基于仿真的枢纽水闸锚索结构设计分析研究

罗健平

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

水利工程中结构设计牵涉面较广，选择最优的结构设计参数不仅有利于降低工程成本，同样有利于提升水工结构长期运行安全稳定性[1-3]。水工结构中尤以水闸等水利设施为重点，其设计复杂程度高、设计难度较大、应力变形场变化较大，是水利工程设计过程中不可回避的问题[4-5]，李莎莎、刘国庆、周勤等通过室内物理模型试验，研究室内小尺度模型下水利结构安全稳定性，为实际工程设计提供重要室内试验参数[6-8]。另一方面，从现场监测获取到的实际数据也有利于工程设计参照，因而，一些学者采用先进监测设备实时获取水利工程在运行过程中的应力变形场、渗流场等特征[9-11]，利用数值仿真平台，建立水利工程结构仿真模型，设定不同设计方案，并可高效对比不同设计方案下水利工程应力等分布状态，为选择最优方案提供计算参考[12-14]。本文根据实际水利工程中水闸结构预应力锚索设计方案，利用仿真计算平台分析不同设计方案下水闸关键特征部位的应力状态，为工程实际设计提供重要研究基础。

1 工程概况

为提升区域内水资源利用效率，考虑对粤北地区水利枢纽工程开展除险加固。该水利枢纽工程承担着区域内防洪、蓄水、发电及通航等重要作用，设计有水利大坝、发电厂房、泄洪水闸及输水渠道等水利设施，上游丰水期最大蓄水量超过300万m3，建设有多个抽水泵站与输水渠道，确保对灌区以及居民区、工业区水资源供应到位，所建设的输水渠道总长度超过50 km，输水渠道采用格宾石笼作为防渗加固措施，监测表明灌区渠道最大渗透坡降为0.25，处于较为安全渗流状态。水利大坝全轴线长度为325 m，坝顶高程为475 m，设计洪水位477 m，上、下游坡度分别为1/3.0、1/2.5，为确保水资源安全稳定性，按照间距15～20 m布设防渗墙，墙体厚度为0.8 m，插入基岩深度1.5～2.0 m，在坝肩、坝趾、坝坡度变化处设置有止水面板，并在特殊部位处安装有渗流与变形监测传感器，为及时预判水利大坝运行安全稳定性提供参考。

2 锚块与闸墩连接方式设计

2.1 计算模型与边界荷载

根据枢纽工程现行水闸所处位置以及与周围水利设施运营契合性，以主、次预应力锚索所连接的锚块、闸墩为研究对象，分别采用仿真计算平台建立数值模型，如图1所示。三个数值模型均对应不同维度、不同计算功能的边界荷载条件，采用0.5 m的六面体单元作为计算网格，其中划分数值网格最多的为锚块模型，共得到168 422个网格单元，节点数118 652个[15-16]，计算模型所在的X、Y、Z空间坐标系正方向分别代表水闸所在坝段右轴线方向、下游水流方向、坝体垂直向上。边界约束荷载按照静力荷载下，水闸上游正常蓄水位为473 m，闸门受水平推力1500 kN，切向力-700 kN，考虑闸室自重以及所承受的水压力等荷载所有材料模型均按照线弹性混凝土模型计算分析，其中混凝土抗拉强度安全允许值为2.38 MPa。

图1 仿真计算模型

2.2 锚块与闸墩连接方式分析

锚块与闸墩连接方式的差异势必会导致闸墩与锚块特征部位处应力的变化，而目前预应力锚索锚块与闸墩的连接方式主要有整体式连接(1#方案)与接触式连接(2#方案)。由于水闸预应力锚索设计过程中关注重点为结构拉应力分布状态，结构失稳破坏很大程度上与拉应力状态有关，因而给出不同设计方案下水闸特征部位最大拉应力分布云图，如图2所示。

图2 特征部位最大拉应力分布云图

从图2可看出，采用整体式连接方案时闸墩颈部拉应力主要位于闸门背侧，并随背离闸门距离愈远，拉应力减小，最大拉应力为0.84 MPa，闸墩材料抗拉强度允许值处于安全区间，闸墩颈部处的压应力分布在闸门迎水侧。对比接触式连接方案下闸墩颈部处拉应力分布可知，其拉应力分布区域与1#方案基本一致，均出现在闸门背侧，同样随着背离距离增大，拉应力而呈扇形减小，最大拉应力相比1#方案降低了10.7%，最大压应力分布范围相比1#方案更靠近迎水侧，但其最大压应力仍处于材料安全允许区间。为分析锚块结构应力状态，以锚块下游面为例进行分析，在锚块结构上最大拉应力均分布在下游面，方案1中最大拉应力可达4.84 MPa，远超过材料安全允许值，其分布区域位于锚块结构与闸墩颈部毗连区域，与所采用的闸墩、锚块连接方案有关。当采用整体式连接方案时，锚块结构与闸墩彼此间无应力缓冲区域，应力直接由闸墩过渡至锚块，张拉预应力在两者连接区域处产生拉应力突变，拉应力水平较大，对水闸安全运行考验较大。2方案在锚块下游面上的拉应力分布位于主锚索与锚块之间厚度为0.04 m的垫板处，最大拉应力为1.97 MPa，2方案最大拉应力显著降低，原因主要是接触式连接不存在张拉预应力的直接传递，降低了张拉预应力在锚块与闸墩之间的延伸性发展，进而降低了锚块下游面拉应力分布量值。

