某水电站溢流坝闸室中墩锚固竖井结构优化研究

2021-01-06张恒恒

水利科技与经济 2020年12期

张恒恒

(安徽省茨淮新河工程管理局，安徽蚌埠 233400)

1 工程背景

某水库为一座以防洪为主、兼具多种综合性功能的大型水利工程，坝址以上控制流域面积6 175 m2，总库容7.91×108m3。水库大坝为混凝土重力坝坝型设计，最大坝高50.3 m，坝顶高程103.5 m，坝轴线长532 m，主要由挡水坝段、溢流坝段和电站坝段组成。由于水库设计建设于上世纪70年代，建设标准较低，病险问题比较突出，虽然在2000年进行过一次除险加固，但是并没有彻底解决大坝的病险问题。因此，当地政府积极筹措资金，对水库进行彻底改造，以大幅提升水库大坝的安全等级。其中，溢流坝段位于大坝右侧，设计有14个溢流表孔。其中，泄水闸中墩和边墩的厚度均为3 m。本文以水库大坝溢流坝段闸室中墩为例，利用数值模拟的方法对体型结构进行评价和优化设计。

2 有限元模型的构建

2.1 计算模型的构建

ANSYS软件是美国ANSYS 公司研发推出的一款大型商用有限元软件，功能十分完善和强大，特别是该软件可以和CAD进行数据交换，对构建的模型进行必要调整，实现网格划分的优化，提高模拟计算的效率和质量[1]。因此，本文利用ANSYS 有限元软件进行溢流坝闸室中墩建模计算研究[2]。考虑到预应力闸墩锚固竖井结构尺寸存在多变性，为了简化建模过程，便于循环性文件的生成和使用，研究中利用ANSYS有限元软件参数化设计语言APDL 建立预应力闸墩的三维有限元模型，并通过模拟计算的方式进行锚固竖井的体型尺寸优化设计[3]。

在模型的构建过程中，利用参数化语言进行闸墩整体模型的构建，以坝轴线指向右岸的方向为X轴正方向，以顺水方向为Y轴的正方向，以竖直向上的方向为Z轴的正方向[4]。对构建的几何模型采用六面体八节点单元进行自由网格划分，最终获得11 791个计算单元，10 965个计算节点，闸墩墩体的有限元模型示意图见图1。

图1 闸墩有限元模型示意图

2.2 计算工况与边界条件

研究中选择正常运行工况进行数值模拟计算，上游水位高度195.0 m，下游水位173.9 m，左右侧弧门为正常挡水状态。考虑到预应力锚索的作用，预应力作为永存吨位考虑[5]。在不影响计算结果精度的条件下，对闸墩结构的边界条件进行合理假设，以便减小计算量。其中，模型的底面为固结条件，四周采取法向约束条件，坝体的上下游、顶部为自由边界条件设计[6]。在计算过程中，自重荷载包括闸墩、堰体的混凝土结构以及下部的锚垫板结构的自重，后期的混凝土回填和闸门、启闭机等结构的自重不予考虑[7]；由于中墩和堰体之间设计有永久性的隔离缝，因此各个闸墩基本属于独立受力状态，因此不考虑闸墩之间的相互影响；假定混凝土和基础岩体均为各向同性的均值材料，满足连续性条件[8]。不考虑钢筋作用下的非线性接触特征，按照线弹性理论进行有限元计算。

3 锚固竖井体型优化方案

3.1 原设计方案的计算结果分析

按照上文构建的有限原模型，对闸墩应力分布情况进行计算，根据计算结果，绘制锚固竖井部位的各向应力云图，见图2。由图2可知，在垫板预应力作用的影响下，锚固竖井左右垫板中间的部位产生了较大的X向拉应力，最大值达到2.85 MPa；在竖井和底面的交界部位产生了较大的Y向拉应力，最大值达到4.6 MPa；在竖井和底面的交界部位也产生了较大的Z向拉应力，最大值达到4.9 MPa。由于这一数值已经超过闸墩墩体混凝土的抗拉强度，因此需要对锚固竖井的体型尺寸进行必要的优化，以减小上述部位的应力值。

图2 应力云图分析结果

3.2 优化方案的提出

ANSYS 软件中提供了多种优化方法，结合本次研究的实际，选用零阶方法对中墩锚固竖井的体型尺寸进行优化。在优化过程中，结合锚固竖井的体型特征，选择顶面宽度、底面宽度、折坡宽度以及折坡高度4个体型尺寸参数为设计变量进行优化计算。限于篇幅，优化计算的过程不再详述，优化后的结果见表1。

表1 锚固竖井的原始设计和优化设计尺寸

4 优化方案的验证

4.1 最大应力计算结果与分析

按照优化后的方案采用上节的方法重新构建有限元模型，并对闸墩的应力分布进行计算。根据计算结果，提取出各向应力的最大值，结果见表2。

表2 锚固竖井各向最大应力值

由表2中的结果可知，优化前后X向应力最大值变化不大，主要原因是该方向的应力主要受预应力和垫板位置的影响，因此优化效果不明显。Y向应力和Z向应力的最大值较原始方案明显减小，分别减小0.70和1.15 MPa。说明优化方案在减小锚固竖井应力，特别是Y向和Z向应力方面具有显著效果。

4.2 顶面应力计算结果与分析

利用上节构建的数值计算模型，对闸墩锚固竖井顶面的应力分布情况进行计算，获得锚固竖井顶面各向应力分布图，其中典型剖面4-4的各向应力分布图见图3。由图3可知，在锚固竖井的体型尺寸进行优化之后，其顶面的各向应力总体小于原始方案。其中，锚固竖井与上游面的交接部位，优化后的Y向应力较原始方案减小0.1 MPa，Z向应力较原始方案大0.4 MPa，但是衰减速度明显较快，之后整体显著小于原始方案。同时，优化方案下的拉应力区较优化权减小约50%。

图3 优化后顶面应力云图分析结果

4.3 上游面应力计算结果与分析

利用上节构建的数值计算模型，对闸墩锚固竖井上游面的应力分布情况进行计算，获得锚固竖井上游各向应力分布图，其中典型剖面4-4的各向应力分布图见图4。由图4可知，在锚固竖井的体型尺寸进行优化之后，其上游面的各向应力与原始方案相比变化不大，原因主要是锚固竖井的上游面各向应力值总体偏小。但是，在各向应力的最大值部位，优化方案和原始方案相比存在相对明显的差别，并表现为优化后的最大应力值小于原始方案的应力值。

图4 优化后上游面应力云图分析结果

4.4 下游面应力计算结果与分析

利用上节构建的数值计算模型，对闸墩锚固竖井下游面的应力分布情况进行计算，获得锚固竖井下游面各向应力分布图，其中典型剖面4-4的各向应力分布图见图5。由图5可知，在锚固竖井的体型尺寸进行优化之后，锚固竖井的下游面与折坡面相交部位的Y向应力值为0.6 MPa，与优化前的原始方案相比，减小0.1 MPa；该部位的Z向位移在优化方案下为2.5 MPa，与优化前的原始方案相比，减小0.4 MPa。