基于Midas GTS与FLUENT的堤防挡墙格栅设计参数对比优化探究

蒋东晟

(济宁市水务综合执法支队，山东 济宁 272000)

1 概述

挡墙结构是水利工程中一种重要加固、防渗设施，其在堤防工程[1]、水闸[2]及溢洪道[3]等水工建筑中应用较广，对提升水利运营安全性具有重要意义，故研究挡墙结构设计优化具有重要作用，特别是开展挡墙设计与加固工程的静力稳定性[4]、渗流安全性[5]，从综合分析角度考虑结构最优设计，有利于推动水工设计水平。舒天白等[6]、李平[7]、茹秋瑾等[8]采用ABAQUS、COMSOL、ANSYS等数值计算软件对挡墙结构开展建模分析，研究了挡墙静、动力场特征，评价运营工况下结构安全稳定性。胡乐文等[9]、陈似华[10]基于渗流场离散元模拟研究，采用FLUENT平台开展了水工结构的渗流计算，分析渗流场特征参数来评估结构设计利弊性，为工程建设提供参考。对于水工结构静力计算以及渗流计算，罗强等[11]、肖成志等[12]根据模型试验方法，对挡墙结构水工模型开展运营试验，分析其运营中结构应力、位移变化及渗流特征，从而丰富结构设计优化评价成果。本文基于北湖堤防运营现状，采用渗流场与静力场综合计算对比方法，研究了挡墙结构的应力、位移及渗流特征参数变化，为确定最优设计参数提供参考。

2 工程设计模拟

2.1 工程背景

为提升济宁市北湖堤防工程运营安全稳定性，针对北湖北堤-南二环、滨河路-湖东堤等区段内堤防开展除险加固设计，原防洪方案按照90年一遇洪水标准设计，最大洪水位设计为37 m。根据对北湖险堤调查得知，目前需要重点防渗加固的区段堤防长度为4.3 km，局部堤身监测获得最大渗透坡降超过0.25，渗流活动较活跃，不利于堤防工程安全运营，而本文研究的重点加固区段位于K0+135～K0+995，堤顶高程为39.99 m，堤顶宽度为4 m，设计有桥涵等行车交通设施，最大防洪水位为36.5 m，该区段内共有3座节制闸，采用多孔式水闸设计形态，单孔净宽度超过15 m，设计最大泄流量为315 m3/s，采用弧形钢闸门结构形式，半径为7 m，底缘结构前倾为45°，最大面板压强可承受100 kPa，有效降低过闸流量水力势能与水沙悬浮。重点加固区段内堤防下游采用水下清淤方式，降低河床高程，清淤高程至32.50 m，清淤方向为东西向，清淤区域距离堤防边界为28 m，全长为1 900 m，缓解上游堤防受水力势能冲击影响。区段内重点水利设施还包括有泄洪闸设施，采用双支臂支承结构体系，根据对泄洪闸的模拟计算表明，其结构体系最大拉应力为1.6 MPa，位移不超过12 mm，其稳定性与堤防内渗流活动密切相关，当堤身径流较活跃，会对泄洪闸墩产生一定渗流影响[13]，所有闸墩均在早前完成加固，墩身直径为2.2 m，采用预应力锚索，每根张拉锚索最大荷载可达1 000 kN，截面主、次锚索布设如图1所示，主、次锚索间距分别为200 mm、80 mm。

图1 闸墩内主、次锚索平面布置示意

根据北湖堤防升级改造要求，目前已完成堤身生态护坡与混凝土预制砌块硬化加固，提升堤防岸坡整体静力稳定性[14]，但堤防渗流监测表明渗透坡降水平仍较多，因而在不影响堤防静力稳定性前提下，考虑加固结构对渗流活动影响。通过对国内多个堤防加固方案分析，济宁北湖堤防考虑采用加筋土扶壁式挡墙结构形式。由于加筋土挡墙不仅需要考虑挡墙自身结构设计，也需考虑格栅加筋设计效果，确保其受力、位移及防渗效果与挡墙一致性，本工程中计划采用钢丝格栅材料，是一种强度高、密闭性较佳的格栅材料(见图2)，其加筋肋与墙身可达到较好契合度，但针对加筋土挡墙格栅单个网孔尺寸还处于讨论环节，设计部门计划分析不同网孔设计方案下的技术优势，从而确定最佳设计方案。

