水库堤防挡墙格栅设计对结构安全性影响研究

杨俊鸽

（洛阳水利勘测设计有限责任公司，河南 洛阳 471000）

1 引言

堤防作为水工设施中重要控流、 防洪建筑，其安全稳定性与渗流场变化乃是结构设计中必须考虑的因素[1，2]。 挡墙作为一种防护结构，其可用作堤防防洪、防渗及加固，故开展挡墙结构设计优化对推动堤防运营安全水平具有重要意义。舒天白等[3]、茹秋瑾等[4]采用ANSYS、ABAQUS 等数值仿真软件开展了挡墙的静力场分析，从应力、位移特征评价结构设计的技术优势。 华中等[5]、刘波[6]认为水工设计不应仅研究静力稳定性，利用FLUENT、MIKE21等渗流场模拟平台开展了流场特征计算， 分析了不同设计方案下水工建筑的渗流场演变， 为工程设计评价提供了依据。 不论是静力场计算或是渗流场分析，上述方法集中在数值计算过程，陈林[7]采用模型试验手段在室内原型复制建立水工模型，通过施加相似比例尺寸的荷载工况，分析模型在运营过程中渗流参数、应力与位移参数等变化，也可为工程设计提供更为高精度的参照。 本文在水库堤防运营现状的前提下， 采用FLAC 3D 与FLUENT 仿真平台开展了加筋格栅挡墙设计优化分析，为堤防选择最适配挡墙结构提供参考。

2 工程设计模拟

2.1 工程概况

卫家磨水库乃是灵宝市重要水利中枢， 原设计蓄水库库容为320 万m3，正常蓄水位19.5m。 该水库堤防工程最大高度为21.6m，无防浪墙及二次加高挡墙等结构设施，原堤防基础乃是原位地基，仅进行防渗垫层及注浆加固处理， 堤防断面形状如图1 所示。 由于卫家磨水库工程堤防两侧岸坡稳定性欠佳，且堤防地基土体以软弱黏土为主，沉降变形较大，特别是岸坡内易形成潜在滑移面，对堤防工程带来较大威胁。 因而，考虑采用加筋挡土边墙结构形式对该岸坡进行加固， 其设计形式如图2 所示，而加筋方式采用土工格栅结构[8]，不同于其他挡墙结构设计， 格栅设计势必需要契合边墙，与之受力、变形及防渗保持一致性，才可最大程度发挥边墙对卫家磨水库堤防的加固防护作用。 因而，本文重点对带格栅结构的挡墙结构设计优化分析。

图1 堤防断面图

图2 加筋挡土墙设计几何图

2.2 工程设计

采用FLAC 3D 平台建立加筋带格栅挡土边墙结构设计[9]，如图3 所示，本模型覆盖防护范围为堤防上、下游各15m，而本文研究模型的流场及静力稳定性均考虑在该区域内。 经有限元网格划分后共获得节点单元121 652 个， 节点数142 685个， 该模型中墙后岸坡岩土层物理力学参数直接以土工试验实测取值，包括土体渗透系数等。 该挡墙的扶壁、面板厚度参数分别为1.2m、1m，土工格栅分层铺设， 经本文计算表明格栅层间距参数应处于合理区间， 否则不利于边墙发挥防渗与加固作用，而格栅层间距又不应超过扶肋厚度，故本文对比研究方案中格栅层间距设定为0m （无加筋）、0.2m、0.4m、0.6m、0.8m、1m、1.2m，挡墙结构其他设计参数保持一致， 探讨加筋挡墙格栅设计参数对结构静力场及流场影响特性。

图3 挡墙有限元模型

不论挡墙是否加筋设计，其结构安全稳定性反映在挡墙上则是各重要部位的应力、 位移特征，图4 中即是挡墙结构的面板、踵板及扶壁等部位。 在该模型中分别改变格栅设计参数，典型方案的模型中格栅布设如图5 所示。 模型中设定X、Y、Z 正向分别为挡墙剖面下游向、墙后土压力方向及结构自重应力向。 渗流场模拟FLUENT 开展计算[10]，通过图2 几何模型的导入， 采用三维渗流场分析单元模块完成流域内渗流场特征参数计算。

图4 挡墙结构重要组成部分

图5 格栅布设图

3 格栅设计对结构静力场影响

3.1 应力特征

依据格栅层间距各设计方案， 获得挡墙上重要部位拉应力受层间距设计参数影响变化特征，如图6 所示。 分析图中拉应力变化可知，不论格栅层间距设计参数水平如何， 挡墙结构上拉应力最大乃是面板迎水侧， 各方案中该部位拉应力分布为2.25—5.25MPa，而顶板、扶肋等部位拉应力较前者分别减少了16.1%—32.2%、29.6%—50.1%。从抗拉安全设计考虑， 面板迎水侧迎水侧最易受到张拉应力集中效应， 所选用的结构材料应满足较大抗拉要求。 当格栅层间距增大后， 面板迎水侧、扶肋及顶板上的最大拉应力均随之递减，但不可忽视层间距过大，拉应力降幅减小。 分析表明，格栅布设间距愈大， 对结构张拉应力的分散调整具有促进作用， 更好提升挡墙抗拉效果； 另一方面，格栅层间距不应过大，不利于加筋格栅在挡墙内分布，应控制层间距设计参数在合理区间即可。当格栅层间距在方案0—0.8m 内时， 在各方案间，顶板、 扶肋及面板迎水侧拉应力随之平均降幅为22.7%、25%、18.7%，而层间距超过0.8m 后，前三个部位拉应力的平均降幅分别为0.7%、1.2%、0.9%。依据此三部位拉应力变化可初步得知， 格栅层间距最优方案不需要超过0.8m。 而挡墙上另一踵底板部位拉应力在各方案中均处于较稳定状态，维持在1MPa，各方案中拉应力最大波幅不超过1%。从拉应力的计算结果表现分析， 认为当格栅层间距0.8m 时结构抗拉技术优势最显著。

