基于仿真優(yōu)化的宮山咀水庫(kù)泄洪閘加固結(jié)構(gòu)研究

時(shí) 靜

（濟(jì)南市水利工程服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250099）

部分水利工程由于運(yùn)營(yíng)年限較長(zhǎng)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，導(dǎo)致水工設(shè)施運(yùn)營(yíng)能力、工作效率等均有所降低，開展相關(guān)水工設(shè)施除險(xiǎn)加固很有必要[1-3]，進(jìn)行水工結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)優(yōu)化探討對(duì)提高水利工程運(yùn)營(yíng)水平具有重要意義。施得兵等[4]、劉婷婷[5]、黃智峰等[6]根據(jù)模型試驗(yàn)理論，在室內(nèi)設(shè)計(jì)開展水工物理模型試驗(yàn)，根據(jù)不同設(shè)計(jì)方案開展?jié)B流或靜力場(chǎng)分析，為評(píng)價(jià)最優(yōu)方案提供依據(jù)。當(dāng)然，不可忽視水工模型試驗(yàn)成本較高、試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，而仿真計(jì)算可高效解決不同設(shè)計(jì)方案下水工結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形分析問題[7，8]，確定最優(yōu)方案，為工程設(shè)計(jì)提供重要佐證[9，10]。結(jié)合宮山咀水庫(kù)泄洪閘錨索加固設(shè)計(jì)方案，開展錨索保護(hù)層厚度參數(shù)優(yōu)化分析，為評(píng)價(jià)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案提供重要參考。

1 工程概況

宮山咀水庫(kù)是地區(qū)重要水利控制樞紐工程，正常蓄水位73.70 m，枯水期水位線高程62.4 m，按照100 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)最大庫(kù)容7 975萬m3。該樞紐承擔(dān)著防洪、灌溉、排澇等重要任務(wù)，其中下游農(nóng)田灌溉面積超過533 km2，年可供水量超過790萬m3，地區(qū)用水缺水率最大不超過2%。樞紐設(shè)有壩體、溢洪道等水利設(shè)施，其中壩體設(shè)計(jì)高程80.1 m，設(shè)計(jì)壩高33.7 m，心墻厚度2.5 m，彎曲段長(zhǎng)度15 m，心墻曲率根據(jù)壩體延伸坡度而不同，具體分布為5×10-4～20×10-4，上、下游坡度分別為1∕2.5、1∕3，壩頂寬度5.5 m，為雙車道硬化路面設(shè)計(jì)，壩體另設(shè)置有防浪墻，高度81.4 m，壩體滲流監(jiān)測(cè)傳感器表明，運(yùn)營(yíng)期內(nèi)最大滲透坡降不超過0.25，防滲墻穿過基巖覆蓋層，墻基礎(chǔ)深度4.5 m、厚0.6 m。引水隧洞采用邊開挖邊襯砌形式，斷面直徑2.5 m，采用噴錨支護(hù)，局部噴射混凝土硬化圍巖，確保圍巖受擾動(dòng)后不出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū)域，斷面進(jìn)水口高程54 m，進(jìn)口管直徑設(shè)計(jì)為1.6 m，隧洞最大徑流量為20.1 m3∕s，微震監(jiān)測(cè)表明圍巖破裂程度不高，類別以Ⅲ～Ⅳ類為主，處于流變變形穩(wěn)定階段。溢洪道設(shè)計(jì)為直泄陡槽式，圍堰頂高程67.7 m，堰頂凈寬10.8 m，采用多孔式泄流閘結(jié)構(gòu)，共9 孔，每孔尺寸12 m×6.5 m，泄洪閘最大泄量6 562 m3∕s。根據(jù)目前調(diào)查得知，黏土心墻壩體穩(wěn)定性較好，不論在靜力荷載下還是動(dòng)力作用下，最大沉降不超過5 mm。目前最大問題是溢洪道泄洪閘泄流能力大大降低，相比設(shè)計(jì)值，運(yùn)營(yíng)中最大泄流量?jī)H為3 258 m3∕s，極大限制了溢洪道運(yùn)用能力，分析這與泄洪閘閘墩局部穩(wěn)定性不佳有關(guān)，導(dǎo)致多年低壓水位運(yùn)行。為此，工程設(shè)計(jì)部門考慮對(duì)宮山咀水庫(kù)溢洪道泄洪閘設(shè)施開展加固設(shè)計(jì)。

