溢流坝加固改造之挡水墙结构形式比选

唐 杨，田俊国，唐卫国，林锦霞，王国炜

(1.五峰土家族自治县农村公路管理所，湖北 宜昌 443413；2.国网湖北省电力有限公司五峰县供电公司，湖北 宜昌 443413；3.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；4.山东金衢设计咨询集团有限公司，山东 济南 250014)

溢流坝作为重要的水工建筑物，多年运行后，可能出现露沙露石、冲刷坑槽、裂缝、渗水、混凝土剥落、露筋等病害，须对其进行加固改造[1-3]。在溢流坝前设置挡水墙及上铺栅栏形成一道引水渠是加固改造的方法之一。目前，挡水墙的设计研究已在煤炭工程和水利工程中得到广泛应用[4-7]，但砌体结构挡水墙在水利工程中鲜见。为选择合适的溢流坝挡水墙加固形式，本研究以湖北省五峰县境内龙洞电站溢流坝加固改造项目为工程背景，根据建设单位提出的砌体和混凝土两种挡水墙结构形式，分别建立仿真模型，对比分析其结构受力情况，确定最适宜的挡水墙设计结构形式。

1 工程概况

湖北省五峰县龙洞电站的引水渠靠山建造，主要依靠引水渠源头安装的闸门引水，洪水期间，大量河沙、枯枝、生活垃圾通过闸门进入引水渠，易造成沉沙池河沙淤积，严重缩小了引水渠的过水断面，每隔数年都需要人工除沙，从而增加了水电站的运行成本。同时，渠道中的垃圾、枯枝需要依靠设置栅栏进行阻拦，然后进行人工清除，洪水期间，为了保证水电站的高效运行，除渣工作人员的劳动强度极大。故需对其进行加固改造。

其具体的加固改造思路为：在原溢流坝前平行设置10 m长的U形槽，上铺栅栏做成栅栏坝，栅栏坝宽1.0 m；挡水墙在挡土墙侧的深度为0.6 m，沉沙池侧的深度为1.6 m；U形槽的深度从挡土墙侧到沉沙池侧线性增加。为节省资金，以原溢流坝作为U形槽的背水面，只在原溢流坝前施工底部垫层和迎水面挡水墙。改造后，河水将通过栅栏进入渠道，然后连接节制闸侧的沉沙池，以避免洪水期间大量杂物进入引水渠。溢流坝改造设计图如图1所示。

图1 溢流坝改造设计图(单位：m)Fig.1 Reconstruction design of the overflow dam in meter (unit:m)

建设单位提出两种挡水墙结构形式：一是砌体挡水墙，墙厚为一皮砖的长边长240 mm；二是混凝土挡水墙，墙厚300 mm。

2 有限元建模

2.1 砌体挡水墙建模

砌体挡水墙的有限元建模，通常采用分离式模型和整体式模型。分离式模型对砖、砂浆分别进行建模，并分别赋予材料特性、划分网格，此模型考虑了砖与砂浆之间的滑移，可真实模拟结构受力，但建模过程繁琐，计算量大，对计算机的要求较高；整体式模型将砂浆弥散于整个单元中，不考虑砖与砂浆间的相互作用，把砌体看作均匀的连续性介质材料，其计算速度快，容易收敛，但未能考虑砖与砂浆之间的滑移，计算结果精确度不如分离式模型[8-9]。

由于本次挡水墙的计算注重结构的宏观反映，同时，考虑到分离式模型的计算时间较长，且计算中仅仅考虑结构弹性阶段的受力，不考虑砖与砂浆之间的滑移和产生的破坏，故而选用较为简单的整体式模型。先利用Midas FEA建立挡水墙的几何模型，然后选用六面体为主的自动实体网格划分挡水墙实体，网格共计6 881个。其有限元模型具体如图2所示。

图2 挡水墙有限元模型Fig.2 Retaining wall finite element model

荷载考虑结构自重和挡水墙后的土压力和水压力。自重荷载因子设置为Z=-1；压力零点设置在挡水墙的顶面，压力施加于挡水墙的迎水面，挡水墙的背水面不考虑水压力的作用；挡水墙后的土压力采用朗肯土压力理论中的主动土压力计算；土的容重考虑为浮重度，水压力简化考虑为静水压力，挡水墙后的总压力为水压力和土压力之和。土的浮重度为γ土=7 kN·m-3，水的容重为γ水=10 kN·m-3，土的内摩擦角φ为0°，z为距离挡水墙顶面的距离，σ土为土应力，σ水为水应力，土产生的压力按照式(1)计算，水产生的压力按照式(2)计算。计算中忽略原溢流坝的变形和挡水墙底部位移，将挡水墙的两端和底部简化为固结处理。

σ土=γ土ztan2(45°-φ/2),

(1)

σ水=γ水×z。

(2)

烧结普通砖强度等级为MU10，砂浆强度等级为M7.5，烧结普通砖砌体容重设置为21 kN·m-3，根据《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)[10]得到烧结普通砖砌体的抗压强度设计值f=1.69 MPa。根据式(3)

