基于Abaqus仿真计算的节制闸墩结构安全设计分析研究

官志龙

(广东省源天工程有限公司，广州 511340)

1 概 述

闸墩等水工设施作为水利建筑物中重要承受荷载的结构，其结构设计安全稳定性对工程长期运营具有重要意义，因而水利工程设计人员长期对此类水工结构开展过诸多方案优化计算分析[1-3]。其中有些学者与工程设计人员基于室内物理模型试验原理设计水工结构原型，结合工程实际荷载状态设置不同工况下的水工结构破坏实验，研究破坏过程中水力特征或应力变形特征，为水利工程设计提供参考[4-6]。当然，在现场利用原位仪器或声发射等微观监测仪器，亦能开展水利结构安全运行分析[7-9]。但不可忽视，室内模型试验或现场监测均需要长期准备前期工作，因而数值仿真计算手段解决了此类矛盾。利用仿真计算软件，基于不同现场实际荷载工况，可分别计算出不同设计方案在各工况下应力或变形变化特征，或研究出渗流演化特征，对探讨最佳设计方案均有较大帮助[10-12]。本文利用Abaqus仿真软件建立闸墩锚固洞计算模型，并根据锚固洞顶面不同设计方案开展对比分析，为确定最适合该闸墩锚固洞的设计方案提供科学依据。

2 工程概况

某水库枢纽设施是粤西地区水资源重要输送调控水工结构，承担区域农业用水、工业用水及枯水期一部分生活用水供应，年承担水量超过200×104m3。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。该水库大坝设置有节制闸，作为输送水流量的控制设施，该闸底板高程为695 m，宽度51 m，设置有厚80 cm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，水闸孔尺寸为10 m×6 m，所设置的单扇弧形钢闸门直径为4.2 m，以液压式启闭机作为控制设备，根据具体的工程所需流量以最佳的开度完成输水放行。目前，由于该水库建设运营周期较长，部分水工结构运行出现老化，水资源输送效率降低，因而工程设计部门考虑对水闸等重要水利结构展开除险加固设计，而首要加固目标即为节制闸墩。

目前，节制闸墩工作状态较好的有6根，每根墩厚度为4m，设计有预应力锚索为支撑锚固结构，按照主次锚索顺序布设在闸墩剖面上。其中，主锚索按照上下两排布置，上排与下排各自锚索间距为60 cm，上下排锚索之间距离为140 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和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，锚固浇筑材料均为C40混凝土，锚固洞与闸墩为整体式连接，锚索结构平面布置见图1。为最大程度保证加固设计安全可靠性，现需对闸墩锚固洞顶面开展最优设计计算，利用Abaqus仿真软件，建立闸墩与锚固洞一体式模型，开展不同设计参数方案下应力特征分析。

图1 锚索结构平面布置图

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。踏勘结果表明，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1.8 m，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。闸室下卧土层中存在有黏土质淤泥，含水量较大，原设计采用钻孔灌注桩穿过淤泥层，直达基岩层，但由于部分土层松散型，因而局部地段设置有固结灌浆，保证地层满足闸墩结构安全要求。基岩为弱风化灰岩，细颗粒结构，所取样品表面无显著孔隙，单轴抗压强度高达55 MPa，无显著碎屑夹层，磨圆度较高，目前预应力锚索锚固洞支护结构以该结构层为母体，保证锚索张拉应力安全状态。利用上述工程地质资料，在Abaqus建模过程中采用较佳的物理力学参数，针对不同锚固洞顶面设计参数展开对比计算分析。

3 闸墩锚固洞模型建立及设计方案

3.1 仿真模型

本文专注研究闸墩锚固洞顶面设计参数，因而针对闸墩锚块体型以及锚固洞底面等设计参数均保持一致。其中锚块体型为椭圆形，长、短轴分别为3和0.8 m，且设定锚块空腔原点距离闸墩上游距离为2 m，锚固洞底面采用半径1 m的1/4圆弧形，且锚块与闸墩采用整体式连接方式。借助Abaqus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，材料属性均以C40混凝土参数计算；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；所建立数值模型见图2。划分单元网格数共66 584个，节点数47 762个，单元网格质量均在0.96以上，在锚块等特征部位网格划分较密，图3为锚固洞特征剖面所在位置。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。

