基于Midas GTS與FLUENT的堤防擋墻格柵設計參數對比優化探究

蔣東晟

(濟寧市水務綜合執法支隊，山東 濟寧 272000)

1 概述

擋墻結構是水利工程中一種重要加固、防滲設施，其在堤防工程[1]、水閘[2]及溢洪道[3]等水工建筑中應用較廣，對提升水利運營安全性具有重要意義，故研究擋墻結構設計優化具有重要作用，特別是開展擋墻設計與加固工程的靜力穩定性[4]、滲流安全性[5]，從綜合分析角度考慮結構最優設計，有利于推動水工設計水平。舒天白等[6]、李平[7]、茹秋瑾等[8]采用ABAQUS、COMSOL、ANSYS等數值計算軟件對擋墻結構開展建模分析，研究了擋墻靜、動力場特征，評價運營工況下結構安全穩定性。胡樂文等[9]、陳似華[10]基于滲流場離散元模擬研究，采用FLUENT平臺開展了水工結構的滲流計算，分析滲流場特征參數來評估結構設計利弊性，為工程建設提供參考。對于水工結構靜力計算以及滲流計算，羅強等[11]、肖成志等[12]根據模型試驗方法，對擋墻結構水工模型開展運營試驗，分析其運營中結構應力、位移變化及滲流特征，從而豐富結構設計優化評價成果。本文基于北湖堤防運營現狀，采用滲流場與靜力場綜合計算對比方法，研究了擋墻結構的應力、位移及滲流特征參數變化，為確定最優設計參數提供參考。

2 工程設計模擬

2.1 工程背景

為提升濟寧市北湖堤防工程運營安全穩定性，針對北湖北堤-南二環、濱河路-湖東堤等區段內堤防開展除險加固設計，原防洪方案按照90年一遇洪水標準設計，最大洪水位設計為37 m。根據對北湖險堤調查得知，目前需要重點防滲加固的區段堤防長度為4.3 km，局部堤身監測獲得最大滲透坡降超過0.25，滲流活動較活躍，不利于堤防工程安全運營，而本文研究的重點加固區段位于K0+135～K0+995，堤頂高程為39.99 m，堤頂寬度為4 m，設計有橋涵等行車交通設施，最大防洪水位為36.5 m，該區段內共有3座節制閘，采用多孔式水閘設計形態，單孔凈寬度超過15 m，設計最大泄流量為315 m3/s，采用弧形鋼閘門結構形式，半徑為7 m，底緣結構前傾為45°，最大面板壓強可承受100 kPa，有效降低過閘流量水力勢能與水沙懸浮。重點加固區段內堤防下游采用水下清淤方式，降低河床高程，清淤高程至32.50 m，清淤方向為東西向，清淤區域距離堤防邊界為28 m，全長為1 900 m，緩解上游堤防受水力勢能沖擊影響。區段內重點水利設施還包括有泄洪閘設施，采用雙支臂支承結構體系，根據對泄洪閘的模擬計算表明，其結構體系最大拉應力為1.6 MPa，位移不超過12 mm，其穩定性與堤防內滲流活動密切相關，當堤身徑流較活躍，會對泄洪閘墩產生一定滲流影響[13]，所有閘墩均在早前完成加固，墩身直徑為2.2 m，采用預應力錨索，每根張拉錨索最大荷載可達1 000 kN，截面主、次錨索布設如圖1所示，主、次錨索間距分別為200 mm、80 mm。

圖1 閘墩內主、次錨索平面布置示意

根據北湖堤防升級改造要求，目前已完成堤身生態護坡與混凝土預制砌塊硬化加固，提升堤防岸坡整體靜力穩定性[14]，但堤防滲流監測表明滲透坡降水平仍較多，因而在不影響堤防靜力穩定性前提下，考慮加固結構對滲流活動影響。通過對國內多個堤防加固方案分析，濟寧北湖堤防考慮采用加筋土扶壁式擋墻結構形式。由于加筋土擋墻不僅需要考慮擋墻自身結構設計，也需考慮格柵加筋設計效果，確保其受力、位移及防滲效果與擋墻一致性，本工程中計劃采用鋼絲格柵材料，是一種強度高、密閉性較佳的格柵材料(見圖2)，其加筋肋與墻身可達到較好契合度，但針對加筋土擋墻格柵單個網孔尺寸還處于討論環節，設計部門計劃分析不同網孔設計方案下的技術優勢，從而確定最佳設計方案。

