基于ABAQUS模拟的消力池边墙加固方案优化

马志军，李晓庆，俞 伟

（1.新疆伊犁州水利电力勘察设计研究院，新疆伊宁，835000；2.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052）



基于ABAQUS模拟的消力池边墙加固方案优化

马志军1，李晓庆2，俞 伟2

（1.新疆伊犁州水利电力勘察设计研究院，新疆伊宁，835000；2.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052）

以新疆齐古水库导流洞后消力池高、薄挡土墙为研究对象，借助ABAQUS软件对其加固方案进行有限元分析和比选，得到最优的拉杆布置形式。分析结果表明：消力池大部分部位为受压状态，局部拉应力区控制在规范允许范围内，拉杆支撑后结构应力分布均匀，变形量不大，满足设计要求，为解决实际工程中结构加固问题提供了参考依据。

消力池；拉杆；挡土墙；拉应力；有限元分析

消力池结构的稳定对水利工程安全运行影响重大。受消能效能需要、地形地质条件限制，往往需要修建高而截面尺寸相对较薄的挡土墙，这类高、薄挡土墙将带来一定的安全隐患，需要进行结构加固。由于加固形式、结构空间布置可选择余地较大，若采用传统的结构力学方法，计算工作繁琐，工作量大。基于此，借助通用有限元软件ABAQUS进行应力复核及加固方案比选，并为其配置钢筋和抗剪、抗裂验算提供计算依据。

1　工程概况

新疆齐古水库工程导流洞后消力池为整体式钢筋混凝土结构，池宽12.5 m，挡土墙高17.5 m，消力池最高水位975.83 m，对应池内水深11.83 m，其横断面如图1所示。挡土墙内侧直立，墙体外侧左侧为直壁挡墙，墙后为泥岩，开挖呈陡壁；右侧为斜壁挡墙，墙后回填砂砾石，坡度1∶1.5。由于地质结构与原勘察情况有较大出入，并受工期限制，消力池池深较原设计有所增加，设计变更为现有结构尺寸，考虑在后期进行结构加固。

图1　消力池结构横断面图Fig.1 Cross sectional view of the structure of stilling basin

2　ABAQUS计算模型参数及计算方法

消力池结构所用混凝土强度等级为C30。地基为泥岩，承载力280 kPa，右侧挡土墙墙背回填料为砂砾石，承载力250 kPa。各种材料的物理性能指标见表1。

表1　材料物理性能指标参数Table 1 Physical properties of the material

选用承载能力极限状态设计表达式进行应力校核，根据SL/T 191-2008《水工混凝土结构设计规范》［1］规定，结构系数γd=1.2，结构重要性系数γ0= 1.0，设计状况系数ψ=1.0。材料的设计值以及结构变形限定值确定如下：混凝土抗拉强度设计值（C30）ft=Smax=1.50 MPa，抗压强度设计值fc=Smin= 15 MPa，抗裂强度设计值Rf=1.90 MPa，混凝土的最大裂缝宽度限值ωlim=0.25 mm，受力钢筋强度设计值fy=360 N/mm2，受弯构件的允许挠度设计值为：Umax=L0/500=12.5/500 m=0.025 m=2.5 cm。

3　基于ABAQUS模拟的挡土墙加固方案比选

采用有限元软件ABAQUS对消力池挡土墙结构采用有横向支撑的拉杆措施进行应力复核及加固方案比选。消力池挡土墙内力计算选择了两个工作状况进行，一是消力池无水工况，二是有水工况（池内水位11.83 m）。

3.1未设加固措施前消力池结构校核

3.1.1消力池挡墙位移校核

鉴于消力池挡土墙高度较大，首先对其侧向位移（挠度）进行复核，结构侧向位移最大值出现在无水工况下，位于右侧挡墙顶部，位移值为0.76 cm＜2.5 cm，方向指向左，此位移变形将不影响墙后的土体结构稳定［2］。

3.1.2消力池各截面应力校核

在ABAQUS软件计算模型中，在消力池边墙、底板设置了7个控制性截面进行监测（8-8、9-9、10-10截面为设置拉杆加固时的监测截面），各截面位置如图1所示。在两种工况下结构各个部位的应力分布情况见图2。由于结构各部分压应力值较混凝土抗压强度值低一个数量级，因此对结构拉应力区进行了重点考察，结果见表2。

图2　未设加固措施消力池结构应力分布图（单位：Pa）Fig.2 Stress distribution of the structure of stilling basin without strengthening measures（Unit：Pa）

无水工况下：消力池构件拉应力最大值出现在消力池底板7-7截面下侧，为1.88 MPa＞1.5 MPa，意味着该处素混凝土将发生拉应力破坏［3］，需要配置钢筋来改善此处混凝土的受力条件。同时右侧挡墙3-3截面斜墙底部外侧也是受拉区，拉应力1.68 MPa，也大于1.50 MPa。

表2　未设加固措施前消力池各截面的拉应力值及分布情况Table 2 Distribution and value of the stress on sections of the stilling basin without strengthening measures

有水工况下：消力池结构各部位拉应力情况有所改善，拉应力区主要位于消力池底板右端上侧部位，拉应力最大值出现在消力池底板7-7截面下侧，为0.40 MPa，小于1.50 MPa，不会发生拉应力破坏。

