蒙阴县小型水库除险加固方案优化分析

赵雯雯

（临沂市水利局，山东 临沂 276000）

水利工程中除险加固设计通常根据已有工程监测资料或设计资料，对工程运营中出现的微观数据开展分析，进而为目标加固工程的设计方案提供借鉴参考，此亦有利于工程设计优化[1，2]。数值仿真计算可高效解决不同方案、不同参数的水工设计对比，利用包括ANSYS、ABAQUS、COMSOL 等在内的仿真计算平台[3，4]，对有限元模型开展不同设计方案的计算对比，探讨设计参数变化对工程稳定性影响，对提升水工结构加固设计水平具有重要作用。本文根据蒙阴县境内小型水库现状，开展心墙堆筑吧加固设计分析，为工程设计优化提供参考。

1 工程仿真

1.1 工程概况

本文以上峪水库心墙设计为研究对象，开展计算优化。上峪水库库容量为120 万m3，初步设计坝高最大为35.30 m，采用粉质壤土作为填筑料，分层压实填筑，坝基处铺设有厚度为0.45 m 的砂土垫层，运营期监测最大沉降不超过3 cm，最大渗透坡降为0.28，坝身采用混凝土网格结合植物护坡形式，采用弧形钢闸门弧门宽度为1.8 m，液压启闭机启闭，闸室底部高程为28.5 m，最大泄流量设计为1 050 m3/s，坝体下游设置有长度为55 km的输水灌渠，渠首流量监测为0.3～0.7 m3/s。在目前坝体运营基础上，对上峪水库坝体设计为心墙填筑形式，以该水库K1+150～K1+305 区段内为计算分析对象，该区段内心墙长度为3，2 m，曲率为6×10-4，设计心墙厚度为40 cm，该区段内坝体高度为30.2～32.8 m，心墙坝高拟定为32～35 m，针对心墙坝高设计参数开展计算优化分析。

1.2 仿真建模

为确保上峪水库心墙填筑坝设计合理性，利用CAD 建模软件获得水库心墙坝几何模型，简化坝身非关键部位。该模型包括上、下游坝坡，坡度分别为1/2、1/3，设有防浪墙结构，厚度为60 cm，所建立的计算模型经ABAQUS 仿真平台划分微单元25 362 个，节点数19 562 个，其中心墙体划分网格时重点加密，坝体各部位物理力学参数均以实际岩土体实测值带入计算，如坝体覆盖料以混凝土力学参数作为计算参考，确保模型计算精度。另根据计算模型所在工程场地，确定X、Y、Z 正向分别为坝体右岸、顺水流下游及坝体垂直向上。

本文针对心墙坝高设计参数开展优化分析，以坝体竣工期下静力荷载工况下开展计算，该工况下模型边界包括有静水压力、坝体自重以及扬压力等；在计算模型底部设置为多向约束条件，顶部为单向移动约束条件，设定上游水位为32 m。本文计算采用瞬态法计算坝体静力场特征参数，包括有设计参数影响下的坝体变形、应力特征，根据心墙坝高设计范围，设定心墙坝高参数有6种方案，分别为32.5（1#方案）、33（2#方案）、33.5（3#方案）、34（4#方案）、34.5（5#方案）、35（6#方案），各设计方案中心墙曲率、心墙厚度以及长度等设计参数均保持一致，仅改变心墙坝高设计参数，分析心墙坝高参数影响下的坝体静力场特征，独立心墙体典型设计方案如图1 所示。

2 心墙坝高对坝体位移影响

根据各设计方案计算获得心墙坝高影响下坝体各向最大位移变化特征，如图2 所示：坝体各向位移中以Z 向为最大，X 向最低，在3#设计方案中X 向最大位移为0.605 m，而Y、Z 向位移值较之前者分别增大了1.1 倍、3.1 倍，各设计方案中Z 向、X 向位移间差异幅度分布为2.25～4倍，表明心墙堆筑坝中应重点关注坝体沉降位移值变化，其对坝体安全性影响较为关键。

