基于Abaqus对比计算下杨庄闸加固墩体型设计方案分析研究

胡志浪，谢昌原

（1.江苏省淮沭新河管理处，江苏淮安 223005；2.江苏省秦淮河水利工程管理处，江苏南京 210000）

水工设施的安全运营离不开结构体系的稳定性设计，针对水工结构开展优化设计［1-2］，有助于提升水利设施运营年限及运营效率，推动工程更长久化运营发展。当前，贾旺等［3］、沈卫［4］、段淇元等［5］根据水工模型实验理论，设计溢洪道、坝体及消力池等水工结构的模型试验，以对比模型试验结果作为水利工程设计优化的重要载体，为提高工程设计标准提供了重要依据。当然，基于已有工程的监测分析［6-7］，进而为拟建工程设计提供参考，此也是一项重要设计优化的措施，对已有工程运营过程中的细观数据进行监测，预判工程失稳前兆，为工程建设提供衡量标准。模型试验成本较高，而已有工程的监测势必耗时周期较长，不利于工程快速化设计进程，因而数值仿真计算逐步应用，基于Abaqus［8］、ANSYS及COMSOL［9］等仿真平台建立计算模型，通过对不同设计方案的计算模型对比分析，进而评价最适宜于工程的最优方案。本文根据杨庄闸墩体放大增强体加固设计方案优化问题，利用仿真平台计算分析了不同设计方案的差异性，为工程建设提供重要基础评价依据。

1 工程仿真概况

1.1 工程概况

杨庄闸乃是淮安西郊重要水利控制枢纽，设计为控制入海口的水利设施，最大泄流量设计750 m3/s，采用多孔式泄洪工作模式，单孔宽度为10 m，闸顶高度为5.1 m，总宽为67.7 m，闸室内总长为89.4 m，上游迎水侧水位设计为15 m。杨庄闸两侧建设有挡土边墙，高度为6.6 m，采用水工预制拼装式挡土墙结构体型，箱涵厚度为0.6 m，设计最大土压力为2.5 MPa，承受最大沉降变形为12.5 mm，有效保证杨庄闸室两侧土体稳定性。杨庄闸室基础采用板桩基础，其中在底板处设置有760根杉木桩，经桩基础测试表明，各桩工作状态较好，无显著缺陷。闸体下游建设有消力池，坎高为0.45 m，共有4个消力坎，有效降低下游水工设施受水力冲刷影响，池内动水压强稳定在30 kPa以内，流速较稳定，最大流速不超过0.45 m/s，无紊流、涡流集中现象，表明杨庄闸控制区域渗流活动较佳，特别是边墙内渗透坡降最低仅为0.02，防渗效果较佳。杨庄闸溢流堰顶高程为8.5 m，顺下游水流方向底板长度为16.6 m，闸室设计有墩体结构，其顶部高程为16.5 m，厚度为1 m，与闸体底板两侧相接触。由于杨庄闸所在位置为交通要道，因而在杨庄闸顶建设有交通桥，采用单向车道硬化路面设计，宽度为4 m；另一方面，杨庄闸具有农田灌溉用水调度、防洪排涝作用，年最大调度农业用水超过250万m3，惠及农田面积超过10.67万hm2。闸室控制水流采用弧形钢闸门，直径为2.2 m，采用启闭机控制闸门开度，确保上游水流流量与下游设施承受能力相匹配。

由于杨庄闸在淮河入海处控制水流作用较显著，但其修建年代在1936年，运营年限较长，局部水利结构受损较严重，极大限制了杨庄闸的泄流、调度水资源能力，特别是其上游泄洪流量相比设计之初增长较大，最大泄流量甚至可达700 m3/s，其要求最高防洪水位应达到16.43 m，此对杨庄闸结构的运营安全性带来较大挑战。为此，工程管理部门考虑对杨庄闸进行加固升级，提升杨庄闸在复杂工况运营下静、动力安全稳定性。从杨庄闸设计现状出发，对闸室墩体进行加固，特别是对墩体与闸室相交处采用增设局部放大体方案，根据已有研究表明，增强墩体的存在可提升结构体系静力、动力稳定性。因而，本文重点探讨杨庄闸增设局部放大增强体设计方案对结构静力稳定性影响，进而确定最优设计方案。

1.2 工程建模

根据杨庄闸设计平面图，经简化获得闸室设计立面图，如图1所示，增强体分左、右两侧，分别与墩体与闸室相交界面，本文为设计方便，综合认为左、右侧增强体截面尺寸为一致，故仅探讨单一改变一侧增强体截面尺寸设计方案（长度L、宽度H），对结构体系静力特征影响。

