中顺大围东河水闸锚索加固方案数模分析研究

张 巍 朱潇潇 陈冬冬

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005)

1 引 言

水利工程中堤坝水闸水利设施对防洪、调度水资源具有重要作用，确保水闸类水利设施运营的安全性，是促进地区水利安全的重要举措之一[1]。中顺大围是中山市重要防洪排涝枢纽工程，所涉及的水利设施众多，其中水利设施的检修及除险加固尤为重要[2]。重多学者借助物理模型理论，设计水工模型试验，通过研究水利模型在失稳、溃坝等破坏过程中的相关数据，为实际工程设计、加固处理等提供重要指导[3-5]。当然，一些水利工程建设过程中，已在某些特征部位埋设有特定的监测传感器，通过工程运营过程中相应的数据监测及分析，可及时预判水利工程运营可靠性，亦可为其他工程水利参数比较设计提供参考[6-8]。此外，对水利设施的安全运营应未雨绸缪，对一些运营年限较长的水工建筑开展模拟仿真分析，在仿真软件中演练设计方案的合理性，可为后续的水工结构加固、性能提升等提供重要数据支持[9-11]。本文针对中顺大围东河水闸防洪性能提升问题，模拟设计结构加固方案，并就方案开展结构设计参数优化分析，为东河水闸后续运营能力提升、安全加固提供重要数据依据。

2 中顺大围东河水闸工程概况

中顺大围干堤东起中山市火炬开发区东河口，西至顺德区均安镇，南至中山市神湾镇磨刀门出海口，东南面与五桂山山脉相连，1953—1957年，当地群众把原来的小榄围、均安围等400多个小围联网修筑而成大围。大围干堤总长119.106km，分东西两段，以顺德区均安镇金沙滩为界，东干堤长52.744km，堤顶设计高程从桩号0+000的8.85m至桩号52+740的4.81m，西干堤长66.362km，堤顶设计高程从桩号0+000 的8.85m至桩号66+360的5.10m，设计外坡比1∶3，内坡比1∶2.5，设计堤面宽6～8m，堤顶路面已全部混凝土硬化，可全天候通行汽车。2009年底，大堤工程完成城乡水利防灾减灾达标工程建设，达到防御50年一遇洪水标准，属2级堤防工程，堤顶设计高程按50年一遇洪水位加堤顶超高2m设防。在中顺大围防洪干堤枢纽工程中共有2座重要大型水闸，发挥着水资源调度、防洪蓄水等重要作用，东河水闸即为其中之一。东河水闸位于岐江河东端与横门水道交界处，与东河泵站、东河船闸组成东河水利枢纽工程，于1998年建设完成，共10孔，单孔净宽15m，总净宽150m，闸顶高程5m，径高10.2m，设计内、外江水位分别为0.5m、2.97m，最大过闸流量1020m3/s，是外江低潮位时中顺大围围内主要的排涝工程之一，将涝水排向横门水道。东河水闸乃是中顺大围防洪干堤东线工程中重要枢纽设施之一，其安全运营对东线干堤防洪的作用不言而喻，特别是在2019年和2020年夏天台风灾害愈演愈烈，强降雨导致了城市内涝等自然灾害频发，而该水闸受限于建设年代较早，运营时间较长，泄洪、排涝、调度水资源等作用大打折扣，对东线干堤整体防洪带来较大压力。为此，考虑对东河水闸枢纽工程进行加固，以提升中顺大围整体防洪能力，但由于目前东河水闸还处于较为安全运营状态，因而本次加固设计主要是进行“先遣式”研究，对比相关设计参数，进而为东河水闸后续加固设计施工提供重要参考作用。

工程设计部门对中顺大围防洪干堤水工设施调研后提出，东河水闸加固设计应重点放在闸墩结构，由于排涝、蓄水等工况影响，闸墩结构受到较为显著的动水压力和闸室结构自重等荷载。东河水闸所在工程场地以河流淤积土为主，表面覆盖土层含水量大，土工测试表明最优含水量为21%；现场钻孔获取的基岩层为片麻岩，混杂有砂岩与砂砾石等岩体，处于微风化状态，适合增设预应力锚索等加固结构。

