沖口門水閘過渡段擋墻設計對結構靜力及滲流場影響研究

黃利國

(中山翠亨新區工程項目建設事務中心，廣東 中山 528400)

1 概述

水閘是水利工程中重要控流、節流設施[1-2]，其運營安全穩定性與其附屬建筑密切相關，研究水閘運營離不開對其附屬建筑的分析。擋墻結構是水閘整體樞紐工程中重要的附屬水工結構[3-4]，可較好幫助水閘完成消能、擋土等作用，因而研究擋墻結構設計對推動水閘運營可靠性具有重要意義。張文皎等[5]、謝先坤[6]、孫桂凱等[7]借助物理模型試驗方法，探討了水閘、溢洪道及消能池等水工建筑在運營期水力特征，特別是針對體型設計開展了優化分析，對模型試驗的深入應用推廣起著典范作用。許濤等[8]、李欣娟等[9]從結構靜、動力場穩定性入手，采用多元仿真平臺研究了泵站、心墻壩等水利結構的應力、位移響應特征，進而評價不同設計方案下的最大適配性，為工程設計優化提供了計算依據。華中等[10]、范海東[11]從水力特征計算考慮，采用FLUENT、FLOW 3D等平臺入手，建立滲流場模型，探討了水工設計方案與水利設施流場流速、水位及水沙特征關系，分析不同設計方案下流場參數演變特性，從而作為工程設計的評價佐證。本文根據南朗鎮沖口門水閘運營現狀，提出在水閘過渡段增設擋墻結構，并開展了過渡段擋墻結構迎水面不同拐角形式方案的設計優化，從靜力與滲流場兩維度考量設計方案的技術優勢，為工程建設提供參考。

2 工程設計模擬

2.1 工程背景

沖口門水閘位于中山市南朗鎮南沖路，坐落于翠享快線與X573縣道交匯路口東南方向約365 m位置，是豐阜湖聯圩樞紐上重要控流設施(如圖1所示)。

圖1 沖口門水閘位置示意

豐阜聯圩屬灘涂圍墾淤積地，常受臺風暴潮的正面襲擊，該聯圩工程干堤總長為500 m，堤面寬為4 m，堤頂高程為3.0 m左右，1997年在原堤前移建干堤，延長堤圍總長至800 m，而堤面寬度增大1.5倍，進一步堆筑堤防，其最終堤頂高程達4.5 m。在豐阜聯圩一側修建有虎池圍海堤，其堤頂高程為4 m，堤面寬度為7 m，迎水側坡度為1：3，采用碎石土堆筑壩形式，且堤身采用生態護坡與防滲混凝土聯合式固坡，監測表明新建虎池圍海堤滲流活動較平靜，對豐阜聯圩內堤防滲流場影響較小。豐阜湖聯圩樞紐中北部有排洪渠，主要承擔北側農田防洪排澇等水利功能，全長約為5.2 km，渠面寬度分布為10～35 m，最寬處位于距離沖口門水閘上游155 m處，該排洪渠也可作為聯圩工程內集水流域，承擔上游大泉水庫泄洪，確保下游沖口門水閘工作流量不宜過大，滿足消能降沖要求。全聯圩樞紐中涉及河流包括有中心一河、中心二河、蘭溪河、下沙排洪渠等，各河流堤防面寬度分布在3～7 m，最大過流量為245 m3/s，針對各河流防洪要求，聯圩內修建有貝里坑堤防、白企坑堤防、大溪堤防、北部排洪渠堤防及蘭溪河堤防等，最大高程為白企坑堤防，達10.22 m，堤防高程最小為泮沙排洪渠堤防，僅為0.7 m。由于聯圩工程內修建堤防高程差異性較大，導致上游泄流過程中水力勢能極易在高程突變區積累，導致下游水閘設施受水力勢能沖刷影響。

沖口門水閘是聯圩內運營年限較長、受水力勢能影響較大的水利設施，為多孔式過流設計，共有5孔，閘孔總凈寬為12 m，區段內集雨面積為40.93 km2，滲透坡降為0.001 7，水文模擬計算得到過流斷面最大洪峰流量為320.7 m3/s，這也是本文后續設計計算的基礎。根據對沖口門水閘現狀調查得知，其閘頂高程為4.84 m，迎水側水位為2.41 m，閘基礎采用人工預制樁，其地基土體以沉降變形較大的淤泥土為主，厚度約13 m，閘室底板厚度為1.2 m，閘室長度為10 m，另在基礎與底板接觸面鋪設有防滲墊層，厚度為0.3～0.4 m，其剖面設計如圖2所示。由于沖口門水閘運營中受上游大流量沖刷影響，導致下游水利設施控流、消能效果減弱，啟閉系統受損嚴重(如圖3所示)，為此考慮在水閘過渡段增設一水工擋墻結構，并針對擋墻結構設計開展對比優化，進而提高沖口門水閘運營水平。