圖2 鋼絲格柵示意

2.2 設計模擬

針對堤防鋼絲格柵擋墻結構設計優化問題，經對堤防堤防附屬水工設施簡化后，采用Midas GTS仿真平臺完成有限元建模(如圖3所示)，該模型可導入FLUENT平臺中完成離散元化，獲得滲流場計算離散元模型，流場斷面計算距離控制在與溢流面距離相當的擋墻斷面區域。該模型中包括有擋墻面板迎、背水側及墻身、墻頂等關鍵部位，共劃分獲得有限元網格為14 662個，節點數為126 822個，其中擋墻面板厚度為1.2 m，扶壁采用扶肋設計，間距為1 m，墻踵板厚度為1.4 m，墻頂具有多階次設計形式，每個階高為7.5 m。而針對格柵結構，其布設間距為1.8 m，本文重點探討鋼絲格柵網格尺寸參數，按照格柵間距與網格參數差距不低于1/10設計，在確定鋼絲格柵網格均為方形，以其邊長參數為分析對象，設定為3 cm、6 cm、9 cm、12 cm、15 cm、18 cm。

圖3 有限元模型示意

由于本文不僅需要考慮結構靜力場穩定性問題，也需考慮滲流場影響變化，故模型所受荷載包括有結構自重、動與靜水壓力，以擋墻結構影響范圍計算動水壓力，而靜水壓力參照北湖堤防上游水位32.5 m計算。參照堤防處設置擋墻的工程實際，在擋墻頂、底部分別設定為全自由度與零自由度邊界條件，在邊界面上設置為光滑接觸，不影響滲流場與應力場分布。模型中X、Y、Z3個正方向分別為堤防下游清淤方向、水流與堤防垂直向及自重應力方向。鋼絲格柵扶壁式擋墻的重要部位包括有面板層、扶肋扶壁及頂板與踵底板等部位，其中面板層是直接反映格柵分布對結構應力影響的關鍵部位(如圖4所示)。本文基于對鋼絲格柵不同設計方案開展靜力場計算與滲流場分析，為確定結構的最適配參數提供依據。

圖4 擋墻結構重要部位示意

3 格柵設計參數對靜力穩定性影響

3.1 應力特征

根據對不同部位處應力為分析，獲得格柵設計影響下結構拉應力變化特征(如圖5所示)。根據對圖5中拉應力特征分析，擋墻結構上拉應力最大位于扶肋扶壁處，當格柵網格尺寸變化，其拉應力分布為3.2～8.45 MPa，而典型的頂板、面板迎水側較前者分別減少了9.9%～20%、25.2%～40.7%、25.2%～40.7%；從扶肋扶壁拉應力變化可知，作為連接墻頂、底板的關聯構件，其在接觸界面處極易受到張拉應力集中作用，進而導致該部位上分布有較大拉應力，故結構設計時應重點關注，加密配筋以增強結構抗拉能力[15-16]。

圖5 最大拉應力影響變化示意

當格柵網格尺寸增大后，扶肋扶壁、頂板及面板拉應力均為先減后增變化，以格柵網格12 cm方案下拉應力最低，分別為3.2 MPa、2.54 MPa、2.05 MPa，當格柵網格尺寸位于3～12 cm時，格柵網格尺寸愈大，則對此3部位上拉應力具有抑制作用，各方案間網格尺寸每增長3cm，則3部位拉應力分別減少27.8%、29.6%、27.8%，而格柵網格尺寸超過12 cm后，由于網格間隙超過結構最低拉應力所能承受區間，此3個部位拉應力均遞增，平均增幅分別為51.8%、54.4%、45.6%；分析上述3個部位拉應力表現可知，以頂板部位受格柵網格尺寸影響最大，表明該部位上拉應力對鋼絲格柵加筋特征較為敏感。與前3部位不同的是，踵底板處拉應力在各方案中均處于較穩定不變狀態，維持在1.7 MPa左右，表明不論鋼絲格柵網格尺寸如何，對踵底板上拉應力影響較小，也不會改變踵底板上受力狀態。綜合結構上拉應力影響特征，考慮抗拉效應的技術優勢特征，以格柵網格尺寸12 cm時最大，以此為設計方案較為恰當。

同理，可獲得結構上壓應力受格柵網格尺寸影響變化特征(如圖6所示)。根據筆者分析壓應力變化趨勢，踵底板上壓應力最大，此與該部位壓應力來源于結構自重有關，表明擋墻結構受力體系中，仍以結構自重為最關鍵。分析網格尺寸影響壓應力特征可知，網格尺寸愈大，結構受壓效果愈顯著，但不可忽視網格尺寸過大，對壓應力提升作用有所減弱，以扶肋扶壁為例，其在網格尺寸3 cm時最大壓應力為8.06 MPa，而網格尺寸6 cm、12 cm、18 cm下壓應力較前者分別增長了27.2%、75.9%、76%，在網格尺寸3～12 cm方案內時，扶肋扶壁壓應力隨網格尺寸增長的平均增幅為20.9%，而網格尺寸12 cm后壓應力漲幅基本處于停滯，平均增幅僅為0.04%，即鋼絲格柵網格尺寸參數對結構壓應力影響減弱。

