沧江水利枢纽中挡墙设计对静力场及水沙演变稳定性影响研究

2022-10-13何杰明

水利科学与寒区工程 2022年9期

何杰明

(佛山市高明区城市重建和项目代建中心，广东佛山 528000)

1 工程概况

佛山市沧江水利枢纽是地区重要水利枢纽设施，目前，考虑对其开展重建设计，包括水闸、泵站等水工设施。沧江水闸按照大Ⅱ型水闸设计，水闸施工一、二期围堰导流流量设计为552 m3/s。一期上游横向土石围堰堰体采用工程现场土料填筑，上、下游堰壳填料采用碎石料填筑。作为沧江重建水利枢纽工程中重要结构，船闸上下闸首的施工，采用贝雷梁钢平台与挡墙结构，贝雷梁平台与闸首结构垂直，并与主梁截面相连接，钢平台尺寸为14.5 m×18.0 m，结构稳定性较佳，设计方案已在一期围堰的下闸首施工中应用。挡墙结构是配合贝雷梁钢平台作为施工支撑结构的重要组成部分，设计挡墙厚度为1.2 m，其类型为扶壁式挡墙结构，墙顶板厚度为0.6 m，墙身顶标高与贝雷梁钢平台一致，侧壁夹角为37°，踵板厚度为0.5 m，踵板宽度为墙高1/3，顺水流方向长度为3.2 m，目前挡墙扶壁厚度参数还处于优化设计阶段，这也是本文重点研究对象。

2 设计仿真

本文采用FLAC 3D平台构建起船闸上闸首挡墙几何模型[1]，该模型包括船闸上、下游区段长度12 m，顺贝雷梁钢平台标高分别建立墙后岩土层、堆筑料等。由于本文重点研究扶壁厚度对该挡墙结构设计稳定性影响，因而在确保挡墙各设计参数均为一致前提下，设定挡墙扶壁厚度分别为0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m、1.0 m，模型中相应的扶肋间厚度按照设计扶壁厚度设置。根据墙体结构材料组成性质，对船闸上闸首扶壁式挡墙结构进行网格划分，获得三面体单元数120 682个，节点数136 894个。

由于该挡墙结构扶壁厚度设计优化本质上关联船闸施工稳定性，因而研究工况以船闸迎水侧为分析对象，所受荷载包括结构自重、静水压力及贝雷梁钢平台摩擦应力等，特征水位取沧江水利枢纽设计洪水位。计算模型上、下边界均设定为无自由度体系，而侧壁设计为无纵向约束；模型中X、Y、Z正向分别设定为顺闸首下游方向、挡墙左岸向及结构竖直上方向。根据对挡墙结构与船闸上闸首分析，面板部分是闸首重要承重结构，而扶壁、踵板是挡墙结构的重要组成部分，因而本文重点探讨挡墙结构的三特征部位静力特征与设计方案关系。

3 挡墙设计参数与静力特征关系

3.1 应力特征

图1为计算获得的挡墙结构拉应力变化特征。分析拉应力变化趋势可知，不同部位拉应力随设计参数变化并不一致，面板与扶壁结构上拉应力为先减后增变化，且全过程中挡墙结构拉应力最大位于面板部位，其最大拉应力分布为1.70～4.69 MPa，而扶壁、踵板部位上拉应力比之降低了17.8%～34.7%、53.5%～78.6%。在各设计方案中，扶壁与面板部位上最大拉应力最低点均指向厚度0.7 m方案，分别为1.16 MPa、1.70 MPa，以该节点前、后区间方案分别为递减、递增态势，扶壁厚度0.8 m、1 m方案下面板最大拉应力较前者分别增大了50%和1.96倍，随厚度每增大0.1 m，该区间内方案下面板拉应力平均增幅为37.3%，而在厚度0.4～0.7 m区间方案中的平均降幅为28.1%。扶壁部位拉应力与面板上有所类似，其在厚度0.4～0.7 m与0.7～1.0 m区间内各方案中拉应力分别平均降幅32.3%与增幅43.7%。分析认为，挡墙结构设计应重点注意拉应力较大区域，易造成结构出现张拉破坏，特别是在扶壁部位与贝雷梁钢平台相焊接，故而扶壁部位应选择一个拉应力较低的方案。相比前两部位，作为与船闸上闸首承重墩同一标高的踵板部位，其最大拉应力全方案中均稳定在1 MPa，方案间最大波幅不超过1.5%，即踵板部位受挡墙扶壁厚度参数影响敏感度较低。综合分析可知，扶壁厚度参数应以挡墙面板、扶壁部位拉应力受影响为关切要点，确保沧江重建船闸的结构稳定性。