图1 闸室设计立面

利用Abaqus仿真计算平台建立杨庄闸有限元计算模型，如图2所示，该模型包括有增强体与墩体，且增强体附着于墩体，经Abaqus四边形网格划分［10-11］，共获得微单元92 658个，节点数78 922个，闸顶与闸室结构均按照实际钢筋混凝土结构本构模型建立，服从弹塑性变形模型，墩体物理力学参数及设计尺寸按照实际设定。本模型中外荷载主要包括有结构自重、上游静水压力及泥沙上扬压力等，模型静力场影响范围设定为上、下游各40 m，闸室底部土层影响深度为20 m。所建立的杨庄闸室模型顶部为水平向变形约束，而闸室底部为零自由度体系，墩体增强体附近均为法向限制变形条件。为方便分析，本文设定计算模型的X、Y、Z正向分别为顺水流下游、闸体竖直向上及闸门右岸向。基于墩体局部增设放大体的加固设计方案，探讨该放大增强体截面尺寸参数对结构静力稳定性影响，进而确定最优设计方案。

图2 节闸门整体模型

2 加固墩体型尺寸参数对结构应力影响

为研究墩体增设放大体后结构应力影响特征，根据放大增强体截面尺寸关系，按照墩体厚度1 m现状，统一设定截面宽度为1 m，而截面长度按照宽度的0.5倍（0.5 m）、1倍（1 m）、1.5倍（1.5 m）、2倍（2 m）、2.5倍（2.5 m）及3倍（3 m）进行对比分析，典型设计方案如图3所示。基于不同加固墩增设体截面尺寸设计方案，研究结构拉、压应力与其截面宽度参数关系，并以杨庄闸体的3个特征部位作为重点分析对象，分别为加固墩体内、外侧面及连接梁部位，所在位置如图4所示。

图3 增强体典型设计方案

图4 闸体关键部位示意

2.1 拉应力特征

根据对不同设计方案的应力计算，获得放大增强体截面宽度参数与结构关键部位最大拉应力关系，如图5所示。从图中可知，杨庄闸体3个关键部位中拉应力最大乃是墩体内侧面，在增强体宽度为0.5 m时，墩体内侧面最大拉应力可达4.79 MPa，而外侧面、连接梁两部位最大拉应力与之相比，减少了22.4%、74.1%；从整体6个设计方案对比可知，墩体内侧面最大拉应力分布在1.38～4.79 MPa，而外侧面、连接梁两部位与前者的差幅分别可达19.4%～36%、30.4%～74.1%。由此可知，控制墩体内侧面拉应力乃是结构体系安全稳定的关键，重点针对墩体内侧面加强配筋布置及增强刚度，提升该部位处抗拉特性［12-13］。

图5 关键部位最大拉应力与增强体截面参数关系

分析增强体截面宽度对结构最大拉应力影响可知，墩体内、外侧面最大拉应力随截面宽度参数为先减后增变化，即墩体内、外侧面最大拉应力受宽度参数影响具有抑制区间与促进区间，在宽度2 m时墩体外侧面最大拉应力为1.2 MPa，而宽度为1.5 m、2.5 m、3 m时，其最大拉应力较前者分别增大了50.3%、70.9%、187.1%，即增强体截面宽度为0.5～2 m区间时，最大拉应力为减少态势，当宽度增长0.5 m，平均可导致墩体内、外侧面最大拉应力分别减少33.1%、33.3%，而宽度在2～3 m区间时，墩体内、外侧面最大拉应力平均分别增长71.2%、69.4%；分析表明墩体内、外侧面最大拉应力受截面宽度参数影响，具有拉应力最低值，乃是宽度2 m方案。与前两关键部位不同的是，连接梁最大拉应力受截面宽度参数影响较小，6个设计方案中其最大拉应力最大变幅仅为15.8%，分布为0.96～1.24 MPa，均未超过结构材料安全允许值，故选择宽度参数时优先考虑墩体内、外侧面所受影响。综合3个关键部位拉应力表现可知，当截面宽度未2 m时，结构体系设计最优。

