陳 超，王 霄，齊春舫，谷 靜，胡林生

(淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005)

水工建設(shè)中設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化可提升工程壽命及運營效率，為工程建設(shè)安全性提供保障[1-3]，研究水工建筑的設(shè)計參數(shù)優(yōu)化問題具有重要意義。一些專家與學(xué)者認為，水工模型試驗理論乃是適配于實驗室研究水工靜、動力特性及滲流場特征的重要手段，開展消力池[4]、溢洪道[5]及泄洪閘[6]等諸多水工設(shè)施的模型試驗，研究了不同工況、不同設(shè)計方案下的水力特征，推動了模型試驗在水工設(shè)計中的應(yīng)用水平。另一方面，一些學(xué)者認為水工建筑中采用模型試驗雖精度較高、結(jié)果較可靠，但不可忽視其試驗成本、試驗周期，因而高效率的研究手段在水工設(shè)計中具有重要意義，例如有宏微觀監(jiān)測分析[7]、理論計算[8]及水工材料基礎(chǔ)室內(nèi)力學(xué)試驗[9]等，均是為工程高效設(shè)計提供依據(jù)與參考。仿真計算是一種快速的模擬方法，一些專家根據(jù)水工建筑特點，利用ANSYS[10]、COMSOL[11]等仿真平臺建立有限元模型，改變不同設(shè)計參數(shù)計算模型靜、動力特征，對比各設(shè)計方案得到的差異性，進而評價方案的最優(yōu)性。本文為研究擋墻側(cè)壁現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的最優(yōu)化，計算分析了不同側(cè)壁厚度方案下應(yīng)力與位移特征，為選擇工程最佳設(shè)計提供了計算參考。

1 工程仿真建模

1.1 工程概況

為提升淮河下游農(nóng)業(yè)灌渠用水安全性，對輸水管線沿線水工建筑開展除險調(diào)查，針對性解決輸水耗散過大的問題，提升灌區(qū)輸水管線水工結(jié)構(gòu)安全性?；窗簿硟?nèi)灌區(qū)面積超過80km2，輸水管線全長為105km，分為南、北兩側(cè)干線，并且在主干線中穿插有支線管道，所有管道均采用PCCP標(biāo)準管道，具備較大承壓、抗拉特性，最大抗壓應(yīng)力可達35MPa，且管線內(nèi)降淤排沙效果較好，流速穩(wěn)定性較佳，沿線管道控制流速為0.35～0.5m/s，渠底采用雙層式防滲襯砌結(jié)構(gòu)截面，有效降低由于渠底水壓過大而引起的滲水壓力，管線兩側(cè)渠坡土質(zhì)以粉質(zhì)粘土為主，其沉降變形較少，密實度較大，也是工程建設(shè)初期對土層分層壓實帶來的正面效應(yīng)。在淮安灌區(qū)輸水管線全干線中共有多座中小型水閘、抽水泵站及調(diào)壓塔等水工建筑，構(gòu)成了灌區(qū)水利控制樞紐的層次性，其中水閘為下游水廠源頭的來水流量控制設(shè)施，各水閘中設(shè)計最大過閘流量為106m3/s，位于灌區(qū)堂子巷二道閘處，是灌區(qū)中下游重要過閘水流水力控制設(shè)施。調(diào)壓塔位于北線干堤與下游用水設(shè)施之間，距離上游集水源15km，為干線上提壓輸水的中轉(zhuǎn)站，進出水口截面為弧型，半徑為3.2m，與輸水管道相匹配，配備有節(jié)制閥開關(guān)，對進水流量精確控制，可控制管線內(nèi)流量不超過10L/s。與調(diào)壓塔、二道閘相鄰近的水工建筑乃是洪橋抽水泵站，最大引水流量為235m3/s，進水池內(nèi)深度為2.4m，首、尾側(cè)均設(shè)置有半徑為2.2m的弧型鋼閘門，配備有沉砂池、排沙閘等降淤設(shè)施，有效減弱上游泥沙淤積對泵站引水性能的影響。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查得知，洪橋抽水泵站下游兩側(cè)土體滑移面受泵站動力振動影響較顯著，特別是在泵站引水工作時，易引起土體出現(xiàn)潛在滑移面，工程管理部門認為洪橋泵站因配置有擋土邊墻，可有效降低泵閘進水側(cè)過大的土壓力。洪橋泵站擋墻擬采用水工預(yù)制拼裝式，高度為15.8m，墻底板寬度為16m，墻頂、底板厚度分別為1.4、1.2m，箱涵厚度為0.8m，涵內(nèi)底板厚度為0.6m，寬度為3.6m，前、后墻均為預(yù)制式構(gòu)件，厚度為1m，側(cè)壁乃是現(xiàn)澆式構(gòu)件，其厚度參數(shù)影響著擋墻頂、底板應(yīng)力傳遞，洪橋擋墻設(shè)計立面圖如圖1所示。由于該擋墻頂、底板等構(gòu)件均為預(yù)制式，而側(cè)壁構(gòu)件作為預(yù)留現(xiàn)澆，其厚度設(shè)計參數(shù)乃是擋墻結(jié)構(gòu)性能最大化的關(guān)鍵。

