蒙陰縣小型水庫除險加固方案優化分析

趙雯雯

（臨沂市水利局，山東 臨沂 276000）

水利工程中除險加固設計通常根據已有工程監測資料或設計資料，對工程運營中出現的微觀數據開展分析，進而為目標加固工程的設計方案提供借鑒參考，此亦有利于工程設計優化[1，2]。數值仿真計算可高效解決不同方案、不同參數的水工設計對比，利用包括ANSYS、ABAQUS、COMSOL 等在內的仿真計算平臺[3，4]，對有限元模型開展不同設計方案的計算對比，探討設計參數變化對工程穩定性影響，對提升水工結構加固設計水平具有重要作用。本文根據蒙陰縣境內小型水庫現狀，開展心墻堆筑吧加固設計分析，為工程設計優化提供參考。

1 工程仿真

1.1 工程概況

本文以上峪水庫心墻設計為研究對象，開展計算優化。上峪水庫庫容量為120 萬m3，初步設計壩高最大為35.30 m，采用粉質壤土作為填筑料，分層壓實填筑，壩基處鋪設有厚度為0.45 m 的砂土墊層，運營期監測最大沉降不超過3 cm，最大滲透坡降為0.28，壩身采用混凝土網格結合植物護坡形式，采用弧形鋼閘門弧門寬度為1.8 m，液壓啟閉機啟閉，閘室底部高程為28.5 m，最大泄流量設計為1 050 m3/s，壩體下游設置有長度為55 km的輸水灌渠，渠首流量監測為0.3～0.7 m3/s。在目前壩體運營基礎上，對上峪水庫壩體設計為心墻填筑形式，以該水庫K1+150～K1+305 區段內為計算分析對象，該區段內心墻長度為3，2 m，曲率為6×10-4，設計心墻厚度為40 cm，該區段內壩體高度為30.2～32.8 m，心墻壩高擬定為32～35 m，針對心墻壩高設計參數開展計算優化分析。

1.2 仿真建模

為確保上峪水庫心墻填筑壩設計合理性，利用CAD 建模軟件獲得水庫心墻壩幾何模型，簡化壩身非關鍵部位。該模型包括上、下游壩坡，坡度分別為1/2、1/3，設有防浪墻結構，厚度為60 cm，所建立的計算模型經ABAQUS 仿真平臺劃分微單元25 362 個，節點數19 562 個，其中心墻體劃分網格時重點加密，壩體各部位物理力學參數均以實際巖土體實測值帶入計算，如壩體覆蓋料以混凝土力學參數作為計算參考，確保模型計算精度。另根據計算模型所在工程場地，確定X、Y、Z 正向分別為壩體右岸、順水流下游及壩體垂直向上。

本文針對心墻壩高設計參數開展優化分析，以壩體竣工期下靜力荷載工況下開展計算，該工況下模型邊界包括有靜水壓力、壩體自重以及揚壓力等；在計算模型底部設置為多向約束條件，頂部為單向移動約束條件，設定上游水位為32 m。本文計算采用瞬態法計算壩體靜力場特征參數，包括有設計參數影響下的壩體變形、應力特征，根據心墻壩高設計范圍，設定心墻壩高參數有6種方案，分別為32.5（1#方案）、33（2#方案）、33.5（3#方案）、34（4#方案）、34.5（5#方案）、35（6#方案），各設計方案中心墻曲率、心墻厚度以及長度等設計參數均保持一致，僅改變心墻壩高設計參數，分析心墻壩高參數影響下的壩體靜力場特征，獨立心墻體典型設計方案如圖1 所示。

2 心墻壩高對壩體位移影響

根據各設計方案計算獲得心墻壩高影響下壩體各向最大位移變化特征，如圖2 所示：壩體各向位移中以Z 向為最大，X 向最低，在3#設計方案中X 向最大位移為0.605 m，而Y、Z 向位移值較之前者分別增大了1.1 倍、3.1 倍，各設計方案中Z 向、X 向位移間差異幅度分布為2.25～4倍，表明心墻堆筑壩中應重點關注壩體沉降位移值變化，其對壩體安全性影響較為關鍵。