圖6 最大壓應力影響變化示意

踵底板及面板部位壓應力受格柵網格尺寸影響與前者基本一致，在尺寸3～12 cm方案內時，兩者壓應力分別具有平均增幅17.1%、29.6%，最大增幅分別可達23.3%、43.4%，而在網格超過12 cm后，則平均增幅僅為0.25%、0.45%。由此可知，格柵網格對結構壓應力影響具有合理尺寸，不在該合理尺寸附近，則結構預壓效果并不顯著，從本文模擬計算結果可知，該合理尺寸位于12 cm左右。綜合結構應力特征影響特性，鋼絲格柵網格尺寸為12 cm時結構抗拉、預壓技術優勢最顯著。

3.2 位移特征

位移特征反映了結構在運營工況下微觀變化，本文依據格柵網格尺寸差異，得出三向位移變化特征(如圖7所示)。觀察圖中位移變化可知：Z向位移最大，各方案中分布為4.5～12.6 mm，印證了結構自重乃是導致位移發生的最大本質原因。當格柵網格尺寸增大后，各向位移均隨之遞減，但降低幅度具有變化節點，均在格柵網格尺寸12 cm方案后位移降幅減緩，X、Y、Z向在該方案下位移分別為3.45 mm、2.03 mm、4.7 mm，而X向位移較之網格尺寸為3 cm、9 cm時分別減少了65.1%、30.8%，但網格尺寸為15 cm、18 cm時較之該變化節點方案下分別減少了3.3%、3.6%，從整體位移變幅看，在網格尺寸3～12 cm方案內，X向位移隨各方案的平均降幅為29.6%，而尺寸在12cm后，平均降幅僅為1.8%。該現象在Y、Z向位移中亦是如此，在尺寸3～12 cm方案內，平均降幅分別為34.1%、28%，最大降幅分別可達37.5%、28.3%，而網格超過12 cm后，最大降幅分別僅為7.6%、4.1%，平均降幅分別為3.9%、2.1%。分析認為，控制鋼絲格柵網格尺寸在合理區間內更利于結構設計的技術優勢，從位移影響變化結果可認為，格柵網格尺寸不應超過12 cm，而綜合結構靜力場變化，鋼絲格柵網格尺寸以12 cm下最安全。

圖7 各向位移影響變化示意

4 格柵設計參數對滲流場影響

依據FLUENT流場模擬計算平臺，完成對各格柵網格尺寸方案下滲流場特征參數計算，圖8為北湖堤防擋墻處上、下游區段內流速變化特征。

圖8 各方案下斷面流速特征示意

從圖8中可看出，不同方案中區段上流速變化有所差異性，但整體量值水平以網格尺寸愈大者更高，即格柵網格尺寸與流速水平具有正相關關系。在網格尺寸為3 cm時區段上平均流速為0.22 m/s，而網格尺寸為6 cm、12 cm、18 cm方案內的平均流速分別增長了1.45倍、3.1倍、6.5倍，網格尺寸每增長3 cm，平均流速水平可增長54.9%，表明網格尺寸愈大，對堤防河道斷面上流速控制愈不利。另一方面，流速過小并不是最合理的，當流速過小時，造成堤防迎水側泥沙懸浮、排沙沖淤效果削弱，對泥沙等水流雜質的沖刷作用同樣也會減弱，對北湖內水生態環境影響具有負面影響[17-18]。當分析各方案中流速變化可知，格柵網格為尺寸愈高的方案中雖流速較大，但波動性亦較大，在格柵網格為15 cm、18 cm方案中，區段流速波幅最大分別超過20.2%、18.6%，可能對堤防局部流體活動產生渦旋、紊流效應，與擋墻結構安全運營設計的目的相背道。而在網格為3 cm、6 cm尺寸較小的方案中，也會出現上游或下游斷面上的非穩定流速，分別在斷面為12 m、6 m處具有最大波幅，故網格尺寸較小也不適合安全設計。綜合討論，認為網格尺寸為12 cm時流速穩定性最佳，全斷面上最大波幅不超過1%，與靜力場的技術優勢結合之下，此方案具有最綜合最優技術。

5 結語

1) 扶肋扶壁處拉應力最大；扶肋扶壁、頂板及面板均以格柵網格為12 cm方案下拉應力最低，格柵網格尺寸超過12 cm后，3部位拉應力隨之平均增幅分別為51.8%、54.4%、45.6%；踵底板拉應力受格柵網格尺寸影響較小，各方案中均維持在1.7 MPa；壓應力以網格尺寸為12 cm方案下為最大增長點，超過該方案后預壓效果減弱。

2)Z向位移最大；格柵網格尺寸增大，各向位移均在12 cm方案后降幅減緩，在網格尺寸3～12 cm方案內，X、Y、Z向位移的平均降幅分別為29.6%、34.1%、28%，而超過12 cm后，平均降幅分別為1.8%、3.9%、2.1%。

3) 格柵網格尺寸與流速水平具有正相關關系，格柵網格每增長3 cm，平均流速水平可增長54.9%；網格尺寸過大或過小均不利滲流安全，會導致流速出現波動性，網格尺寸為12 cm方案下斷面流速波幅不超過1%，穩定性最好。

4) 綜合研究認為鋼絲格柵網格為12 cm下靜力穩定性與滲流安全性綜合技術優勢最佳。