圖1 擋土墻立面示意圖

1.2 仿真建模

根據(jù)水工結(jié)構(gòu)設(shè)計可知，洪橋抽水泵站擋墻結(jié)構(gòu)整體設(shè)計模型如圖2所示，將所建立起的擋墻幾何模型與Abaqus仿真計算平臺建立聯(lián)系[12-13]，獲得了洪橋擋墻結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖3所示。該模型經(jīng)網(wǎng)格劃分后共獲得微單元體168922個，節(jié)點數(shù)136428個，采用四邊體作為微單元體，特別在本文重點研究的側(cè)壁構(gòu)件處加密網(wǎng)格，確保結(jié)構(gòu)計算精度。該模型中外荷載包括有結(jié)構(gòu)自重、上游迎水側(cè)靜水壓力等，故模型頂部設(shè)置有法向約束邊界條件，底部設(shè)置有零自由度約束體系，兩側(cè)均為橫向變形邊界條件。從擋墻結(jié)構(gòu)計算深度可知，模型最大影響范圍不超過基礎(chǔ)土體深度30m，也不超過上、下游水流軸線長度20m。為分析方便，本文中設(shè)定計算模型的X、Y、Z正向分別為墻體軸線右向方向、泵站背水側(cè)方向及豎直向上方向。

圖2 擋墻結(jié)構(gòu)整體設(shè)計模型

圖3 擋土墻劃分網(wǎng)格后模型

從本文重點分析的側(cè)壁厚度設(shè)計參數(shù)入手，已知箱涵底板厚度0.6m，而側(cè)壁厚度作為荷載傳遞構(gòu)件，其壁厚勢必不可低于箱涵底板厚度0.6m；另一方面，該預(yù)制水工擋墻的頂、底板最厚處為1.4m，側(cè)壁厚度不應(yīng)超過頂板最大厚度，故限定側(cè)壁厚度為0.6～1.4m。為確定壁厚最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，本文設(shè)定壁厚計算對比組分別為0.6m(A方案)、0.75m(B方案)、0.9m(C方案)、1.05m(D方案)、1.2m(E方案)、1.35m(F方案)，擋墻頂、底板及踵板等設(shè)計參數(shù)均保持一致，研究側(cè)壁厚度設(shè)計參數(shù)影響下?lián)鯄Y(jié)構(gòu)靜力特性，進而評價最適宜方案。

2 擋墻設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)應(yīng)力特征影響

從擋墻設(shè)計方案仿真計算結(jié)果考慮，本文從擋墻結(jié)構(gòu)中選擇墻頂板與側(cè)壁連接部位為A特征部位，而側(cè)壁與底板相連的墻趾部作為B特征部位，C特征部位為墻底板底部，所在位置如圖4所示，從3個特征部位的應(yīng)力特征開展對比分析。

