基于水利仿真模擬設計的金湖縣城西河節制閘加固結構分析研究

陳冬冬 李 杰 卞 威

(淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 224300)

1 項目背景

水工設施安全穩定性受運營年限、運營工況以及結構材料等多方面因素影響，因而對水工建筑物安全穩定性進行結構加固設計很有必要，開展相應的加固設計及穩定性分析對提升水利設施安全運營意義重大。根據物理模型試驗理論，眾多學者利用水利設施幾何設計圖建立室內原型，并開展相應的水工建筑物理模型試驗，分析水工結構失穩破壞過程中滲流、應力與變形等特征，為水利設施提供重要設計參數參考。另一方面，對水利結構材料的耐久性和應力穩定性等指標開展室內力學試驗，研究包括基巖、土體、多種類型材料的力學破壞特征，為水利設計提供依據。仿真計算作為重要研究手段，可對設計方案進行模擬式計算分析，對相關參數、影響因素進行模擬優化，以使設計方案處于最佳狀態，相關學者利用相關仿真軟件分析了大壩、水閘、泵站等多種水利設施的靜、動力安全穩定性，為其他相似水利工程設計提供計算參考。采用仿真模擬計算，可較快獲得不同設計方案下設計參數的優化，且可針對方案優化結果進行設計方案調整，為工程設計和施工提供重要參照。特別是在一些大型水工結構或水利設施中，提前開展加固結構仿真設計優化或除險加固模擬，對最終方案的確定和評價均具有重要意義。本文針對金湖縣城西河活水工程節制閘加固設計優化問題，利用水利仿真模擬計算方法開展錨索縱、橫向設計參數優化對比分析，為確定最佳加固方案提供依據。

2 工程模型分析

2.1 城西河節制閘概況

金湖縣城是淮河下游水利重鎮，其中城西河是縣域內重要活水河流，該河流域總面積為3.11km2，全長3762m，設計為引水蓄水治理河流活水工程。引水泵站設計流量8m3/s，排澇標準為遠期20年一遇洪水，設計排澇面積3.11km2，設計自排洪澇能力5.03m3/(s·km2)，總體排澇設計流量16m3/s。該活水工程擬修建3座大型水閘，包括取水閘、提水閘及泄流節制閘，其中取水閘水工建筑按照4級標準設計修建，設計工況凈揚程為4.7m，提水閘設計提水流量為1.5m3/s，排澇工況凈揚程為2m。節制閘作為城西河活水工程中重要泄流控制樞紐水利設施，其設計流量為16m3/s，泄流消能時上、下游水位分別為14m、12m，設計為1孔15m氣袋升降式翻板閘，墻前后的水位差為1.0m，翼墻墻頂高程14.5m，墻后填土與墻頂齊平，填土為粉砂土，節制閘翼墻設施靜力穩定性較好，動力荷載下抗滑系數超過1.15，最大地基反力達84.88kPa，節制閘翼墻設計立面見圖1。節制閘身順水流向長10.00m，垂直水流向寬16.60m；閘室底板頂高程11.00m，閘墩頂高程14.50m，河道底高程11.00m；上游護坦長8.00m，下游消力池長8.00m。閘基設計防滲長度為12.5m，設計閘室在靜力荷載設計工況下靜力不均勻系數為1.15，最大地基反力為27.03kPa，動力荷載下應力不均勻系數為1.35，抗滑系數低于1，地震動力響應性能欠佳，抗震性能較弱。

圖1 節制閘翼墻設計立面圖 (尺寸單位：cm)

城西河活水工程節制閘所處場地為金湖至東臺坳陷，地質構造活動較弱，穩定性較好，表面分布有人工填土、粉質黏土及壤土三種土層，其中壤土層厚最大，最厚處超過4.6m，粉質黏土層承載力較大，標貫計入數達15次。覆蓋土層滲透性均一般，抗沖刷能力較強，可確保節制閘基礎在水壓力下處于較穩定運營狀態。由于城西河節制閘是區域內重要水利中控建筑，工程設計部門考慮對其進行二次加固，設計采用預應力錨索作為支護加固措施，在上述工程資料基礎上開展加固結構的模擬設計分析，進而優化相關設計參數，提高節制閘設計水平與運營穩定性。

2.2 模型建立

以城西河活水工程節制閘工程為研究對象，采用主、次預應力錨索作為加固設計方案，設計概念幾何圖見圖2。其中設計14根主錨索，兩層布設，次錨索與主錨索垂直分布，設計12根次錨索，每根錨索錨筋直徑為12mm，水閘閘室翼墻邊壁與錨索連接方式為接觸式連接，主、次錨索設計張拉噸位分別為3400kN、2600kN，確保水閘閘室在靜、動力荷載工況下均能滿足運營安全性?，F由于主、次錨索布設方案已確定，但錨索橫、縱向間距并未優化，而間距設計參數的差異性，對錨索加固性能以及經濟成本均有較大影響，因而對設計參數進行優化，獲得最佳方案很有必要。利用仿真計算平臺建立計算模型，水閘整體模型見圖3。由于整體計算模型對錨索加固結構以及閘室特征結構識別性較差，因而給出結構體系中各特征部位的仿真模型，見圖4。

