基于仿真的塘冲水库闸门加固设计参数分析研究

房一贵

(连南瑶族自治县水利事务中心,广东 清远 513300)

水工结构设计优化提升，乃是保障水利工程长期运营安全性、建设经济性、工程适配性的重要举措[1-3]，开展水工设计方案优化分析对此具有重要指导意义。由于拟建工程的设计多样性以及工程现场环境的复杂性，张笮娜等[4]、沈卫[5]、陈斌等[6]认为可在室内建立水工模型，以模型试验与实际工况相结合，对工程设计方案开展试验分析，获得不同设计方案优劣性，进而确定最适配工程的最优方案。当然，对现有运营工程开展长期稳定监测[7-8]，分析工程运营监测数据，可在此基础上比选出拟建工程的最优设计方案。水工模型试验和监测数据分析研究方法，耗时以及试验成本均较大，无法较快给出设计方案的对比差异性，判断出工程设计参数的影响性。因而，一些学者利用ANSYS、ABAQUS、FLAC等仿真软件建立计算模型，施加对应工况荷载条件，可较高效获得不同设计参数或方案下计算模型的静力场特征，分析优选出最科学合理的方案，这类研究方法在水利大坝[9]、水闸[10]、溢洪道[11]等水工建筑设计优化中得到应用。本文根据连南瑶族自治县塘冲水库闸门加固设计方案，利用ABAQUS有限元仿真完成了闸门加固结构设计参数优化分析，为工程加固设计选择最适宜参数提供计算依据。

1 工程概况

塘冲水库工程位于连南瑶族自治县三江镇三江河支流上，乃是地区内重要水利枢纽设施，承担着连南县城供水、防洪、发电等重要作用，设计总库容为140.6万m3。水库大坝采用混凝土砌石堆筑型式，坝高最大为47.0 m，坝轴线长度为125.0 m，坝顶宽度为5.5 m，正常蓄水位库容可满足地区236.67 hm2农田灌溉。该水库引水口处设置有1#拦污栅水工建筑，设计尺寸为1.2 m×1.2 m，以钢混结构支撑墩为结构承重系统，中心高程为214.3 m；由于上游河道泥沙含量较高，输水渠首设置有冲砂管，采用钢管通行流量形式，壁厚为10 mm，下游输水涵洞进口底板高程为205.8 m，与塘冲水库输水控制闸门相一致，底板坡度为2‰，底板厚度为0.4 m。输水渠道全长45.0 km，其流量精确控制与渠首塘冲水闸密切相关，渠首流量最大不超过0.6 m3/s，而输水渠道内最大渗透坡降不超过0.25，水头压力波动幅度较小，输水运营过程中水面线变化较稳定，渠道内无显著涡流等紊流现象，渠道输水耗损率不超过15%，防渗效果较好。在塘冲水闸前设置有2#拦污栅，其尺寸为2.2 m×1.8 m，采用横、纵连系梁加固结构，横梁采用半圆弧截面体型，圆弧半径为1.2 m，连系梁最大可降低拉应力60%，栅墩与连系梁互为支撑系统，有限元模拟计算得知栅墩上最大拉应力不超过1.5 MPa，结构沉降变形为12.5 mm，拦污栅整体运营稳定性较佳。从塘冲闸门安全运营考虑，其上游拦污栅附属设施与下游输水渠道均较为稳定，因而重点开展水闸自身设计安全性分析。塘冲水闸底板高程为200.4 m，采用多孔式泄流设计，单孔闸门尺寸为2.5 m×2.5 m，最大泄流量设计为255.0 m3/s，采用预应力闸墩为支撑结构，设置有型钢加固结构，钢结构截面尺寸为1.2 m×1.0 m，最大可承受4.0 MPa拉应力，加固结构与预应力闸墩锚索支护系统为该塘冲水闸稳定运营的重要保障；闸门现状有限元模拟计算得知最大拉应力达2.2 MPa，局部渗漏性较严重，水闸开度与闸门控制匹配性不佳。从水工结构安全设计考虑，该枢纽设施的闸门结构的静力稳定性、渗透安全性，均会影响塘冲水库整体运营，应对该闸门重修加固，为此对塘冲水库闸门设计参数开展仿真计算分析。