3.2消力池挡墙加固方案比选

根据已建成结构特点，参考渡槽施工的经验和渡槽设计［4］的思路，对消力池挡土墙结构采用有横向支撑的拉杆措施进行加固，优化方案中对拉杆的空间布置、截面尺寸均进行了比选，受篇幅限制，仅对特定拉杆截面尺寸下不同间距的方案比选过程进行分析。

消力池计算长度为11 m，采用深梁结构作为拉杆支撑两侧边墙，拉杆截面尺寸0.4 m×1.0 m，分别选择布设3根、4根及5根拉杆作为比选方案。并在消力池结构原控制截面基础上增加3个监测截面，均设置于拉杆上，如图1所示。3个方案消力池各截面最大主应力分析成果列于表3。

设置拉杆后，由表3可知：无水工况下，消力池底板7-7截面、边墙3-3截面拉应力区受力条件得到较大改善，整个消力池底板和边墙应力分布趋于均匀，最大拉应力发生在4-4截面处，具有明显的应力集中特征，其值接近于1.50 MPa。有水工况下，消力池结构整体应力分布均匀，拉应力全部转移到了拉杆上，拉应力分布在整个拉杆长度上，上、下侧数值均在1.50 MPa附近，需配置钢筋。

表3　消力池拉杆布置方案的最大主应力值及其分布情况Table 3 Distribution and value of the maximum principal stress in the solution with tie bars

通过对比可知，3个方案中各截面应力水平各截面应力水平差别不大，考虑加固工程量因素，若采用拉杆加固措施，推荐方案1（设3根拉杆）。

3.3推荐方案结构内力计算

方案1消力池结构及拉杆各部位在两种计算工况下的应力分布情况见图3，控制性截面的拉应力值及作用位置见表4。

消力池挡土墙按方案1进行加固后，无水工况下，消力池3-3截面底侧的拉应力由加固前的1.68 MPa减小到0.58 MPa，7-7截面下侧的拉应力由加固前的1.88 MPa减小到0.95 MPa，受拉杆的支撑作用，拉应力转移到斜墙上部4-4断面。有水工况下，受拉杆的拉力作用，消力池7-7截面上侧的拉应力由加固前的0.40 MPa减小到0.16 MPa。可见相对于加固前，消力池结构在设置拉杆后受力条件大为改善。

由于拉杆受拉区的应力都在1.50 MPa附近，需要为拉杆配置钢筋，利用计算出来的截面应力，反求截面弯矩、轴力及剪力，消力池各截面的内力计算值如表5所示。利用内力计算结果可进行配筋计算［5］。

图3　设拉杆时消力池结构应力分布图（单位：Pa）Fig.3 Stress distribution of the structure of stilling basin with tie bars（Unit：Pa）

表4　消力池控制性截面的拉应力值及其分布情况（方案1）Table 4 Distribution and value of tensile stress on the controlled cross sections of stilling basin（Solution 1）

表5　拉杆控制性截面的内力值及其分布（方案1）Table 5 Distribution and value of the internal force on controlled cross sections of tie bars（Solution 1）

4　结语

借助ABAQUS软件，将渡槽拉杆的设计思路应用到消力池挡土墙加固中来，对各种挡墙加固方案进行了拉应力值大小及分布的分析，可以比较便捷地得到优选方案，同时还可以得到消力池结构各个部位的内力值及应力值，清晰地看到各种工况下的应力分布情况，为设计人员快速判断结构的薄弱环节、采取何种加固措施以及配置钢筋提供了设计依据。

［1］SL/T 191-2008，水工混凝土结构设计规范［S］.

［2］徐海清，吴佐莲，闫运雷，等.淘金河大型预应力拉杆拱渡槽结构变形及稳定性研究［J］.水利水电技术，2008，39 （2）：29-31.

［3］姜葵红，和桂玲，李玉莹，等.界河大型预应力拉杆拱渡槽设计与研究［J］.中国农村水利水电，2006（10）：66-70.

［4］李世平，谢三鸿，唐清华.南水北调中线工程某大型渡槽设计［J］.人民长江，2011，42（20）：31-34.

［5］张玉明，张高伟，刘国龙，等.南水北调沙河渡槽预应力结构设计与配筋优化［J］.人民长江，2013，44（16）：9-11.

ABAQUS simulation-based optimization for reinforcement of high and thin retaining wall was adopted in the case of stilling basin side-walls behind the diversion tunnel of Qigu reservoir in Xinjiang. The best solution using bars strengthening was obtained.The results showed that most parts of the stilling basin was in compression state，the value of local tensile stress was controlled within the allowable range of the Specification，stress distribution of the structure became uniform，and the deformation was reduced.This method provided a reference for solving structural reinforcement in practical projects.

stilling basin；tie bar；retaining wall；tensile stress；FEM analysis

TV33

A

1671-1092（2016）02-0045-04

2015-10-18

马志军（1976-），男，新疆伊宁市人，工程师，主要从事水利水电工程勘测与设计工作。

作者邮箱：lixq_xj@163.com

Title：ABAQUS simulation-based optimization for reinforcement of stilling basin side-wall//by MA Zhijun，LI Xiao-qing and YU Wei//Yili Prefecture Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute