苏北水利排险工程中水闸除险加固结构模拟设计分析研究

齐春舫，王霄，谷静，陈超，缪成美

（1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏淮安223005；2.淮安市淮河水利建设工程有限公司，江苏涟水223400）

水资源调度、防洪蓄水及排涝等均离不开水闸等水利设施，水工建筑结构安全稳定是实现用水安全的重要课题。提升水利设施运营可靠性对确保水资源利用效率有较大益处，针对病险水利设施开展加固设计，提升水工结构的安全运营效率很有必要[1-4]。施得兵等、李鹤等、贾红娟根据水利设计原型开展物理模型试验，研究水工结构在室内模型试验状态下失稳、溃坝及响应特征，为水利工程设计提供参考[5-7]。由于物理模型试验成本较高，一些专家与学者开始探讨对已有相似工程的运营状态进行研究，利用已有工程运营状态监测数据，分析工程稳定性与运营数据之间联系，为拟建工程设计研发、参数优化及结构稳定性评价提供参考[8-10]。不可忽视，数值仿真在工程安全可靠性计算中占有一定地位，利用水工结构几何模型建立仿真计算模型，施加工程运营下模拟荷载，进而求解水利工程应力变形场、渗流场等特征，为评价水利工程安全稳定性提供指导依据[11-13]。针对苏北嶂山闸目前运营状态，设计模拟加固结构，研究水工结构设计参数优化度，为提升水利设计水平提供重要指导。

1 工程分析

1.1 工程概况

为提升苏北区域内水利运营安全性，淮安水利部门考虑对地区内所有水利设施进行排险调查。根据调查得知，嶂山闸建设运营年限较长，其在淮安-宿迁水资源调度区域内起着较大作用，目前运营较稳定，但不可忽视其水资源调度、防洪蓄水等效率均有所降低，有必要考虑对其进行除险加固。嶂山闸设计多孔式泄流，每孔宽度10 m，闸底高程15.4 m，采用弧型钢闸门作为通行流量启闭口，设置液压式启闭机控制闸门开度，确保泄洪流量满足安全允许要求。闸顶宽度4.5 m，设计有通行桥面，高度33.7 m，参照二级公路建设。原设计泄洪流量8 000 m3/s，可承担区域内超过16.67万hm2农田生产灌溉用水，最大排涝面积超过3.67万hm2。上游水位受季节降雨影响，局部超过25 m，水闸安全泄洪遇到极大挑战，同时影响水闸等水工结构安全稳定性。排险调查发现，嶂山闸由于设计年代较早，并未采用预应力结构作为支撑加固措施，目前水闸支护承重结构在上游水位较高时常出现险情，考虑对其进行先遣式模拟设计研究，为除险加固结构设计提供参考。

地勘结果表明，区域内基岩以片麻岩、灰岩为主，承载力较大，单轴抗压强度75 MPa，若设置预应力闸墩等结构，可满足安全承载要求；上覆土层包括砂土层与壤土，砂土层厚度3.6 m，含水量中等，最优含水量17%，颗粒粒径0.04～4 mm，壤土层承载力较高，该土层作为水闸下游输水灌渠持力层可较好稳定运营。考虑到目前嶂山闸整体运营较稳定，除险加固设计方案以增添预应力闸墩结构为主，据此优化设计加固结构相关参数。

1.2 工程模型

按照实际，设计主、次锚索搭配式加固方案，如图1所示。主锚索双层分布，层间距100 mm，张拉吨位根据具体工况设计，拉锚系数设定为2.2，本方案主锚索14根，根据实际情况优化根数；次锚索与主锚索垂直分布，分为上、下2排，设计为6根，间距120 mm；预应力锚索与锚固洞采用接触式连接，锚固洞截面体型为半圆弧型，锚索与闸墩间采用垫块作为荷载传递载体，垫块截面尺寸为0.3 m×0.3 m，厚度为0.05 m。

图1 锚索布设平面示意

利用数值计算平台建立水闸整体计算模型，如图2所示。

图2 水闸整体计算模型

由于模型涉及水利结构较多，简化后对涉及的闸墩、锚块、锚固洞特征结构进行重点分析，如图3所示。

图3 水闸特征部位计算模型

利用数值计算平台对模型进行网格划分，采用三角形与四边形作为微单元体，共获得网格单元423 856个、节点389 656个，其中锚块划分网格单元78 652个、节点68 325个。在数值计算平台中设定顺水闸右肩为X正向，顺下游水流为Y正向，沿水闸向上为Z正向。结合上述方案，主要讨论预应力结构中主锚索根数参数影响下水闸应力特征变化，另对锚索直径参数进行分析，为选择最佳设计参数提供依据。