图1 塘冲闸门加固结构设计俯视图

2 研究方案

为保证塘冲水库闸门运营稳定性，拟采用钢结构加固措施，提升闸门静载能力，塘冲闸门加固结构设计俯视图如图1所示。所采用的加固结构为型钢设计方案，全长为17.0 m，以弯拱式为设计形态，跨中宽度2.6 m，梁端部宽度为2.4 m，厚度为0.6 m，钢结构腹板高度为3.5 m，厚度为0.5 m，肋板厚度为0.4 m，并在腹板、底板等区域重点配筋，提升结构刚度[12]。钢结构与闸墩之间设置有正方形垫板，截面尺寸为0.8 m×1.2 m，钢梁截面为梯形体型，布设在闸门支撑结构系统中。

根据对加固结构设计参数分析得知，其翼缘比决定了钢结构布设型式与稳定系数，此类型钢结构的设计方案很大程度上就是翼缘比的对比优化，塘冲水库闸门加固结构剖面型式如图2所示。根据水库运营工况下荷载分析得知，静力荷载下水库闸门外荷载包括有结构自重、静水压力以及闸门推力等，笔者拟定计算工况中水库蓄水位为35.0 m，以闸门瞬时推力及水压力推力合力点为闸门推力计算，其作用点如图3所示。

图2 闸门加固结构剖面图

图3 闸门推力作用点(单位：mm)

利用ABAQUS仿真计算平台建立水闸整体计算模型[13-14]，如图4(a)所示，经有限元网格划分后获得微单元体108 632个，节点数86 262个；另一方面，针对性给出塘冲水闸闸门与加固结构有限元模型，如图4(b)所示，其网格分布密度高于整体模型。计算过程中设定模型中X、Y、Z正向分别为水流横向右岸方向、顺水流下游方向及闸门垂直向上方向。

图4 闸门有限元计算模型

为分析加固钢结构中翼缘比对闸门稳定性影响，本文以钢结构截面翼缘宽厚比为分析参数，该参数为工字钢截面宽度L与厚度a之比[15]，如图5所示。本文中统一设定闸门加固结构翼缘宽度为2400 mm，而翼缘比中钢结构宽厚比对比方案分别设定为25(A方案)、26(B方案)、27(C方案)、28(D方案)、29(E方案)、30(F方案)，故钢结构截面厚度分别为96 mm、92 mm、89 mm、86 mm、83 mm、80 mm，其他设计参数均保持一致，基于上述六种不同设计方案开展对比计算分析。

图5 工字钢截面示意图

3 加固设计参数对闸门力学特征影响

3.1 拉应力特征

图6 翼缘宽厚比参数与特征部位拉应力关系

根据对塘冲水库不同设计方案闸门加固钢结构应力计算，获得翼缘宽厚比设计参数与钢结构截面特征部位拉应力关系特征，如图6所示。从图6可看出，加固钢结构上拉应力最大位于下游翼缘部位，其在各设计方案中拉应力分布为4.16～6.12 MPa，在宽厚比为26时最大拉应力为 5.89 MPa，而相同方案中腹板、肋板处最大拉应力较前者分别减少了65.3%、50.1%，从各设计方案对比来看，下游翼缘最大拉应力与腹板、肋板部位间差距分别为21.6%～200.0%、41.4%～110.0%，而上、下游翼缘拉应力差幅较小，各方案中最大差幅仅为30.1%，属E方案。为确保加固结构应力稳定性，应重点对翼缘进行配筋保护，提升翼缘处刚度，增强结构抗拉特性。当宽厚比增大时，上、下游翼缘最大拉应力均呈先减后增变化，拉应力最低均为宽厚比28方案，在该方案下，翼缘上、下游部位最大拉应力分别为2.75 MPa、3.56 MPa；上游翼缘部位在宽厚比25、27、30方案中最大拉应力较前者方案分别增大了1.14倍、33.1%、88.4%，当宽厚比位于25～28区间内时，上游翼缘部位最大拉应力随宽厚比增长的平均降幅为24.5%，而宽厚比超过28后，上游翼缘部位拉应力的平均涨幅为38.3%；与之相对应的是，下游翼缘部位在宽厚比25～28与28～30区间内的平均降幅与增幅分别为15.5%、29.8%，即下游翼缘部位拉应力受宽厚比影响敏感性不及翼缘上游。另一特征部位腹板处最大拉应力随翼缘宽厚比变化，仅在宽厚比28方案后才具有显著变化，当宽厚比低于28时，其拉应力稳定在2.04 MPa左右，而宽厚比超过28后，宽厚比29、30方案中拉应力较前者分别增大了89.4%、144.0%，即腹板拉应力受宽厚比影响具有一定“门槛”节点特征，仅当腹板拉应力超过该节点后，拉应力才具显著增长效应，从设计安全性角度考虑，应尽量考虑宽厚比控制在低于28区间内，抑制加固结构内张拉应力发展[16-17]。肋板处最大拉应力受宽厚比影响变化较小，各设计方案中肋板最大拉应力均稳定在2.94 MPa，最大变幅仅为0.1%，故改变翼缘宽厚比参数，对肋板拉应力量值影响较小，设计之时其可视为次要因素。综合上述特征部位拉应力与宽厚比关系可知，当翼缘宽厚比为28时，翼缘上、下游部位拉应力均满足设计要求，且抗拉设计“性价比”最大，而腹板、肋板拉应力控制在合理区间内，不损害结构抗拉特性，方案合理性与科学性较佳。