图2 坝体各向最大位移变化特征

分析坝体位移受心墙坝高影响变化可知，3个方向最大位移随心墙坝高均为先减后增变化，位移最低值均指向坝高34 m 设计方案，心墙坝高32.5 m 时X 向上最大位移为0.825 m，而坝高为33.5 m、34 m 时X 向最大位移较之前者分别减少了26.7%、43.5%，与之同时坝高34.5 m、35 m 相比坝高34 m 时又分别增大了13.3%、30.5%，表明以坝高34 m 为节点，X 向位移变化呈阶段区间变化，此现象在Y、Z 向均是如此，坝高34 m 时Y 向位移相比坝高32.5 m、33.5 m 分别减小了30.2%、11.7%，而坝高34.5 m、35 m 位移相比34 m时分别增大了15.9%、30.8%。在坝高32.5～34 m 区间内，坝高增大0.5 m 时，坝体X 向最大位移较之减少17.2%，而Y、Z 向位移的减少幅度分别为11.3%、4.5%，即该区间内增大心墙体坝高，堆筑坝整体位移有降低态势，可抑制坝体发生滑移趋势；在坝高34～35 m 区间内，坝高0.5 m 的增长，平均可导致X、Y、Z 向位移分别增大14.2%、14.4%、6.5%，即该区间内坝高愈大，其稳定性愈弱。分析认为，坝体各向位移随心墙坝高变化具有最低节点，此与坝体结构材料所能承受最大荷载有关，当坝高处于一定节点区间内时，坝体各部分材料均处于完全负荷状态，水工结构安全性较佳，但坝高过大时，此时水利结构超过受荷极限，坝体出现较大变形，不利于工程安全运营[5，6]。从坝体位移安全性考虑，在心墙坝高34 m 时堆筑坝位移状态最好，最有利于大坝稳定运行。

3 心墙坝高对坝体应力影响

根据对心墙坝高影响下应力计算，获得坝体拉、压应力随心墙坝高变化关系，图3 为坝体拉应力变化特征。从图中坝体各向拉应力变化可知，X、Z 向最大拉应力随心墙坝高参数均为先减后增变化，拉应力最低均指向坝高34 m 时，心墙坝高34 m 下X 向最大拉应力相比坝高32.5 m、33.5 m 时分别减少了98.4%、96%，而之后坝高34.5 m、35 m 下最大拉应力相比坝高34 m 下分别增大了22 倍、29.4 倍，在坝高32.5～34 m 区间内，X、Z 向拉应力均为递减，平均各方案间最大拉应力降低幅度分别为35.8%、15.1%，而在坝高34～35 m 区间内，此两向上拉应力变化态势为递增，平均增幅为32.8%、121.8%，而为确保结构应力安全性，应控制坝体拉应力处于两阶段变化节点处。

图3 坝体拉应力变化特征

从整体应力安全性考虑，在X、Z 向上拉应力均低于1 MPa 的仅为4#、5#方案，故选择坝高34 m 时相比之安全性较佳。Y 向拉应力随心墙坝高持续为递减，但递减幅度在心墙坝高34 m 处发生显著变化，超过34 m 后，Y 向最大拉应力降幅处于“饱满”状态，后两方案最大拉应力几乎无显著降低，最大降幅仅为3.8%，而在心墙坝高32.5～34 m 区间内，平均降幅可达37.9%，故从工程成本与安全性考虑，在心墙坝高34 m 时Y 向拉应力已处于较佳状态。根据拉应力变化可知，确定心墙坝高34 m 为最优方案更有利。

与之同时，获得坝体各向压应力随心墙坝高变化特征，如图4 所示：坝体各向压应力以Z 向为最大，X 向最低，在5#方案中，Z 向最大压应力为4.856 MPa，而X、Y 向最大压应力相比前者分别降低了46%、38.5%，表明预压效果最显著的为Z 向，此与坝体Z 向所受荷载最大有关。分析坝体各向压应力随心墙坝高参数变化可知，两者曲线呈“倒V”型特征，其中压应力最大方案均为坝高34 m，该方案下坝体预压效果显著，压应力分布量值亦满足结构设计要求。在心墙坝高32.5～34 m 区间内，三向压应力均为递增，心墙坝高每增长0.5 m，平均可提升X、Y、Z 向压应力30.1%、32.2%、27.7%，而在心墙坝高34～35 m 区间内，三向压应力平均降幅为22.9%、24.1%、27.1%。分析认为，控制心墙坝高在合适节点，有利于提升坝体预压效果，降低坝体倾覆失稳性，因而当坝高为34 m 时乃是有利于坝体抗倾覆，设计方案较优。

图4 坝体压应力变化特征

4 结语

1）坝体Z 向位移为最大，X 向最低；随心墙坝高增大，各向位移均为先减后增变化，位移最小值为坝高34 m 方案，坝高32.5～34 m 区间内，X、Y、Z 向位移平均降幅分别为17.2%、11.3%、4.5%，而坝高34～35 m 内各向位移平均增幅又为14.2%、14.4%、6.5%。

2）X、Z 向最大拉应力随心墙坝高参数均为先减后增变化，但Y 向拉应力随之为递减，在心墙坝高34 m 后降幅较小，X、Z 向拉应力在该节点处于最低；各向压应力随心墙坝高为先增后减变化，最大值为坝高34 m 方案。

3）研究了心墙坝高34 m 方案位移、应力分布特征，位移由坝底至坝顶为先增后减变化，应力由坝底至坝顶为递减分布，坝体静力场分布均处于最优状态。

4）综合位移、应力变化与分布特征，认为心墙坝高34 m 为最佳设计方案。