圖2 壩體各向最大位移變化特征

分析壩體位移受心墻壩高影響變化可知，3個方向最大位移隨心墻壩高均為先減后增變化，位移最低值均指向壩高34 m 設計方案，心墻壩高32.5 m 時X 向上最大位移為0.825 m，而壩高為33.5 m、34 m 時X 向最大位移較之前者分別減少了26.7%、43.5%，與之同時壩高34.5 m、35 m 相比壩高34 m 時又分別增大了13.3%、30.5%，表明以壩高34 m 為節點，X 向位移變化呈階段區間變化，此現象在Y、Z 向均是如此，壩高34 m 時Y 向位移相比壩高32.5 m、33.5 m 分別減小了30.2%、11.7%，而壩高34.5 m、35 m 位移相比34 m時分別增大了15.9%、30.8%。在壩高32.5～34 m 區間內，壩高增大0.5 m 時，壩體X 向最大位移較之減少17.2%，而Y、Z 向位移的減少幅度分別為11.3%、4.5%，即該區間內增大心墻體壩高，堆筑壩整體位移有降低態勢，可抑制壩體發生滑移趨勢；在壩高34～35 m 區間內，壩高0.5 m 的增長，平均可導致X、Y、Z 向位移分別增大14.2%、14.4%、6.5%，即該區間內壩高愈大，其穩定性愈弱。分析認為，壩體各向位移隨心墻壩高變化具有最低節點，此與壩體結構材料所能承受最大荷載有關，當壩高處于一定節點區間內時，壩體各部分材料均處于完全負荷狀態，水工結構安全性較佳，但壩高過大時，此時水利結構超過受荷極限，壩體出現較大變形，不利于工程安全運營[5，6]。從壩體位移安全性考慮，在心墻壩高34 m 時堆筑壩位移狀態最好，最有利于大壩穩定運行。

3 心墻壩高對壩體應力影響

根據對心墻壩高影響下應力計算，獲得壩體拉、壓應力隨心墻壩高變化關系，圖3 為壩體拉應力變化特征。從圖中壩體各向拉應力變化可知，X、Z 向最大拉應力隨心墻壩高參數均為先減后增變化，拉應力最低均指向壩高34 m 時，心墻壩高34 m 下X 向最大拉應力相比壩高32.5 m、33.5 m 時分別減少了98.4%、96%，而之后壩高34.5 m、35 m 下最大拉應力相比壩高34 m 下分別增大了22 倍、29.4 倍，在壩高32.5～34 m 區間內，X、Z 向拉應力均為遞減，平均各方案間最大拉應力降低幅度分別為35.8%、15.1%，而在壩高34～35 m 區間內，此兩向上拉應力變化態勢為遞增，平均增幅為32.8%、121.8%，而為確保結構應力安全性，應控制壩體拉應力處于兩階段變化節點處。

圖3 壩體拉應力變化特征

從整體應力安全性考慮，在X、Z 向上拉應力均低于1 MPa 的僅為4#、5#方案，故選擇壩高34 m 時相比之安全性較佳。Y 向拉應力隨心墻壩高持續為遞減，但遞減幅度在心墻壩高34 m 處發生顯著變化，超過34 m 后，Y 向最大拉應力降幅處于“飽滿”狀態，后兩方案最大拉應力幾乎無顯著降低，最大降幅僅為3.8%，而在心墻壩高32.5～34 m 區間內，平均降幅可達37.9%，故從工程成本與安全性考慮，在心墻壩高34 m 時Y 向拉應力已處于較佳狀態。根據拉應力變化可知，確定心墻壩高34 m 為最優方案更有利。

與之同時，獲得壩體各向壓應力隨心墻壩高變化特征，如圖4 所示：壩體各向壓應力以Z 向為最大，X 向最低，在5#方案中，Z 向最大壓應力為4.856 MPa，而X、Y 向最大壓應力相比前者分別降低了46%、38.5%，表明預壓效果最顯著的為Z 向，此與壩體Z 向所受荷載最大有關。分析壩體各向壓應力隨心墻壩高參數變化可知，兩者曲線呈“倒V”型特征，其中壓應力最大方案均為壩高34 m，該方案下壩體預壓效果顯著，壓應力分布量值亦滿足結構設計要求。在心墻壩高32.5～34 m 區間內，三向壓應力均為遞增，心墻壩高每增長0.5 m，平均可提升X、Y、Z 向壓應力30.1%、32.2%、27.7%，而在心墻壩高34～35 m 區間內，三向壓應力平均降幅為22.9%、24.1%、27.1%。分析認為，控制心墻壩高在合適節點，有利于提升壩體預壓效果，降低壩體傾覆失穩性，因而當壩高為34 m 時乃是有利于壩體抗傾覆，設計方案較優。

圖4 壩體壓應力變化特征

4 結語

1）壩體Z 向位移為最大，X 向最低；隨心墻壩高增大，各向位移均為先減后增變化，位移最小值為壩高34 m 方案，壩高32.5～34 m 區間內，X、Y、Z 向位移平均降幅分別為17.2%、11.3%、4.5%，而壩高34～35 m 內各向位移平均增幅又為14.2%、14.4%、6.5%。

2）X、Z 向最大拉應力隨心墻壩高參數均為先減后增變化，但Y 向拉應力隨之為遞減，在心墻壩高34 m 后降幅較小，X、Z 向拉應力在該節點處于最低；各向壓應力隨心墻壩高為先增后減變化，最大值為壩高34 m 方案。

3）研究了心墻壩高34 m 方案位移、應力分布特征，位移由壩底至壩頂為先增后減變化，應力由壩底至壩頂為遞減分布，壩體靜力場分布均處于最優狀態。

4）綜合位移、應力變化與分布特征，認為心墻壩高34 m 為最佳設計方案。