水库泄洪闸墩锚固结构安全设计方案仿真计算研究

时 静

(济南市水利工程服务中心，山东 济南 250099)

水利工程中常需要针对运营时间较久的水工建筑开展除险加固，而安全可靠的加固设计对修建运行时间较长的水工结构具有重要价值，如何确定设计方案是许多水利工程师持续专注研究的课题[1-3]。若考虑在室内进行实际模型研究，则可基于物理模型试验理论，设计原型试验，研究水工建筑等设施在破坏过程中水力特征、应力变形特征等，为水工安全设计提供重要参考[4-6]。若在工程现场，则可采用原位仪器，开展相关现场长期监测或安装预警传感器等，分析工程建设或运营过程中相关参数的变化特征，从而准确预判水利工程安全性[7-10]。不可否认，上述相关研究或手段均对提高水利设计水平具有重要帮助，但均需耗费大量人工或材料成本，而数值仿真软件可根据现场不同运营工况，模拟研究不同约束荷载条件下水工结构内部应力分布及量值变化，并对比不同设计方案下差异性，为确定最优设计方案提供基础依据[11-13]。本文利用仿真软件建立闸墩结构模型，计算不同设计方案下应力变化，为确定闸墩锚固洞最优设计方案提供参考[14]。

1 工程概况

鲁东水库位于山东半岛与鲁西南地区的重要农业生产灌区内，为区域农业水资源灌溉及水资源空间、时间分布调控起到重要作用，该水库在丰水期可承担供水量超过200万m3，下游建设有输水渠道与抽水泵站作为水资源输送调控站，渠道总长度超过80 km，渠首设计流量为0.65m3/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。但由于水库枢纽工程运营时间较久，部分水工建筑结构出现老化及渗漏等现象，因此农业水利管理部门考虑对该水库枢纽工程重要水工结构部位开展除险加固。该水闸底板高程为695m，宽度51m，设置有80 cm厚的导墙，插入基岩深度1.5m，可减弱流体冲刷作用，闸室段总长度为42m，采用多孔式水闸设计，单孔尺寸为10m×6m，设置有直径为2.8m的弧形钢闸门作为水流通道。泄洪闸作为水库上游重要水位调控设施，为下游积蓄水能等提供重要支撑作用，而该闸重要支撑结构是闸墩设施，泄洪闸共分布有8根闸墩，每根闸墩厚度为4m，采用预应力锚索作为加固结构，锚固洞对称设置，每个锚固洞可承受拉力2700kN，主锚索可张拉吨位超过2000 kN。为最大程度保证枢纽工程运营安全可靠性，考虑对泄洪闸墩开展安全除险加固，而其中首当其冲受到长期水力冲刷影响的乃是闸墩锚固洞底面部位，因而管理部门首先考虑对闸墩锚固洞底面部位开展加固设计，并开展设计方案对比分析，进而确定该泄洪闸墩锚固洞底面的最优设计方案。

为保证仿真计算准确性或方案对比可靠性，对工程现场展开地质踏勘，并钻孔取样，获得现场地质岩土体状态，表明所存土层为人工填土层，不同于自然风化堆积土层，该填土层松散型较大，实测弹性模量高于普通碎石土填层，厚度为1.8m，中等承载力，输水渠道所在持力层即位于该土层，仅设置碎石垫层作为防渗沉降变形，天然地基即可满足承载力设计要求。而泄洪闸下卧基础土层中含有淤泥质黏土，沉降变形较大，含水量较高，因而需要对该天然地基进行人工处理，考虑采用钻孔灌注桩作为桩基础部件，并以素混凝土作为固结材料灌注入淤泥质土中，提升地基承载力。经对基岩材料室内测试发现，所取样基岩为中风化花岗岩，表面无显著孔隙，单轴抗压强度测试值在58MPa以上，静圧试验所测孔隙度最低可达0.6%，多个钻孔取样资料表明，基岩并无较大面积的碎屑夹层，节理等裂隙发育较少，因而预应力锚索锚固洞设置在淤泥质土固结层与基岩层接触界面。利用上述工程资料，借助ANSYS仿真计算软件建立闸墩锚固洞模型，进而对比分析不同设计方案下的应力特征，为综合确定锚固洞底面设计方案提供参考依据。

