基于仿真计算下泄洪闸结构设计研究

苏 玲

（大连市旅顺口区农业发展服务中心，辽宁 大连 116041）

1 引言

预应力锚索支护以及加固结构在水利工程中应用较多，研究锚索锚块与水工结构连接方式以及锚块体形态，为水工建筑结构设计提供重要参考[1，2]。水闸这类水工结构重要的承重结构即是闸墩，提升闸墩安全稳定性具有重要意义，而如何保证闸墩这类水工结构稳定性是许多水利工程师持续致力于研究的课题[3,4]。利用原型物理模型试验，针对水闸或大坝等水工结构开展室内破坏性试验研究，可为水工建筑结构设计提供重要试验参数参考[5,6]。在一些农田水利枢纽工程中，常在现场水工大坝或溢洪道等重要结构上安装监测设备，采集相关运营数据，为水工结构安全稳定性运营提供参考或预警[7,8]。数值仿真有助于快速设定不同研究工况下水工结构应力或变形状态，并可对比不同研究方案下计算结果，为水工结构设计提供参考[9,10]。本文将借助COMSOL仿真软件，以水库泄洪闸墩为研究对象，为结构安全设计优化提供重要参考。

2 工程概况

为保障辽西地区内农业生产效率，农业水利部门考虑对区域内重要水利枢纽工程开展除险加固，而该水利枢纽工程中运行时间较久、承担流体冲击作用最强的即是泄洪闸门的闸墩承重结构。该泄洪闸共有多根支撑墩，每根闸墩厚度为4 m，采用预应力锚索作为加固结构，其中每根闸墩共有4根主锚索，共分为两排设置，两排锚索间距为140 cm，两排内部主锚索之间的间距为60 cm，次锚索共设置有3根，中部次锚索距离承台下部180 cm，上、下次锚索分别距离中部次锚索140 cm、80 cm；锚固洞对称设置，每个锚固洞可承受拉力2 700 kN，主锚索可张拉吨位超过2 000 kN，整个闸墩及锚块均以混凝土一体式浇筑形成，锚索结构平面布置如图1所示。在枯水期不仅提供农业灌溉用水，亦可承担区域生活用水与工业用水供给，可提供水量超过200万m3，下游建设有输水渠道与抽水泵站作为水利输送调控站，渠道总长度超过80 km，渠首流量设计为0.65 m3/s，渠道内衬砌结构均采用防渗与防固结双系统，确保渠道内水资源输送效率。另该农田枢纽工程中水闸底板高程为695 m，宽度51 m，设置有80 cm厚的导墙，插入基岩深度1.5 m，可作为减弱流体冲刷作用，闸室段总长度为42 m，采用多孔式水闸设计，单孔尺寸为10 m×6 m。由于该枢纽工程主要面向区域内农业用水，因而拦污栅以及其他排污结构并未设置有较强过滤设备，另水流通行通道采用弧形钢闸门，直径3 m，采用液压式启闭机作为控制设备，精确调度闸门开度，确保通行流量满足下游农业灌区内输水干渠要求。由于农田水利枢纽工程安全运营可靠性极大程度上与闸墩安全稳定相关，因而对闸墩与锚索块的连接方式以及闸墩排布的锚固洞设计参数有关，笔者将对锚索连接方式以及闸墩锚固洞设计开展最优方案分析研究。

图1 锚索结构平面布置图

以现场地质勘察资料分析可知，工程所在场地内覆盖土层为第四系软性填土层，厚度约为1.5 m，松散型较大，利用室内土工仪器测定其变形模量高于普通碎石填土层，承载力中等，目前输水渠道所在持力层即位于该土层，并铺设有碎石垫层，防止沉降变形对渠道基础危害性；另一方面水闸基础下卧分布有粘土质淤泥，含水量较高，沉降变形较大，工程设计部门采用深长灌注桩作为筏板基础的基础承力台，以素混凝土作为固结材料灌注入淤泥质土中。基岩层材料为中风化花岗岩，颗粒粒径属中等，单轴抗压强度较高，达65 MPa，现场原位试验表明，基岩层内无夹杂破碎带，所取出样芯完整性较好，表面裂隙较少，静圧试验所测孔隙度最低可达0.6%，受上游河流冲刷影响，部分风化破碎带流失或堆积，因而岩体内部晶体颗粒一体化结构较稳固，室内三向应力状态下岩体渗透率低于10-18m2，另在淤泥质土层与基岩层接触界面设置有预应力锚索锚固洞。在上述工程资料以及室内岩土力学测试结果下，利用数值仿真手段，计算出不同连接状态下、不同锚固洞设计参数下闸墩应力变形特征。

