防洪枢纽工程水闸预应力闸墩锚块空腔设计分析

2020-12-14才登巴

水利技术监督 2020年6期

才登巴

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆库尔勒 841000)

水闸安全稳定性运营有助于提升水资源调度能力，为地区水资源高效利用提供重要基础动力[1- 2]。闸墩是水闸重要结构组成部分，研究闸墩安全受力状态，亦是水闸安全设计的重要子方面，目前预应力闸墩在水闸承重结构中应用较广泛，而改善该结构应力状态的重要举措即是设置有锚块体，提升闸墩稳定性[3- 4]。已有较多学者或水利工程师基于水工模型试验，研究了水闸以及溢洪道等水利工程中预应力结构锚块的应力特性，为水工设计提供了重要试验依据[5- 7]。根据长期运营监测，研究水工结构中闸墩或锚索的应力变形状态，为评价结构安全稳定性提供重要参考[8- 10]。数值计算可研究较复杂工况，因而，采用数值仿真计算，研究预应力闸墩锚块设置空腔下应力变化，及不同空腔设计方案下闸墩应力变化，为提升实际工程设计水平提供重要作用[11- 13]。本文将以此计算理论为基础，开展预应力闸墩锚块空腔设计分析，研究对闸墩稳定性最佳的空腔体型设计方案。

1 工程概况

某防洪枢纽工程上游蓄水库总库容超过200万m3，面向区域内农业生产、城市生活用水，该枢纽工程在水平规划年可帮助降低缺水率6.2%，可谓是地区内重要水利设施。防洪枢纽工程中，通行流量采用水闸调控，其结构底板高程为695m，闸室宽度为51m，设计为多孔式闸门，每孔宽度为8m，设置有检修闸门启闭系统，堰顶设置有交通桥与工作桥，均宽为4m，其中工作桥采用混凝土T梁结构。水闸两侧建设有导墙结构，减弱水流对水利工程冲击磨损效应，导墙厚度最厚处为0.85m，结构层以钢筋混凝土一体式浇筑形成，面层材料为M15抹灰砂浆，底部设置有纵向变形缝，减弱混凝土涨裂效应；输水干渠通道借助导墙侧引流，确保渠首流量精确控制在0.65m3/s。设计预应力闸墩为承重结构，每个排墩厚度均为4.2m，边墩设置为重力式混凝土挡墙墩，增强排墩整体承载力，闸墩结构材料为C30混凝土；所有闸墩主锚索与锚固洞连接，而下游段设计以锚块的形式布设在排墩两侧，锚块对称式分布，每根预应力锚索张拉锁定荷载为2050kN，闸墩立面布置和锚固洞平面如图1所示。

图1 闸墩立面布置和锚固洞平面

根据现场工程地质调查分析得知，工程场地表面覆盖土层为第四系软性填土层，厚度约为1.5m，松散型较大，室内土工试验测定其变形模量参数高于常规填土层，承载力中等，农业灌区内输水干渠以该土层为持力层；下卧土层为重粘土质淤泥，沉降变形较大，局部夹有壤土与砂壤土，故而本工程中闸室基础采用灌注桩，减弱淤泥土层大变形沉降对工程安全稳定性的危害，该土层含水量亦较高，灌注桩施工超挖土层均以素混凝土作为固结材料灌注入淤泥质土层中，增强地基稳定性。基岩层材料为弱风化灰岩，晶体颗粒粒径超过4mm，承载力较强，可作为大型工程承基层，现场取样表明，基岩层基本无显著夹层破碎带，因而现场取出岩芯长度均较高，岩体表面磨圆度较好，中粗粒结构受到上游河流冲刷影响，造成岩体内部晶体颗粒一体化结构较稳固，静水压力下岩体渗透率低于10- 18m2，部分预应力锚索锚固洞布设即以淤泥质土层与基岩层截面。本文将利用仿真计算手段，研究水闸预应力闸墩结构应力状态及锚块尺寸设计参数影响特性。

2 闸墩锚块空腔椭圆体型研究

基于上述工程地质资料基础，利用建模软件获得预应力闸墩数值模型，而锚块作为闸墩预应力锚索的一部分重要结构，其材料为C40混凝土，在数值模型中与预应力闸墩共用单元节点，锚块与闸墩连接方式初步设计为整体式节点连接[14]；另数值仿真计算坐标体系中x、y、z正方向分别为顺下游水流向、向上竖向、河道水流垂向右岸；所建立数值模型如图2所示，划分单元网格数共63584个，节点数46762个，单元网格质量均在0.96以上，另在锚块等特征部位网格划分较密，图2为水闸预应力闸墩及其锚固设施结构特征剖面所在位置。为准确评价不同工况下闸墩与锚块安全稳定性，设计以水闸完建期(工况一)与上游水位72.3m蓄水期(工况二)开展研究，分别研究预应力闸墩锚块空腔体应力特征，本文所有拉、压应力参数均以正、负号区分。

图2 数值模型

3 空腔椭圆体型设计参数研究

本文在前人研究基础上考虑以椭圆形截面作为锚块空腔体型，但由于截面不同体型参数均会对锚块应力特征影响，因而，本文考虑对椭圆形空腔体型设计参数开展研究分析，其中截面椭圆体型分为长、短轴设计参数，分别对这2个参数开展对比计算。

3.1 空腔体型长轴设计参数

为研究空腔体型长轴参数，本文设计椭圆形空腔长轴设计方案分别为2m(A方案)、2.5m(B方案)、3m(C方案)、3.5m(D方案)4种方案，空腔上游面距离锚块的位置参数统一均设定为1.85m，各典型长轴设计方案数值模型如图3所示，闸墩、锚块以及空腔截面上特征剖面如图4所示。