2 泄洪闸墩锚固结构模型及设计方案

2.1 闸墩锚固结构模型

由于本文只探讨闸墩锚固洞底面部位设计方案，因而，在对比设计方案中闸墩锚块空腔体型、锚固洞顶面设计参数等均为一致，其中闸墩锚块空腔体型为椭圆形，长、短轴分别为3、0.8m，且设定锚块空腔原点距离闸墩上游距离为2m，锚固洞顶面采用1/4圆弧半径弧长与下游面相切，半径设定为1.5m，锚块与闸墩连接为整体式，进而锚块乃是闸墩重要构成的一部分，其应力安全状态均关乎闸墩能否安全运营。借助ANSYS仿真软件建立闸墩数值模型，锚块作为子结构，采用与闸墩共用模型节点的方式，材料属性按照C40混凝土物理参数设定；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1所示，划分单元网格数共66584个，节点数47762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，锚固洞截面上各特征剖面所在位置划分示意图如图2所示。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72.3m处蓄水期(工况二)为计算背景，分别研究锚固洞不同切面部位的特征剖面应力特征，本文所有拉、压应力参数均以正、负号区分[15-16]。

图1 数值模型图

图2 闸墩锚固洞截面上特征剖面

2.2 锚固洞底面设计方案

锚固洞底面设计参数主要考虑与下游面相切状态，设定锚固洞底面与下游面相切的切点位于下游面底部端点，且两者之间为1/4圆弧长，但圆弧半径不同，锚固洞底面体型也会发生较大改变，进而影响受力荷载方式，因而，锚固洞底面设计方案主要专注于研究不同圆弧半径对锚固洞安全状态的影响。根据实际工程荷载状态，确定圆弧半径设计参数分别为0.5m(A方案)、1m(B方案)、1.5m(C方案)、2m(D方案)、2.5m(E方案)，进而展开对比分析计算，由此确定闸墩锚固洞底面最佳设计方案。

3 锚固结构底面设计方案仿真计算

3.1 锚固洞底面应力特征

利用ANSYS仿真软件计算获得锚固洞底面不同设计方案下锚固洞底面部位各特征剖面上应力特征，如图3所示。从图3中可看出，锚固洞底面部位的10-10、11-11两剖面在完建期、蓄水期均为拉应力，而12-12剖面均为压应力，其中又以10-10剖面上拉应力为同工况中最大，压应力在各设计方案中分布较稳定，其中以蓄水期压应力为最大。比较各剖面中完建期与蓄水期最大拉应力可知，蓄水期最大拉应力均高于完建期，当底面圆弧半径为1m时(B方案)，完建期工况中最大拉应力为2.9MPa，而蓄水期最大拉应力相比前者增大了48.3%，分析认为蓄水期锚固洞所受静水压力会产生静水弯矩，而锚固洞底面处于水位以下，处于“下拉上压”状态，因而12-12上剖面处于压应力主导，而完建期弯矩仅来源于闸墩自重，因而最大拉应力相比蓄水期较小。分析锚固洞底面设计参数与锚固洞底面最大拉应力变化关系可知，两者为负相关特征，在完建期工况中A方案最大拉应力为4.9MPa，而锚固洞底面圆弧半径增大至1、1.5、2.5m后，方案B、C、D、E最大拉应力相比前者分别降低了40.2%、55.1%、61.2%、65.3%，分析认为锚固洞底面圆弧半径愈大，愈可限制闸墩锚固洞底面最大拉应力发展，进而确保锚固洞不致发生张拉破坏。

