水利泄洪闸墩预应力锚索张拉参数设计优化分析研究

王安顺

(江西省水利水电建设有限公司， 江西 南昌 330200)

1 概述

水资源在生产生活中必不可少，但安全有效利用水资源一直是水利工程师持续致力于研究的问题，其中水资源危害性带来防洪压力，致力于防洪设施的安全设计乃是重要解决之道[1-3]。李鹤、许晖、杜明松等[4-6]引入物理模型试验理论，开展水利设施的物理模型室内试验，从原型试验结果出发，研究水利设施的安全运营与设计参数之间关系，为工程实际设计提供重要参考。由于模型试验成本较高，因而借助已有安全可靠水利工程开展研究很有必要，因而通过在水利工程设施中安装监测传感器，研究水工结构运营过程中数据特征变化关系，为预判水利工程失效以及破坏提供依据，也为其他水利工程安全设计提供参考[7-9]。不可忽视，仿真计算在水利、交通、建筑等行业中均应用较多[10-12]，利用仿真计算可对水利工程中不同设计方案下复杂工况开展计算分析，研究水利结构最优设计方案，此种方案高效快捷，被较多工程师采用[13-14]。本文在赣江支流禾河水利枢纽开发设计蓝图下，对其中泄洪闸墩设施开展预应力锚索张拉参数分析，为开展水利设计提供参数与计算依据。

2 工程仿真计算模型

2.1 工程介绍

赣西南地区水资源丰富，属于赣江流域，其中分布有较多赣江支流，其中流径吉安地区的禾河乃是赣江中游地区重要补充水源支流，禾河最宽处超过250m，全长237.5km，流经地区是江西重要农业生产区域，确保禾河水资源调度安全稳定性乃是区域内防洪、农业生产以及城镇生活用水等的重要保障。由于赣西南地区属丘陵地带，在春夏之交常发生较大规模降雨，对地区内河流水位造成蓄洪压力，特别是2020年赣江上游等支流受降雨影响出现大规模“集体”水位暴涨，极大威胁着下游鄱阳湖及赣北平原地区防洪安全。为此，水利部门拟对赣江上游支流等河流进行水电站、防洪堤等水利设施开发建设，为赣江沿线生产生活提供重要保障。禾河上游水资源丰富，理论上可建设中大型水电站枢纽工程，拟开发建设一个二级水电站，该枢纽工程主要包括有上游蓄水库、下游泄洪设施，发电系统以及防洪大坝等，最大坝高设计为52m，上游蓄水库最高水位为44.8m，设计正常水位库容为1200万m3，考虑禾河水资源的多方面供应，设计有长度为90km的输水灌渠，并在水稻生产重要的6—7月份集中且优先供应水资源，设计渠首最大流量为0.7m3/s，可灌溉农田面积超过20万亩。防洪堤坝是100年一遇洪水标准设计，为兼顾水利枢纽工程防洪功能，设计有防洪库，确保赣江中下游地区防洪安全。该水利枢纽工程泄洪设施采用多孔式泄洪闸，设计闸顶高度为27m，泄水孔截面为圆形，半径为3.5m，闸墩结构采用预应力张拉锚索支护形式，确保闸墩在该水利枢纽工程运营过程中长期安全稳定性，弧形闸门截面状态如图1所示。

图1 弧形闸门截面图

预应力锚索截面形态如图2所示，设计排布有主、次锚索，其中主锚索分4排布设，间隔为120mm，次锚索与主锚索相垂直分布，双层布设，间距为1m，各个锚索上均安装有板式结构的垫层材料，厚度为5cm，截面为矩形，尺寸为0.3m×0.3m，垫层的存在可减弱预应力对锚索张拉破坏的冲击影响，锚固洞作为锚索附属设施，其与闸墩为整体式连接。根据禾河流域内地质踏勘可知，基岩以微风化灰岩为主，强度较高，实测单轴抗压强度近90MPa，上覆土层以第四系堆积土与沉积土为主，土体松散性较大，级配较差，颗粒粒径分布为0.0075～4mm，含水量中等，局部基岩层中夹有松散性砂土颗粒。为确保流域内新开发水利枢纽工程的安全运营稳定性，对预应力锚索张拉参数开展对比计算分析，为确定最优设计参数提供重要参考。

