基于仿真对比的金厂东沟水库溢洪道边墙加固工程设计优化研究

2021-12-28焦丽艳

海河水利 2021年6期

焦丽艳

（瓦房店市水库事务服务中心，辽宁瓦房店 116300）

水工设施除险加固方案最优化对提升水利工程长期稳定运营具有重要意义[1-3]。刘婷婷[4]、颜磊等[5]、庄佳等[6]根据已建工程安全运营案例，引入物理模型试验理论，设计水工模型试验，分析试验过程中水利设施破坏、渗流场或静力场特征，为工程最优化设计提供重要佐证。借助工程原位试验或监测手段，均可直接获得病险工程运营状态，采取针对性加固方案或措施，解决病险工程运营中一系列安全问题[7-9]。上述方法中，水工模型试验研究成本较高，而原位试验与监测手段存在精度不高、监测时间过长等缺点，因而蒋礼瑜[10]、李壮等[11]、王磊[12]探讨借助数值仿真手段，对加固工程设计方案开展对比计算分析，探讨方案中变量因素与工程稳定性关系，进而获得工程设计最优方案。结合金厂东沟水库除险加固工程，开展溢洪道边墙加固方案隔板厚度、踵板长度设计参数优化分析，为确定溢洪道最优加固方案提供计算支撑。

1 工程设计概况

1.1 工程概况

金厂东沟水库位于瓦房店元台镇前元社区，设计总库容29.95 万m3，大坝上游坡比为1∕2.48，干砌石厚度300 mm，坝长228 m，坝顶高度74.03 m。大坝上、下游坡度分别为1∕2.48、1∕2.2。溢洪道位于大坝右岸，顶高程72.6 m，底板铺设有碎石料，两侧为重力式浆砌石直立边墙。溢洪道为开敞宽浅式明渠溢洪道，主槽左、右侧均为浆砌石直立式挡墙，墙顶高程72.57～73.93 m。根据调研得知，该水库库容受泥沙淤积影响，水位上升较高，在枯水季可调度水资源较小，故研究对该水库枢纽工程开展除险加固设计，拟在原坝顶高程基础上增设0.5 m高防浪墙，坝顶加宽至4.5 m，坝轴线长度延长为233.5 m，整体提升大坝防洪、蓄水安全稳定性。水库溢洪道是重点加固设施工程，考虑拆除重建原溢洪道挡土墙，加设深度为0.8 m消力池，设计进口底高程72.40 m，净宽4.0 m，并拆除原有浆砌石墙48 m，两侧修建挡土砌墙，设计墙身高度为12 m，底板宽度为8 m，墙厚度为0.9 m，顺水流方向墙体长度为5 m，前、后墙厚度分别为1、1.2 m。为确保溢洪道运行安全性，设计有空箱设施，内部宽度为1.2 m，同时设置有扶壁作为水力冲刷作用下挡土墙稳定性加固措施，挡土墙立面示意如图1所示。目前，溢洪道边墙挡土墙结构隔板厚度与踵板长度参数还处于优化探讨阶段，其隔板厚度参数改变对溢洪道正常泄流工况有一定影响，应合理控制踵板长度参数，确保设计参数处于合理区间，使溢洪道加固设计方案处于综合最优。

图1 挡土墙立面示意

1.2 设计仿真

根据溢洪道边墙挡土墙工作环境，采用CADAbaqus 联合计算编制挡土墙设计参数优化方案，确保顶板、踵板长度参数与溢洪道应力稳定性相匹配，降低挡土墙张拉破坏应力对溢洪道设施结构影响。根据CAD 几何模型获得挡土墙所在溢洪道坝段基本形态，对几何模型进行有限元网格划分后，共获得网格单元128 562 个、节点数106 824 个，网格单元划分后模型如图2 所示[13，14]。该计算模型中设定挡土墙静力计算稳定场为30 m 宽度范围，深度范围为20 m，此参数根据溢洪道地基应力分布确定，模型中所有材料均视为各向同性。