圖2 水閘剖面設計示意

圖3 水閘運營現狀示意

2.2 設計模擬

為研究沖口門水閘過渡段擋墻結構最優設計，本文采用UG建模平臺建立起水閘整體模型[12]，并針對閘室及過閘段提取，分別建立相應模型(如圖4所示)。該水閘模型已進行網格劃分，在底板、閘頂等重要部位加密劃分，單元網格本構模型符合水閘實際用材，整體模型共有微單元網格226 826個，節點數186 826個。

a 整體模型 b 閘室模型圖4 水閘模型示意

從擋墻結構的適配性角度考慮，采用加筋土扶壁擋墻作為結構模型[13]，但擋墻迎水側拐角形式乃是本文設計優化的重點，共有圓弧轉角、折線轉角及直角轉角3種設計方案，依據此3種設計方案分別建立了相應的計算模型(如圖5所示)。該模型中以簡易加筋土扶壁擋墻為基礎模型，針對性模擬拐角處截面狀態，全模型尺寸均為3 m×3 m×2 m，而拐角處截取的模型邊長為0.6 m。3種拐角設計形式中擋墻模型的土工格柵層間距均為0.8 m，長度為1.4 m，最底部格柵距離水閘底板處為0.2 m，擋墻迎水側面板厚度為0.25 m，采用剛性材料，模型計算時也采用彈性本構模型，經疊加擋墻其他構件后，拐角處模型如圖6所示。

a 圓弧體型 b 折線體型 c 直角體型圖5 不同拐角形式設計方案示意

a 圓弧體型 b 直角體型 c 折線體型圖6 拐角模型示意

基于上述已創建模型，3種模型方案中均設定底部為全約束條件，各向位移均受限，而側壁上僅為X向受限，存在兩向自由度邊界條件。模型中所有計算參數均按照工程實際材料取值，X、Y、Z正向分別為閘室下游向、閘室左岸向及結構垂直上方向。從計算荷載考慮，上游泄流量乃是影響沖口門水閘穩定性的關鍵因素，因而計算時按照最大洪峰的10%(32 m3/s)、25%(80 m3/s)、40%(128 m3/s)、55%(176 m3/s)、70%(224 m3/s)、85%(272 m3/s)、100%(320 m3/s)換算，相應的擋墻背水側水位統一按照2.4 m設定。通過綜合分析結構靜力場與區段內滲流場特征，評價擋墻3種拐角設計方案的技術綜合優勢。

3 結構靜力場特征

3.1 應力特征

根據對不同來水流量工況下結構靜力場計算，獲得擋墻拉應力影響變化特征(如圖7所示)。從圖7中可看出，流量愈大，擋墻結構上拉應力愈大，在拐角折線方案中上游流量為32 m3/s下最大拉應力為2.91 MPa，而流量為128 m3/s、224 m3/s、320 m3/s方案下拉應力較前者方案中分別增大了11.2%、23.7%、63.6%，按照各方案中流量梯次增長48 m3/s下，其結構拉應力平均可增長8.7%；同理，在拐角直角擋墻與圓弧拐角擋墻方案中，拉應力受流量工況影響下的增幅分別為9.6%、4.8%，即以拐角圓弧方案下擋墻結構拉應力受影響敏感度最低[14-15]。分析認為，水力沖擊作用下，動能轉換成勢能作用在擋墻結構上，進而導致擋墻局部結構產生較大張拉應力。對比3種拐角形式擋墻方案，在各流量工況中均以直角拐角擋墻結構拉應力最高，其在各工況中分布為3.89～6.48 MPa，而折線拐角、圓弧拐角擋墻兩者方案的拉應力較前者分別減少了25.3%～37.2%、66.2%～71.4%，尤以圓弧拐角方案下拉應力水平最低，其在各流量工況中拉應力最大未超過2 MPa，甚至上游流量達到最大洪峰，該方案擋墻結構拉應力仍滿足材料安全應力要求。

圖7 拉應力影響變化特征示意

擋墻結構另一部分重要作用乃是加固墻后土體，提升土坡整體穩定性，因而不同拐角形式的擋墻結構勢必需要考慮土壓力影響變化，圖8為不同流量工況下擋墻拐角處土壓力變化特征。

從圖8中可看出，拐角處土壓力受上游流量增大影響，其土壓力呈緩慢增長態勢，且土壓力與流量參數具有正相關關系，初期整體增幅較小，在拐角直角方案中流量128 m3/s、320 m3/s工況下土壓力較之流量32 m3/s下分別增長了9.6%、71.3%；但從整體上看，在拐角直角與折線方案中，當流量接近最大洪峰后，拐角處土壓力達到“失控”增長態勢，如折線拐角方案中流量272 m3/s 、320 m3/s工況下土壓力分別達8.82 kPa、11.34 kPa，較之前一流量224 m3/s下分別增長了33.8%、72%，表明在水閘高流量運營工況下，此兩種拐角方案中墻后土壓力安全穩定性受到較大挑戰，極易發生傾覆及滲透突涌。從3種拐角設計方案中土壓力對比也可知，圓弧拐角方案下土壓力分布為3.96～4.81 kPa，而直角與折線拐角擋墻土壓力較前者分別具有增幅89.4%～171.3%、42.6%～135.9%，整體上圓弧拐角擋墻對墻后土壓力的控制及及加固作用為最佳[16]。分析認為，拐角處乃是擋墻承載面積發生突變點，應力集中較顯著，而圓弧拐角可較好過渡兩側水力勢能，減少背后土壓力受水力勢能擾動影響，進而表現土壓力水平較穩定的現象。