2 加固结构锚索根数参数设计分析

2.1 拉应力特征

根据加固结构应用环境及水闸泄流工况，设计锚索根数分别为10（1#方案）、12（2#方案）、14（3#方案）、16（4#方案）、18（5#方案）、20（6#方案），锚索直径均为22 mm，主、次锚索张拉荷载分别为5 600、3 860 kN，其他张拉参数保持一致，各具体设计参数详见表1。锚索结构中仅改变锚索根数，计算水闸加固结构应力特征。

表1 各方案加固结构设计参数

根据各锚索根数设计方案计算获得预应力结构特征部位最大拉应力变化特征，如图4所示。从图4可看出，预应力结构中拉应力以锚固洞截面上为最高。以锚索根数12根为例，锚固洞截面上最大拉应力为2.51 MPa，而其他特征部位包括闸台、锚块体上最大拉应力相比前者分别降低59.5%、41.2%。在其他方案中亦是如此，随着锚索根数增多，锚固洞截面与闸台、锚块上最大拉应力差异幅度逐步减小，在锚索根数18时，闸台、锚块体上相比锚固洞截面上的最大拉应力分别降低40.3%、25.2%。由此表明，随着锚索根数增多，预应力结构特征部位最大拉应力差异幅度逐步减小，拉应力具有发展成各区同性趋势。对比各特征部位最大拉应力与锚索根数关系可知，锚固洞截面上最大拉应力随锚索根数增加逐步降低，在锚索根数10时，最大拉应力为2.81 MPa；而在锚索根数增加至14、18、20后，相应的最大拉应力相比前者分别降低18.1%、35.5%、46.4%，即锚索根数增多，可抑制锚固洞截面上拉应力发展，限制锚固洞拉应力破坏威胁。与锚固洞截面上最大拉应力发展态势不同，闸台与锚块上最大拉应力变化较稳定，仅在锚索根数增加至16根后，其最大拉应力才出现较大降幅。在锚索根数低于16根之前，闸台最大拉应力稳定在1.01 MPa，而在增加至16根之后，其最大拉应力降低，如闸台、锚块最大拉应力在根数20时相比16根时分别降低14.7%、12.1%。这表明闸台、锚块上拉应力在锚索根数低于一定节点时，并不会出现较大波动，而在超过该节点后，拉应力才会受到锚索根数抑制影响。

图4 锚索根数影响下特征部位最大拉应力变化特征

2.2 压应力及分布特征

通过应力计算，获得锚索根数参数影响下预应力结构压应力特征，如图5所示。从图5可知，加固结构中最大压应力仍位于锚固洞截面，2#方案中锚固洞截面上最大压应力为25 MPa，而相应方案中闸台、锚块体最大压应力相比前者分别降低66%、18.5%。由此可见，预应力结构中最大拉、压应力均位于锚固洞截面上，应重点加固防护。对比锚索根数影响下预应力结构特征部位最大压应力变化关系，除闸台部位外，锚块体、锚固洞截面上最大压应力均随锚索根数递减变化。以锚块为例，在1#方案锚索根数10根时其最大压应力为27.4 MPa，而14、16、20根时的最大压应力相比前者分别降低41.1%、52.9%、66.6%。由此可见，锚索根数愈多，愈可显著加固结构压缩作用，降低结构预压影响。闸台结构最大压应力随锚索根数变化较小，基本稳定在8.5 MPa左右，最大降幅在根数为14根时为1.9%。综上可知，选择锚索根数超过16根时更有利于保证结构安全性，为确保工程成本经济性，选择锚索根数为18根时（5#方案）最佳。

图5 锚索根数影响下特征部位最大压应力变化特征

5#方案在运行工况中仿真计算的锚固洞截面某一时刻拉、压应力分布特征，如图6所示。从图6可知，模拟运营过程中，锚固洞截面上拉应力主要分布在顶、底面，且满足结构材料设计要求，但此时还未达到结构最大拉应力。压应力分布以锚固洞左、右截面为主，最大压应力较小。综上，5#方案锚索根数较佳。

