蔣東晟

(濟寧市水務(wù)綜合執(zhí)法支隊，山東 濟寧 272000)

1 概述

擋墻結(jié)構(gòu)是水利工程中一種重要加固、防滲設(shè)施，其在堤防工程[1]、水閘[2]及溢洪道[3]等水工建筑中應(yīng)用較廣，對提升水利運營安全性具有重要意義，故研究擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化具有重要作用，特別是開展擋墻設(shè)計與加固工程的靜力穩(wěn)定性[4]、滲流安全性[5]，從綜合分析角度考慮結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計，有利于推動水工設(shè)計水平。舒天白等[6]、李平[7]、茹秋瑾等[8]采用ABAQUS、COMSOL、ANSYS等數(shù)值計算軟件對擋墻結(jié)構(gòu)開展建模分析，研究了擋墻靜、動力場特征，評價運營工況下結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性。胡樂文等[9]、陳似華[10]基于滲流場離散元模擬研究，采用FLUENT平臺開展了水工結(jié)構(gòu)的滲流計算，分析滲流場特征參數(shù)來評估結(jié)構(gòu)設(shè)計利弊性，為工程建設(shè)提供參考。對于水工結(jié)構(gòu)靜力計算以及滲流計算，羅強等[11]、肖成志等[12]根據(jù)模型試驗方法，對擋墻結(jié)構(gòu)水工模型開展運營試驗，分析其運營中結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移變化及滲流特征，從而豐富結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化評價成果。本文基于北湖堤防運營現(xiàn)狀，采用滲流場與靜力場綜合計算對比方法，研究了擋墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移及滲流特征參數(shù)變化，為確定最優(yōu)設(shè)計參數(shù)提供參考。

2 工程設(shè)計模擬

2.1 工程背景

為提升濟寧市北湖堤防工程運營安全穩(wěn)定性，針對北湖北堤-南二環(huán)、濱河路-湖東堤等區(qū)段內(nèi)堤防開展除險加固設(shè)計，原防洪方案按照90年一遇洪水標準設(shè)計，最大洪水位設(shè)計為37 m。根據(jù)對北湖險堤調(diào)查得知，目前需要重點防滲加固的區(qū)段堤防長度為4.3 km，局部堤身監(jiān)測獲得最大滲透坡降超過0.25，滲流活動較活躍，不利于堤防工程安全運營，而本文研究的重點加固區(qū)段位于K0+135～K0+995，堤頂高程為39.99 m，堤頂寬度為4 m，設(shè)計有橋涵等行車交通設(shè)施，最大防洪水位為36.5 m，該區(qū)段內(nèi)共有3座節(jié)制閘，采用多孔式水閘設(shè)計形態(tài)，單孔凈寬度超過15 m，設(shè)計最大泄流量為315 m3/s，采用弧形鋼閘門結(jié)構(gòu)形式，半徑為7 m，底緣結(jié)構(gòu)前傾為45°，最大面板壓強可承受100 kPa，有效降低過閘流量水力勢能與水沙懸浮。重點加固區(qū)段內(nèi)堤防下游采用水下清淤方式，降低河床高程，清淤高程至32.50 m，清淤方向為東西向，清淤區(qū)域距離堤防邊界為28 m，全長為1 900 m，緩解上游堤防受水力勢能沖擊影響。區(qū)段內(nèi)重點水利設(shè)施還包括有泄洪閘設(shè)施，采用雙支臂支承結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)對泄洪閘的模擬計算表明，其結(jié)構(gòu)體系最大拉應(yīng)力為1.6 MPa，位移不超過12 mm，其穩(wěn)定性與堤防內(nèi)滲流活動密切相關(guān)，當?shù)躺韽搅鬏^活躍，會對泄洪閘墩產(chǎn)生一定滲流影響[13]，所有閘墩均在早前完成加固，墩身直徑為2.2 m，采用預(yù)應(yīng)力錨索，每根張拉錨索最大荷載可達1 000 kN，截面主、次錨索布設(shè)如圖1所示，主、次錨索間距分別為200 mm、80 mm。

圖1 閘墩內(nèi)主、次錨索平面布置示意

根據(jù)北湖堤防升級改造要求，目前已完成堤身生態(tài)護坡與混凝土預(yù)制砌塊硬化加固，提升堤防岸坡整體靜力穩(wěn)定性[14]，但堤防滲流監(jiān)測表明滲透坡降水平仍較多，因而在不影響堤防靜力穩(wěn)定性前提下，考慮加固結(jié)構(gòu)對滲流活動影響。通過對國內(nèi)多個堤防加固方案分析，濟寧北湖堤防考慮采用加筋土扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)形式。由于加筋土擋墻不僅需要考慮擋墻自身結(jié)構(gòu)設(shè)計，也需考慮格柵加筋設(shè)計效果，確保其受力、位移及防滲效果與擋墻一致性，本工程中計劃采用鋼絲格柵材料，是一種強度高、密閉性較佳的格柵材料(見圖2)，其加筋肋與墻身可達到較好契合度，但針對加筋土擋墻格柵單個網(wǎng)孔尺寸還處于討論環(huán)節(jié)，設(shè)計部門計劃分析不同網(wǎng)孔設(shè)計方案下的技術(shù)優(yōu)勢，從而確定最佳設(shè)計方案。

