基于Abaqus的下溢流闸门加固方案设计优化

2021-10-22陈素明

水利技术监督 2021年9期

陈素明

(浙江省水利防汛技术中心，浙江杭州 310014)

水工结构中设计优化可提升水利设施的安全运营水平，特别是病险水工建筑，结构设计优化很有必要，对提升水利安全性具有重要意义[1- 2]。研究水工结构优化设计需要对不同设计参数的影响性开展分析，而优化分析乃是评判最佳方案的重中之重。周望武[3]、邱海娟[4]、李鹤[5]等利用物理模型试验，在室内原型尺寸复制设计了水工建筑，研究了大坝、溢洪道、水闸等水工建筑在不同设计方案下渗流场、静力场特征，为确定最优方案提供了重要参照。当然，物理模型试验成本较高，因而退而求其次选择一些精度较高的数据监测亦是可行的，根据已有工程的宏、微观数据监测，分析工程运营监测数据变化特征或规律[6- 7]，为拟建工程的设计备选提供参考。数据监测分析耗时周期较长，不利于工程建设设计管理，因而利用模拟仿真具有高效性优势。利用Abaqus、ANSYS等仿真计算平台，建立有限元模型，获得不同水工建筑结构设计方案的静、动力场特征[8- 10]，分析设计参数与结构安全性指标间的联系，进而评价工程最优性方案。本文根据浙北联圩枢纽工程西侧干堤溢流闸门加固设计方案，设计开展了闸墩加固结构体型最优性计算分析，为西侧干堤建设提供了依据。

1 工程概况

1.1 工程分析

浙北地区降雨量丰富，在汛期极易发生洪涝灾害，考虑在富春江上游支流地区建设防洪排涝联圩枢纽工程，提升地区整体水利安全性。拟建联圩工程设计有东、西两侧干堤，延伸长度超过4km，容纳有多座中小型水闸，承担着联圩工程内水位控制，各类水闸最大设计泄流量为1500m3/s。流经河流含沙量最大为8.5kg/m3，水质中COD等污染物含量较低，主要是由于上游水源来自浙北山区，水质受污染程度较低。浙北干堤东侧采用土石坝与混凝土坝作为主要结构，借助已有水工建筑进行串联形成防洪干堤，水利设施已基本处于安全运营状态；西侧干堤目前堤坝运营效率较低，部分水利设施运营年限较长，设计性能无法满足安全要求，更重要的是西侧干堤局部需要进行堤坝加固或重修，此乃浙北联圩枢纽工程的重中之重。工程设计部门考虑，在K1+335～K1+980区段内重修一混凝土堤坝，作为下游地区重要防洪中枢，设计坝顶高程为132.6m，坝底高程为100.5m，最大坝高为32.1m，满足上游最大蓄水位131.5m要求。在西侧干堤局部重修堤坝基础上，另在重修混凝土坝与运营中的西侧堆石坝临界面处增设一溢流闸孔，以弧型钢闸门作为过闸控制设施，满足联圩内农田生产用水灌溉以及排涝输水等功能需求。该溢流闸孔即为西侧中心溢流闸，其结构设计如图1所示。该溢流闸设置有直径为1m的预应力闸墩，闸门与堤顶配置有连接梁设施，采用连系梁作为加固支撑结构，每根横、纵连系梁截面尺寸为0.8m×0.8m，溢流堰顶高程与泄流水面线距离为1.2m左右，闸门结构支撑力来自于背水侧的压杆与支臂梁结构体系。水利部门调查得知，溢流闸应力稳定性需加强，初步计划采用增大闸墩直径方案以及闸墩平台与堤顶交界处局部增设刚度方案两项措施，为此，需探讨溢流闸门加固设计方案的最优设计。

图1 西侧干堤溢流闸门设计图

1.2 工程建模

利用Abaqus仿真平台结合溢流闸孔设计图，建立溢流闸与堤坝整体有限元模型[11- 12]，如图2所示，模型采用四边体单元划分网格单元后共获得微单元体98288个，节点数78652个，模型材料参数均按照西侧干堤实际取材计算，如主材料为C30混凝土，而闸门推动结构为支钢支臂，以钢材物理力学参数代入计算。计算模型中外荷载包括结构自重、水压力以及闸门推力等作用力，其中水压力包括上扬压力与泥沙压力等水流荷载。模型计算边界包括河流上、下游100、200m，闸室底部为30m，在模型顶部设置有水平向自由度，而模型底部与两侧均为无自由度边界条件，本文模型中X、Y、Z正向分别设定为顺下游水流向、竖直向上、闸孔右岸向。基于上述研究工况开展不同闸墩体型与闸墩局部增设刚度方案开展仿真计算优化分析，确定最优方案。

图2 溢流闸门整体模型

2 闸墩厚度对闸门应力影响

闸墩作为溢流闸与堤坝重要支撑结构，开展闸墩体型加固很有必要，设计加固闸墩厚度参数分别为1(不增加、A方案)、1.2(B方案)、1.4(C方案)、1.6(D方案)、1.8(E方案)、2m(F方案)，其他设计参数保持一致，计算闸墩厚度对溢流闸门应力影响。

