基于ABAQUS计算下水工预制拼装式挡土墙厚度参数设计优化分析研究

李斯杨

(河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250)

1 概 述

农业水利工程中，挡土墙是重要水工建筑物，确保挡土墙安全设计对提升农业水利设施高效运营具有重要意义，因而推动挡土墙参数设计优化具有重要实践指导价值[1-3]。挡土墙结构在建筑、公路等行业中运用较多，学者研究主要采用有限元计算方法，针对性解决土层与挡土墙间压力计算分析，为探讨挡土墙实际工况下安全稳定提供重要计算支撑[4-6]。模型试验是一种重要水利研究方法[7-8]，根据水工结构实际尺寸在室内开发出原型，配合以实际荷载约束条件，研究水利大坝、溢洪道、挡土墙等[9-10]多种水工设施的运营稳定，为工程最优设计、运营分析等提供重要参考。当然，逐渐有部分学者开发出预制挡土墙或其他类型挡土墙，既方便了水利工程施工，又对水工结构的安全防护提升具有重要作用[11-13]。拼装式挡土墙是一种重要装配式开发设施，利用拼装式挡土墙，可较好地在包括农业灌区在内的多个水利工程中使用，提高水工设计水平与施工效率。本文根据华北地区灌区挡土墙实际使用工况条件，对挡土墙前后墙厚度参数开展优化设计，为确定最优设计方案提供重要计算参考。

2 工程建模分析

2.1 工程概况

华北地区由于水资源分布不均，依赖于海河水系以及滹沱河水系完成农业生产、工业化用水等调度，目前已投入建设有南水北调中线工程，为天津、保定等城市用水提供重要保障。灌区作为农业生产重要组成部分，保定南部望都地区是传统农业生产灌区，建设有全长50 km的输水灌渠，确保输水安全性。采用内衬式预制混凝土防渗渠道，渠坡最大渗透坡降不超过0.3，水资源输水及利用均在农业水利部门安全调度监测中。另一方面，在该灌渠渠首拟建一水利挡土墙，为确保挡土墙施工与水资源调度相协调，采用预制拼装式设计。初步设计挡土墙高度为16.5 m，底板厚度为16.6 m，墙底高程为33.5 m，沿灌渠输水方向长度为14.5 m，厚度设计为1.2 m，内置有空箱，降低水力冲刷作用，空箱与挡土墙间隔为0.6 m，墙顶板厚度设计为0.7 m，而灌渠渠首流量设计为0.65 m3/s，拟设预制拼装式挡土墙立面示意图见图1。目前该水工挡土墙顶墙厚度以及侧壁截面体型等参数均已完成优化，但前后墙厚度设计参数还需优化，为确定挡土墙最优设计方案提供重要支撑。

图1 预制拼装式挡土墙立面示意图

2.2 工程仿真

本文为确定该预制拼装式水工挡土墙设计参数最优方案，采用ABAQUS仿真计算平台与UG建模软件协同计算，解决挡土墙前后墙厚度参数优化问题[14-15]。根据挡土墙所在工程环境，本计算中考虑挡土墙应力变形场影响范围为宽35 m的回填土层，地基土体影响深度范围设定为30 m，不考虑土体各向异性对挡土墙应力特征影响。挡土墙所有材料均为钢混结构，因而建模时均视为均值材料，土体物理参数均以现场取样在室内土工试验中实测值。对UG建模后的几何图在ABAQUS中进行网格划分，整体挡土墙模型共获得网格单元102 102个，节点数82 672个，划分后模型见图2。

图2 挡土墙划分网格后模型

以挡土墙竣工期水位工况作为外荷载条件，挡土墙前后水位分别为35、36.5 m，荷载主要包括墙体自重、静水压力、土压力及水流上扬压力等；墙底板设置为固定约束，侧壁为侧向约束，顶部为自由边界；模型计算过程中X、Y、Z正向分别为挡土墙轴线右向、下游水流向以及垂直向上方向，对各挡土墙设计参数方案施加荷载后开展对比计算。

3 挡土墙前墙厚度参数设计优化分析

针对挡土墙前墙厚度参数，在保证其他设计参数(包括壁厚、顶厚等)均为一致的前提下，仅改变前墙厚度，分别设定前墙厚度参数为0.6、0.8、1、1.2、1.4和1.5 m，后墙厚度参数统一设定为1 m。为对比方便，本文计算结果重点以挡土墙填土侧、临水侧及底板展开计算分析。