图3 各典型长轴设计方案数值模型

图4 特征剖面位置示意图

基于仿真计算获得各长轴设计方案下预应力闸墩应力特征，如图5所示。从图中可看出，工况一中闸墩主要以受压为主导作用，且最大压应力与截面体型长轴参数为正相关，A方案最大压应力为9.8MPa，而在C、D方案中分别相对前者增长了12.2%、20.4%；工况二中闸墩最大压应力亦是如此，但工况二中出现有拉应力，且均分布在1- 1特征剖面上，最大拉应力与截面体型长轴参数为负相关变化。分析表明，工况二外荷载具有水压力，一定程度上会影响结构受弯特性，且1- 1剖面处于闸墩底部，直接受到上扬压力影响，故而在1- 1剖面中产生拉应力，而2- 2、3- 3剖面中仍然处于无水状态，以受压为主。对比工况一、二可知，工况二中最大压应力虽相比工况一有所降低，但局部剖面上出现有拉应力，长轴B方案中工况二最大压应力相比工况一减少了16.3%，图6为2种工况C方案闸墩应力分布对比，图中应力分布亦可知，工况一中结构上大部分分布有压应力，而工况二中拉应力分布较多，量值约为0.3～0.7MPa。从特征剖面应力表现可知，工况一中1- 1、3- 3特征剖面压应力为一致，两者为对称式分布，B方案中1- 1、3- 3特征剖面压应力均保持为10.4MPa。从长轴设计参数与闸墩应力可知，长轴参数应尽量保持适中，可抑制应力集中现象，增强闸墩稳定性。

图5 各长轴设计方案下预应力闸墩应力特征

图6 C方案闸墩应力分布对比

图7为各方案空腔上、下游表面在z向上应力特征。从图中z向应力结果可看出，不论是上游面亦或是下游面，或者说不论是工况一还是工况二，空腔截面z向最大拉应力均与长轴设计参数为正相关变化，A方案工况一中空腔上游面最大拉应力为2.7MPa，而在同等情况D方案中相比前者增大了25.9%；对比工况一与工况二应力表现可知，空腔z向上最大拉应力以工况一为最高，B方案中工况二下游面最大拉应力为2.1MPa，而工况一下相比增长了38.1%；图8为2种工况C方案空腔上游面应力分布对比，两者应力分布形态具有相似性，仅是应力范围内量值差异。对比空腔Z向特征剖面上应力结果可知，6- 6剖面上均为压应力，而4- 4、5- 5剖面上均为拉应力，2种工况均如此；由于6- 6剖面处于结构截面下侧，依据材料力学弯曲理论知，该截面为下拉上压型受力方式。

图9为空腔端部x向应力特征，该方向上应力均为压应力，最大压应力亦是与长轴设计参数为正相关，D方案工况一最大压应力是A方案的1.4倍；同一方案下工况二最大压应力低于工况一，C方案中工况二最大压应力仅为工况一的84%。从特征剖面应力可知，2种工况4- 4—6- 6剖面上压应力递减，且同一剖面上压应力以工况一为大，B方案工况一中5- 5、6- 6剖面相比4- 4剖面分别降低了49%、83%。

图10为空腔y向上、下游表面应力与长轴设计参数关系曲线。从图中可知，y向上最大压应力表现与闸墩上具有一致性，但空腔y向在2种工况中均会产生拉应力，其中以工况一中拉应力较大，B方案空腔下游面上工况一最大拉应力为工况二的1.33倍。对比上、下游表面应力可知，随长轴设计参数变化，两者并无显著一致性规律。从特征剖面可知，7- 7、9- 9剖面关系与闸墩上1- 1、3- 3剖面关系具有相似性，2个剖面上压应力均一致，但与闸墩中间2- 2剖面仍为压应力不同的是，空腔y向的中间8- 8剖面上均为拉应力。

3.2 空腔体型短轴设计参数

为研究空腔体型短轴设计参数，同上，设计不同短轴参数方案，分别为0.4m(a方案)、0.6m(b方案)、0.8m(c方案)、1m(d方案)，长轴均统一设定为3m，典型椭圆短轴设计方案示意图如图11所示。

图7 空腔上、下游表面在z向上应力特征(长轴参数方案)

图8 C方案空腔上游面应力分布对比

图9 空腔端部x向应力特征(长轴参数方案)

限于篇幅，本文仅对锚块空腔上、下游表面的x、y、z三个方向应力开展分析，图12为空腔z向应力特征。从图12可以看出，上游表面最大拉应力与空腔椭圆短轴设计参数为负相关变化，但下游表面最大拉应力各工况下基本接近，均为3MPa左右。与前述一致，短轴设计参数研究方案中，工况一最大拉应力总高于工况二，D方案中空腔下游表面工况二最大拉应力相比工况一降低了32.1%。各特征剖面中，4- 4、5- 5特征剖面在2种工况中均为拉应力，而6- 6特征剖面均为压应力，2种工况压应力均维持在04～0.6MPa。从图13空腔上、下游面Z向应力分布可看出，2种工况上、下游面应力分布具有对称性，最大拉应力分布集中在空腔周围。

图14为空腔端部x向应力特征，从图中可知，端部x向均为受压主导，C方案最大压应力乃是4个方案中最大值，在工况一、二下分别为15.3、11.8MPa；从特征剖面应力来看，其变化趋势与图9一致，4- 4—6- 6剖面应力递减。图15为空腔y向应力变化，从图15中可发现，7- 7、9- 9特征剖面均为受压，而8- 8剖面均为受拉，且2种工况中最大拉应力的最小值为C方案，分别为0.7、0.6MPa，D方案工况一中最大拉应力为前者的1.3倍。