静动力荷载工况下水利枢纽工程中闸墩及锚索结构应力特征研究

张瑞霞

(吕梁市水利工程建筑总队，山西 吕梁 033000)

1 概 述

水利工程面临的工程环境差异性较大，变化的工程环境势必会带来不同的约束荷载工况，研究不同荷载工况下水工结构应力特征，为实际水工设计提供重要参考[1-3]。历从实等[4]、周旭锐等[5]、冯新等[6]利用物理模型实验，包括有振动台或者静力模型试验等，研究了溢洪闸、大坝以及其他水利设施的安全状态，为实际工程水利参数设计提供依据。尽管物理模型试验结果较为可靠，但不可忽视模型试验成本较高，计算效率较慢，因而一些专家与学者通过微震、现场传感器监测等手段[7-9]，研究水利结构在实际运营工况中应力场或渗流场变化特征，及时预判工程失稳临界状态，一定程度丰富了水利工程设计的参考依据。数值仿真作为一种高效计算手段，能够快速解决复杂工况下实际工程应力稳定性，指导工程实际运营[10-12]。本文根据水利枢纽工程中闸墩与锚索锚固洞实际工况，设计数值仿真计算，解决工程在静、动力荷载工况下的应力特征解问题，为工程运营及除险加固设计提供参考。

2 工程概况

2.1 工程资料

某水电站乃是区域内重要水利枢纽设施，承担着区域内蓄水、防洪、发电、丰水期与枯水期水资源调度的重要作用，水资源供应主要面向农业用水与工业用水，建设有长度为65 km的输水渠道，水渠工程全长均采用格宾石笼作为衬砌形式，减少水流损耗，进而提升枯水期水资源灌溉效率的稳定性，工业用水主要通过水库输水隧洞设施传送至泵站，进而调度至各个用水项目，该水库年可供工业用水量超过50×104m3，隧洞渠首流量设计为0.6 m3/s。该水利工程设施包括有大坝、发电厂房、泄洪水闸、消能池水工设施等，其中坝体采用混凝土重力式设计形式，坝轴线全长258 m，坝顶高程581 m，上下游迎水侧坡度均为1/2.5，设计正常蓄水位575 m，洪水位579.8 m，冲淤泥沙高程为494 m，场地基岩峰值加速度为0.25 g；坝体防渗系统采用厚60 cm防渗墙与止水面板，防渗墙插入基岩深度1.5 m，可减弱流体冲刷作用，其中止水面板铺设至坝身，防渗效果较佳，坝身渗透坡降监测值不超过0.2；水电厂房全年可发电超过1 300×104kW·h，主要面向工业用电与生活用电；泄洪水闸采用预应力锚索作为锚固支护结构，设计有6根闸墩作为支撑结构，每根闸墩间距为2.2 m，按照主次预应力锚索分别在闸墩承重台上下排分布，上排与下排各自锚索的间距为60 cm，上下排锚索之间距离为2.5 cm，次锚索间距为1 m，主锚索设计张拉应力为2 380 kN，次锚索为2 250 kN，锚索布置平面图见图1；设计有锚固洞作为锚索连接设施，与闸墩为整体式连接。以弧形钢闸门作为流量启闭通道，设计闸门直径为3.6 m，图2为该弧形钢闸门平面示意图，设计有液压式启闭机，精确控制闸门开度，确保水利资源运输安全性。为提升该水利枢纽工程运营安全性，需对重点部位开展结构稳定性验算，本文针对性解决水利枢纽工程中水闸预应力锚索在各运营工况下应力稳定性，为枢纽工程除险加固提供重要参考。

图2 弧形钢闸门平面示意图

为确保锚索应力仿真计算准确性，对工程现场开展地质踏勘调查。该工程表面覆盖有第四系种植土，松散性较大，颗粒粒径以1 mm左右为主，磨圆度较差，厚度为0.3 m；在基岩层上覆存在有一层壤土，含砂量较大，承载力适中，输水渠道衬砌结构持力层即为该土层，含水量较小，干燥状态下渗透性较好；基岩层以弱风化花岗岩为主，室内测试单轴抗压强度超过50 MPa，弹性模量为10 GPa，颗粒粒径以粗颗粒为主，局部夹有破碎带，层间厚度为1.6 m，裂隙亦主要发育在碎屑夹层中，测试含软弱夹层的花岗岩试样破坏形式主要在夹层处发生剪切破坏，锚索与锚固洞等水工结构设计之时已避开相关破坏性夹层处。