2.1 拉应力特征

根据闸墩厚度设计方案开展溢流闸门应力计算，获得闸墩厚度参数与溢流闸门关键部位最大拉应力变化关系，如图3所示。从图3中可知，溢流闸门最大拉应力位于闸墩内侧面，在闸墩厚度1.4m时闸墩内侧面最大拉应力为3.2MPa，而闸墩外侧面、闸门与坝顶连接梁部位的最大拉应力较前者分别降低了22.5%、52.5%；从整体各设计方案知闸墩内侧面最大拉应力分布为2.18MPa～5.33MPa，而闸墩外侧面及连接梁最大拉应力较前者分别降低了19.3%～29.5%和51.6%～58.7%。从结构加固角度考虑，应重点考虑闸墩内侧面潜在张拉破坏，加密配筋，提升闸墩内侧面刚度[13- 14]。分析3个关键部位最大拉应力随闸墩厚度变化特征可知，两者具有负相关关系，当闸墩厚度为1m时闸墩外侧面最大拉应力为4.3MPa，而厚度1.4、1.8、2m方案中最大拉应力相比分别降低了42.3%、58.4%、59.5%，当闸墩直径增大0.2m时，闸墩外侧面最大拉应力平均降幅达15.9%，而闸墩内侧面与连接梁部位亦是如此，随闸墩厚度每增大0.2m，最大拉应力平均降幅分别可达15.7%、18.3%，即3个关键部位中以连接梁受闸墩厚度参数影响敏感度最大。具体分析溢流闸门关键部位最大拉应力降幅可知，当闸墩厚度为1～1.6m时，关键部位拉应力降幅显著高于厚度1.6m的方案，在厚度1～1.6m设计区间内，闸墩内、外侧面、连接梁最大拉应力随厚度每增长0.2m，平均降幅分别为23.6%、24.4%、26.5%；而在厚度超过1.6m后，降幅显著减小，拉应力处于较平稳，3个关键部位最大拉应力平均降幅达3.6%、3.3%、6.1%。从结构安全设计分析，闸墩厚度超过1.4m后，溢流闸门各部位中最大拉应力并未超过3MPa，均满足安全运营要求，而当厚度超过1.6m后，增大闸墩直径，对结构拉应力抑制效应有所减小，提升结构安全性并不显著，设计“性价比”有所降低。

图3 关键部位最大拉应力与闸墩厚度变化关系

2.2 压应力特征

结构最优设计仅通过拉应力特征来评判，具有片面性，因而本文计算出各设计方案中溢流闸门压应力变化特征，如图4所示。

从图4中可知，溢流闸门压应力最大亦是闸墩内侧面，当闸墩厚度为1.2m时其最大压应力为11.26MPa，与之同时闸墩外侧面、连接梁处最大压应力较前者分别减少了44.2%、52.1%，各设计方案中闸墩内侧面最大压应力为7.33 MPa～13.65MPa，而外侧面、连接梁压应力相比之下分别减少了6.2%～54%、46%～55.3%。由此可知，闸墩内侧面不仅仅是受到张拉应力集中显著，其受压状态亦较为关键，在该部位处增大结构刚度，有利于控制结构应力稳定性。随闸墩厚度增大，溢流闸门上闸墩内侧面、连接梁部位处的最大压应力随之为先减后增变化，两者均以闸墩厚度1.6m时为压应力最低方案，达7.33MPa、3.48MPa。当闸墩厚度为1、1.4m时，闸墩内侧面上最大压应力较厚度1.6m方案分别增大了86.2%、27.6%；而厚度1.8、2m方案压应力相比最低方案也有29.9%、73%增幅。从闸墩厚度区间变化性考虑，当闸墩厚度为1～1.6m时，对闸墩内侧面、连接梁部位压应力均为抑制效应，每增长0.2m墩厚，两部位压应力平均降低18.7%、17.4%；而在厚度1.6～2m区间，两部位压应力为递增变化，平均增幅分别为31.5%、40.3%。另一关键部位闸墩外侧面最大压应力与前两者有所不同，其在闸墩厚度1～1.6m区间内时，最大压应力处于较稳定状态，为6.28MPa左右，无显著波动，当闸墩厚度超过1.6m后，外侧面最大压应力有所增大，厚度1.8、2m方案中闸墩外侧面最大压应力较前述稳定区间内压应力值分别增大了42.2%、84.1%，表明闸墩厚度不应过大，避免溢流闸门局部部位出现过大的压应力分布，影响整体结构安全性[15- 16]。笔者认为，闸墩厚度对结构压应力影响并不是一致性规律，而是具有阶段性影响特征，对闸墩厚度影响压应力表现应“一分为二”考虑，而对应于结构安全设计，可选择影响变化转折节点，本文溢流闸门模型中闸墩厚度1.6m即为临界节点。

图4 关键部位最大压应力与闸墩厚度变化关系

3 闸墩厚度对闸门位移影响

根据对溢流闸门闸墩厚度加固方案的仿真计算，可获得闸门上位移特征，闸墩厚度1m(未加固)、厚度1.6m方案下闸墩内、外侧面Z向位移特征如图5—6所示。

从图5中可看出，闸墩内侧面位移负方向值集中在墩顶，笔者认为张拉应力亦是集中在该区域，位移方向指向闸室左岸，量值为2.27～2.94mm，其受闸门与坝顶连接梁处受力不均影响，结构出现负值位移，此为影响结构稳定性的重要根源。当闸墩厚度为1.6m时，闸墩内侧面虽仍分布有张拉应力，但指向左岸位移值限制较小，相比未加固时位移量值降低了11.6%～32.7%，达1.98～2.6mm。分析表明，溢流闸门产生张拉应力根本来源于结构内侧面出现指向左岸负向位移，导致结构局部发生张拉应力；而增大闸墩厚度后，结构受力均匀性增强，位移值减小，因而产生的拉应力亦较小。结合溢流闸门加固方案的应力与位移特征，当闸墩厚度为1.6m时，结构安全性最稳固，此即为适合于浙北联圩枢纽工程西侧干堤溢流闸加固的最优设计方案。