2.2 压应力特征

压应力也是反映结构体系安全稳定性的重要参数，根据仿真计算获得了增强体截面宽度参数与关键部位最大压应力变化关系，如图6所示。依据图中压应力特征可知，闸体上最大压应力位于连接梁部位，各设计方案中其值分布为10.24～12.1 MPa，在宽度0.5 m时连接梁最大压应力为11.68 MPa，而墩体内、外侧面最大压应力相比前者分别减少了56.7%、44.1%，而从整体变幅亦可知，墩体内、外侧面与之差幅分别为21.9%～56.7%、5.6%～44.1%，即连接梁部位受预压效果较好，抗倾覆稳定性较佳。当增强体截面宽度参数增长时，墩体内、外侧面最大压应力变化特征与其拉应力特征呈相反态势，即先增后减变化，以宽度2 m设计方案为压应力最大。在宽度2 m时墩体内侧面最大压应力为9.29 MPa，而宽度0.5 m、1.5 m、3 m时最大压应力较前者分别减少了44.7%、13.1%、28%，当宽度位于0.5～2 m区间，墩体内、外侧面最大压应力随宽度参数递增，分别具有平均增幅21.9%、19.3%，而宽度超过2 m后，最大压应力降低，又分别具有平均降幅14.9%、13.8%，故应控制增强体截面宽度参数位于压应力增长区间。连接梁与之有所不同，其最大压应力在宽度为2 m前，基本保持不变，稳定在11.8 MPa左右，而增强体截面宽度超过2 m后，连接梁最大压应力随之稍有降幅，宽度2.5 m、3 m时最大压应力相比前一稳定区间压应力值分别降低了5.8%、13.3%。综合压应力特征可知，当增强体截面宽度为2 m时，不仅满足墩体内、外侧面压应力递增区间要求，且连接梁压应力此时还处于稳定状态，结构体系抗滑移、抗倾覆效果均最优。

图6 关键部位最大压应力与增强体截面参数关系

3 加固墩体型尺寸参数对结构位移影响

3.1 位移影响特征

根据对各增强体截面尺寸参数设计方案位移计算，获得宽度参数影响下的墩体内、外侧面及连接梁上位移变化特征，如图7所示。从图中可知，内、外侧面Z向最大负位移随宽度参数均为递减，特别是在宽度参数0.5～2 m区间内，当宽度增大0.5 m，该区间内墩体内、外侧面最大负向位移平均降低15.9%、17.5%；而宽度参数超过2 m后，其负向位移降幅有所减小，宽度递增0.5 m，位移最大降幅仅为1.7%、2.3%。连接梁最大负向位移受宽度参数影响减小，各方案中最大负向位移变幅较小，各方案间负向位移最大变幅仅为3.2%，表明优化增强体截面宽度参数，重点在于评价其对墩体内、外侧面位移影响。

图7 关键部位负向位移与增强体截面参数关系

3.2 位移分布特征

为确定增强体截面宽度参数对结构位移影响，给出典型设计方案下墩体内侧面位移分布特征，如图8所示。由于墩体内侧面负向位移的产生根源来自结构体系中张拉应力，因而分析结构上负向位移分布演化特征［14-15］，对评价增强体截面设计最优方案具有重要意义。从图8中可知，各设计方案中负向位移均集中在墩顶处，位移分布面积在3个方案中基本接近，但位移分布量值具有显著差异，在增强体截面宽度为0.5 m时，其负向位移分布区间集中在1.9～3.31 mm，而在宽度为1 m、1.5 m时，负向位移分布区间分别为1.79～3.18 mm、1.72～3.08 mm，表明增强体截面宽度参数对结构体系上负向位移分布无较大影响，但对分布量值具有显著影响。综合讨论认为，当增强体截面宽度2 m时，应力、位移特征均处于较安全状态，满足最优设计方案要求。

图8 墩体内侧面位移分布特征

4 结语

（1）闸体关键部位中拉应力最大为墩体内侧面，外侧面、连接梁两部位与前者差幅分别可达19.4%～36%、30.4%～74.1%；墩体内、外侧面最大拉应力受宽度参数影响具有抑制区间与促进区间，分别为0.5～2 m与2～3 m区间，宽度2 m方案拉应力最低；连接梁最大拉应力受截面宽度参数影响较小。

（2）闸体上最大压应力位于连接梁；墩体内、外侧面最大压应力以宽度2 m设计方案为最大，在宽度0.5～2 m区间墩体内、外侧面最大压应力分别具有平均增幅21.9%和19.3%，而在宽度2～3 m区间，分别具有平均降幅14.9%和13.8%；连接梁最大压应力在宽度参数2 m前均稳定在11.8 MPa左右，而超过2 m后为降低。

（3）墩体内、外侧面Z向最大负位移随增强体截面宽度参数均为递减，但降幅在宽度2 m后减缓；连接梁负向位移受宽度参数影响较小；宽度参数对结构体系上负向位移分布无较大影响，主要影响负向位移分布量值。

（4）综合应力、位移特征对比，认为增强体截面宽度参数2 m时为最优设计方案。