2.2 模型建立与约束荷载

根据该水利枢纽工程实际运营状态，以其中闸室所在坝段为研究对象，采用ANSYS仿真计算平台建立计算模型。为适应静力荷载与动力荷载下工况计算，采用六面体单元作为模型网格单元，每个单元网格尺寸为0.5 m[13-14]，所建立的仿真模型见图3，分别为闸墩所在区段坝体模型、闸墩模型、锚索连接设施锚块模型，其中锚块模型共获得156 824个网格单元，节点数124 862个。模型应力方向设定为沿坝右轴线为X正向，沿下游水流方向为Y正向，沿高度向上为Z正向。

按照静力工况与动荷载工况分别设置3个研究方案，其中A方案属静力工况，乃是上游水电站处于正常蓄水位期、闸门关闭状态；B方案属静力工况，设计洪水位，双孔闸门均开启；C方案属地震动荷载工况，闸门迎水侧水位与A方案一致，但以地震动反应谱分解方法施加有地震动水压力。其计算式见式(1)[15-16]：

(1)

式中：Pw为动水压力；ρw为流体密度；αh为动水压力系数；H0、h分别为水位高度与水面以上高度。

图3 仿真计算模型

3 静力工况下锚索应力分析

3.1 闸墩应力

经仿真计算获得两个静力工况下闸墩应力分布特征，见图4。从图4中可看出，A方案闸墩X向以压应力为主，且左右侧闸门的应力分布具有对称性，最大压应力为4.5 MPa，最大压应力主要出现在闸墩颈部，该区域中无显著拉应力；B方案中该区域压应力有一定增大，相比A方案最大压应力增大55.6%，相比闸墩材料压应力允许值，A方案、B方案两静力工况均处于受压安全状态。从主拉、压应力分布特征可看出，A方案中最大拉应力位于闸墩底部与溢流段相交处，达0.9 MPa；B方案拉应力分布相比A方案下有一定增长态势，其中最大拉应力相比后者增大33.3%，特别是在闸墩颈部出现有显著拉应力。分析认为，设计洪水位下预应力锚索下的张拉预应力在静水压力下有所降低，进而无法进一步削弱闸墩颈部处拉应力发展。两个方案的主压应力分布无显著变化，仅最大压应力分布所处区域发生变化，A方案下最大压应力位于闸墩底部，而B方案下最大拉应力处于闸墩颈部，其主要内因与高水位下闸室受到的静水压有关。

图4 闸墩应力分布特征(由左至右分别为X向应力、主拉应力、主压应力)

图5为两个工况中闸墩特征部位最大拉、压应力变化特征。从图5中可知，A方案中Y向拉应力以闸墩顶面为最大，达0.8 MPa，但在B方案中Y方向最大拉应力乃是以闸墩颈部为最大，达1 MPa；同样的情况出现在Z向，A、B两方案中在Z向的最大拉应力分别位于闸墩顶面、下游面，量值以B方案下最大，增长了1倍，表明闸墩各方向上最大拉应力分布受上游蓄水位影响会发生偏移，闸墩顶面、下游面、颈部等特征部位上应为重点加固。主压应力中最大压应力量值在5个特征部位中变化态势均为一致，呈W形；张拉预应力对闸墩影响主要在闸墩颈部与闸墩顶面，A方案中闸墩颈部的主拉应力受张拉预应力保护，而最大拉应为0，B方案中该部位出现最大拉应力为1.1 MPa，同样的现象出现在闸墩顶面。综上可知，张拉预应力主要对闸墩特殊部位产生影响，水工设计时应对这类区域考虑威胁工况下的张拉破坏。

