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冲口门水闸过渡段挡墙设计对结构静力及渗流场影响研究

2022-08-03黄利国

广东水利水电 2022年7期
关键词:拐角折线挡墙

黄利国

(中山翠亨新区工程项目建设事务中心,广东 中山 528400)

1 概述

水闸是水利工程中重要控流、节流设施[1-2],其运营安全稳定性与其附属建筑密切相关,研究水闸运营离不开对其附属建筑的分析。挡墙结构是水闸整体枢纽工程中重要的附属水工结构[3-4],可较好帮助水闸完成消能、挡土等作用,因而研究挡墙结构设计对推动水闸运营可靠性具有重要意义。张文皎等[5]、谢先坤[6]、孙桂凯等[7]借助物理模型试验方法,探讨了水闸、溢洪道及消能池等水工建筑在运营期水力特征,特别是针对体型设计开展了优化分析,对模型试验的深入应用推广起着典范作用。许涛等[8]、李欣娟等[9]从结构静、动力场稳定性入手,采用多元仿真平台研究了泵站、心墙坝等水利结构的应力、位移响应特征,进而评价不同设计方案下的最大适配性,为工程设计优化提供了计算依据。华中等[10]、范海东[11]从水力特征计算考虑,采用FLUENT、FLOW 3D等平台入手,建立渗流场模型,探讨了水工设计方案与水利设施流场流速、水位及水沙特征关系,分析不同设计方案下流场参数演变特性,从而作为工程设计的评价佐证。本文根据南朗镇冲口门水闸运营现状,提出在水闸过渡段增设挡墙结构,并开展了过渡段挡墙结构迎水面不同拐角形式方案的设计优化,从静力与渗流场两维度考量设计方案的技术优势,为工程建设提供参考。

2 工程设计模拟

2.1 工程背景

冲口门水闸位于中山市南朗镇南冲路,坐落于翠享快线与X573县道交汇路口东南方向约365 m位置,是丰阜湖联圩枢纽上重要控流设施(如图1所示)。

图1 冲口门水闸位置示意

丰阜联圩属滩涂围垦淤积地,常受台风暴潮的正面袭击,该联圩工程干堤总长为500 m,堤面宽为4 m,堤顶高程为3.0 m左右,1997年在原堤前移建干堤,延长堤围总长至800 m,而堤面宽度增大1.5倍,进一步堆筑堤防,其最终堤顶高程达4.5 m。在丰阜联圩一侧修建有虎池围海堤,其堤顶高程为4 m,堤面宽度为7 m,迎水侧坡度为1:3,采用碎石土堆筑坝形式,且堤身采用生态护坡与防渗混凝土联合式固坡,监测表明新建虎池围海堤渗流活动较平静,对丰阜联圩内堤防渗流场影响较小。丰阜湖联圩枢纽中北部有排洪渠,主要承担北侧农田防洪排涝等水利功能,全长约为5.2 km,渠面宽度分布为10~35 m,最宽处位于距离冲口门水闸上游155 m处,该排洪渠也可作为联圩工程内集水流域,承担上游大泉水库泄洪,确保下游冲口门水闸工作流量不宜过大,满足消能降冲要求。全联圩枢纽中涉及河流包括有中心一河、中心二河、兰溪河、下沙排洪渠等,各河流堤防面宽度分布在3~7 m,最大过流量为245 m3/s,针对各河流防洪要求,联圩内修建有贝里坑堤防、白企坑堤防、大溪堤防、北部排洪渠堤防及兰溪河堤防等,最大高程为白企坑堤防,达10.22 m,堤防高程最小为泮沙排洪渠堤防,仅为0.7 m。由于联圩工程内修建堤防高程差异性较大,导致上游泄流过程中水力势能极易在高程突变区积累,导致下游水闸设施受水力势能冲刷影响。

冲口门水闸是联圩内运营年限较长、受水力势能影响较大的水利设施,为多孔式过流设计,共有5孔,闸孔总净宽为12 m,区段内集雨面积为40.93 km2,渗透坡降为0.001 7,水文模拟计算得到过流断面最大洪峰流量为320.7 m3/s,这也是本文后续设计计算的基础。根据对冲口门水闸现状调查得知,其闸顶高程为4.84 m,迎水侧水位为2.41 m,闸基础采用人工预制桩,其地基土体以沉降变形较大的淤泥土为主,厚度约13 m,闸室底板厚度为1.2 m,闸室长度为10 m,另在基础与底板接触面铺设有防渗垫层,厚度为0.3~0.4 m,其剖面设计如图2所示。由于冲口门水闸运营中受上游大流量冲刷影响,导致下游水利设施控流、消能效果减弱,启闭系统受损严重(如图3所示),为此考虑在水闸过渡段增设一水工挡墙结构,并针对挡墙结构设计开展对比优化,进而提高冲口门水闸运营水平。