圖4 特征部位位置示意圖

2.1 拉應(yīng)力特征

根據(jù)對各設(shè)計方案的應(yīng)力計算，獲得壁厚設(shè)計參數(shù)與擋墻結(jié)構(gòu)特征部位最大拉應(yīng)力變化關(guān)系，如圖5所示。從圖5中可知，擋墻結(jié)構(gòu)中拉應(yīng)力最大位于底板C部位，其在各設(shè)計方案中最大拉應(yīng)力分布為0.923～4.08MPa，而相應(yīng)的頂板A部位、側(cè)壁墻趾B部位最大拉應(yīng)力較前者的差幅分別達25.9%～41.5%、34.3%～69.1%，表明應(yīng)合理控制擋墻結(jié)構(gòu)上各部位配筋設(shè)置，特別是在側(cè)壁與墻底板、墻趾連接部位處應(yīng)加密配筋，提升該部位剛度，增強抗拉特性。3個特征部位最大拉應(yīng)力隨壁厚參數(shù)均呈先減后增變化，均在壁厚參數(shù)1.05m時為各方案中最低拉應(yīng)力，頂板A部位、墻趾B部位、底板C部位在該方案中最大拉應(yīng)力分別為0.79MPa、0.61MPa、0.92MPa，而在壁厚0.6、0.9m時頂板A部位相應(yīng)的最大拉應(yīng)力較前者分別增長了2.85倍、1.5倍，同時壁厚1.2、1.35m方案中A部位最大拉應(yīng)力較方案1.05m時也分別增大了48.2%、187%。從整體設(shè)計方案壁厚參數(shù)區(qū)間來看，當(dāng)壁厚參數(shù)位于0.6～1.05m區(qū)間時，壁厚每增大0.15m，頂板A部位、墻趾B部位、底板C部位最大拉應(yīng)力隨之平均減少32.9%、27.9%、34.3%；而在壁厚1.05～1.35m區(qū)間內(nèi)，3部位最大拉應(yīng)力隨之平均增幅為71%、57.5%、85.2%。分析表明，擋墻結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力受壁厚參數(shù)影響具有促進與抑制區(qū)間，側(cè)壁結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)盡量考慮壁厚參數(shù)位于拉應(yīng)力抑制區(qū)間。從本文計算拉應(yīng)力結(jié)果來看，當(dāng)壁厚參數(shù)為1.05m時，擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計處于較優(yōu)狀態(tài)，為最佳方案。

圖5 壁厚參數(shù)影響下特征部位最大拉應(yīng)力特征

2.2 壓應(yīng)力特征

同理，計算獲得側(cè)壁厚度設(shè)計參數(shù)與擋墻結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力變化關(guān)系，如圖6所示。從圖6中可知，擋墻各部位中最大壓應(yīng)力位于底板C部位，各方案中其最大壓應(yīng)力可達1.79～4.13MPa，而相比前者，墻頂板A部位、墻趾B部位最大壓應(yīng)力僅為前者的22.2%～47.9%、62.2%～81.1%，在C部位處具有較好的預(yù)壓面，抗滑移、抗變形效果均較佳。從壁厚參數(shù)影響壓應(yīng)力來看，墻趾B部位、底板C部位最大壓應(yīng)力隨壁厚參數(shù)均為遞增狀態(tài)，當(dāng)壁厚參數(shù)為0.6m時，兩部位最大壓應(yīng)力分別為1.11MPa、1.79MPa；而壁厚參數(shù)增長至0.75m時，兩部位最大壓應(yīng)力較前者分別增大了68.3%、62%；而在壁厚參數(shù)1.05m時，相應(yīng)最大壓應(yīng)力又分別增長了1.94倍、1.29倍；在壁厚參數(shù)1.05m后，增幅減弱。綜合來看，在壁厚參數(shù)0.6～1.05m區(qū)間，墻趾B部位、底板C部位最大壓應(yīng)力分別平均增長45.4%、33.5%，而在壁厚1.05～1.35m區(qū)間，平均增長幅度僅為1.1%、0.5%。分析認為，壁厚參數(shù)愈大，愈有利于擋墻結(jié)構(gòu)底板、墻趾處受壓，但其效果在壁厚參數(shù)1.05m后面臨“飽和”狀態(tài)，過大的壁厚參數(shù)，對結(jié)構(gòu)抗傾覆效果并無較大正面促進效應(yīng)，反而可能會引起工程成本的增加，故應(yīng)控制壁厚參數(shù)在適宜區(qū)間即可[14-15]。與B、C特征部位不同的是，墻底板A部位最大壓應(yīng)力在各設(shè)計方案中均處于較穩(wěn)定狀態(tài)，分布為0.89～0.93MPa，各方案間最大波動幅度不超過2%，表明墻頂板處壓應(yīng)力受壁厚參數(shù)影響較小。由上分析可知，壁厚參數(shù)選擇1.05m，不僅有利于結(jié)構(gòu)抗拉特性，對擋墻壓應(yīng)力狀態(tài)亦是較佳。