3.1 拉应力影响特征

根据对挡土墙各前墙厚度参数设计方案开展计算，获得前墙厚度参数影响下挡土墙特征部位处最大拉应力变化特征，见图3。从图3中可知，3个特征部位中拉应力以底板部位为最大，在前墙厚度为1 m时，底板处最大拉应力为1.02 MPa，而挡土墙填土侧、背水侧最大拉应力仅为前者的69.5%、80.4%，表明挡土墙底板结构受到较大张拉应力集中，挡土墙结构设计时应注重钢筋加密防护，确保墙底板结构安全稳定[16-17]。由前墙厚度参数对3个部位拉应力影响特征可看出，6个设计方案中最大拉应力变化趋势为V形，以前墙厚度0.8 m时为转变节点，墙厚低于0.8 m时最大拉应力为递减态势，厚度增长0.2 m导致挡土墙填土侧、临水侧及底板最大拉应力分别降低60.1%、55.5%和49.4%。当前墙厚度超过0.8 m后，各特征部位最大拉应力均为上升趋势，填土侧最大拉应力在墙厚0.8 m时是各方案中最低值，为0.5 MPa，而墙厚1.2、1.5 m时的最大拉应力相比前者分别增大96.4%、150.9%。与之同时在临水侧同样的设计方案对比下，最大拉应力亦分别增大66.2%、112.3%，该区间内厚度增长0.2 m，填土侧、临水侧及底板最大拉应力分别增长26.6%、21.1%和16.8%，表明前墙厚度参数超过0.8m后，该预制拼装式挡土墙拉应力显著集中，墙体受张拉破坏威胁陡升，对挡土墙安全运营带来较大挑战。分析认为，当前墙厚度超过一定节点后，此时前墙自重应力集中在底板上，造成底板产生弯曲应力，进而影响填土侧与背水侧拉应力分布状态，造成应力集中上升的现象，因而应控制前墙厚度在合理区间。

图3 前墙厚度参数影响下特征部位最大拉应力变化

3.2 压应力影响特征

根据前墙厚度参数对拉应力影响计算，同理获得压应力受之影响变化特征，见图4所示。从图4中可知，3个特征部位最大压应力与前墙厚度参数均为负相关关系，各曲线变化呈L形；3个特征部位最大压应力均以临水侧为最大，在前墙厚度为1.2 m时临水侧最大压应力为2.44 MPa，而填土侧、底板部位最大压应力相比前者降低25.4%、16.4%，这与临水侧所受上扬压力、静水压力影响有关，故各方案中该部位上压应力均为挡土墙身上最大。当前墙厚度参数增大时，特征部位最大压应力呈“快速下降-缓慢下降”两阶段变化特征。以临水侧压应力为例，其在前墙厚度0.6～0.8 m区间内，最大压应力降低54.2%；在厚度区间0.8～1.4 m内，最大压应力平均降幅为0.2%，其中各设计方案间最大降幅为0.36%，表明厚度参数过大，其压应力降幅并无较大的增长。填土侧最大压应力降幅变化与临水侧有所类似，厚度0.6～0.8 m区间内的最大压应力降幅为45.4%，在此之后各方案间压应力最大降幅为0.56%。分析认为，最大压应力随前墙厚度参数变化具有显著降幅转变节点，该节点为厚度0.8 m；超过该节点后，增大前墙厚度参数，对整体挡土墙压应力抑制效应并无显著促进作用。综合应力影响特征认为，当挡土墙前墙厚度为0.8 m时，墙体各特征部位上应力均处于较佳状态，挡土墙运营稳定性最优。

图4 前墙厚度参数影响下特征部位最大压应力变化

4 挡土墙后墙厚度参数设计优化分析

挡土墙前墙最优设计参数确定后，对后墙参数进行进一步优化分析很有必要。在保证挡土墙其他设计参数不变情况下，设定前墙厚度为0.8 m，分别设定后墙厚度参数为0.6、0.8、1、1.2、1.4和1.6 m，同样以挡土墙填土侧、临水侧及底板特征部位应力开展计算分析。

