张拉预应力施工影响下水闸加固结构应力稳定性研究

曾俊平

（江西省水利水电建设集团有限公司，江西 南昌 330200）

水利枢纽工程中泄洪水闸运营安全性是发挥其防洪、蓄水、排涝等功能作用的重要保障，提升水闸稳定性本质上是确保结构应力安全性[1-3]，使水闸不出现张拉破坏，提升整体抗拉特性。水闸加固设计方案与施工工艺有关，确保施工工序简便、加固结构有效乃是水工结构设计方案优化的重要体现[4，5]。模型试验理论是研究水工建筑稳定性以及渗流状态的一种重要手段。刘芷妍等[6]、李宁霄[7]、陈斌等[8]利用水工模型设计对比试验，分析不同方案设计参数优化下水工建筑渗流场、静力场稳定特征，为工程建设、设计提供重要佐证。另一方面，基于现场监测手段，对已有工程进行监测，分析工程运营数据规律性，为拟建工程设计提供优化参考[9，10]。不论是模型试验或是监测手段，周期均耗时较长，为高效研究解决该问题，逐步推广应用数值计算。一些学者利用Abaqus[11]、ANSYS[12]、COMSOL[13]等多类型仿真计算平台，建立计算模型，施加相应的工况边界荷载，分析不同设计参数影响下水工计算模型的应力、位移特征，进而确定最优方案。基于赣江中下游地区拟建水利枢纽工程泄洪水闸加固结构设计方案优化问题，利用Abaqus 仿真计算平台，探讨张拉施工预应力损失量影响下结构应力变化与分布特征，为确定最优工程设计方案提供计算依据。

1 工程概况

赣江中下游地区在春夏之交经常水位暴涨，危及下游地区的防洪安全，工程设计部门考虑在赣江中下游所涉及的吉安、丰城等地区新建一座水利枢纽工程。该工程包括防洪堤坝、溢洪道、泄洪闸以及输水隧洞等，堤坝全长2 582 m，沿南北走向，坝顶高程258.5 m，局部坝段设置有高度3.2~3.8 m 防浪墙，减弱水力冲刷作用。坝体采用混凝土堆石坝浇筑而成，坝身设置有止水面板，重点部位设置有防渗墙，确保坝体渗透坡降满足安全要求。输水隧洞是赣江上游水位调度的重要设施，可在汛期实现上游水资源分流，为农业生产以及其他方向提供重要水资源。隧洞开挖拟采用衬砌锚索支护结构，围岩体属大理岩，监测表明围岩完整性较佳。模拟计算开挖过程可知，围岩张拉应力集中效应并不明显，最大拉应力仅0.45 MPa，输水隧洞建设处于较安全可靠状态。赣江中下游地区泄流水量常超过1 000 m3/s，故枢纽工程设置有溢洪道结构，堰顶高度248.5 m，采用多孔式泄流设计，单孔尺寸6 m×5.5 m，闸室底板厚度0.8 m，泄流闸剖面如图1 所示。采用预应力闸墩作为承重加固结构，其所布设的横、纵连系梁乃是结构体系中重要一环，有限元分析表明连系梁上最大拉应力1.55 MPa，最大位移属沉降方向，达12.6 mm。结构体系静力荷载下安全稳定性较佳，但动力响应下加速度响应值最大可达3.8 m/s2，结构抗震性能比较弱，需在溢洪道支撑墩结构中设置预应力锚索结构。该锚索与连系梁呈相反布置，横向锚索间距160 mm，为多层式分布，层间距40 mm，最大可承受张拉荷载3 550 kN；纵向锚索与横向相互垂直，双层锚筋作为单束锚索，层间距30 mm，抗倾覆、抗滑移稳定性均较佳，估计投入运营后，该结构体系中最大可减弱张拉应力30%。预应力加固结构与泄流中墩的连接过程需要完成张拉预应力施工，而施工工序会影响张拉预应力损失量，为提升泄流水闸加固结构的设计水平，对不同施工工序（不同张拉应力损失量）下水闸加固结构设计开展仿真优化。