图2 挡土墙划分网格后模型

计算工况以挡土墙竣工期溢洪道前、后水位参数作为荷载条件，分别为65.55、67.05 m，外荷载另有土体侧向压力、临水侧静水压力与扬压力，在模型顶部设定为法向约束、模型底部为限制性约束条件。为分析方便，规定模型中X、Y、Z 正向分别为挡土墙轴线右向、下游水流向以及垂直向上方向，本文仅讨论挡土边墙顶板、踵板长度参数优化，所涉及其他设计参数均保持一致，利用Abaqus 后处理计算平台对各设计方案展开对比性分析。

2 溢洪道边墙隔板厚度参数优化分析

为确保溢洪道加固工程中边墙隔板厚度设计参数最优化，在挡土墙顶板、底板、前墙或后墙厚度等设计参数均不变状态下，设计边墙隔板厚度参数分别为0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 m，由于边墙隔板厚度不宜超过空箱宽度过大，因而设定中隔板厚度上限值为1.5 m，根据挡土边墙上填土侧、临水侧及底板特征部位上应力稳定性影响特征展开对比分析。

2.1 拉应力特征

对挡土边墙不同隔板厚度设计方案进行计算，获得隔板厚度设计参数影响下边墙特征部位最大拉应力变化特征，如图3所示。

从图3 可看出，各特征部位最大拉应力随隔板厚度呈先减后增变化，各部位拉应力最低方案为厚度0.9 m，且仅有该方案中边墙各特征部位拉应力均低于1 MPa，结构稳定性较好。从3个特征部位拉应力对比可知，边墙底板结构部位拉应力最大，在隔板厚度0.6 m方案中底板最大拉应力为2.882 MPa，而挡土墙填土侧、临水侧最大拉应力相比前者分别降低了11.2%、28.2%，从隔板厚度各设计方案对比可知，底板最大拉应力分布为0.857～4.459 MPa，而填土侧、临水侧部位最大拉应力较之前者分别降低幅度为10.6%～22.6%、19.7%～35.7%，这表明底板是溢洪道边墙设计与施工加固中重点考虑部位，其应力安全稳定性决定了边墙能否稳定运行，是溢洪道除险加固工程中重要一环。分析隔板厚度与挡土边墙拉应力关系可知，在厚度0.3～0.9 m，各特征部位最大拉应力均为递减变化，在厚度0.3 m时填土侧最大拉应力为3.468 MPa，而厚度0.6、0.9 m时比前者分别下降了26.2%、79.7%，该区间内各方案间填土侧最大拉应力平均降幅为49.4%；而临水侧、底板部位处最大拉应力在该区间内变化趋势与填土侧基本一致，厚度增加0.3 m，两部位最大拉应力分别下降51.3%、48.5%，即在该区间内增大厚度，可以限制结构上拉应力发展。当厚度增大至0.9 m后，各特征部位最大拉应力均上升，在厚度0.9～1.8 m，随厚度增长，填土侧最大拉应力平均增幅为88.2%，而临水侧、底板部位最大拉应力增幅为80.8%、87.2%，即各部位中尤以底板结构处最大拉应力受隔板厚度增长影响最为显著。综合拉应力变化特征认为，隔板厚度参数应控制在合理区间内，抑制挡土边墙结构上拉应力发展态势。