3 东河水闸预应力锚索加固结构模拟分析

3.1 模拟工况

根据对中顺大围中线干堤东河水闸的分析，考虑对该水闸闸墩结构增设预应力锚索设施，以此提升水闸排涝效率，进而提升区域内防洪性能。通过对水闸运营荷载以及闸墩截面受力状态的分析，预应力锚索设计成主、次锚索分布，参照水闸锚固结构通用标准，主锚索设计张拉吨位为2800kN，预应力锚索截面布设状态见图1。主锚索设计上、下排结构，两排主锚索间距为240mm，而各排锚索由3根加固处理后的张拉钢筋组成，共有4根主锚索确保锚索预应力张拉有效。次锚索与主锚索垂直相交，双层布设，层间距为120mm，本次模拟设计中确定的参数主要为主锚索超载吨位与张拉吨位，次锚索张拉吨位和垫板厚度参数也是模拟分析的设计参数。由于预应力锚索与闸墩的连接方式为整体式，设垫板作为荷载传递载体，垫板平面图见图2，其厚度参数设计差异性会影响锚索与闸墩结构的拉、压应力变化，因而研究垫板厚度参数对优化设计具有重要意义。

图1 预应力锚索截面布设图

图2 垫板平面图

借助ABAQUS数值计算软件建立加固后的东线干堤坝上东河水闸模型，见图3。该模型采用三角形与四边形单元体进行网格划分，共获得微单元368216个，节点数328220个，干堤上、下游均设定为自由边界，上游洪水位为4.5m，洪水流量为115m3/s，均以闸门单侧开启作为研究工况，该工况下包括闸室自重、水压力、闸门推力、扬程压力及锚索预应力等荷载。为准确对东河水闸闸墩进行模拟，对其中增设的预应力锚索的重要部位进行提取，获得闸墩、锚块体的计算模型，见图4，并在图中闸墩模型处标注出包括锚块、锚固洞等特征部位所在区域。加固后水闸模型计算过程中，以东线干堤坝所在右岸方向为X正向，下游水流方向为Y正向，顺高度向上为Z正向[12]，在预定的几何模型中按照计算方案输入设计参数，计算获得相应的拉、压应力特征后更改研究的设计参数，获得改变参数后方案的应力特征，全过程中保持工况与边界荷载条件一致。

图3 东线干堤坝上东河水闸模型

图4 预应力锚索重要部位计算模型

3.2 次锚索张拉吨位参数设计

由于东河水闸模拟设计中主锚索设计吨位已被确定，拉锚系数取值为2，因而次锚索张拉吨位设计参数重点关注，根据次锚索张拉吨位与主锚索张拉吨位关系，本次优化方案设计次锚索张拉吨位为1400kN(A方案)、1600kN(B方案)、1800kN(C方案)、2000kN(D方案)、2200kN(E方案)，各方案中除次锚索张拉吨位不一致，其他设计参数均保持一致，各方案设计参数见表1。

表1 各方案加固结构设计参数

根据模拟工况下计算获得加固结构特征部位处最大拉应力与次锚索张拉吨位关系，并给出最大拉应力变化特征，见图5。从图5中可看出，东河水闸加固结构最大拉应力均处于锚块体上，在次锚索张拉吨位为1600kN时闸墩结构最大拉应力为2.21MPa，在锚块体下游面上，而与此同时在闸墩肩部和锚固洞截面上的最大拉应力相比前者分别降低了31.2%、57%，各特征部位上的差异性规律在其他张拉方案中亦是如此。分析认为，若采用预应力锚索对东河水闸枢纽工程进行加固设计，此时结构体系中受到最大张拉破坏威胁的是锚块体，其聚集了结构体系中较大的拉应力，虽然最大拉应力并未超过材料安全允许区间，但需重点关注防护。对比最大拉应力与次锚索张拉吨位关系可知，锚块体上最大拉应力随张拉吨位变化并无波动，各方案均稳定在2.2MPa，而受波动影响最大的是锚固洞，其最大拉应力随张拉吨位变化呈递减态势，张拉吨位为1400kN时锚固洞截面最大拉应力为1.08MPa，而张拉吨位增大至1800kN和2200kN后，相应的最大拉应力相比前者分别降低了23.7%、38.2%，计算张拉吨位增长幅度与最大拉应力递减幅度可知，当张拉吨位增大200kN时，锚固洞截面上最大拉应力的最大降幅为13.4%，而平均可降低幅度为11.3%，表明张拉吨位设计参数大，可限制锚固洞上拉应力发展，对锚固洞安全稳定性具有促进作用。闸墩肩部最大拉应力波动幅度较小，最大波动幅度仅为0.8%，表明闸墩肩部拉应力对张拉吨位影响的敏感度弱于锚固洞截面。