圖8 土壓力變化特征示意

3.2 位移特征

根據對3種方案中擋墻位移分析，獲得位移分布特征(如圖9所示)。分析表明，其位移分布基本類似，均以頂部變形最大，且聚集有大變形區域，且拐角處變形值高于擋墻兩側，此與拐角部位處受承載面積的突變特點影響，故而聚集有較大范圍變形，3種拐角方案中最大變形分別為2.93 mm、3.03 mm、3.04 mm，量值上差異較小，但從分布范圍對比來看，以圓弧拐角擋墻在拐角上的大變形分布最少，其分布變形為3～3.03 mm，而折線拐角擋墻大變形區分布范圍最廣。

a 折線體型

b 圓弧體型

c 直角體型

對比不同流量工況下3種拐角形式擋墻拐角處的最大位移變化特征可知(見圖10)，位移特征受流量工況影響在3個拐角方案中均有差異，直角拐角擋墻中最大位移呈線性上升，增幅較快，流量為32 m3/s下位移值為2.95 mm，而每梯次增長48 m3/s時，可引起拐角處位移增長15.2%，而在折線方案中，其初期流量工況下位移值甚至低于圓弧拐角方案，但當流量逐步增大至接近洪峰時，其位移值超過圓弧拐角方案，對應的節點流量為176 m3/s，隨每梯次流量，折線拐角方案下位移值有平均增幅13.3%。與前兩種拐角方案不同，圓弧拐角擋墻位移值在各流量工況中增長較緩慢，特別是在高流量工況中甚至處于“遲滯”狀態，如流量272 m3/s 、320 m3/s工況下位移值穩定在2.12 mm，即高流量工況運行下，拐角圓弧擋墻結構在承載面積突變點仍具有較好靜力穩定性。

圖10 最大位移變化特征

4 區段滲流場特征

不同拐角形式的擋墻對水閘抗沖刷保護能力有所差異，其顯著反映在閘室區段內滲流場特征，因而本文基于不同拐角方案，利用流場仿真模型計算獲得閘室區段內流場流速變化特征(如圖11所示)。

a 流量32 m3/s

b 流量272 m3/s

從圖11中可知，在相同流量工況下，流速水平最高為折線拐角方案，在流量為32 m3/s工況中，其流速分布為0.97～1.35 m/s，閘室內平均流速為1.18 m/s，而圓弧拐角、直角拐角方案中平均流速較前者分別減少了45.7%、79.7%，雖流速水平過高，有利于沖淤排沙，但過大的流速對下游水工建筑的沖刷效應不可忽略；另一方面，在折線拐角方案中其流速變化具有較大波幅，流量為32 m3/s工況下最大波幅達38.3%，流速穩定性欠佳，同樣在直角拐角方案中也存在局部的波幅，極易導致閘室內發生局部的紊流及渦旋活動，不利于控流安全性。當流量工況增大至272 m3/s下，3個拐角方案中流速特征與低流量工況下基本一致，圓弧、直角拐角方案下平均流速較折線拐角方案下分別減少了27.7%～52.3%、64.6%～86.8%，即流量愈大，不同拐角方案間流速水平差異性增大。同時，折線拐角方案中流速波動性也增大了，最大波幅可達62.8%，而直角拐角方案中波幅也達144.8%，僅圓弧拐角擋墻方案中最大波幅仍維持在2%范圍內，穩定性較佳。綜合流速水平及變化趨勢，認為圓弧拐角擋墻方案中控流、沖淤及降沙技術綜合優勢最大。

5 結語

1) 流量愈大，擋墻拉應力愈大，流量梯次增長48 m3/s下，折線、直角與圓弧拐角方案中拉應力分別平均可增長8.7%、9.6%、4.8%；3種拐角方案中直角與圓弧拐角擋墻拉應力為最高與最低，圓弧拐角方案中結構拉應力最大未超過2 MPa；墻后土壓力隨流量工況緩慢增長，直角與折線拐角方案中土壓力在高流量工況下已達到較高水平，圓弧拐角方案下土壓力分布水平最低。

2) 擋墻拐角處變形高于兩側，且分布有大變形區，但最大變形值在3種拐角方案中差異較?。恢苯枪战菗鯄χ凶畲笪灰圃龇畲螅刻荽瘟髁肯挛灰圃鲩L15.2%，圓弧拐角增長緩慢，在高流量工況中位移值穩定。

3) 折線拐角方案流速水平最高，但波幅也最大，在流量為32 m3/s、272 m3/s下分別達38.3%、62.8%，圓弧拐角擋墻方案波幅最低，流速水平適中，直角拐角方案流速最低。

4) 綜合3種拐角方案下靜力與滲流場特征，認為圓弧拐角方案更適配水閘過渡段擋墻結構。