图6 锚固洞截面拉、压应力分布特征

3 加固结构锚索直径参数设计分析

3.1 拉应力特征

根据锚索直径对预应力结构安全性影响，选取锚索直径分别为18 mm（A方案）、20 mm（B方案）、22 mm（C方案）、24 mm（D方案）、26 mm（E方案），锚索根数设定为18根，其他张拉荷载参数均保持一致，仅研究锚索直径参数因素对预应力结构拉、压应力影响。

与研究锚索根数参数影响类似，获得锚索直径参数影响下水闸加固结构特征部位最大拉应力变化特征，如图7所示。由图7可知，随着锚索直径增大，3个特征部位最大拉应力均呈递减变化，在A方案锚索直径为18 mm时，闸台最大拉应力为2.57 MPa，而直径增大至C、E方案后，其最大拉应力相比前者分别降低51%、65%。从各方案最大拉应力降幅来看，总体上当锚索直径增大2 mm时，闸台最大拉应力平均降低22.7%，但锚索直径增大过程中降幅有所差异：锚索直径在18～22 mm内，每增大2 mm，可导致最大拉应力损失30%；而在直径22～26 mm内，损失幅度为15.2%，表明锚索直径对闸台最大拉应力影响幅度呈逐步降低态势。随着锚索直径每增大2 mm，锚固洞截面与锚块上最大拉应力分别降低7.6%、24.4%，其中锚固洞最大拉应力降幅在锚筯直径22 mm左右时发生改变，直径22 mm下最大拉应力相比直径18 mm时降低了21.8%，而直径26 mm比直径22 mm时最大拉应力降幅为7.1%。分析认为，锚索根数控制在合理区间内即可，锚索直径愈大对预应力结构安全性愈有保障，但不可忽视锚索直径增大对工程成本的影响。从整体上来看，选择锚索直径22 mm更为可靠。

图7 锚索直径影响下特征部位最大拉应力变化特征

3.2 压应力特征

根据预应力结构压应力变化特征，最大压应力与锚索直径关系如图8所示。

图8 锚索直径影响下特征部位最大压应力变化特征

从图8可知，除锚块外，其他2个特征部位最大压应力均随锚索直径呈递减态势，锚索直径18 mm时闸台最大压应力为21.2 MPa，而锚索直径增大2 mm，闸台最大压应力损失25%，且闸台最大压应力与锚索直径参数具有幂函数关系。在锚固洞截面上，最大压应力与锚索直径关系基本与闸台一致，这2个特征结构最大压应力随锚索直径增加降低幅度基本接近，锚索直径增大2 mm，锚固洞截面最大压应力损失23.5%。锚块最大压应力随锚索直径变化较平稳，均维持在16.8 MPa左右，即锚索直径参数改变，对锚块最大压应力无显著性影响。在锚索直径22 mm时，闸台与锚固洞截面上最大压应力分别为11.7、14.6 MPa，位于安全允许区间。这表明，从拉、压应力特征来看，锚索直径22 mm为较合适的设计方案。

4 结论

（1）加固结构中锚固洞上拉应力最大，但锚索根数增多，其他特征部位拉应力与锚固洞最大拉应力差异幅度缩小；锚固洞最大拉应力与锚索根数为负相关关系，锚索根数14、18、20时最大拉应力相比根数10时分别降低了18.1%、35.5%、46.4%，而闸台与锚块最大拉应力在锚索根数超过16后才降低。

（2）加固结构特征部位最大拉应力与锚索直径均为负相关关系，锚索直径增大2 mm，闸台、锚固洞、锚块最大拉应力分别平均降低22.7%、7.6%、24.4%，且降低幅度逐渐减小。以锚索直径18 mm为界，闸台在该界限左、右区间中，锚索直径每增大2 mm可分别降低拉应力30%、15.2%。

（3）锚块、锚固洞上最大压应力均随锚索根数递减变化，闸台受锚索根数影响较小，稳定在8.5 MPa；闸台、锚固洞最大压应力与锚索直径均呈幂函数关系，锚索直径增大2 mm，两者最大压应力分别损失25%、23.5%，锚块最大压应力受锚索直径影响较小，稳定在16.8 MPa。

（4）综合预应力结构拉、压应力特征，认为锚索根数16、锚索直径22 mm时，加固方案最优。