基于水利仿真模拟设计的金湖县城西河节制闸加固结构分析研究

陈冬冬 李 杰 卞 威

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 224300)

1 项目背景

水工设施安全稳定性受运营年限、运营工况以及结构材料等多方面因素影响，因而对水工建筑物安全稳定性进行结构加固设计很有必要，开展相应的加固设计及稳定性分析对提升水利设施安全运营意义重大。根据物理模型试验理论，众多学者利用水利设施几何设计图建立室内原型，并开展相应的水工建筑物理模型试验，分析水工结构失稳破坏过程中渗流、应力与变形等特征，为水利设施提供重要设计参数参考。另一方面，对水利结构材料的耐久性和应力稳定性等指标开展室内力学试验，研究包括基岩、土体、多种类型材料的力学破坏特征，为水利设计提供依据。仿真计算作为重要研究手段，可对设计方案进行模拟式计算分析，对相关参数、影响因素进行模拟优化，以使设计方案处于最佳状态，相关学者利用相关仿真软件分析了大坝、水闸、泵站等多种水利设施的静、动力安全稳定性，为其他相似水利工程设计提供计算参考。采用仿真模拟计算，可较快获得不同设计方案下设计参数的优化，且可针对方案优化结果进行设计方案调整，为工程设计和施工提供重要参照。特别是在一些大型水工结构或水利设施中，提前开展加固结构仿真设计优化或除险加固模拟，对最终方案的确定和评价均具有重要意义。本文针对金湖县城西河活水工程节制闸加固设计优化问题，利用水利仿真模拟计算方法开展锚索纵、横向设计参数优化对比分析，为确定最佳加固方案提供依据。

2 工程模型分析

2.1 城西河节制闸概况

金湖县城是淮河下游水利重镇，其中城西河是县域内重要活水河流，该河流域总面积为3.11km2，全长3762m，设计为引水蓄水治理河流活水工程。引水泵站设计流量8m3/s，排涝标准为远期20年一遇洪水，设计排涝面积3.11km2，设计自排洪涝能力5.03m3/(s·km2)，总体排涝设计流量16m3/s。该活水工程拟修建3座大型水闸，包括取水闸、提水闸及泄流节制闸，其中取水闸水工建筑按照4级标准设计修建，设计工况净扬程为4.7m，提水闸设计提水流量为1.5m3/s，排涝工况净扬程为2m。节制闸作为城西河活水工程中重要泄流控制枢纽水利设施，其设计流量为16m3/s，泄流消能时上、下游水位分别为14m、12m，设计为1孔15m气袋升降式翻板闸，墙前后的水位差为1.0m，翼墙墙顶高程14.5m，墙后填土与墙顶齐平，填土为粉砂土，节制闸翼墙设施静力稳定性较好，动力荷载下抗滑系数超过1.15，最大地基反力达84.88kPa，节制闸翼墙设计立面见图1。节制闸身顺水流向长10.00m，垂直水流向宽16.60m；闸室底板顶高程11.00m，闸墩顶高程14.50m，河道底高程11.00m；上游护坦长8.00m，下游消力池长8.00m。闸基设计防渗长度为12.5m，设计闸室在静力荷载设计工况下静力不均匀系数为1.15，最大地基反力为27.03kPa，动力荷载下应力不均匀系数为1.35，抗滑系数低于1，地震动力响应性能欠佳，抗震性能较弱。

图1 节制闸翼墙设计立面图 (尺寸单位：cm)

城西河活水工程节制闸所处场地为金湖至东台坳陷，地质构造活动较弱，稳定性较好，表面分布有人工填土、粉质黏土及壤土三种土层，其中壤土层厚最大，最厚处超过4.6m，粉质黏土层承载力较大，标贯计入数达15次。覆盖土层渗透性均一般，抗冲刷能力较强，可确保节制闸基础在水压力下处于较稳定运营状态。由于城西河节制闸是区域内重要水利中控建筑，工程设计部门考虑对其进行二次加固，设计采用预应力锚索作为支护加固措施，在上述工程资料基础上开展加固结构的模拟设计分析，进而优化相关设计参数，提高节制闸设计水平与运营稳定性。

2.2 模型建立

以城西河活水工程节制闸工程为研究对象，采用主、次预应力锚索作为加固设计方案，设计概念几何图见图2。其中设计14根主锚索，两层布设，次锚索与主锚索垂直分布，设计12根次锚索，每根锚索锚筋直径为12mm，水闸闸室翼墙边壁与锚索连接方式为接触式连接，主、次锚索设计张拉吨位分别为3400kN、2600kN，确保水闸闸室在静、动力荷载工况下均能满足运营安全性。现由于主、次锚索布设方案已确定，但锚索横、纵向间距并未优化，而间距设计参数的差异性，对锚索加固性能以及经济成本均有较大影响，因而对设计参数进行优化，获得最佳方案很有必要。利用仿真计算平台建立计算模型，水闸整体模型见图3。由于整体计算模型对锚索加固结构以及闸室特征结构识别性较差，因而给出结构体系中各特征部位的仿真模型，见图4。