图2 数值模型图

图3 闸墩锚固洞截面上特征剖面

3.2 锚固洞顶面设计方案

锚固洞顶面设计参数主要为与下游面相切状态的体型设计，因此以顶面为圆弧形，与下游面为相切状态，设计有1/4圆弧的弧长，与下游面的切点正契合。但不同圆弧半径的设计参数对下游面应力或锚固洞顶面应力均有影响，因而本文主要研究确定锚固洞顶面圆弧半径设计参数。根据实际工程荷载状态，确定圆弧半径设计参数分别为0.4 m(A方案)、0.8 m(B方案)、1.2 m(C方案)、1.6 m(D方案)、2.0 m(E方案)，进而展开对比分析计算，由此确定闸墩锚固洞顶面最佳设计参数。

4 闸墩锚固洞顶面设计分析

4.1 锚固洞顶面应力特征

基于不同锚固洞顶面圆弧半径设计方案计算获得各方案下锚固洞顶面应力特征，见图4。从图4可看出，对比完建期(工况一)与蓄水期(工况二)两工况，锚固洞顶面均会出现拉应力，其中工况一(完建期)在顶面圆弧半径为0.8 m时最大拉应力为3.6 MPa，而相同研究方案下工况二(蓄水期)最大拉应力相比前者降低27.8%，即完建期锚固洞顶面最大拉应力高于蓄水期，此种现象在另外其他设计方案中亦是如此。分析认为，不论是蓄水期亦或是完建期，水位很难超过或漫顶至锚固洞顶面部位，即静水压力对锚固洞顶面并不产生拉应力影响，相反蓄水期由于静水压力产生的弯矩影响水位以下锚固洞部位，因而可削弱锚固洞顶部拉应力分布，进而产生蓄水期锚固洞顶面最大拉应力低于完建期的现象。从相同工况不同设计方案角度考虑，锚固洞顶面最大拉应力与顶面圆弧半径具有负相关关系，在工况一(完建期)中，A方案圆弧半径0.4 m下最大拉应力为5.2 MPa，而B、C、D、E方案相比前者分别降低30.8%、44.2%、51.9%和59.6%，圆弧半径愈大，愈能限制锚固洞顶面拉应力发展，提升锚固洞整体安全稳定性，此种现象在工况二(蓄水期)中同样存在。且各设计方案之间最大拉应力降低幅度均基本一致，表明水位并不影响圆弧半径对锚固洞顶面拉应力的限制作用。

图4 锚固洞顶面应力特征

4.2 锚固洞上游面应力特征

图5为锚固洞顶面不同设计方案下锚固洞上游面应力特征变化。从3个剖面上应力特征对比可知，13-13、14-14两个剖面上在完建期、蓄水期均为压应力主导，其中最大压应力为13-13剖面，而15-15剖面在蓄水期(工况二)中均为拉应力。对比相同剖面上应力特征可知，13-13剖面上压应力以蓄水期(工况二)最大，而14-14剖面上又以完建期(工况一)为最大。分析认为，13-13剖面更靠近锚块下部，当处于蓄水期时，较大的水头压力势必需要锚块上游面13-13剖面更多的压力来平衡承担，因而其以蓄水期压应力更大，且为同工况下各剖面中最大压应力。对比不同设计方案下锚固洞上游面应力变化可知，13-13剖面上最大压应力不受顶面圆弧半径设计参数改变影响，在完建期与蓄水期两工况中分别保持一致，压应力稳定在1.1和2 MPa；14-14剖面与13-13剖面类似，压应力基本不受圆弧半径设计参数改变影响，在两工况中压应力亦是分布在0.6～0.7和0.4～0.5 MPa。分析认为，锚固洞顶面体型的改变对锚块上游面13-13、14-14浸水面并不产生较大影响，其压应力的产生主要来源与闸墩迎水截面积有关，并不受到锚块顶部体型设计参数影响。15-15剖面位于锚固洞顶部，其在完建期均为压应力分布，且所分布压应力值均较小，随锚固洞顶面圆弧半径增大，完建期该剖面上的压应力稍有增大，E方案压应力为1.3 MPa，相比A方案该剖面的压应力增大18.2%；蓄水期15-15剖面均为拉应力分布，且随顶面圆弧半径增大而递增，其中A方案中该剖面的拉应力为0.3 MPa，而C、D、E方案相比前者分别增大66.7%、133.3%和166.7%。即蓄水期工况中，圆弧半径参数与锚固洞上游面拉应力为正相关，从闸墩结构安全设计方面考虑，圆弧半径不应过大，避免锚固洞上游面面临较大张拉应力状态[13-14]。