图2 水闸剖面设计示意

图3 水闸运营现状示意

2.2 设计模拟

为研究冲口门水闸过渡段挡墙结构最优设计,本文采用UG建模平台建立起水闸整体模型[12],并针对闸室及过闸段提取,分别建立相应模型(如图4所示)。该水闸模型已进行网格划分,在底板、闸顶等重要部位加密划分,单元网格本构模型符合水闸实际用材,整体模型共有微单元网格226 826个,节点数186 826个。

a 整体模型 b 闸室模型图4 水闸模型示意

从挡墙结构的适配性角度考虑,采用加筋土扶壁挡墙作为结构模型[13],但挡墙迎水侧拐角形式乃是本文设计优化的重点,共有圆弧转角、折线转角及直角转角3种设计方案,依据此3种设计方案分别建立了相应的计算模型(如图5所示)。该模型中以简易加筋土扶壁挡墙为基础模型,针对性模拟拐角处截面状态,全模型尺寸均为3 m×3 m×2 m,而拐角处截取的模型边长为0.6 m。3种拐角设计形式中挡墙模型的土工格栅层间距均为0.8 m,长度为1.4 m,最底部格栅距离水闸底板处为0.2 m,挡墙迎水侧面板厚度为0.25 m,采用刚性材料,模型计算时也采用弹性本构模型,经叠加挡墙其他构件后,拐角处模型如图6所示。

a 圆弧体型 b 折线体型 c 直角体型图5 不同拐角形式设计方案示意

a 圆弧体型 b 直角体型 c 折线体型图6 拐角模型示意

基于上述已创建模型,3种模型方案中均设定底部为全约束条件,各向位移均受限,而侧壁上仅为X向受限,存在两向自由度边界条件。模型中所有计算参数均按照工程实际材料取值,X、Y、Z正向分别为闸室下游向、闸室左岸向及结构垂直上方向。从计算荷载考虑,上游泄流量乃是影响冲口门水闸稳定性的关键因素,因而计算时按照最大洪峰的10%(32 m3/s)、25%(80 m3/s)、40%(128 m3/s)、55%(176 m3/s)、70%(224 m3/s)、85%(272 m3/s)、100%(320 m3/s)换算,相应的挡墙背水侧水位统一按照2.4 m设定。通过综合分析结构静力场与区段内渗流场特征,评价挡墙3种拐角设计方案的技术综合优势。

3 结构静力场特征

3.1 应力特征

根据对不同来水流量工况下结构静力场计算,获得挡墙拉应力影响变化特征(如图7所示)。从图7中可看出,流量愈大,挡墙结构上拉应力愈大,在拐角折线方案中上游流量为32 m3/s下最大拉应力为2.91 MPa,而流量为128 m3/s、224 m3/s、320 m3/s方案下拉应力较前者方案中分别增大了11.2%、23.7%、63.6%,按照各方案中流量梯次增长48 m3/s下,其结构拉应力平均可增长8.7%;同理,在拐角直角挡墙与圆弧拐角挡墙方案中,拉应力受流量工况影响下的增幅分别为9.6%、4.8%,即以拐角圆弧方案下挡墙结构拉应力受影响敏感度最低[14-15]。分析认为,水力冲击作用下,动能转换成势能作用在挡墙结构上,进而导致挡墙局部结构产生较大张拉应力。对比3种拐角形式挡墙方案,在各流量工况中均以直角拐角挡墙结构拉应力最高,其在各工况中分布为3.89~6.48 MPa,而折线拐角、圆弧拐角挡墙两者方案的拉应力较前者分别减少了25.3%~37.2%、66.2%~71.4%,尤以圆弧拐角方案下拉应力水平最低,其在各流量工况中拉应力最大未超过2 MPa,甚至上游流量达到最大洪峰,该方案挡墙结构拉应力仍满足材料安全应力要求。

图7 拉应力影响变化特征示意

挡墙结构另一部分重要作用乃是加固墙后土体,提升土坡整体稳定性,因而不同拐角形式的挡墙结构势必需要考虑土压力影响变化,图8为不同流量工况下挡墙拐角处土压力变化特征。

从图8中可看出,拐角处土压力受上游流量增大影响,其土压力呈缓慢增长态势,且土压力与流量参数具有正相关关系,初期整体增幅较小,在拐角直角方案中流量128 m3/s、320 m3/s工况下土压力较之流量32 m3/s下分别增长了9.6%、71.3%;但从整体上看,在拐角直角与折线方案中,当流量接近最大洪峰后,拐角处土压力达到“失控”增长态势,如折线拐角方案中流量272 m3/s 、320 m3/s工况下土压力分别达8.82 kPa、11.34 kPa,较之前一流量224 m3/s下分别增长了33.8%、72%,表明在水闸高流量运营工况下,此两种拐角方案中墙后土压力安全稳定性受到较大挑战,极易发生倾覆及渗透突涌。从3种拐角设计方案中土压力对比也可知,圆弧拐角方案下土压力分布为3.96~4.81 kPa,而直角与折线拐角挡墙土压力较前者分别具有增幅89.4%~171.3%、42.6%~135.9%,整体上圆弧拐角挡墙对墙后土压力的控制及及加固作用为最佳[16]。分析认为,拐角处乃是挡墙承载面积发生突变点,应力集中较显著,而圆弧拐角可较好过渡两侧水力势能,减少背后土压力受水力势能扰动影响,进而表现土压力水平较稳定的现象。