图2 预应力锚索截面形态

2.2 计算模型

由于该闸室预应力锚索张拉参数中尤为关注拉锚系数与锚索数量参数，因而笔者主要研究该水利枢纽工程中拦水大坝泄洪闸段，并建立仿真计算模型，如图3所示。采用四边形单元体作为模型微单元，该闸墩整体模型共划分出412581个微单元， 节点数375682个，另一方面预应力锚索设计参数与闸墩、锚块体息息相关，故为方便对闸墩整体模型优化设计，给出各个特征部位独立模型，如图4所示。图4(a)中标注为锚块与锚固洞特征部位在闸墩整体模型中所处位置。由于设计方案中对比参数主要以应力变形为主，因而设定仿真模型中x正向为沿坝右轴线，y正向为沿下游水流方向，z正向为沿闸墩高度向上。计算过程中结构材料为C40混凝土材料，其参数取标准规范值，重度为25kN/m3，地基岩土体参数设定为土工试验实测值，研究工况为闸墩泄流状态下，包括有预应力、水压力与自重等荷载[15]。

图3 闸墩仿真计算模型

图4 闸预结构特征部位独立仿真模块模型

3 锚索拉锚参数设计分析

3.1 拉应力特征

为获得主锚索张拉荷载最优参数，设计有5个拉锚系数与相对应的主锚索张拉吨位，为单独分析主锚索张拉吨位变化特征，其中次锚索张拉吨位统一设定为1050kN，而拉锚系数分别设定为1.4(A方案)、1.6(B方案)、1.8(C方案)、2.0(D方案)、2.2(E方案)，按照张拉预应力10%的损耗获得主锚索张拉吨位相对应分别为1023、1212、1401、1590、1879kN，具体对比计算方案见表1。针对5个方案开展闸墩重点部位与特征部位拉应力计算分析，进而确定最优拉锚系数与主锚索张拉吨位参数。

表1 拉锚系数对比计算方案表

根据仿真计算获得不同拉锚系数下闸墩重要部位最大拉应力变化特征，如图5所示。从图5中可看出，闸墩颈部最大拉应力与拉锚系数具有负相关关系，且两者具有线性负比例关系，当拉锚系数为1.4时闸墩颈部处最大拉应力为1.68MPa，而拉锚系数增大至1.8、2、2.2时，即主锚索张拉吨位分

图5 不同拉锚系数方案闸墩重要部位最大拉应力

别为1401、1590、1879kN时，C、D、E三个方案最大拉应力相比A方案降低了31.5%、47%、59.5%，即拉锚系数愈大，可显著约束闸墩颈部处张拉应力发展。与闸墩颈部最大拉应力呈相反态势的是，锚固洞下游面、锚块下游面处的最大拉应力与拉锚系数为正相关关系，在拉锚系数1.4时锚块下游面上最大拉应力为1.8MPa，拉锚系数增大0.2，该部位最大拉应力平均涨幅为7.2%。而在相同拉锚系数下，锚固洞上最大拉应力乃3个特征部位中最大值，在拉锚系数1.8时，锚固洞下游面上最大拉应力为3.15MPa，其他两个特征部位最大拉应力相比之降低幅度最大可达63.4%；另一方面，锚固洞最大拉应力随拉锚系数为递增，拉锚系数增大0.2，平均可带动其最大拉应力增长约9.4%。

3.2 压应力与分布特征

在计算闸墩重要特征部位最大拉应力的同时，亦可获得各部位处最大压应力变化关系，如图6所示。从图6中可知，闸墩上3个重要特征部位上最大压应力随拉锚系数均为递增变化，拉锚系数为1.8、2.2下的闸墩颈部最大压应力相比系数1.4时增大了9.3%、18.2%，当拉锚系数增大0.2，该部位处最大压应力平均可增大4.3%，而在锚固洞、锚块下游面上该增大幅度为9.4%、7.9%。对比闸墩特征部位最大压应力关系可知，锚固洞下游面压应力为最高，拉锚系数1.8时锚该部位最大压应力为14.98MPa，而闸墩颈部、锚块下游面上最大压应力相比前者分别降低了46.7%、14.1%。