2 工程建模

設(shè)計(jì)考慮采用主、次錨索搭配加固方案，主錨索控制在14～16根，為雙層式分布，每層間距20～30 mm，共有6～7 排，排間距140 mm，主錨索與水平面夾角為30°，設(shè)計(jì)最大張拉噸位4 550 kN，拉錨系數(shù)為2.6，錨索與閘墩間為接觸式連接方式，布設(shè)有邊長(zhǎng)為0.35 m×0.35 m 截面的矩形墊塊，厚度50 mm。次錨索與主錨索呈垂直向布設(shè)，采用雙層錨筋搭接，排間距160 mm，次錨索設(shè)計(jì)張拉噸位3 750 kN，共有10根，主、次錨索錨筋直徑均為50 mm。錨索連接錨固洞截面體型為圓弧，最長(zhǎng)處580 mm，設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力損失量為20%，水庫(kù)泄洪閘閘墩厚度為1.2～1.4 m，錨索加固方案基本平面設(shè)計(jì)如圖1 所示。錨索加固設(shè)計(jì)方案中各參數(shù)基本已確定，但由于錨索采用的錨筋在長(zhǎng)期負(fù)荷過程中易受到侵蝕影響，需對(duì)主、次錨索設(shè)計(jì)素混凝土保護(hù)層，但保護(hù)層過厚會(huì)影響錨索荷載傳遞，過小不滿足保護(hù)層設(shè)計(jì)要求，因而針對(duì)錨索保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)參數(shù)開展優(yōu)化很有必要。

圖1 錨索加固方案平面設(shè)計(jì)

利用COMSOL 仿真計(jì)算平臺(tái)建立泄洪閘整體模型[11，12]，如圖2 所示。為方便分析，重點(diǎn)對(duì)泄洪閘關(guān)鍵特征部位展開討論，因建立計(jì)算模型時(shí)已進(jìn)行簡(jiǎn)化，重點(diǎn)對(duì)閘墩、錨塊體、錨固洞上進(jìn)行計(jì)算分析，并特別對(duì)錨塊體進(jìn)行網(wǎng)格加密劃分，各特征部位所在位置及加密后錨塊體如圖3 所示。針對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行微單元網(wǎng)格劃分后，共獲得網(wǎng)格單元442 866個(gè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)368 567 個(gè)，除錨塊體采用三角形網(wǎng)格劃分，其他區(qū)域均為四邊形微單元體。模型施加荷載均為靜荷載，并以正常蓄水期作為計(jì)算工況，計(jì)算模型中X、Y、Z 正向分別為泄洪閘所在溢洪道右堰、下游水流向、閘頂垂直向上方向。根據(jù)上述資料及仿真模型開展加固方案設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析，為確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。

圖2 泄洪閘整體模型

圖3 各特征部位所在位置及錨塊體獨(dú)立模型

3 錨索加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析

依據(jù)錨索加固方案與泄洪閘適配性，設(shè)計(jì)錨索保護(hù)層厚度分別為0.4 m（1#方案）、0.6 m（2#方案）、0.8 m（3#方案）、1 m（4#方案）、1.2 m（5#方案）、1.4 m（6#方案），在保持錨索其他設(shè)計(jì)參數(shù)一致情況下，僅改變計(jì)算模型中保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算泄洪閘特征部位應(yīng)力變化特征，以確定保護(hù)層厚度最優(yōu)方案。