图5 锚固洞上游面应力特征

4.3 锚固洞下游面应力特征及方案比选

同理，针对锚固洞下游面3个特征剖面上应力特征展开分析，见图6。从图6可看出，不同于锚固洞上游面3个特征剖面上既有拉应力又有压应力状态，在锚固洞下游面各剖面上均为拉应力主导；13-13、14-14两个特征剖面上最大拉应力随顶面圆弧半径参数改变均保持不变，其中完建期两个特征剖面上最大拉应力分别为2和2.8 MPa，而在蓄水期两个剖面上最大拉应力分别为2和2.5 MPa。笔者认为，下游面拉应力的产生与闸墩迎水侧静水压力产生的弯矩有关，而顶面圆弧半径改变并无实质性影响，因而在下游面13-13、14-14两个水位以下剖面的最大拉应力在各设计方案中保持不变。15-15特征剖面中完建期最大拉应力高于蓄水期，在B方案中完建期最大拉应力为2.4 MPa，而蓄水期最大拉应力相比之降低45.8%；两个工况中15-15剖面上的最大拉应力与顶面圆弧半径设计参数为负相关，且降低幅度为先快后慢，完建期工况中B方案与A方案之间最大拉应力降低44.2%，而在同工况的C方案与B方案之间最大拉应力降低8.3%，此种情况在蓄水期工况中亦是如此。由此表明，锚固洞顶面圆弧半径设计参数对锚固洞下游面张拉应力抑制影响为先快后慢，保持圆弧半径设计参数处于该影响程度转折点附近，锚固洞下游面张拉应力即处于较安全状态。

图6 锚固洞下游面应力特征

以两工况D方案锚固洞顶面、锚固洞上下游面应力分布状态为例进行分析，见图7。从图7可知，锚固洞顶面最大拉应力靠近顶面的下游面处，且随着蓄水位变化，最大拉应力逐渐移动至顶面的上游面处，最大拉应力均保持在顶面圆弧区域内。锚固洞上游面应力分布在两工况中无显著差别，仅在靠近顶面圆弧半径处发生拉应力变化。从闸墩结构安全性以及工程建设经济性综合考虑，当圆弧半径过大，势必施工难度以及建设成本均会较高，且锚块上游面拉应力会处于较高水平，但另一方面有助于削弱锚固洞顶面应力，因而将锚固洞顶面圆弧半径设定为1.2～1.6 m为最佳方案。

图7 特征部位应力分布状态(左、右图分别为完建期、蓄水期)

5 结 论

1) 锚固洞顶面完建期最大拉应力高于蓄水期，顶面圆弧B方案下蓄水期最大拉应力相比完建期降低27.8%；锚固洞顶面最大拉应力与顶面圆弧半径具有负相关关系，圆弧半径愈大，愈能限制顶面拉应力发展，B、C、D、E方案下顶面最大拉应力相比A方案分别降低30.8%、44.2%、51.9%和59.6%。

2) 锚固洞上游面13-13、14-14剖面压应力分别为蓄水期、完建期最大压应力，且此两剖面压应力不受圆弧半径设计参数改变影响，分别为0.6～0.7和0.4～0.5 MPa；蓄水期15-15剖面最大拉应力与顶面圆弧半径参数为正相关，C、D、E方案相比A方案分别增大66.7%、133.3%和166.7%，圆弧半径过大，易导致锚固洞上游面出现张拉破坏。

3) 锚固洞下游面13-13、14-14两剖面上最大拉应力随顶面圆弧半径参数改变均保持不变，而15-15剖面上的最大拉应力与顶面圆弧半径设计参数为负相关，且抑制下游面拉应力为先快后慢，完建期B、A方案之间最大拉应力降低了44.2%，而C、B方案之间最大拉应力降低8.3%。

4) 研究了锚固洞顶面、锚固洞上下游面应力分布状态在蓄水期、完建期中变化特征，并综合各特征部位应力受顶面圆弧半径影响，确定锚固洞顶面圆弧半径设定为1.2～1.6 m更有利于闸墩锚固洞安全稳定。