图2 钢丝格栅示意

2.2 设计模拟

针对堤防钢丝格栅挡墙结构设计优化问题，经对堤防堤防附属水工设施简化后，采用Midas GTS仿真平台完成有限元建模(如图3所示)，该模型可导入FLUENT平台中完成离散元化，获得渗流场计算离散元模型，流场断面计算距离控制在与溢流面距离相当的挡墙断面区域。该模型中包括有挡墙面板迎、背水侧及墙身、墙顶等关键部位，共划分获得有限元网格为14 662个，节点数为126 822个，其中挡墙面板厚度为1.2 m，扶壁采用扶肋设计，间距为1 m，墙踵板厚度为1.4 m，墙顶具有多阶次设计形式，每个阶高为7.5 m。而针对格栅结构，其布设间距为1.8 m，本文重点探讨钢丝格栅网格尺寸参数，按照格栅间距与网格参数差距不低于1/10设计，在确定钢丝格栅网格均为方形，以其边长参数为分析对象，设定为3 cm、6 cm、9 cm、12 cm、15 cm、18 cm。

图3 有限元模型示意

由于本文不仅需要考虑结构静力场稳定性问题，也需考虑渗流场影响变化，故模型所受荷载包括有结构自重、动与静水压力，以挡墙结构影响范围计算动水压力，而静水压力参照北湖堤防上游水位32.5 m计算。参照堤防处设置挡墙的工程实际，在挡墙顶、底部分别设定为全自由度与零自由度边界条件，在边界面上设置为光滑接触，不影响渗流场与应力场分布。模型中X、Y、Z3个正方向分别为堤防下游清淤方向、水流与堤防垂直向及自重应力方向。钢丝格栅扶壁式挡墙的重要部位包括有面板层、扶肋扶壁及顶板与踵底板等部位，其中面板层是直接反映格栅分布对结构应力影响的关键部位(如图4所示)。本文基于对钢丝格栅不同设计方案开展静力场计算与渗流场分析，为确定结构的最适配参数提供依据。

图4 挡墙结构重要部位示意

3 格栅设计参数对静力稳定性影响

3.1 应力特征

根据对不同部位处应力为分析，获得格栅设计影响下结构拉应力变化特征(如图5所示)。根据对图5中拉应力特征分析，挡墙结构上拉应力最大位于扶肋扶壁处，当格栅网格尺寸变化，其拉应力分布为3.2～8.45 MPa，而典型的顶板、面板迎水侧较前者分别减少了9.9%～20%、25.2%～40.7%、25.2%～40.7%；从扶肋扶壁拉应力变化可知，作为连接墙顶、底板的关联构件，其在接触界面处极易受到张拉应力集中作用，进而导致该部位上分布有较大拉应力，故结构设计时应重点关注，加密配筋以增强结构抗拉能力[15-16]。

图5 最大拉应力影响变化示意

当格栅网格尺寸增大后，扶肋扶壁、顶板及面板拉应力均为先减后增变化，以格栅网格12 cm方案下拉应力最低，分别为3.2 MPa、2.54 MPa、2.05 MPa，当格栅网格尺寸位于3～12 cm时，格栅网格尺寸愈大，则对此3部位上拉应力具有抑制作用，各方案间网格尺寸每增长3cm，则3部位拉应力分别减少27.8%、29.6%、27.8%，而格栅网格尺寸超过12 cm后，由于网格间隙超过结构最低拉应力所能承受区间，此3个部位拉应力均递增，平均增幅分别为51.8%、54.4%、45.6%；分析上述3个部位拉应力表现可知，以顶板部位受格栅网格尺寸影响最大，表明该部位上拉应力对钢丝格栅加筋特征较为敏感。与前3部位不同的是，踵底板处拉应力在各方案中均处于较稳定不变状态，维持在1.7 MPa左右，表明不论钢丝格栅网格尺寸如何，对踵底板上拉应力影响较小，也不会改变踵底板上受力状态。综合结构上拉应力影响特征，考虑抗拉效应的技术优势特征，以格栅网格尺寸12 cm时最大，以此为设计方案较为恰当。

同理，可获得结构上压应力受格栅网格尺寸影响变化特征(如图6所示)。根据笔者分析压应力变化趋势，踵底板上压应力最大，此与该部位压应力来源于结构自重有关，表明挡墙结构受力体系中，仍以结构自重为最关键。分析网格尺寸影响压应力特征可知，网格尺寸愈大，结构受压效果愈显著，但不可忽视网格尺寸过大，对压应力提升作用有所减弱，以扶肋扶壁为例，其在网格尺寸3 cm时最大压应力为8.06 MPa，而网格尺寸6 cm、12 cm、18 cm下压应力较前者分别增长了27.2%、75.9%、76%，在网格尺寸3～12 cm方案内时，扶肋扶壁压应力随网格尺寸增长的平均增幅为20.9%，而网格尺寸12 cm后压应力涨幅基本处于停滞，平均增幅仅为0.04%，即钢丝格栅网格尺寸参数对结构压应力影响减弱。

图6 最大压应力影响变化示意

踵底板及面板部位压应力受格栅网格尺寸影响与前者基本一致，在尺寸3～12 cm方案内时，两者压应力分别具有平均增幅17.1%、29.6%，最大增幅分别可达23.3%、43.4%，而在网格超过12 cm后，则平均增幅仅为0.25%、0.45%。由此可知，格栅网格对结构压应力影响具有合理尺寸，不在该合理尺寸附近，则结构预压效果并不显著，从本文模拟计算结果可知，该合理尺寸位于12 cm左右。综合结构应力特征影响特性，钢丝格栅网格尺寸为12 cm时结构抗拉、预压技术优势最显著。