图6 挡墙各部位最大拉应力特征

根据结构静力场计算， 同样获得了重点部位压应力受层间距参数影响特征，如图7 所示。 分析压应力变化可知，踵底板部位处受压最大，各方案中其最大压应力分布为11.2—22.3MPa，即结构自重应力乃是决定受压效果的最主要因素。 当格栅层间距参数递增后， 各部位最大压应力均随之先增后减变化， 而所有方案中压应力最大均位于间距0.8m 方案中，在该方案下踵底板、扶肋及面板迎水侧压应力分别为22.3MPa、19.1MPa、16.3MPa。当格栅层间距过低时，如位于0—0.8m 方案中，当间距每增大0.2m，各部位压应力平均可增长19.1%、19.5%、20%，该区间内方案对结构张拉应力的重分布调整效果达到较佳；但当层间距超过0.8m 后，与拉应力受之逆转性变化类似， 各部位压应力随之递减，且降幅较大，其中扶肋压应力在0.8—1.2m区间内最大降幅超过21.9%， 平均降幅为18.5%，而踵底板与面板迎水侧在该区间内的平均降幅分别也达14.9%、19.9%，故结构设计时不应调整层间距超过0.8m，此与拉应力受之影响相契合。结合挡墙结构拉、压应力影响变化特征，笔者认为格栅层间距0.8m 时静力场稳定性最优。

图7 挡墙各部位最大压应力特征

3.2 位移特征

依据各设计方案获得三向位移随格栅层间距设计参数变化特征，如图8 所示。 分析位移特征观察可知，Z 向位移乃是各方案中最大，分布为7.9—14.8mm， 此也印证了挡墙结构受力来源主要为结构自重。 随格栅层间距增大，各向位移均随之为先减后增变化，表明格栅层间距参数的改变，会导致结构位移变化出现阶段性改变。 当层间距设计参数位于0—0.8m 方案区间内时， 在方案0.8m 处Y向位移较之方案0.2m、0.6m 下分别减少了46.2%、14.9%，当层间距设计参数每增大0.2m，则Y 向位移平均降低20.2%； 当层间距参数位于0.8—1.2m时，Y 向位移随之具有平均增幅40.9%， 方案间最大增幅可达44.2%， 不利于挡墙结构运营稳定性。X、Z 向位移变化特征与Y 向位移有所类似， 层间距设计参数在0—0.8m 时，X、Z 向位移在各方案间具有平均降幅24.4%、17.2%，而在0.8—1.2m 方案内分别具有平均增幅60%、31.8%， 最大增幅分别可达85.6%、33.6%。从三向位移受格栅层间距影响来看，以X 向位移敏感度最大[11]。综合分析认为，格栅层间距0.8m 方案在各向位移中均处于较佳状态，有利于挡墙结构稳定性。

图8 挡墙各向位移特征

4 格栅设计对堤防渗流场影响

本文以FLUENT 仿真平台模拟计算获得堤防渗流场特征， 图9 为各层间距方案下断面流速变化特征。

图9 断面流速变化特征

从图中可看出，格栅层间距愈大，则堤防断面流速水平愈大，在层间距0.2m 方案内，全断面上平均流速为0.34m/s，而层间距每增大0.2m 后，断面平均流速递增24.6%。流速水平的高低决定了堤防区间断面内渗流场稳定性， 过大的流速有利于流场内冲淤排沙， 但会导致水工结构受水力势能冲刷影响，同样过低的流速会限制泥沙沉降，不利于控流[12]， 故合理稳定的流速才是堤防运营最需要的。 从断面流速的稳定变化来看，以层间距0.6m、0.8m 更为稳定， 两者方案内断面流速分别稳定在0.56m/s、0.62m/s，而层间距在0.2m、0.4m 内流速在上、下游分别具有较大波幅，断面间流速最大波幅分别超过14.7%、15.5%， 而层间距1m、1.2m 方案内全断面流速参数均出现波动状态，稳定性欠佳，极易出现局部紊流、涡旋等非稳定渗流现象。 综合渗流场变化与静力场安全稳定性， 认为格栅层间距0.8m 时挡墙运营综合技术优势最大。

5 结论

（1）挡墙上拉应力最大位于面板迎水侧，面板迎水侧、 扶肋及顶板上的最大拉应力均随格栅层间距参数递减，但降幅减小，在层间距0.8m 方案后降幅处于停滞状态； 踵底板拉应力稳定在1MPa；挡墙最大压应力随设计参数为先增后减变化，在0.8m 方案中最大。

（2）挡墙位移最大在Z 向；各向位移值均为先减后增变化，以兼具0.8m 方案下位移值最低。

（3） 层间距设计参数与断面流速具有正相关关系；流速不应过大或过小，同时也应保持较为稳定，层间距在0.6m、0.8m 方案内流速稳定性最佳。

（4） 综合挡墙结构设计静力稳定性与渗流场变化，认为格栅层间距0.8m 为技术优势最显著。□