圖6 壁厚參數(shù)影響下特征部位最大壓應(yīng)力特征

2.3 應(yīng)力分布特征

根據(jù)對擋墻結(jié)構(gòu)填土側(cè)、迎水側(cè)及底板3個面的應(yīng)力特征計算，獲得各特征面上應(yīng)力分布特征，壁厚參數(shù)1.05m方案下?lián)鯄Y(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特征如圖7所示。從該擬選最優(yōu)方案中可知，填土側(cè)、迎水側(cè)拉應(yīng)力分布區(qū)間分別為0.68～0.8MPa、0.56～0.68MPa，量值較低，最大拉應(yīng)力位于底板部位，達0.92MPa，滿足結(jié)構(gòu)材料允許值要求。底板上拉應(yīng)力主要以0.33～0.56MPa為主，有利于結(jié)構(gòu)抗拉設(shè)計。綜合應(yīng)力分布特征與量值特征，壁厚參數(shù)1.05m為應(yīng)力評價的最優(yōu)方案。

圖7 擋墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特征

3 擋墻設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)位移特征影響

位移特征乃是反映結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，本文根據(jù)不同壁厚設(shè)計方案計算獲得擋墻結(jié)構(gòu)上X、Y、Z負向最大位移變化特征，如圖8所示。從圖8中可知，擋墻結(jié)構(gòu)上位移量最大為Z向，即擋墻結(jié)構(gòu)以發(fā)生沉降變形為主，各設(shè)計方案中沉降位移分布在6.2～13.4mm。Z、Y向最大位移值具有一致性，兩者隨壁厚參數(shù)均呈先減后增變化，在壁厚1.05m方案下為最低位移值，分別為6.2、4.8mm，而壁厚為0.6、0.9m時Y向位移較前者分別增長了117%、19%，而壁厚增大至1.2、1.35m后Y向位移較壁厚1.05m時分別提高了23.2%、67.5%；Y向位移在壁厚0.6～1.05m區(qū)間內(nèi)平均降低22.6%，在1.05～1.35m區(qū)間內(nèi)平均增長29.6%，同樣Z向位移在該兩區(qū)間內(nèi)的平均變幅分別為22.6%、31.9%，故控制Z、Y向位移的關(guān)鍵是使壁厚參數(shù)位于遞減區(qū)間。與前兩向位移不同的是，X向位移在各方案中處于穩(wěn)定狀態(tài)，分布在3.29～3.34mm，最大變幅不超過3%，表明X向位移受壁厚參數(shù)的影響并不敏感。從應(yīng)力評價的最優(yōu)方案可知，壁厚1.05m方案下Z、Y向位移均滿足前述分析要求，而X向位移下亦處于較低水平。

圖8 壁厚參數(shù)影響下?lián)鯄ξ灰铺卣?/p>

4 結(jié)論

(1)擋墻最大拉應(yīng)力位于底板C部位；結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力受壁厚參數(shù)影響具有促進與抑制區(qū)間，在壁厚參數(shù)1.05m方案中拉應(yīng)力最小，該方案下拉應(yīng)力分布有利于抗拉特性。

(2)最大壓應(yīng)力位于底板C部位；墻趾B部位、底板C部位最大壓應(yīng)力隨壁厚參數(shù)變化的增幅在壁厚1.05m后放緩；墻底板A部位最大壓應(yīng)力受壁厚參數(shù)影響較小，分布區(qū)間為0.89～0.93MPa。

(3)擋墻以沉降變形為主；Z、Y向最大位移值在壁厚1.05m方案下最低，Z、Y向位移的遞減、遞增效應(yīng)具有一致性；X向位移在各方案中最大變幅不超過3%。

(4)綜合應(yīng)力與位移特征，認為壁厚參數(shù)1.05m時為最優(yōu)方案。