图5 闸墩特征部位最大拉、压应力变化特征

3.2 锚索应力

在计算获得闸墩静力工况下应力分布特征后，同样获得了锚索结构应力分布特征，图6为锚索锚固洞典型应力分布特征。从图6中可知，锚固洞上存在较多张拉应力，两方案中锚固洞X向最大拉应力均为2 MPa，但在锚固洞主拉应力特征中以B方案拉应力最大，达4.2 MPa，而A方案中最大拉应力相比前者降低14.3%，最大拉应力出现部位主要集中于张拉预应力锚固区与锚固洞侧面连接段，另在锚固洞顶、底面亦分布有较大拉应力分布，且部分区域的最大拉应力超过材料安全允许拉应力范围；从锚固洞主压应力分布特征来看，两工况中最大压应力值均为9.6 MPa，相比材料允许压应力，处于较安全状态。综上表明，锚固洞局部区域易受张拉破坏，受压应力满足要求，应加强受弯钢筋配置。

图6 锚索结构应力分布特征(由左至右分别为X向应力、主拉应力、主压应力)

图7为两工况中锚固洞特征部位最大拉、压应力变化特征。从图7中可看出，锚固洞顶、底面最大拉应力均以Y向为最大，A方案中顶面可达2.4 MPa，而B方案中相同方向相同部位的最大拉应力相比前者增大16.7%；在锚固洞下游面中各方向主要以受压为主导，仅X向上存在有较大拉应力，且两方案中下游面最大拉应力均为2 MPa；锚块顶面、侧面拉应力较小，即使在设计洪水位(B方案)中，最大拉应力仅为0.7 MPa，主要仍以受压主导，特别是在锚块侧面，压应力较大，两方案中侧面的最大压应力均超过13 MPa。笔者认为，锚固洞作为锚索重要设施，其所存在的张拉预应力受水闸上游水位影响较小，仍以自身静力荷载下结构受力状态为主。

图7 锚索结构特征部位最大拉、压应力变化特征

4 地震动力工况下锚索应力分析

由于地震动力荷载下，水闸所受到地震动水压力，闸墩以及锚索锚固洞等设施应力状态会发生显著变化，图8为锚索及闸墩特征部位最大拉、压应力变化特征曲线。从图8中可知，闸墩底部拉应力乃是各特征部位中最大值，相比A方案下底部最大拉应力增大6.6倍；反之，与静力工况下呈显著差异的乃是闸墩颈部处最大拉应力显著降低，该部位处最大拉应力相比B方案下反而降低45.5%，表面动荷载主要影响闸墩底面，并且逐渐传输至闸墩下游面等区域。锚固洞各特征部位中最大拉应力出现在下游面，最大拉应力可达6.8 MPa，且在锚固洞顶、底面均为张拉状态，无压应力分布，表明锚固洞顶、底面均已出现张拉破坏，地震动荷载在传递过程中首先导致锚固洞顶、底面破坏，进而传输至下游面，达到最大拉应力。锚固洞最大压应力乃是锚块侧面，可达13.5 MPa，当地震动荷载对锚固洞顶、底面产生张拉破坏时，所连接的锚块实质上受到锚索张拉预应力保护，导致其应力状态处于受压，虽压应力水平较高，但处于材料安全允许值；从抗震设计安全性出发，锚固洞配筋加固应防护锚固洞顶、底面以及下游面，而对于锚块体的安全性防护可与锚索张拉预应力的控制相结合。

图8 闸墩及锚索结构特征部位最大拉、压应力变化特征

5 结 论

1) 静力工况下，闸墩Z向最大拉应力分别位于闸墩顶面、下游面，其中B方案最大拉应力相比A方案增大1倍，主压应力中最大压应力量值在5个特征部位中变化态势均为一致，呈W形；闸墩颈部以受压为主导，其中B方案下最大压应力相比A方案下增大55.6%。

2) 静力工况下，锚固洞顶、底面最大拉应力均以Y向为最大，需注重配筋加固；下游面以受压为主导，锚块顶面、侧面最大拉应力仅为0.7 MPa；锚固洞X向拉应力增大与设计洪水位有关。

3) 地震动力工况下，闸墩底部拉应力最大，且随上游蓄水位增大而递增，B方案最大拉应力相比A方案下增大6.6倍；锚固洞最大拉、压应力分别位于下游面与锚块侧面，且锚固洞顶、底面均为受拉状态，张拉破坏显著。