3 闸墩与锚索固定锚块连接方式分析

3.1 模型建立及相关计算背景

目前锚块与闸墩的连接方式主要有整体式与分离式两种方案，其中整体式连接方案指锚块与闸墩作为整体式浇筑形成，仿真计算时将此变形受力考虑为整体，而分离式连接指锚块与闸墩浇筑制作时分开进行，两者之间组合形态为分离态，为此，笔者针对此两种不同连接方式下对闸墩应力状态的影响特性，借助COMSOL多物理场仿真软件建立闸墩数值模型，锚块作为闸墩预应力锚索的一部分重要结构，其材料为C40混凝土，在数值模型中与预应力闸墩共用单元节点，连接方式按照方案一：整体式，方案二：分离式，两种不同方案分别开展仿真计算；另数值仿真计算坐标体系中X、Y、Z正方向分别为顺下游水流向、向上竖向、河道水流垂向右岸；所建立数值模型如图2所示，划分单元网格数共63 584个，节点数46 762个，单元网格质量均在0.96以上，另在锚块等特征部位网格划分较密，图3为水闸预应力闸墩及其锚固设施结构特征剖面所在位置。为准确评价不同工况下闸墩与锚块安全稳定性，设计以水闸完建期（工况一）与上游水位72.3 m所处蓄水期（工况二）为计算背景，分别研究预应力闸墩锚块应力特征，本文所有拉、压应力参数均以正、负号区分。

图2 数值模型图

图3 闸墩、锚块以及空腔截面上特征剖面

3.2 不同连接方式仿真计算结果

经仿真计算获得不同连接方式下闸墩各工况下特征剖面上应力参数，如图4所示。从图4可看出，以整体式连接方案为例，当水闸处于蓄水工况下，闸墩上均会出现拉应力，而在完建期无水工况下，闸墩上不存在拉应力，均以受压为主导作用，在方案一中，蓄水工况下闸墩最大拉应力达2.9 MPa，而在完建期1-1与3-3特征剖面上压应力均一致，且均为闸墩上最大压应力，达9.5 MPa；分析认为，当水闸处于蓄水工况下，上游不仅存在闸墩重力，且蓄水压力会导致闸墩发生受弯作用，进而导致闸墩一侧剖面出现拉应力，这也解释了在工况二蓄水工况中仅有1-1剖面为受拉作用，其他剖面均为受压作用，在受到下拉上压型弯矩时，势必会导致结构一侧出现一定拉应力，所用混凝土材料抗压强度标准值为2.39 MPa，若以方案一为设计方案，则蓄水工况下闸墩颈部会出现张拉破坏，但假以增设钢筋，可一定程度减小拉应力产生。在方案二中，当处于完建期工况时，与方案一类似，1-1特征剖面与3-3特征剖面均处于对称式受压状态，两者最大压应力均为一致；而在蓄水工况下方案二依然产生拉应力，但1-1特征剖面上的最大拉应力相比方案二中降低了41.4%，仅为1.7 MPa，即分离式设计方案可显著削弱蓄水期对闸墩颈部张拉受力破坏影响。

图4 闸墩颈部各工况下特征剖面上应力参数

图5为两种方案不同工况下锚块下游面应力变化特征。从图中可看出，方案一整体式连接方案在完建期与蓄水期下均产生拉应力，最大拉应力分别为1.5 MPa、1.4 MPa；相比方案一，方案二分离式连接方式下锚块下游面在两工况中的最大拉应力分别相比前者下降了6.7%、14.3%，虽然两种方案中最大拉应力均未超过混凝土材料安全允许值，但方案二分离式连接方式中锚块所受拉应力更显较安全。从压应力特征亦可看出，方案一中在4-4特征剖面以受压为主导作用，完建期与蓄水期两工况中的最大压应力分别为11.8 MPa、10.8 MPa，而在方案二中两工况的最大压应力分别降低了6.8%、2.8%，分析认为方案二分离式连接具有显著削弱闸墩颈部、锚块体受拉、压作用影响，提升闸墩安全稳定性运营。

