才降低。

（2）加固結構特征部位最大拉應力與錨索直徑均為負相關關系，錨索直徑增大2 mm，閘臺、錨固洞、錨塊最大拉應力分別平均降低22.7%、7.6%、24.4%，且降低幅度逐漸減小。以錨索直徑18 mm為界，閘臺在該界限左、右區間中，錨索直徑每增大2 mm可分別降低拉應力30%、15.2%。

（3）錨塊、錨固洞上最大壓應力均隨錨索根數遞減變化，閘臺受錨索根數影響較小，穩定在8.5 MPa；閘臺、錨固洞最大壓應力與錨索直徑均呈冪函數關系，錨索直徑增大2 mm，兩者最大壓應力分別損失25%、23.5%，錨塊最大壓應力受錨索直徑影響較小，穩定在16.8 MPa。

（4）綜合預應力結構拉、壓應力特征，認為錨索根數16、錨索直徑22 mm時，加固方案最優。