图5 张拉吨位影响下最大拉应力变化特征

拉应力可体现东河水闸模拟设计过程中结构安全稳定性，而压应力可体现结果运营过程中闸墩结构与预应力锚索间的应力传递效果，为此，给出模拟设计中水闸闸墩特征部位最大压应力与张拉吨位关系，见图6。从图6最大压应力变化特征可知，模拟设计的闸墩结构最大压应力随张拉吨位变化较稳定，无显著波动性，最大压应力仍位于锚块体，各设计方案中最大压应力均保持一致，为18.6MPa，而闸墩肩部与锚固洞截面上的最大压应力分别稳定在9.5MPa、7.2MPa，闸墩肩部处最大压应力变化幅度最大仅为1.5%。综上分析，次锚索张拉吨位对水闸闸墩最大压应力影响较小，可忽略其对加固结构影响，而结合拉、压应力表现认为张拉吨位取2200kN是东河水闸加固的最优方案。

图6 张拉吨位影响下最大压应力变化特征

4 加固结构参数设计分析

垫板作为闸墩与预应力锚索间重要传递载体，其厚度参数优化设计对比方案分别设定为30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm，垫板截面尺寸均为45cm×45cm，锚索其他设计参数均保持一致，对上述模拟设计方案开展对比分析。

图7为东河水闸加固结构特征部位最大拉应力与垫板厚度参数间关系曲线。从图7可知，除闸墩肩部外，锚固洞截面与锚块体最大拉应力均随垫板厚度增加而递增，在垫板厚度为30mm时，锚块最大拉应力为2.63MPa，而垫板厚度为50mm、70mm、80mm时的最大拉应力是前者的1.13倍、1.33倍、1.56倍，从拉应力增长幅度可知，垫板厚度为30～60mm，厚度每增长10mm，锚固最大拉应力可增大6.3%，而在厚度为60～80mm，相同条件下的最大拉应力增长幅度为14.1%，表明锚块最大拉应力随垫板厚度的增长幅度为越来越大，锚固洞处变化趋势亦是如此，垫板厚度为30～60mm与60～80mm，厚度每增长10mm，分别可影响最大拉应力5%、19.2%的增长。另一方面，闸墩肩部最大拉应力受垫板厚度抑制显著，两者具有显著线性负相关关系，垫板厚度为50mm、80mm时的肩部部位处最大拉应力相比厚度30mm时降低了13.1%、25.4%，垫板厚度设计参数越大，越有利于闸墩肩部处应力安全。

图7 垫板厚度影响下最大拉应力变化特征

图8为垫板厚度参数影响下加固结构最大压应力变化特征。从图8可知，加固结构最大压应力均随垫板厚度增加而递增，垫板厚度为50mm、80mm时的锚固洞截面部位处最大压应力相比厚度30mm时增大了9%、17.7%，即东河水闸采用垫板作为传递应力载体后，其压应力表现状态良好，对水闸在低于动水压力时具有较好的“抵抗”作用。从不同垫板厚度方案结果可知，在60mm后再增加厚度，最大压应力的增长变缓，厚度80mm时锚块最大压应力相比厚度70mm时仅增长了1.3%，表明厚度参数取值在合理区间即可。综上对比分析，考虑工程经济设计因素，不能一味地增大垫板厚度，对于东河水闸模拟设计工况中来说，垫板厚度参数取值为60mm为较佳方案。

图8 垫板厚度影响下最大压应力变化特征

5 结 语

针对中顺大围干堤东线工程中东河水闸防洪稳定性能提升问题，设计对其进行模拟加固分析，对加固设计结构参数进行优化，主要得到以下几点结论：

a.次锚索张拉吨位方案优化中，结构最大拉应力均位于锚块部位，应对其进行重点设计防护；锚块与肩部处最大拉应力受张拉吨位影响较小，各设计方案下均分别稳定在2.2MPa、1.5MPa，锚固洞截面最大拉应力受张拉吨位影响较显著，且呈递减态势，张拉吨位增大200kN时，平均降幅为11.3%。

b.闸墩加固结构最大压应力受张拉吨位影响较小，最大压应力出现在锚块上，各方案中锚块最大压应力均稳定在18.6MPa；而加固结构最大压应力均随垫板厚度增加而递增，厚度60mm后最大压应力增长幅度减小。

c.锚固结构上最大拉应力随垫板厚度增加而递增，垫板厚度为30～60mm、60～80mm时，厚度每增长10mm，锚固最大拉应力分别增大6.3%、14.1%；结构肩部处最大拉应力受垫板厚度设计参数抑制显著，且两者具有线性负相关关系。

d.综合工程设计安全可靠性与经济性，张拉吨位为2200kN、垫板厚度参数为60mm时为模拟设计工况中的最优方案。