图1 泄流闸剖面

2 仿真建模

根据赣江中下游地区拟建泄流水闸加固结构的预应力锚索分析，初步设计横向锚索根数为16 根，纵向锚索根数为14根，另横向锚索与水平面夹角为30°，横、纵向设计荷载吨位分别为2 580、1 860 kN，拉锚系数为1.8，锚索保护层厚度0.4 m，锚筋直径24 mm，采用整体式施工工艺，确保预应力锚索与中墩间连接处无张拉应力集中。该设计方案中锚固洞体型为半圆弧，高度1.6 m，长边1.2 m，垫块截面尺寸为0.35 m×0.35 m的矩形，可承受最大拉应力3.4 MPa，中墩厚度1.4 m，锚索布设形式如图2 所示。在各设计参数保持一致的前提下，对施工工序影响下的张拉预应力损失量进行计算分析，由于张拉过程中预应力损失量为5%~30%，不同施工方案势必会影响锚索最终加固性能，对锚索张拉施工预应力损失量参数开展计算优化很有必要。

图2 加固锚索布设形式

针对上述工程资料，利用Abaqus 仿真平台开展建模计算[14，15]，建立的泄流水闸整体有限元模型如图3 所示。该模型包括水闸、闸墩以及锚索加固结构等，简化了连系梁等对预应力锚索无显著影响结构。泄流水闸模型提取加固结构独立模型与预应力锚索中锚块体独立模型，如图4所示。图3模型采用三、四变形作为微单元体进行网格划分，共获得泄流水闸整体微单元285 682个、节点数198 636个，而在加固结构模型中共有单元体125 628 个、节点数106 282 个，锚块体是关键部位，独立加密划分。在加固结构中，设计参数均一致，但施工工序改变会影响张拉预应力损失量，因而改变单一预应力损失量参数η，对比分析张拉预应力损失5%（A 方案）、10%（B 方案）、15%（C 方案）、20%（D 方案）、25%（E 方案）、30%（F 方案）6 个方案，进而获得结构张拉预应力施工最优方案。计算模型中，设定X、Y、Z 正向分别为顺水闸右肩、顺下游水流及闸室垂直向上方向。计算工况以施工完建期作为研究对象，该工况下外荷载包括结构自重与锚索张拉荷载，模型底部设置有固定约束，顶部为单向约束，左、右侧为自由边界条件，在上述建模资料以及设计方案基础上，分析不同张拉预应力损失方案下的结构静力场特征。

图3 泄流水闸整体有限元模型

图4 锚索加固结构特征部位计算模型

3 张拉施工预应力影响下加固结构应力特征

3.1 拉应力特征

对不同张拉施工预应力设计方案开展应力计算，获得不同预应力损失量下的关键部位最大拉应力变化关系，如图5 所示。从图5 可知，3 个关键部位中拉应力最大属锚固洞，该部位乃是加固结构中张拉应力集中威胁最大截面，在张拉预应力损失15%时锚固洞上最大拉应力为2.04 MPa，而同方案中闸坎、锚块部位上最大拉应力较前者分别下降了68.2%、49.8%，在各方案中锚固洞与闸坎部位拉应力差距幅度达86.9%~3.4 倍，与锚块上拉应力差幅达28.8%~1.8 倍；表明加固结构配筋时应重点关注锚固洞，确保该部位抗拉特性处于较佳状态[16]。从预应力损失量影响拉应力变化可知，锚固洞最大拉应力与预应力损失量呈负相关变化，张拉预应力损失5%时锚固洞上最大拉应力为2.81 MPa；而预应力损失增长至10%、20%、30%后，拉应力相比降低了14.6%、44.9%、47.9%，其中降幅在预应力损失量5%~20%更显著，该区间内锚固洞拉应力平均降幅达17.9%；预应力损失量超过20%后，各方案间拉应力最大降幅仅为3.2%，平均降幅2.8%，表明张拉预应力损失量20%时不仅有利于简化施工工序，而且有益于结构抗拉特性。与锚固洞不同，闸坎、锚块两部位上最大拉应力在张拉预应力损失量5%~20%时，基本保持不变，稳定在1.02、0.65 MPa，低于结构材料允许值；而张拉施工预应力损失量在25%、30%后，闸坎上最大拉应力相比前一稳定区间内最大拉应力分别增长了20.1%，而锚块最大拉应力在张拉预应力损失量20%~30%时平均增幅达5.8%，在应力损失量20%后易出现危险张拉面，因而控制张拉应力损失量低于20%时，闸坎与锚块上拉应力处于安全状态。综合3 个关键部位拉应力，当张拉预应力损失量在20%时，不仅施工工序较为适中，且3 个关键部位上拉应力均处于安全允许值以下，结构抗拉特性较优。