为准确评判锚块与闸墩上拉应力分布，给出两种方案下特征部位处最大拉、压应力分布变化关系，如图3所示。从图中可看出，1#方案中闸墩、锚块连接部位处上拉应力最大值位于锚块下游面，2#方案最大拉应力位于锚固洞下游面，为3.75 MPa，且相比1#方案在闸墩颈部、锚块下游面上的最大拉应力均有一定幅度降低，降幅约为11%～60%。从压应力分布来看，2#方案整体压应力有一定增长，最大压应力可达15.7 MPa；1#方案最大压应力仅有2.2%增幅，均位于锚固洞下游面，处于结构材料安全允许区间内，故选择接触式连接方案在不影响最大压应力状态下，有效降低了结构拉应力量值，因而接触式连接方案更有利于该水利枢纽工程水闸设施安全运行。

图3 特征部位处最大拉、压应力变化

3 锚索位置方案设计

本设计中锚索位置方案主要考虑水平方向次锚索布置位置，考虑两排次锚索布置间距与闸墩平台距离，设定两排次锚索间距为1m，以前排次锚索的距离参数Z为对比设计方案参数(距离参数如图4标注所示)，分别设定为140 cm(A方案)、240 cm(B方案)、340 cm(C方案)、440 cm(D方案)四个对比方案，图4为A方案锚索位置布置方案平面图。

图4 A方案锚索位置平面图(单位：cm)

图5为水平次锚索不同位置方案时水闸关键部位最大拉应力变化关系曲线。从图中可看出，在四个位置方案中，最大拉应力所在部位均位于锚块上、下游面。当增大距离参数Z时，各方案中锚块上游面上的最大拉应力呈递增态势，A方案中锚块上游面最大拉应力较小，仅为0.75 MPa，而距离增大至C、D方案后，相应的最大拉应力分别增大了149.3%、182.7%，其中D方案最大拉应力已超过结构材料安全允许值，处于危险临界状态。另一个与锚块上游面随距离发展态势类似的是闸墩颈部，当距离增大100 cm，该部位上的最大拉应力平均增大14.6%，由此可见，前排次锚索与锚块上游面距离过大，易导致闸墩较多特征部位处处于极限张拉状态，引起枢纽水闸危险运营。另一特征部位锚块下游面上的最大拉应力随距离参数增大而递减，A方案中最大拉应力为1.25 MPa，当前排次锚索的距离参数增大100 cm，后续三个方案最大拉应力依次降低了48.0%、32.3%、9.1%，表明前排次锚索距离参数增大，有助于抑制锚块下游面最大拉应力发展。根据拉应力分析可知，虽距离参数增大有利于锚块下游面稳定，但仍需考虑距离参数对闸墩颈部、锚块上游面最大拉应力影响，因而从四个方案来看，设定前排次锚索距离参数为140 cm更有利于枢纽水闸整体运行稳定性。

图5 水闸关键部位最大拉应力变化

同理，计算获得四个不同距离参数方案下枢纽水闸三个特征部位处最大拉应力变化，如图6所示。从三个特征部位最大拉应力随设计方案距离参数变化趋势可知，距离参数增大，均可抑制三个特征部位处最大压应力发展，以闸墩颈部处最大压应力变化为例，在A方案中其最大压应力为7.1 MPa，满足结构材料安全允许值，而在B方案、D方案中，最大压应力相比之减少了9.9%、18.3%。分析三个特征部位整体压应力变化可看出，四个方案中最大压应力均远低于结构材料安全允许值，因而若以A方案作为水平次锚索布置方案，从压应力表现来看，水闸结构亦处于安全稳定状态。

图6 水闸关键部位最大压应力变化

4 结 论

(1)锚块与闸墩两种连接方案中闸墩颈部最大拉应力均位于闸门背侧，并随背离距离增大而减小；接触式方案最大拉应力相比整体式降低了10.7%；采用整体式连接方案易导致锚块结构与闸墩颈部毗连区域拉应力集中，接触式方案有助于缓冲降低张拉预应力影响。

(2)相比整体式连接方案，接触式方案水闸结构最大拉应力均有一定降幅，约为11%～60%，两方案最大压应力仅有2.2%的增幅变化，最大压应力均处于安全允许区间，采用接触式连接方案更有利于水闸设施安全运行。

(3)次锚索布设位置距离四个设计方案中最大拉应力均位于锚块上游面或下游面，距离参数增大，锚块上游面与闸墩颈部最大拉应力均为递增，距离增大100 cm，闸墩颈部最大拉应力平均增大14.6%；距离参数增大，愈有利于抑制锚块下游面上最大拉应力发展；从整体上考虑，以前排次锚索距离参数为140 cm时更有利于结构应力稳定性。

(4)次锚索布设位置距离参数增大，均可抑制三个特征部位最大压应力分布，以锚块下游面上压应力为最大，最大压应力可达8.8 MPa；四个不同距离参数方案中水闸结构特征部位处的最大压应力均低于材料安全允许值，设定距离参数为140 cm不会造成水闸压应力破坏。