图2 锚索加固结构设计概念几何图

图3 水闸整体模型

图4 各特征部位的仿真模型

所建立的仿真计算模型根据计算部位重要性划分单元网格，在锚块以及锚固洞等特征部位网格划分密度设置较大，其中整体计算模型共获得单元网格389652个，节点数356985个，而独立锚块模型获得185625个单元网格，节点数169582个。计算模型中设定X正向为顺河流下游方向，Y正向为沿水闸右轴线方向，Z正向为水闸向上方向。

3 加固结构纵向设计参数分析

根据主锚索纵向间距与加固结构应力稳定性关系(纵向设计参数η分别设定为100mm、120mm、140mm、160mm、180mm、200mm，而锚索横向设计参数统一设定为100mm)，计算方案中仅改变锚索纵向设计参数η，其他设计参数见表1。

表1 各方案加固结构设计参数

3.1 拉应力特征

根据不同纵向设计参数η计算方案获得节制闸重要特征部位拉应力变化特征，见图5。从图5中可知，本文所列出的闸顶平台、锚块与锚固洞部位最大拉应力随纵向设计参数η变化并不相同，三个部位中最大拉应力位于锚固洞，在纵向设计参数为120mm时锚固洞最大拉应力为3.38MPa，而相同工况下的闸顶平台、锚块最大拉应力相比前者分别降低了54.9%、30.6%，表明节制闸加固结构中锚固洞所受张拉破坏威胁最大，应重点加固防护。对比各特征部位最大拉应力随纵向设计参数的变化可知，锚固洞、闸顶平台最大拉应力随纵向参数增大而递增，在纵向设计参数为100mm时，闸顶平台最大拉应力为1.22MPa，而设计参数增大至140mm、180mm、200mm后，各方案中最大拉应力相比前者分别增大了49.1%、15%、74%，在纵向设计方案中，间距参数增大20mm，平均可导致闸顶平台最大拉应力增大22.4%，而对于锚固洞部位来说，其最大拉应力平均涨幅为7.9%，表明纵向设计参数越大，越不利于锚固洞与闸顶平台等部位的抗拉设计。与前两者特征部位最大拉应力变化态势不一样的是，锚块最大拉应力与纵向设计参数具有负相关关系，设计参数140mm、160mm、200mm方案中该部位最大拉应力相比参数100mm时分别降低了25.7%、37.9%、45%，即纵向间距设计参数越大，越能限制锚块上最大拉应力发展，提升锚块应力稳定性。分析锚块最大拉应力降幅可知，在纵向设计参数100～160mm内，间距增大20mm，平均可削弱拉应力14.7%，而在设计参数160～200mm内，间距增大20mm，其降幅为5.9%，表明锚块最大拉应力受纵向设计参数抑制影响呈先大后小的趋势。综合而论，闸顶平台、锚固洞最大拉应力在设计参数180mm后均超过2.5MPa，超出结构材料抗拉应力允许范围，而锚块最大拉应力在160mm后的抑制效果减弱，因此认为纵向设计参数以160mm为最佳。

图5 纵向参数影响下特征部位最大拉应力变化特征

3.2 压应力特征

纵向设计参数影响下特征部位最大压应力变化特征见图6。从图6中可知，三个特征部位最大压应力随纵向设计参数均为递增变化，纵向设计参数为100mm时，闸顶平台最大压应力为10.9MPa，纵向设计参数为140mm、160mm、200mm时的最大压应力相比前者分别增大了10.7%、15.4%、18.6%，从整体涨幅来看，每增大20mm纵向间距，闸顶平台最大压应力可上涨3.5%，而对于锚块与锚固洞来说，其最大压应力分别可上涨5.1%、6%。三个特征部位最大压应力递增，可降低张拉预应力损失影响，但最大压应力应控制在结构材料安全允许强度范围内。从最大压应力变化幅度来看，纵向设计间距100～160mm内，三个特征部位的最大压应力均满足结构应力要求。另一方面，闸顶平台、锚块、锚固洞最大压应力平均涨幅分别为4.9%、6.8%、8.2%，而在该区间后，平均涨幅均有所降低，印证了纵向设计参数为160mm时更有利于加固结构安全稳定。