3.2 应力分布特征

由方案比选考虑，针对宽厚比28设计方案应力计算结果，获得加固结构特征部位Mises应力分布特征，如图7所示。从图7可看出，受下游垫块应力传递影响，上游翼缘Mises等效应力低于下游翼缘部位，在该设计方案中下游翼缘Mises等效应力相比上游翼缘增大了1.2倍；上游翼缘最大应力分布于钢结构与闸门连接处，达0.91 MPa，而下游翼缘最大应力分布于钢结构两侧支座与垫块接触区域。腹板Mises等效应力集中在肋板与腹板连接部位，分布为对称状态，部位上大部分区域Mises应力以0.67～0.84 MPa为主；肋板上Mises等效应力在加固钢梁结构轴线上分布较稳定，无显著较大应力区间范围占据结构应力主导作用。从应力分布特征论述，笔者认为，宽厚比28设计方案对闸门加固防护作用显著，有利于水闸安全运营。

4 设计参数对加固结构变形特征影响

塘冲水库闸门的变形特征是设计中重点关注参数，本文由不同设计方案计算出加固钢结构跨中、边侧部位处变形(挠度)特征，如图8所示。从图8可知，钢结构跨中挠度随翼缘宽厚比增大呈增长趋势，两者具有正相关变化特征，当翼缘宽厚比为25时，跨中部位挠度为2.043 mm，而宽厚比为26、28、30时跨中挠度较前者分别提升了3.6%、9.9%、110.0%，表明跨中挠度的变幅具有显著阶段性变化，当宽厚比为25～28时，跨中挠度变幅较小，各方案间挠度平均增幅仅为3.2%，而宽厚比超过28后，在28～30区间内，跨中挠度平均增幅可达39.4%。从跨中挠度与加固结构变形适配性来看，宽厚比不应超过28，避免结构静力荷载下变形过大，引起结构失稳。在各设计方案中边侧挠度基本不变，且量值较低，仅为1.55 mm，各方案间最大变幅仅为0.06%，改变翼缘宽厚比，对边侧挠度影响较小，此与钢结构主梁上受力分布有关，在钢结构主梁两侧，均有支撑支座与垫块构件，其可抑制挠度过大发展。结合塘冲水库闸门加固结构应力、变形特征计算可知，当钢结构翼缘宽厚比为28时，结构抗拉效果、挠度发展等均处于合理、安全状态，乃为最优设计方案。

图8 翼缘宽厚比参数与钢结构变形特征

5 结 论

(1)加固结构上拉应力最大位于下游翼缘，其与腹板、肋板部位间差距分别为21.6%～200.0%、41.4%～110.0%；上、下游翼缘拉应力最低均为宽厚比28方案，而在宽厚比25～28区间内的平均降幅分别为24.5%、15.5%，在28～30 区间内的平均增幅分别为38.3%、29.8%；腹板处最大拉应力在宽厚比28方案前稳定在2.04 MPa，超过该方案后拉应力为递增；肋板拉应力受宽厚比影响较小，各方案稳定在2.94 MPa。

(2)翼缘宽厚比28设计方案中上游翼缘Mises等效应力低于下游，下游翼缘Mises等效应力最大值分布于钢结构支座与垫块接触区；腹板Mises等效应力以0.67～0.84 MPa为主；肋板Mises应力沿钢梁轴线分布较均匀。

(3)钢结构跨中挠度与翼缘宽厚比具有正相关关系，宽厚比25～28与28～30区间内跨中挠度平均增幅分别为3.2%、39.4%；各设计方案中结构边侧挠度基本不变，稳定在1.55 mm，受翼缘宽厚比影响较小。

(4)综合塘冲闸门加固钢结构应力、变形特征，翼缘宽厚比28时，结构抗拉、抗失稳效果最佳，此为最优设计方案。