图5 关键部位最大拉应力变化

3.2 压应力特征

与拉应力计算同理，根据不同张拉施工方案可获得张拉预应力损失量影响下关键部位最大压应力变化特征，如图6 所示。从图6 可看出，3 个特征部位上压应力最大仍为锚固洞，其压应力分布为12.8~17.5 MPa，而在张拉预应力损失量15%时最大压应力为16.5 MPa，而闸坎、锚块上压应力仅为前者的46.4%、72.2%。各方案中，锚固洞与闸坎、锚块上压应力差幅分别为1.1~1.5 倍、31.2%~45.1%，表明关键部位中压应力差异性低于拉应力。从不同设计方案的最大压应力变化特征可知，3 个关键部位压应力随张拉预应力损失量均为先增后减变化，预压效果最好均为张拉预应力损失量20%方案。该方案中锚固洞、闸坎、锚块3 个部位最大压应力分别为17.5、8.4、13.3 MPa，且关键部位最大压应力与张拉预应力损失量具有二次函数关系。当张拉预应力损失量为5%~20%时，3 个部位上最大压应力平均增幅分别为10.9%、11.6%、12.3%，而超过该节点后最大压应力平均降幅分别为8.5%、16.9%、13%；从预压效果来看，关键部位最大压应力较大，但低于结构材料允许值，有利于平衡张拉预应力损失量，各设计方案中最大压应力均超过结构材料安全值，而张拉预应力损失量20%方案下压应力效果最为显著，更有利于结构张拉施工预应力补偿。

图6 关键部位最大压应力变化

3.3 应力分布特征

根据前述不同设计方案下拉、压应力特征计算，初步可确定张拉预应力损失量20%为最优方案，给出该方案下关键部位应力分布状态如图7所示。从图7 可知，锚固洞最大拉应力为1.54 MPa，集中于锚固洞侧截面，但分布区域较小，全截面上拉应力以0.41~0.69 MPa 分布最广；闸坎上拉应力不仅分布区域较少，且量值亦较低，仅在闸坎与锚块接触面上存在局部拉应力；锚块拉应力主要集中在0.18~0.46 MPa，在锚块顶面存在最大拉应力，锚块左、右侧面以及上、下游面所存在拉应力量值与分布面积均较小，对结构张拉破坏威胁较轻。综上可知，当选择张拉预应力损失量20%方案时，加固结构与闸墩应力特征均处于安全稳定状态，施工工序适中，为最优方案。

图7 关键部位应力分布特征

4 结论

（1）加固结构上拉应力最大位于锚固洞，各方案中锚固洞与闸坎、锚块部位的拉应力差幅分别为86.9%~3.4 倍、28.8%~1.8 倍；锚固洞最大拉应力与预应力损失量呈负相关，但降幅在损失量20%方案后逐渐放缓，在5%~20%、20%~30%时平均降幅分别为17.9%、2.8%，闸坎与锚块在损失量20%方案前处于拉应力稳定状态，张拉预应力损失量超过20%后拉应力递增。

（2）关键部位最大压应力随张拉预应力损失量增大为先增后减变化，且两者具有二次函数关系，压应力最大均为张拉预应力损失量20%方案，3 个部位最大压应力分别为17.5、8.4、13.3 MPa，该方案下预压效果最佳。

（3）综合拉、压应力变化特征以及应力分布特征可知，张拉预应力损失量20%方案下应力分布处于较合理、安全状态，属最优方案。