图6 纵向参数影响下特征部位最大压应力变化特征

D方案下节制闸模拟运营期加固结构中锚块某一时刻拉、压应力分布特征见图7。从应力分布特征可看出，锚块拉应力分布在锚块截面Z向，且两侧有近对称分布的压应力，而锚块大部分区域以小拉应力分布为主，表明预应力锚索在节制闸运营过程中稳定性较好，不仅自身抗拉性能较好，闸室稳定性亦较佳。

图7 锚块拉、压应力分布特征

4 加固结构横向设计参数分析

4.1 拉应力特征

对加固结构横向间距设计参数进行分析，设计横向设计参数λ分别为60mm、80mm、90mm、100mm、120mm，而纵向间距设计参数均为160mm，其他设计参数均保持与前述一致。

图8 横向参数影响下特征部位最大拉应力变化特征

利用数值仿真计算获得横向设计参数影响下加固结构特征部位最大拉应力变化特征，见图8。从图8中可知，闸顶平台与锚块最大拉应力受横向设计参数影响较小，两部位下最大拉应力在各设计方案下分别稳定在1.03MPa、1.5MPa，其中闸顶平台最大拉应力变化波动幅度不超过2%，说明加固结构中闸顶平台、锚块拉应力发展不受锚索横向间距限制。与前两者特征部位呈鲜明态势的是，锚固洞最大拉应力与横向设计参数为负相关关系，且两者具有二次函数关系，横向设计参数60mm时锚固洞最大拉应力为2.65MPa，而间距90mm、100mm、120mm方案中最大拉应力相比前者分别降低了15.7%、18.7%、21.6%，表明锚索横向间距控制越大，越可限制锚固洞上最大拉应力。分析锚固洞最大拉应力降幅可知，在横向设计参数60～100mm内，间距增大10mm，最大拉应力平均降幅为6.6%，而间距超过100mm后，增大20mm间距，最大拉应力仅降低了3.2%，表明最大拉应力降低趋势逐步减小。从工程成本与结构安全稳定性考虑，横向间距参数为100mm时更佳。

4.2 压应力特征

同理获得了加固结构特征部位最大压应力与横向设计参数间变化关系，见图9。从图9中可知，锚块与锚固洞最大压应力分别稳定在11.2MPa、15.8MPa，受横向设计参数影响较小，两者最大变化幅度分别为1.6%、1.7%。而闸顶平台最大压应力在横向间距为60～90mm时，基本稳定在8.3MPa，横向间距超过90mm后，闸顶平台最大压应力有所降低，横向设计参数90mm时闸顶平台最大压应力为8.34MPa，而横向设计参数100mm、120mm下最大压应力相比前者分别降低了6.1%、18.7%，表明横向设计参数超过一定界限后，才对闸顶平台压应力有显著影响。从结构设计安全方面考虑，当横向设计参数为100mm时，一方面不影响锚块、锚固洞压应力，另一方面，可降低闸顶平台压应力，且间距控制100mm设计方案经济成本更较佳，亦可匹配结构拉应力安全设计要求。

图9 横向参数影响下特征部位最大压应力变化特征

5 结 论

本文采用水利仿真模拟计算手段，不仅确定了加固结构最优设计方案，同时针对设计方案的优劣性展开了对比分析，为其他工程设计优化或参照提供了重要依据，也为仿真优化手段在锚固设计中应用提供了重要参考。主要得到以下四点结论：

a.锚固洞部位是加固结构上拉应力最大的部位；锚固洞、闸顶平台最大拉应力随纵向参数增大而递增，间距参数增大20mm，平均可导致两部位最大拉应力增长22.4%、7.9%；锚块最大拉应力受纵向设计参数抑制影响，间距增大20mm，平均可削弱其拉应力14.7%，且抑制趋势为先大后小。

b.闸顶平台、锚块最大拉应力受横向设计参数影响较小，分别稳定在1.03MPa、1.5MPa，锚固洞最大拉应力与横向设计参数呈二次函数关系，且为负相关，横向设计参数60～100mm内，间距增大10mm，最大拉应力平均降幅为6.6%，而在间距100mm后，增大20mm，最大拉应力仅降低3.2%。

c.三个特征部位最大压应力随纵向设计参数均为递增变化，增大20mm纵向间距，闸顶平台、锚块与锚固洞分别可上涨3.5%、5.1%、6%；锚块与锚固洞最大压应力受横向设计参数影响较小，分别稳定在11.2MPa、15.8MPa，闸顶平台最大压应力在横向间距达到90mm后才开始降低。

d.综合拉、压应力特征与工程建设成本经济性，纵向设计参数为160mm、横向设计参数为100mm时方案最优，对水闸加固效果最佳；工程仿真设计结果对金湖县城西河节制闸的加固设计提供了重要计算参考，且各设计参数对加固结构应力稳定性的影响在其他工程中亦可借鉴。