3.1 拉應(yīng)力特征

對(duì)各保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算，獲得厚度參數(shù)與拉應(yīng)力變化關(guān)系，如圖4所示。從圖4可知，3個(gè)特征部位中，泄洪閘最大拉應(yīng)力位于錨固洞上，該部位拉應(yīng)力集中較顯著，在各設(shè)計(jì)方案中均是如此。2#方案中錨固洞最大拉應(yīng)力為4.35 MPa，而在相同方案中錨塊體、閘坎處最大拉應(yīng)力僅為前者的67.3%、39.1%，各方案中錨塊體、閘坎最大拉應(yīng)力分別為錨固洞上的64%～93%、50%～78%，即泄洪閘加固方案中應(yīng)重點(diǎn)考慮錨固洞部位，該部位是加固方案中易受張拉破壞截面。分析3個(gè)特征部位與厚度設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系可知，除閘坎部位外，錨塊體與錨固洞上拉應(yīng)力與厚度參數(shù)均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，在厚度為0.4 m 時(shí)，錨塊體上最大拉應(yīng)力為3.34 MPa，而厚度增大至0.8、1.2、1.4 m 后，其最大拉應(yīng)力相比前者分別下降了21.6%、33%、34.5%，表明錨塊體上拉應(yīng)力受厚度參數(shù)限制影響。同樣，在錨固洞上厚度0.8、1.2、1.4 m 時(shí)最大拉應(yīng)力相比厚度0.4 m 時(shí)分別下降了30.3%、53.4%、53.9%，表明錨固洞上最大拉應(yīng)力受厚度參數(shù)影響更為敏感。從厚度參數(shù)限制拉應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)可知，在厚度為0.4～1 m，錨塊體與錨固洞上拉應(yīng)力降幅最為顯著，錨塊體上厚度1 m 時(shí)最大拉應(yīng)力較厚度0.4、0.8 m時(shí)分別下降了31.1%、12.1%，而厚度1.2、1.4 m時(shí)拉應(yīng)力相比厚度1 m時(shí)下降幅度僅為2.4%、4.3%，即特征部位上最大拉應(yīng)力隨厚度設(shè)計(jì)參數(shù)的降幅為逐漸減小過程。從幅度區(qū)間劃分可知，厚度為0.4～1 m，厚度增長(zhǎng)0.2 m，錨塊體與錨固洞上最大拉應(yīng)力分別損耗了11.7%、21%；而厚度為1～1.4 m，兩特征部位上最大拉應(yīng)力降幅分別為2.3%、2.8%。另一特征部位閘坎隨厚度設(shè)計(jì)參數(shù)變化無顯著影響，各設(shè)計(jì)方案中均穩(wěn)定在1.7 MPa 左右，最大波動(dòng)幅度不超過0.8%，即選擇任一厚度值，對(duì)閘坎上拉應(yīng)力改變或限制均無顯著作用。從經(jīng)濟(jì)成本與限制拉應(yīng)力發(fā)展兩方面來看，厚度設(shè)計(jì)參數(shù)不需過大，控制在合理值內(nèi)即可，工程運(yùn)營(yíng)安全可靠性俱佳，而針對(duì)厚度設(shè)計(jì)參數(shù)影響下的拉應(yīng)力值變化可知，厚度1 m時(shí)設(shè)計(jì)方案處于最優(yōu)。