图3 锚固洞底面应力特征

3.2 锚固洞上游面应力特征

不同底面圆弧设计参数影响下锚固洞上游面应力特征如图4所示。从图4中可看出，13-13、14-14两剖面不论是完建期亦或是蓄水期，均处于受压主导，且在两工况中均以13-13剖面上应力为最大压应力，当底面圆弧设计参数改变后，14-14剖面上压应力变化较小，完建期蓄水期分别稳定在0.7～0.8、0.4MPa，而13-13剖面在蓄水期压应力随底面圆弧半径呈递增态势，E方案蓄水期最大压应力相比A、B方案下分别增大了71.4%、33.3%，但压应力分布范围相比材料允许压应力值仍较小。从拉应力分布变化特征可知，仅15-15剖面在蓄水期存在一定拉应力，且各设计方案中最大拉应力均保持不变，稳定为0.5MPa，而该剖面在完建期虽为受压主导作用，但其最大压应力与底面圆弧半径亦无显著影响，稳定在1.3MPa。笔者认为，锚固洞上游面15-15剖面在蓄水期所产生的拉应力主要与稳定的水位静水压力弯矩有关，而底面圆弧半径的改变，仅改变了底面部位的受力面积或受力方式，对锚固洞上游面所受弯矩荷载并无影响，因而锚固洞上游面15-15剖面最大拉应力稳定不变。

图4 锚固洞上游面应力特征

3.3 锚固洞下游面应力特征及方案比选

与前文计算锚固洞上游面应力特征类似，同样可获得下游面应力受底面圆弧半径影响特征，如图5所示。从图5中可看出，三个剖面在两工况中均为受拉，13-13剖面中拉应力呈先减后增变化，底面圆弧半径为2m时拉应力最小，即D方案13-13剖面上拉应力最低，此种现象不仅存在于完建期，蓄水期与之类似，A方案13-13剖面上最大拉应力为3.3MPa，而D方案最大拉应力相比A方案降低了48.5%，当底面圆弧半径增大至2.5m后，则E方案最大拉应力相比D方案又增大了11.8%，表明底面圆弧半径设计参数对锚固洞下游面应力影响存在转折点，当底面圆弧半径超过2m后，锚固洞下游面半径参数有助于提升下游面张拉应力发展；实质上当底面圆弧半径超过一定界限后，13-13剖面与所受弯矩点距离会逐渐减小，因而拉应力会有增大态势。另从14-14、15-15剖面上应力变化特征可知，14-14剖面在两工况中最大拉应力不受底面圆弧半径参数影响，同一工况下均为一致，完建期14-14剖面上最大拉应力为2.8MPa，而蓄水期最大拉应力又稳定在2.5MPa；同样的现象出现在15-15剖面上，其完建期、蓄水期中最大拉应力在各底面圆弧设计方案中均保持不变，分别稳定在2.3、1.3MPa；分析认为，锚固洞下游面14-14、15-15剖面上拉应力来源于上游静水压力产生的弯矩，而14-14、15-15剖面上拉应力产生与底面圆弧半径所产生的弧长截面并无影响，因而其最大拉应力在各设计方案中均保持一致。

图5 锚固洞下游面应力特征

锚固洞特征部位在完建期、蓄水期应力分布状态如图6所示。从图6中可知最大拉应力均位于圆弧区域，当工况改变，蓄水期最大拉应力向斜截面方向上发展，锚固洞下游面两个工况中拉应力差异主要出现在上、下圆弧面上，即工况改变很大程度上影响13-13剖面或15-15剖面应力。从锚固洞底面及上、下游面应力特征考虑，圆弧半径过大有助于限制拉应力发展，但超过一定界限后，拉应力发展趋势会有所逆转，因而当底面圆弧半径设计参数为2m时(D方案)，不论是图6中应力分布状态，亦或是特征部位上拉、压应力值，均较安全合理。

图6 D方案锚固洞特征部位应力分布(左、右图分别为完建期、蓄水期)

4 结论

(1)锚固洞底面蓄水期最大拉应力均高于完建期，10-10、11-11两剖面在完建期、蓄水期均为拉应力， 12-12剖面为受压，压应力受锚固洞底面设计参数影响较小。

(2)锚固洞上游面最大压应力为13-13剖面，随底面圆弧半径呈递增，14-14剖面压应力受底面圆弧半径参数影响较小，15-15剖面应力不受底面圆弧半径参数影响。

(3)锚固洞下游面在两工况中均为拉应力，最大拉应力位于13-13剖面；14-14、15-15剖面上拉应力不受底面圆弧半径参数影响。

(4)综合锚固洞各特征部位应力特征，确定底面圆弧半径设计参数为2m时，锚固洞底面处于最佳状态，闸墩安全性可靠。