3.2 位移特征

位移特征反映了结构在运营工况下微观变化，本文依据格栅网格尺寸差异，得出三向位移变化特征(如图7所示)。观察图中位移变化可知：Z向位移最大，各方案中分布为4.5～12.6 mm，印证了结构自重乃是导致位移发生的最大本质原因。当格栅网格尺寸增大后，各向位移均随之递减，但降低幅度具有变化节点，均在格栅网格尺寸12 cm方案后位移降幅减缓，X、Y、Z向在该方案下位移分别为3.45 mm、2.03 mm、4.7 mm，而X向位移较之网格尺寸为3 cm、9 cm时分别减少了65.1%、30.8%，但网格尺寸为15 cm、18 cm时较之该变化节点方案下分别减少了3.3%、3.6%，从整体位移变幅看，在网格尺寸3～12 cm方案内，X向位移随各方案的平均降幅为29.6%，而尺寸在12cm后，平均降幅仅为1.8%。该现象在Y、Z向位移中亦是如此，在尺寸3～12 cm方案内，平均降幅分别为34.1%、28%，最大降幅分别可达37.5%、28.3%，而网格超过12 cm后，最大降幅分别仅为7.6%、4.1%，平均降幅分别为3.9%、2.1%。分析认为，控制钢丝格栅网格尺寸在合理区间内更利于结构设计的技术优势，从位移影响变化结果可认为，格栅网格尺寸不应超过12 cm，而综合结构静力场变化，钢丝格栅网格尺寸以12 cm下最安全。

图7 各向位移影响变化示意

4 格栅设计参数对渗流场影响

依据FLUENT流场模拟计算平台，完成对各格栅网格尺寸方案下渗流场特征参数计算，图8为北湖堤防挡墙处上、下游区段内流速变化特征。

图8 各方案下断面流速特征示意

从图8中可看出，不同方案中区段上流速变化有所差异性，但整体量值水平以网格尺寸愈大者更高，即格栅网格尺寸与流速水平具有正相关关系。在网格尺寸为3 cm时区段上平均流速为0.22 m/s，而网格尺寸为6 cm、12 cm、18 cm方案内的平均流速分别增长了1.45倍、3.1倍、6.5倍，网格尺寸每增长3 cm，平均流速水平可增长54.9%，表明网格尺寸愈大，对堤防河道断面上流速控制愈不利。另一方面，流速过小并不是最合理的，当流速过小时，造成堤防迎水侧泥沙悬浮、排沙冲淤效果削弱，对泥沙等水流杂质的冲刷作用同样也会减弱，对北湖内水生态环境影响具有负面影响[17-18]。当分析各方案中流速变化可知，格栅网格为尺寸愈高的方案中虽流速较大，但波动性亦较大，在格栅网格为15 cm、18 cm方案中，区段流速波幅最大分别超过20.2%、18.6%，可能对堤防局部流体活动产生涡旋、紊流效应，与挡墙结构安全运营设计的目的相背道。而在网格为3 cm、6 cm尺寸较小的方案中，也会出现上游或下游断面上的非稳定流速，分别在断面为12 m、6 m处具有最大波幅，故网格尺寸较小也不适合安全设计。综合讨论，认为网格尺寸为12 cm时流速稳定性最佳，全断面上最大波幅不超过1%，与静力场的技术优势结合之下，此方案具有最综合最优技术。

5 结语

1) 扶肋扶壁处拉应力最大；扶肋扶壁、顶板及面板均以格栅网格为12 cm方案下拉应力最低，格栅网格尺寸超过12 cm后，3部位拉应力随之平均增幅分别为51.8%、54.4%、45.6%；踵底板拉应力受格栅网格尺寸影响较小，各方案中均维持在1.7 MPa；压应力以网格尺寸为12 cm方案下为最大增长点，超过该方案后预压效果减弱。

2)Z向位移最大；格栅网格尺寸增大，各向位移均在12 cm方案后降幅减缓，在网格尺寸3～12 cm方案内，X、Y、Z向位移的平均降幅分别为29.6%、34.1%、28%，而超过12 cm后，平均降幅分别为1.8%、3.9%、2.1%。

3) 格栅网格尺寸与流速水平具有正相关关系，格栅网格每增长3 cm，平均流速水平可增长54.9%；网格尺寸过大或过小均不利渗流安全，会导致流速出现波动性，网格尺寸为12 cm方案下断面流速波幅不超过1%，稳定性最好。

4) 综合研究认为钢丝格栅网格为12 cm下静力稳定性与渗流安全性综合技术优势最佳。