圖2 錨索加固結構設計概念幾何圖

圖3 水閘整體模型

圖4 各特征部位的仿真模型

所建立的仿真計算模型根據計算部位重要性劃分單元網格，在錨塊以及錨固洞等特征部位網格劃分密度設置較大，其中整體計算模型共獲得單元網格389652個，節點數356985個，而獨立錨塊模型獲得185625個單元網格，節點數169582個。計算模型中設定X正向為順河流下游方向，Y正向為沿水閘右軸線方向，Z正向為水閘向上方向。

3 加固結構縱向設計參數分析

根據主錨索縱向間距與加固結構應力穩定性關系(縱向設計參數η分別設定為100mm、120mm、140mm、160mm、180mm、200mm，而錨索橫向設計參數統一設定為100mm)，計算方案中僅改變錨索縱向設計參數η，其他設計參數見表1。

表1 各方案加固結構設計參數

3.1 拉應力特征

根據不同縱向設計參數η計算方案獲得節制閘重要特征部位拉應力變化特征，見圖5。從圖5中可知，本文所列出的閘頂平臺、錨塊與錨固洞部位最大拉應力隨縱向設計參數η變化并不相同，三個部位中最大拉應力位于錨固洞，在縱向設計參數為120mm時錨固洞最大拉應力為3.38MPa，而相同工況下的閘頂平臺、錨塊最大拉應力相比前者分別降低了54.9%、30.6%，表明節制閘加固結構中錨固洞所受張拉破壞威脅最大，應重點加固防護。對比各特征部位最大拉應力隨縱向設計參數的變化可知，錨固洞、閘頂平臺最大拉應力隨縱向參數增大而遞增，在縱向設計參數為100mm時，閘頂平臺最大拉應力為1.22MPa，而設計參數增大至140mm、180mm、200mm后，各方案中最大拉應力相比前者分別增大了49.1%、15%、74%，在縱向設計方案中，間距參數增大20mm，平均可導致閘頂平臺最大拉應力增大22.4%，而對于錨固洞部位來說，其最大拉應力平均漲幅為7.9%，表明縱向設計參數越大，越不利于錨固洞與閘頂平臺等部位的抗拉設計。與前兩者特征部位最大拉應力變化態勢不一樣的是，錨塊最大拉應力與縱向設計參數具有負相關關系，設計參數140mm、160mm、200mm方案中該部位最大拉應力相比參數100mm時分別降低了25.7%、37.9%、45%，即縱向間距設計參數越大，越能限制錨塊上最大拉應力發展，提升錨塊應力穩定性。分析錨塊最大拉應力降幅可知，在縱向設計參數100～160mm內，間距增大20mm，平均可削弱拉應力14.7%，而在設計參數160～200mm內，間距增大20mm，其降幅為5.9%，表明錨塊最大拉應力受縱向設計參數抑制影響呈先大后小的趨勢。綜合而論，閘頂平臺、錨固洞最大拉應力在設計參數180mm后均超過2.5MPa，超出結構材料抗拉應力允許范圍，而錨塊最大拉應力在160mm后的抑制效果減弱，因此認為縱向設計參數以160mm為最佳。

圖5 縱向參數影響下特征部位最大拉應力變化特征

3.2 壓應力特征

縱向設計參數影響下特征部位最大壓應力變化特征見圖6。從圖6中可知，三個特征部位最大壓應力隨縱向設計參數均為遞增變化，縱向設計參數為100mm時，閘頂平臺最大壓應力為10.9MPa，縱向設計參數為140mm、160mm、200mm時的最大壓應力相比前者分別增大了10.7%、15.4%、18.6%，從整體漲幅來看，每增大20mm縱向間距，閘頂平臺最大壓應力可上漲3.5%，而對于錨塊與錨固洞來說，其最大壓應力分別可上漲5.1%、6%。三個特征部位最大壓應力遞增，可降低張拉預應力損失影響，但最大壓應力應控制在結構材料安全允許強度范圍內。從最大壓應力變化幅度來看，縱向設計間距100～160mm內，三個特征部位的最大壓應力均滿足結構應力要求。另一方面，閘頂平臺、錨塊、錨固洞最大壓應力平均漲幅分別為4.9%、6.8%、8.2%，而在該區間后，平均漲幅均有所降低，印證了縱向設計參數為160mm時更有利于加固結構安全穩定。