2.2 压应力特征

依据不同隔板厚度设计方案计算，获得边墙压应力与隔板厚度设计参数间关系，如图4所示。

图4 隔板厚度参数影响下边墙最大压应力特征

从图4可看出，3个部位中以底板结构压应力最大，而临水侧压应力最低，在厚度0.3 m 时临水侧最大压应力为31.65 MPa，而填土侧、底板部位最大压应力较前者分别提高了7.7%、16.5%，分析认为这与临水侧受上扬压力削弱压缩应力有关，从力平衡角度分析可知上扬压力可平衡一部分自重应力，表现为临水侧压应力较其他部位最小[15，16]。分析厚度设计参数对特征部位最大压应力影响可知，两者为递减关系，其中尤以厚度0.3～0.9 m 更为显著，底板结构在该区间内最大降幅可达18.5%，平均降幅为17%，同理填土侧、临水侧最大压应力在此区间内平均降幅分别为19.1%、19.4%；当厚度超过0.9 m 后，各特征部位最大压应力降幅均较小，填土侧在该区间内各方案中最大降幅仅为7.2%，而平均降幅为5.4%，同样对于临水侧、底板部位来说平均降幅分别为5.7%、1.9%。厚度超过0.9 m 后区间内的降幅显著不及前一区间内，表明挡土边墙隔板厚度增大对结构最大压应力影响逐渐减弱。从工程设计经济性考虑，隔板厚度保持在最大压应力最佳状态即可。本文中最佳状态为厚度0.9 m 方案，处于2 个降幅变化区间显著的节点处。综合隔板厚度对结构拉、压应力影响，认为厚度0.9 m时更适合溢洪道边墙加固。

3 溢洪道边墙踵板长度参数优化分析

为研究边墙踵板长度参数最优化，设计边墙踵板长度分别为4、4.5、5、5.5、6、6.5 m 6个方案，设定隔板厚度参数统一为0.9 m，分析特征部位上应力特征。

3.1 应力特征

根据各踵板长度设计方案计算特征部位应力，获得边墙特征部位拉应力变化特征，如图5 所示。

图5 踵板长度参数影响下边墙最大拉应力特征

从图5 可看出，各特征部位最大拉应力与踵板长度为递减关系，即踵板设计长度愈大可限制边墙特征部位拉应力发展态势，在踵板长度4 m 时临水侧最大拉应力为2.355 MPa，而长度为5、6、6.5 m 时最大拉应力较前者分别下降了51%、77.3%、79.6%，各特征部位上降幅最为显著的属长度4～5.5 m，临水侧最大拉应力在该区间各方案间最大降幅为42.9%，平均踵板长度增大0.5 m，最大拉应力降低34.2%；而填土侧、底板部位最大拉应力亦是如此，两者平均降低35.2%、33.3%。当踵板长度超过5.5 m后，降幅显著减少，临水侧在踵板长度6、6.5 m 时最大拉应力较长度5.5 m 时分别下降了18.8%、27.2%，该区间内各方案平均降幅仅为13.3%，对于填土侧与底板部位来说，该区间内各方案最大降幅为15.1%，平均降幅分别为8.5%、9.2%。笔者认为踵板长度对拉应力影响与隔板厚度对结构压应力影响类似，控制踵板长度在降幅稳定区间内即可，一方面顾及结构拉应力稳定，一方面降低工程成本。

踵板长度影响下特征部位最大压应力变化特征曲线，如图6 所示。从图6 可知，踵板长度参数与最大压应力值具有二次函数关系，且函数曲线最低点对应5.5 m方案，在长度5.5 m前，填土侧最大压应力在各方案中平均降幅为11.6%，最大降幅可达14.5%，同样在临水侧、底板结构上最大压应力降幅平均为11.8%、8.4%；相比之下，在长度5.5 m 后，各特征部位压应力均为递增状态，各部位上最大增幅为9.2%，位于临水侧部位，而在填土侧、临水侧及底板部位压应力平均增幅为3.9%、6.5%、2.6%。从应力安全性考虑，认为踵板长度5.5 m 时拉、压应力均满足安全使用要求，为最优设计方案。

图6 踵板长度参数影响下边墙最大压应力特征

3.2 应力分布特征

为评价最优方案应力稳定性，计算获得隔板厚度0.9 m、踵板长度5.5 m 时挡土墙应力分布特征，如图7所示。

图7 应力分布特征

从图7 可看出，挡土墙填土侧拉应力分布区间以0.529～0.617 MPa 为主，分布在填土侧与顶板接触区域，该方案下填土侧整体拉应力分布区域较小，以压应力为主；临水侧拉应力仅分布在与底板接触部位，其他部位均为压应力；底板上拉应力分布在靠近左侧底板边缘，纵向分布，最大拉应力未超过1 MPa。分析认为，隔板厚度0.9 m、踵板长度5.5 m 设计方案中应力分布较合理，方案最优。