图1 挡墙各部位最大拉应力特征

图2 挡墙各部位最大压应力特征

图2为各方案中结构压应力表现特征。根据图中压应力变化特征，可知挡墙结构压应力最大位于踵板部位，分布为15.3～27.0 MPa，该部位压应力主要来源于结构自重，表明挡墙结构在船闸重建工程中应力最大发生来源仍为结构自重。当扶壁厚度参数增大后，挡墙结构的踵板、面板、扶壁三个部位上压应力均呈递增变化，但增幅在厚度方案0.7 m后出现放缓态势。面板部位在厚度0.5 m、0.7 m方案中压应力较0.4 m下分别增长了25.2%、64.7%，但厚度0.8 m、1.0 m方案下压应力与0.7 m间的增幅均低于1.0%，面板压应力在全过程中平均增幅为9.2%，但在厚度0.4～0.7 m方案间平均增幅达18.2%，而厚度0.7～1.0 m区间内平均增幅仅为0.19%，表明面板部位压应力实质上在扶壁厚度0.4～0.7 m区间内即已逐步达到“饱和”压应力状态，后再增大扶壁厚度，对结构预压应力效果的增长较弱[2]。踵板、扶壁两部位也是类似，全方案中压应力平均增幅分别为10.4%、8.4%，而在厚度0.4～0.7 m方案间平均增幅为20.4%、16.7%，当厚度超过0.7 m后，平均增幅分别仅为0.36%、0.16%。从增幅态势也可看出，三个部位中压应力受扶壁厚度参数影响最为敏感属踵板，而扶壁部位受影响敏感最弱。从船闸挡墙结构设计优化来看，应控制扶壁厚度在0.7 m以内，而结合拉应力影响特征，本文认为扶壁厚度0.7 m时应力状态最佳[3]。

3.2 位移特征

图3 挡墙各向位移特征

位移特征是反映挡墙结构设计合理性与安全性的重要指标，依据不同扶壁厚度参数设计方案下仿真计算，获得挡墙结构各向最大位移值随厚度参数变化特征，如图3所示。从图中可以看出，三向最大位移值随扶壁厚度参数均为递减变化，相似性较高，但位移最高仍为Z向，各方案中分布为6.57～13.87 mm，而X、Y向最大位移较之分别减少了47.9%～63.6%、28.1%～38.7%。当扶壁厚度参数增大后，厚度0.6 m、0.8 m、1.0 m 方案中X向最大位移较厚度0.4 m下分别减少了56.00%、64.30%、64.31%，平均厚度每增大0.1 m可导致X向最大位移减少14.4%。另一方面，与压应力受影响变化有所类似，X向位移同样在厚度0.7 m后呈现“停滞”稳定状态，为2.57 mm 左右，而在厚度0.4～0.7 m方案间X向位移平均降幅可达27.9%，在厚度0.7 m后方案间最大降幅仅为2.4%。另两向位移与之有所类似，均是在厚度0.7 m后出现稳定状态，分别稳定在4.68 mm、6.57 mm，而在厚度0.4～0.7 m方案间平均降幅分别达21.1%、21.7%，分别占各自位移中降幅的98.6%、98.8%。由此可知，扶壁厚度参数增大后，结构抗拉特性增强，受张拉应力产生的微裂隙减少，反映在位移特征值上降低，但扶壁厚度的影响能力受有限的，仅局限在厚度0.7 m以内。根据静力场特征表现，应力与位移特征均指向扶壁厚度参数0.7 m时对挡墙结构设计最优，有助于船闸上闸首的施工稳定性。

4 挡墙设计参数与闸首水沙关系

闸首水沙特征反映了重建水利枢纽水力特征，本文采用Fluent渗流场模型研究了不同挡墙结构设计下闸首各断面上泥沙淤积状态，图4为模拟重建后船闸闸首运营300 d后泥沙淤积厚度变化。

图4 泥沙淤积厚度变化特征

根据图4中泥沙淤积厚度变化可知，泥沙淤积厚度与扶壁厚度为负相关关系。研究区断面全长为6 m，泥沙淤积厚度在各断面上呈现波幅最大的属厚度0.4 m方案，该方案下全断面泥沙淤积平均厚度为65.43 cm，而随断面每变化0.5 m引起的最大波幅达12.3%，断面上淤积厚度最大、最小分别为70.43 cm、60.34 cm。在厚度0.5 m方案中也是如此，其淤积厚度最大波幅可达11.9%，而厚度最高、最低间差幅达16.8%，不利于闸首控流稳定性[4-5]。当扶壁厚度参数增大至0.9 m、1.0 m后，随整体上泥沙淤积厚度有所减小，断面上淤积厚度平均值分别为36.77 cm、28.18 cm，相比厚度0.5 m下分别减少了43.8%、56.9%。但不可忽视此两方案断面上泥沙淤积厚度的稳定性仅限于上游或下游，如厚度0.9 m中泥沙淤积厚度在断面0～3.0 m上稳定为36.7 cm，而在断面3.0～6.0 m上出现显著波幅，最大波幅达12.4%；同样在厚度1.0 m方案中，其泥沙淤积厚度在断面3.5～6.0 m间稳定在26.45 cm，而超过该断面后即出现“失稳”现象。各方案中泥沙淤积厚度稳定性较佳属厚度0.6～0.8 m方案，此三方案中淤积厚度分别稳定在48.62 cm、46.90 cm、43.39 cm，三个方案间受扶壁厚度参数影响下的水沙演化差异性较小，适宜于船闸闸首工程。结合水沙特征与静力特征，笔者认为扶壁厚度0.7 m是最优方案。