圖6 縱向參數影響下特征部位最大壓應力變化特征

D方案下節制閘模擬運營期加固結構中錨塊某一時刻拉、壓應力分布特征見圖7。從應力分布特征可看出，錨塊拉應力分布在錨塊截面Z向，且兩側有近對稱分布的壓應力，而錨塊大部分區域以小拉應力分布為主，表明預應力錨索在節制閘運營過程中穩定性較好，不僅自身抗拉性能較好，閘室穩定性亦較佳。

圖7 錨塊拉、壓應力分布特征

4 加固結構橫向設計參數分析

4.1 拉應力特征

對加固結構橫向間距設計參數進行分析，設計橫向設計參數λ分別為60mm、80mm、90mm、100mm、120mm，而縱向間距設計參數均為160mm，其他設計參數均保持與前述一致。

圖8 橫向參數影響下特征部位最大拉應力變化特征

利用數值仿真計算獲得橫向設計參數影響下加固結構特征部位最大拉應力變化特征，見圖8。從圖8中可知，閘頂平臺與錨塊最大拉應力受橫向設計參數影響較小，兩部位下最大拉應力在各設計方案下分別穩定在1.03MPa、1.5MPa，其中閘頂平臺最大拉應力變化波動幅度不超過2%，說明加固結構中閘頂平臺、錨塊拉應力發展不受錨索橫向間距限制。與前兩者特征部位呈鮮明態勢的是，錨固洞最大拉應力與橫向設計參數為負相關關系，且兩者具有二次函數關系，橫向設計參數60mm時錨固洞最大拉應力為2.65MPa，而間距90mm、100mm、120mm方案中最大拉應力相比前者分別降低了15.7%、18.7%、21.6%，表明錨索橫向間距控制越大，越可限制錨固洞上最大拉應力。分析錨固洞最大拉應力降幅可知，在橫向設計參數60～100mm內，間距增大10mm，最大拉應力平均降幅為6.6%，而間距超過100mm后，增大20mm間距，最大拉應力僅降低了3.2%，表明最大拉應力降低趨勢逐步減小。從工程成本與結構安全穩定性考慮，橫向間距參數為100mm時更佳。

4.2 壓應力特征

同理獲得了加固結構特征部位最大壓應力與橫向設計參數間變化關系，見圖9。從圖9中可知，錨塊與錨固洞最大壓應力分別穩定在11.2MPa、15.8MPa，受橫向設計參數影響較小，兩者最大變化幅度分別為1.6%、1.7%。而閘頂平臺最大壓應力在橫向間距為60～90mm時，基本穩定在8.3MPa，橫向間距超過90mm后，閘頂平臺最大壓應力有所降低，橫向設計參數90mm時閘頂平臺最大壓應力為8.34MPa，而橫向設計參數100mm、120mm下最大壓應力相比前者分別降低了6.1%、18.7%，表明橫向設計參數超過一定界限后，才對閘頂平臺壓應力有顯著影響。從結構設計安全方面考慮，當橫向設計參數為100mm時，一方面不影響錨塊、錨固洞壓應力，另一方面，可降低閘頂平臺壓應力，且間距控制100mm設計方案經濟成本更較佳，亦可匹配結構拉應力安全設計要求。

圖9 橫向參數影響下特征部位最大壓應力變化特征

5 結 論

本文采用水利仿真模擬計算手段，不僅確定了加固結構最優設計方案，同時針對設計方案的優劣性展開了對比分析，為其他工程設計優化或參照提供了重要依據，也為仿真優化手段在錨固設計中應用提供了重要參考。主要得到以下四點結論：

a.錨固洞部位是加固結構上拉應力最大的部位；錨固洞、閘頂平臺最大拉應力隨縱向參數增大而遞增，間距參數增大20mm，平均可導致兩部位最大拉應力增長22.4%、7.9%；錨塊最大拉應力受縱向設計參數抑制影響，間距增大20mm，平均可削弱其拉應力14.7%，且抑制趨勢為先大后小。

b.閘頂平臺、錨塊最大拉應力受橫向設計參數影響較小，分別穩定在1.03MPa、1.5MPa，錨固洞最大拉應力與橫向設計參數呈二次函數關系，且為負相關，橫向設計參數60～100mm內，間距增大10mm，最大拉應力平均降幅為6.6%，而在間距100mm后，增大20mm，最大拉應力僅降低3.2%。

c.三個特征部位最大壓應力隨縱向設計參數均為遞增變化，增大20mm縱向間距，閘頂平臺、錨塊與錨固洞分別可上漲3.5%、5.1%、6%；錨塊與錨固洞最大壓應力受橫向設計參數影響較小，分別穩定在11.2MPa、15.8MPa，閘頂平臺最大壓應力在橫向間距達到90mm后才開始降低。

d.綜合拉、壓應力特征與工程建設成本經濟性，縱向設計參數為160mm、橫向設計參數為100mm時方案最優，對水閘加固效果最佳；工程仿真設計結果對金湖縣城西河節制閘的加固設計提供了重要計算參考，且各設計參數對加固結構應力穩定性的影響在其他工程中亦可借鑒。