图8 土压力变化特征示意

3.2 位移特征

根据对3种方案中挡墙位移分析,获得位移分布特征(如图9所示)。分析表明,其位移分布基本类似,均以顶部变形最大,且聚集有大变形区域,且拐角处变形值高于挡墙两侧,此与拐角部位处受承载面积的突变特点影响,故而聚集有较大范围变形,3种拐角方案中最大变形分别为2.93 mm、3.03 mm、3.04 mm,量值上差异较小,但从分布范围对比来看,以圆弧拐角挡墙在拐角上的大变形分布最少,其分布变形为3~3.03 mm,而折线拐角挡墙大变形区分布范围最广。

a 折线体型

b 圆弧体型

c 直角体型

对比不同流量工况下3种拐角形式挡墙拐角处的最大位移变化特征可知(见图10),位移特征受流量工况影响在3个拐角方案中均有差异,直角拐角挡墙中最大位移呈线性上升,增幅较快,流量为32 m3/s下位移值为2.95 mm,而每梯次增长48 m3/s时,可引起拐角处位移增长15.2%,而在折线方案中,其初期流量工况下位移值甚至低于圆弧拐角方案,但当流量逐步增大至接近洪峰时,其位移值超过圆弧拐角方案,对应的节点流量为176 m3/s,随每梯次流量,折线拐角方案下位移值有平均增幅13.3%。与前两种拐角方案不同,圆弧拐角挡墙位移值在各流量工况中增长较缓慢,特别是在高流量工况中甚至处于“迟滞”状态,如流量272 m3/s 、320 m3/s工况下位移值稳定在2.12 mm,即高流量工况运行下,拐角圆弧挡墙结构在承载面积突变点仍具有较好静力稳定性。

图10 最大位移变化特征

4 区段渗流场特征

不同拐角形式的挡墙对水闸抗冲刷保护能力有所差异,其显著反映在闸室区段内渗流场特征,因而本文基于不同拐角方案,利用流场仿真模型计算获得闸室区段内流场流速变化特征(如图11所示)。

a 流量32 m3/s

b 流量272 m3/s

从图11中可知,在相同流量工况下,流速水平最高为折线拐角方案,在流量为32 m3/s工况中,其流速分布为0.97~1.35 m/s,闸室内平均流速为1.18 m/s,而圆弧拐角、直角拐角方案中平均流速较前者分别减少了45.7%、79.7%,虽流速水平过高,有利于冲淤排沙,但过大的流速对下游水工建筑的冲刷效应不可忽略;另一方面,在折线拐角方案中其流速变化具有较大波幅,流量为32 m3/s工况下最大波幅达38.3%,流速稳定性欠佳,同样在直角拐角方案中也存在局部的波幅,极易导致闸室内发生局部的紊流及涡旋活动,不利于控流安全性。当流量工况增大至272 m3/s下,3个拐角方案中流速特征与低流量工况下基本一致,圆弧、直角拐角方案下平均流速较折线拐角方案下分别减少了27.7%~52.3%、64.6%~86.8%,即流量愈大,不同拐角方案间流速水平差异性增大。同时,折线拐角方案中流速波动性也增大了,最大波幅可达62.8%,而直角拐角方案中波幅也达144.8%,仅圆弧拐角挡墙方案中最大波幅仍维持在2%范围内,稳定性较佳。综合流速水平及变化趋势,认为圆弧拐角挡墙方案中控流、冲淤及降沙技术综合优势最大。

5 结语

1) 流量愈大,挡墙拉应力愈大,流量梯次增长48 m3/s下,折线、直角与圆弧拐角方案中拉应力分别平均可增长8.7%、9.6%、4.8%;3种拐角方案中直角与圆弧拐角挡墙拉应力为最高与最低,圆弧拐角方案中结构拉应力最大未超过2 MPa;墙后土压力随流量工况缓慢增长,直角与折线拐角方案中土压力在高流量工况下已达到较高水平,圆弧拐角方案下土压力分布水平最低。

2) 挡墙拐角处变形高于两侧,且分布有大变形区,但最大变形值在3种拐角方案中差异较小;直角拐角挡墙中最大位移增幅最大,每梯次流量下位移增长15.2%,圆弧拐角增长缓慢,在高流量工况中位移值稳定。

3) 折线拐角方案流速水平最高,但波幅也最大,在流量为32 m3/s、272 m3/s下分别达38.3%、62.8%,圆弧拐角挡墙方案波幅最低,流速水平适中,直角拐角方案流速最低。

4) 综合3种拐角方案下静力与渗流场特征,认为圆弧拐角方案更适配水闸过渡段挡墙结构。

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