图5 锚块下游面各工况下特征剖面上应力参数

图6为分离式连接方案下锚块与空腔体不同形态切面上的应力分布。从图中可看出，锚块下游面上拉应力分布在迎水侧边缘区域，且蓄水工况下锚块下游面的受拉区域显著减小，笔者认为此与所采用的分离式连接方案抑制拉应力产生有关。完建期工况中，空腔上游面Z方向拉应力分布基本呈对称式分布，最大拉应力为3.2 MPa，对称式的拉应力分布实质上与锚索所处位置有关，锚索的存在将拉应力分布区域间隔呈对称状态；蓄水工况下空腔上游面最大压应力达13.4 MPa，分布在空腔体中心区域，不论是拉应力分布区域，亦或是拉应力值，均相比完建期工况一中要减少，此亦印证了采用分离式连接方案对闸墩稳定性的促进效应。

图6 分离式方案下锚块与空腔体不同形态切面上的应力分布（左、右分别为完建期、蓄水期）

4 锚索锚固洞设计分析

针对闸墩锚索锚固洞体型特征，设计四个对比组方案，分别为三点弧截面（A方案）、心形截面（B方案）、等边三角形外接圆截面（C方案）、梯形截面（D方案），四种方案锚固洞截面形态如图7所示，同样以工况一完建期与工况二蓄水期展开对比分析。

图7 锚固洞设计体型截面示意图（A～D方案）

图8为四种截面方案下锚索锚固洞顶面、底面以及空腔上、下游面的最大拉应力变化曲线。从图中可看出，除空腔上游面外，在其他三个特征面上，四种截面方案的最大拉应力均呈依次递增态势，锚固洞顶面A方案蓄水工况下最大拉应力为2.19 MPa，而D方案下最大拉应力增长了78.5%，同样的情况在锚固洞底面中依然保持较高增幅态势，A、D方案下的最大拉应力涨幅为63.3%，锚块空腔体下游面B、C、D方案蓄水工况下的最大拉应力相比A方案增大了71.1%、64.5%、54.9%；笔者认为，四种截面方案与空腔下游面存在图9所示几何关系，各方案与下游面夹角分别为0°、45°、60°、75°，即锚固洞截面与空腔体下游面夹角愈小，则实际受拉或受压承载面积愈大，进而导致拉、压应力降低，削弱闸墩颈部或空腔体受张拉破坏风险，因而从四个方案比较可知，采用三点弧截面方案更有利于闸墩稳定。另一方面，从各剖面最大拉应力表现来看，除锚块顶面以外，其他切面上的工况一完建期最大拉应力总低于工况二蓄水期，在锚块底面A方案中工况二相比工况一增大了63.3%，而在锚块顶面，工况一相比工况二增大了41.6%。从水闸工程实际运营考虑，当水闸蓄水运营后，较大的静水压力对闸墩的锚块底面以及空腔体均会产生较大弯矩，进而产生蓄水期锚块底面以及空腔体的最大拉应力显著高于完建期；而此种情况在锚块顶面又会有显著不同，即使水闸蓄水，但在安全运营过程中，水位总会低于锚固洞顶部，因而此时锚块受预应力锚索的张拉影响，其拉应力以工况一为最大。

图8 不同截面体型最大拉应力变化特征

图9 四种体型构造与下游面关系图

5 结论

为研究辽西地区某水库泄洪闸枢纽工程闸墩结构设计安全性，利用COMSOL多物理场仿真软件计算分析了闸墩与锚索锚块的两种连接方式差异性、锚索锚固洞设计参数优化，主要得到以下几点结论：

（1）分析了蓄水期闸墩颈部均会出现拉应力，完建期闸墩颈部两侧边缘剖面压应力均为一致；分离式连接方案最大拉应力相比整体式方案降低了41.4%，仅为1.7 MPa，处于材料安全允许值区间，分离式设计可显著削弱蓄水期对闸墩颈部张拉受力破坏影响。

（2）研究了锚块下游面在完建期、蓄水期均会产生拉应力，而分离式方案锚块下游面在两工况中的最大拉应力分别相比整体式方案下降了6.7%、14.3%；分离式方案的锚块下游面最大压应力相比整体式方案亦分别降低了6.8%、2.8%，分离式连接方案有助于提升闸墩安全稳定性运营。

（3）研究认为锚固洞截面与下游面夹角愈小，愈有利于闸墩安全稳定，以A方案三点弧形截面为最佳；除空腔上游面外，锚固洞其他切面上最大拉应力均随空腔下游面夹角呈递增态势，锚块空腔体下游面B、C、D方案蓄水期最大拉应力相比A方案分别增大了71.1%、64.5%、54.9%。

（4）分析了四种不同截面体型方案中除锚块顶面外，其他切面上完建期工况最大拉应力总低于蓄水期工况，其中锚块底面A方案中两工况之间差幅达63.3%，锚块顶面由于水位影响，其蓄水期工况最大拉应力低于完建期，A方案中两者间相差41.6%。