圖4 厚度參數(shù)與特征部位拉應(yīng)力變化關(guān)系

3.2 壓應(yīng)力特征

同理，根據(jù)各厚度設(shè)計(jì)參數(shù)方案可計(jì)算獲得加固結(jié)構(gòu)中特征部位壓應(yīng)力變化特征，如圖5 所示。從圖5 可看出，3 個(gè)特征部位中壓應(yīng)力最大是錨固洞，表明各設(shè)計(jì)方案中錨固洞上不僅拉應(yīng)力最大，且壓應(yīng)力亦最大。3#設(shè)計(jì)方案中，錨固洞上最大壓應(yīng)力為13.3 MPa，而錨塊體、閘坎部位上壓應(yīng)力相比前者分別下降了10.5%、23.4%，分析認(rèn)為錨固洞作為孔洞截面，極易出現(xiàn)應(yīng)力集中效應(yīng)[13，14]，是加固結(jié)構(gòu)中薄弱面。從各厚度參數(shù)影響加固結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力特征可知，特征部位壓應(yīng)力隨厚度參數(shù)呈V形變化特征，最低點(diǎn)是厚度1 m 時(shí)，在厚度0.4～1 m 錨塊體上最大壓應(yīng)力平均降幅為12.2%；而在厚度1～1.4 m，壓應(yīng)力為遞增態(tài)勢(shì)，平均增幅為9.8%。同樣，在錨固洞以及閘坎上，壓應(yīng)力在兩區(qū)間內(nèi)分別為遞減、遞增變化，在前一區(qū)間內(nèi)平均降幅為16.9%、8.8%，后一區(qū)間內(nèi)增幅又為17.2%、6.5%，表明3 個(gè)特征部位中錨固洞壓應(yīng)力受厚度參數(shù)影響更為敏感，其拉應(yīng)力亦為最敏感。

圖5 厚度參數(shù)與特征部位壓應(yīng)力變化關(guān)系

3.3 最優(yōu)方案應(yīng)力分布特征

根據(jù)上述厚度設(shè)計(jì)參數(shù)影響拉、壓應(yīng)力特征分析，結(jié)合工程成本考慮，當(dāng)厚度設(shè)計(jì)為1 m 時(shí)，加固結(jié)構(gòu)拉、壓應(yīng)力態(tài)勢(shì)處于較佳狀態(tài)，且應(yīng)力值均滿足安全設(shè)計(jì)要求，即為最優(yōu)方案。給出該方案下特征部位上應(yīng)力分布特征，如圖6所示。

圖6 特征部位上應(yīng)力分布特征

從圖6 可看出，錨塊體上壓應(yīng)力分布具有對(duì)稱性，位于錨塊體迎水側(cè)面，最大拉應(yīng)力位于錨塊體底部位置，達(dá)1.6 MPa；錨固洞上拉應(yīng)力位于頂面區(qū)域，雖拉應(yīng)力分布區(qū)域較多，但量值較小，分布最廣泛區(qū)域?yàn)?.1～0.7 MPa；從以上應(yīng)力特征可知，該方案應(yīng)力分布較穩(wěn)定，拉應(yīng)力控制在合理區(qū)間，結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全可靠性較佳。

4 結(jié)論

（1）特征部位上拉、壓應(yīng)力最大值均位于錨固洞，各方案中錨塊體、閘坎最大拉應(yīng)力分別為錨固洞上的64%～93%、50%～78%，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)錨固洞部位進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

（2）錨塊體與錨固洞上拉應(yīng)力與厚度參數(shù)均為負(fù)相關(guān)，但降幅在厚度0.4～1、1～1.4 m 兩區(qū)間內(nèi)具有顯著差異，兩特征部位在前一區(qū)間內(nèi)平均降幅分別為11.7%、21%，后一區(qū)間內(nèi)又為2.3%、2.8%，錨固洞上拉應(yīng)力受厚度參數(shù)影響更為敏感；閘坎部位拉應(yīng)力隨厚度參數(shù)變化無顯著影響。

（3）特征部位壓應(yīng)力隨厚度參數(shù)變化曲線為V形特征，最低點(diǎn)是厚度1 m 時(shí)，厚度0.4～1 m 錨固洞、閘坎、錨塊體平均降幅為16.9%、8.8%、12.2%，而超過1 m后平均降幅又為17.2%、6.5%、9.8%。

（4）綜合應(yīng)力變化特征與應(yīng)力分布特征，厚度1 m時(shí)結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)更具安全可靠性，乃是最佳設(shè)計(jì)方案。