4.1 拉应力影响特征

根据后墙厚度参数设计方案计算出挡土墙各特征部位拉应力影响特征，见图5。从图5中可看出，后墙厚度参数与填土侧、临水侧部位最大拉应力为负相关关系，在后墙厚度0.6 m时填土侧最大拉应力为1.28 MPa，而厚度增大至1、1.4和1.6 m后，最大拉应力相比前者分别减少32.8%、58.6%和61%，同样各方案间临水侧最大拉应力降幅分别为26.7%、55.6%和57.9%。从整体降幅亦可知，后墙厚度增大0.2 m，填土侧、临水侧部位最大拉应力平均降低16.3%、15.1%，且集中在厚度参数方案0.6～1.2 m区间内，两者在该区间内最大降幅分别为36%、35.4%；表明后墙厚度参数愈大，对填土侧、背水侧拉应力抑制效果显著。但不可忽视，当后墙厚度参数增大至1.2 m后，两特征部位最大拉应力降幅呈较小波动，表明填土、背水两个侧壁上最大拉应力在后墙厚度参数增大至一定节点后，抑制效应达到“饱和”状态，降幅稳定。与前两特征部位不同的是，底板部位最大拉应力随后墙厚度参数为递增关系，厚度为1、1.4和1.6 m时，最大拉应力相比厚度0.6 m下分别增长26.9%、87.3%和152.7%，特别是在厚度参数1.2 m后，底板部位最大拉应力增幅显著提升；厚度为0.6～1.2 m时，每0.2 m厚度增长，仅带来最大拉应力增幅10.4%；但在此之后，厚度1.6、1.4 m与厚度1.2 m方案间最大拉应力分别达到87.8%、39.2%差幅。笔者认为，后墙厚度参数虽一定程度上可导致底板结构拉应力增长，但其增长空间主要集中在后墙厚度1.2 m方案后，因而设计时可优先考虑后墙厚度对拉应力影响节点参数方案。

图5 后墙厚度参数影响下特征部位最大拉应力变化

4.2 压应力影响特征

依据后墙厚度各设计方案计算获得压应力特征，见图6。根据图6中特征部位最大压应力变化特征可知，其变化趋势与前墙厚度参数影响拉应力变化特征类似，均呈短V形。压应力最低点为厚度参数1.2 m时，当后墙厚度参数为0.6m时，填土侧最大压应力为3.268 MPa；而后墙厚度为0.8、1.2 m时，分别降低15.7%、53.2%；在厚度0.6～1.2 m区间内，厚度增大0.2 m，填土侧最大压应力平均降低22.2%；在厚度为0.6 m后，最大压应力为上升态势，厚度增大0.2 m，最大压应力平均增长25.4%。在3个特征部位中，最大压应力变化态势基本与之类似，厚度0.6～1.2 m区间内，厚度增大0.2 m，临水侧、底板部位最大压应力分别平均降低21.3%、19.9%；而在厚度参数1.2 m后，压应力均开始上升，厚度0.2 m可导致临水侧、底板部位最大压应力增幅21.1%、21.5%。从整体压应力影响态势可知，后墙厚度参数应不超过压应力最低方案节点，确保压应力不处于过快上升区段内，控制后墙厚度参数低于1.2 m，更利于挡土墙安全运营。

图6 后墙厚度参数影响下特征部位最大压应力变化

综合后墙厚度参数对应力影响特征认为，当后墙厚度参数为1.2 m时，挡土墙拉应力处于较佳抑制状态，压应力处于最低，该方案为挡土墙后墙厚度参数设计最优。

4.3 最优方案应力分布特征

根据ABAQUS应力特征计算，不仅可得到量值变化特征，也可获得挡土墙应力分布特征。由于张拉应力是结构设计中最为关注的重点，因而本文给出最优设计方案(前后墙厚度分别为0.8、1.2 m)在某一时刻运营节点时挡土墙各特征面拉应力分布特征，见图7。

图7 挡土墙各特征面拉应力分布特征

从各特征面拉应力分布可看出，该最优方案中，挡土墙拉应力值均较低，最大拉应力位于底板部位，但运营中最大拉应力并未达到1 MPa，低于结构材料安全允许值，满足运营要求。从运营安全性考虑，所确定的最优方案是科学、合理、适配的。

5 结 论

1) 挡土墙底板部位拉应力最大；3个特征部位最大拉应力随前墙厚度参数变化呈V形，以厚度0.8 m时为拉应力最低方案；超过该方案后，厚度增长0.2 m可致填土侧、临水侧及底板最大拉应力分别增长26.6%、21.1%和16.8%。

2) 后墙厚度参数与填土侧、背水侧部位最大拉应力为负相关关系，厚度增大0.2 m，填土侧、背水侧最大拉应力平均降低16.3%、15.1%，且集中在厚度0.6～1.2 m区间内，该区间内两部位最大降幅分别为36%、35.4%；底板最大拉应力随后墙厚度为递增，以厚度1.2 m后拉应力增幅增长最为显著。

3) 3个特征部位最大压应力与前墙厚度参数均为负相关关系，曲线变化呈L形，但特征部位最大压应力随后墙厚度参数为V形变化，前墙厚度影响下的平稳节点与后墙厚度影响下最低节点分别为0.8、1.2 m。

4) 综合应力变化特征与分布特征，当挡土墙前后墙厚度分别为0.8、1.2 m时，预制拼装式水工挡土墙设计最优。