E=1 600f，

(3)

计算得到烧结普通砖砌体的弹性模量E=2 704 MPa，泊松比设置为0.15。

根据文献[10]中砌体受弯破坏时的弯曲抗拉强度平均值计算公式

(4)

可得砌体挡水墙弯曲抗拉强度平均值为0.34 MPa。式(4)中：ftm为砌体的弯曲抗拉强度平均值；fc为砂浆的抗压强度平均值；k为与砌体类别有关的参数，烧结普通砖砌体沿齿缝截面破坏时k=0.250，沿通缝截面破坏时k=0.125，在此将k值考虑为0.125。

2.2 混凝土挡水墙建模

混凝土挡水墙建模即整体式建模。将挡水墙厚度改为300 mm；材料特性修改为C30混凝土的材料特性：容重为25 kN·m-3，弹性模量为30 GPa，泊松比为0.2，抗压强度设计值为13.8 MPa，抗拉强度设计值为1.39 MPa；其荷载、边界条件设置与砌体挡水墙相同。

3 挡水墙受力分析

3.1 砌体挡水墙受力分析

砌体挡水墙的结构受力情况具体如图3所示。

图3 砌体挡水墙结构受力Fig.3 Stress of the masonry retaining wall structure

由图3(a)和图3(b)可以看出，砌体挡水墙的最大应力出现在沉沙池侧栅栏坝端部挡水墙的底部。其中，迎水面有最大拉应力，背水面有最大压应力；最大主应力主要来源于竖向正应力，竖向拉应力最大值为0.68 MPa，主拉应力最大值为0.70 MPa。由图3(c)可以看出，砌体挡水墙在迎水面压力的作用下向背水面的水平位移为0.90 mm，水平位移最大值出现在沉沙池侧栅栏坝端部挡水墙的顶部附近。

可见，砌体挡水墙在受弯的情况下，最大竖向拉应力已经达到0.68 MPa，即砌体挡水墙弯曲抗拉强度平均值的2倍，挡水墙采用砌体结构显然无法抵挡迎水面一侧的水压力和土压力作用。

3.2 混凝土挡水墙受力分析

计算所得混凝土挡水墙的结构受力情况具体如图4所示。

图4 混凝土挡水墙结构受力Fig.4 Stress of the concrete retaining wall structure

由图4(a)和图4(b)可以看出，混凝土挡水墙的最大应力同样出现在沉沙池侧栅栏坝端部挡水墙的底部，迎水面有最大拉应力，背水面有最大压应力，最大主应力主要来源于竖向正应力，竖向拉应力最大值为0.47 MPa，主拉应力最大值为0.48 MPa。由图4(c)可以看出，混凝土挡水墙在迎水面压力的作用下向背水面的水平位移为0.05 mm，水平位移最大值同样出现在沉沙池侧栅栏坝端部挡水墙的顶部附近。

可见，混凝土挡水墙的最大主拉应力为0.48 MPa，而C30混凝土的抗拉强度设计值为1.39 MPa，混凝土挡水墙尚有足够的拉应力储备。对比砌体挡水墙和混凝土挡水墙的结构受力发现，采用混凝土挡水墙，结构应力和位移均有所降低，这是由于混凝土结构的抗拉强度比砌体结构的抗拉强度更高。因此，挡水墙采用混凝土结构才能有足够的安全储备。

经过相关单位反复论证，最后决定采用混凝土挡水墙。经过近两年时间的运营发现，混凝土结构能够抵御迎水面的水流冲击，结构受力正常，尚无较明显的结构位移；河水能够正常流入渠道，栅栏起到了阻拦杂物的作用，减缓了渠道淤塞进程，从长远看降低了水流量的损失。

4 结论

本文以湖北省五峰县境内龙洞电站溢流坝改造项目为工程背景，采用Midas FEA建立三维有限元模型，对比分析了砌体挡水墙和混凝土挡水墙的受力状态，得到以下结论：

1)砌体挡水墙和混凝土挡水墙的最大拉应力和最大位移出现在相同位置，其中最大拉应力出现在沉沙池侧栅栏坝端部挡水墙的底部，最大位移出现在沉沙池侧栅栏坝端部挡水墙的顶部。

2)混凝土挡水墙的应力和变形比砌体挡水墙的小。

3)根据相关规范，砌体挡水墙不满足结构受力的要求，混凝土挡水墙满足结构受力的要求，尚有一定的安全储备，故采用混凝土挡水墙。

4)由于挡水墙主要承受竖向拉应力的作用，建议实际施工过程中，在混凝土挡水墙的迎水面布置钢筋网，同时根据地质条件将挡水墙埋置1～2 m深度。另外，可以因地制宜地就地取材，将河床的大石块浆砌在挡水墙前面，减小水流对挡水墙的冲击，以进一步提高挡水墙的安全储备。

近两年的运营情况表明，加固改造后的溢流坝产生的经济效益较为明显。