图6 不同拉锚系数方案闸墩重要部位最大压应力

从仿真计算过程中不仅可得到拉、压应力量化特征的变化，亦可获得应力分布特征，各拉锚系数方案中应力分布特征基本相近，因而本文以A方案开展分析，如图7所示。从图7中可看出，闸墩颈部最大拉应力主要出现在闸门背侧，且随背离闸门递减分布，该方案中闸墩颈部处最大拉应力为1.68MPa；而锚块下游面上拉应力主要出现在沿下游水流x正方向上，最大拉应力聚集在垫板周边，主要由于锚索与垫板之间应力集中引起；锚固洞下游面上拉应力出现在顶部与侧面相交区域，张拉预应力在锚固洞中发展，导致了锚固洞下游面上顶部的拉应力集中，最大拉应力为2.6MPa。

图7 闸墩结构模型应力分布

综合分析表明，当增大拉锚系数，即增大主锚索张拉吨位后，可显著提升闸墩受压效果，减弱闸门冲刷过程中的拉应力破坏，但拉锚系数愈大导致锚块与锚固洞的下游面上拉应力发展越大，对锚块的抗拉性能带来较大的挑战，且主锚索张拉吨位愈大，对工程成本控制不利，因而拉锚系数取5个方案的中间值更为可靠，以拉锚系数1.8(C方案)作为主锚索参数设计的最优方案。

4 锚索自由段长度参数设计分析

锚索自由段锚固结构中重要组成部分，闸墩预应力锚索支护设计参数中必须考虑锚索自由段长度，控制锚索自由段长度不仅可削弱预应力的损失，亦可增强预应力锚索整体抗拉特性。为此，锚索自由段长度参数分别设定为2m(1#方案)、3m(1#方案)、4m(3#方案)、5m(4#方案)、6m(5#方案)，其他参数按照前述C方案中张拉吨位设计，基于计算锚索自由段不同参数下拉、压应力变化，为分析评价出最优自由段长度提供依据。

经对5个不同锚索自由段长度参数方案计算后，获得闸墩重要特征部位拉、压应力变化关系，如图8所示。从图8中最大拉应力变化特征可知，锚索自由段长度参数与闸墩颈部、锚块下游面最大拉应力均为负相关关系，即增大锚索自由段长度，可较好限制闸墩颈部、锚块下游面上最大拉应力发展，当锚索自由段长度为2m时，闸墩颈部上最大拉应力为0.93MPa，而在自由段长度为5、6m时该部位的最大拉应力相比前者降低了52.7%、65%，当自由段长度增大1m，闸墩颈部、锚块下游面上最大拉应力平均降幅分别为23.1%、8.8%。与前两者重要特征部位有所不同，锚固洞下游面上最大拉应力随锚索自由段长度增大有所涨幅，自由段长度为5、6m时该部位的最大拉应力相比长度1m时增大了17.4%、20.3%，平均每增大1m自由段长度，锚固洞下游面上最大拉应力增长约4.8%，即锚索自由段长度对锚固洞下游面上拉应力促进效应相比来说幅度较小。5个方案中闸墩特征部位处的最大压应力随锚索自由段长度均为小幅增长，且最大压应力与锚索自由段长度参数具有线性正相关关系，图中3个特征部位线性增长系数分别为1.35、0.6、0.75，即闸墩颈部最大压应力受自由段长度参数更为敏感。

图8 闸墩重要特征部位拉、压应力变化关系

综合上述分析，当增大锚索自由段长度后，虽锚固洞下游面上拉应力有所增长，但涨幅处于可控区间，且可较好降低闸墩颈部、锚块下游面上张拉破坏威胁，但不可忽视增大锚索自由段长度势必会导致工程成本的增加，因而综合多方面考虑锚索自由段长度参数取4m为最佳。

5 结论

(1)拉锚系数愈大，闸墩颈部拉应力愈小；但锚块、锚固洞拉应力增大，当拉锚系数增大0.2，两部位上最大拉应力平均增长幅度分别为7.2%、9.4%。

(2)拉锚系数愈大，闸墩压应力愈高，拉锚系数增大0.2，闸墩3个重要部位上最大压应力增长幅度分别平均可达4.3%、9.4%、7.9%；拉锚系数变化并不引起闸墩特征部位处应力分布变化。

(3)锚索自由段长度参数愈大，闸墩颈部、锚块下游面上最大拉应力愈小；闸墩最大压应力随自由段长度均为小幅增长，其中以颈部处增长最快。

(4)闸墩预应力锚索拉锚系数取值为1.8、自由段长度为4m时，闸墩结构安全稳定性最佳。