圖2 鋼絲格柵示意

2.2 設(shè)計模擬

針對堤防鋼絲格柵擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化問題，經(jīng)對堤防堤防附屬水工設(shè)施簡化后，采用Midas GTS仿真平臺完成有限元建模(如圖3所示)，該模型可導(dǎo)入FLUENT平臺中完成離散元化，獲得滲流場計算離散元模型，流場斷面計算距離控制在與溢流面距離相當?shù)膿鯄嗝鎱^(qū)域。該模型中包括有擋墻面板迎、背水側(cè)及墻身、墻頂?shù)汝P(guān)鍵部位，共劃分獲得有限元網(wǎng)格為14 662個，節(jié)點數(shù)為126 822個，其中擋墻面板厚度為1.2 m，扶壁采用扶肋設(shè)計，間距為1 m，墻踵板厚度為1.4 m，墻頂具有多階次設(shè)計形式，每個階高為7.5 m。而針對格柵結(jié)構(gòu)，其布設(shè)間距為1.8 m，本文重點探討鋼絲格柵網(wǎng)格尺寸參數(shù)，按照格柵間距與網(wǎng)格參數(shù)差距不低于1/10設(shè)計，在確定鋼絲格柵網(wǎng)格均為方形，以其邊長參數(shù)為分析對象，設(shè)定為3 cm、6 cm、9 cm、12 cm、15 cm、18 cm。

圖3 有限元模型示意

由于本文不僅需要考慮結(jié)構(gòu)靜力場穩(wěn)定性問題，也需考慮滲流場影響變化，故模型所受荷載包括有結(jié)構(gòu)自重、動與靜水壓力，以擋墻結(jié)構(gòu)影響范圍計算動水壓力，而靜水壓力參照北湖堤防上游水位32.5 m計算。參照堤防處設(shè)置擋墻的工程實際，在擋墻頂、底部分別設(shè)定為全自由度與零自由度邊界條件，在邊界面上設(shè)置為光滑接觸，不影響滲流場與應(yīng)力場分布。模型中X、Y、Z3個正方向分別為堤防下游清淤方向、水流與堤防垂直向及自重應(yīng)力方向。鋼絲格柵扶壁式擋墻的重要部位包括有面板層、扶肋扶壁及頂板與踵底板等部位，其中面板層是直接反映格柵分布對結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響的關(guān)鍵部位(如圖4所示)。本文基于對鋼絲格柵不同設(shè)計方案開展靜力場計算與滲流場分析，為確定結(jié)構(gòu)的最適配參數(shù)提供依據(jù)。

圖4 擋墻結(jié)構(gòu)重要部位示意

3 格柵設(shè)計參數(shù)對靜力穩(wěn)定性影響

3.1 應(yīng)力特征

根據(jù)對不同部位處應(yīng)力為分析，獲得格柵設(shè)計影響下結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力變化特征(如圖5所示)。根據(jù)對圖5中拉應(yīng)力特征分析，擋墻結(jié)構(gòu)上拉應(yīng)力最大位于扶肋扶壁處，當格柵網(wǎng)格尺寸變化，其拉應(yīng)力分布為3.2～8.45 MPa，而典型的頂板、面板迎水側(cè)較前者分別減少了9.9%～20%、25.2%～40.7%、25.2%～40.7%；從扶肋扶壁拉應(yīng)力變化可知，作為連接墻頂、底板的關(guān)聯(lián)構(gòu)件，其在接觸界面處極易受到張拉應(yīng)力集中作用，進而導(dǎo)致該部位上分布有較大拉應(yīng)力，故結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)重點關(guān)注，加密配筋以增強結(jié)構(gòu)抗拉能力[15-16]。

圖5 最大拉應(yīng)力影響變化示意

當格柵網(wǎng)格尺寸增大后，扶肋扶壁、頂板及面板拉應(yīng)力均為先減后增變化，以格柵網(wǎng)格12 cm方案下拉應(yīng)力最低，分別為3.2 MPa、2.54 MPa、2.05 MPa，當格柵網(wǎng)格尺寸位于3～12 cm時，格柵網(wǎng)格尺寸愈大，則對此3部位上拉應(yīng)力具有抑制作用，各方案間網(wǎng)格尺寸每增長3cm，則3部位拉應(yīng)力分別減少27.8%、29.6%、27.8%，而格柵網(wǎng)格尺寸超過12 cm后，由于網(wǎng)格間隙超過結(jié)構(gòu)最低拉應(yīng)力所能承受區(qū)間，此3個部位拉應(yīng)力均遞增，平均增幅分別為51.8%、54.4%、45.6%；分析上述3個部位拉應(yīng)力表現(xiàn)可知，以頂板部位受格柵網(wǎng)格尺寸影響最大，表明該部位上拉應(yīng)力對鋼絲格柵加筋特征較為敏感。與前3部位不同的是，踵底板處拉應(yīng)力在各方案中均處于較穩(wěn)定不變狀態(tài)，維持在1.7 MPa左右，表明不論鋼絲格柵網(wǎng)格尺寸如何，對踵底板上拉應(yīng)力影響較小，也不會改變踵底板上受力狀態(tài)。綜合結(jié)構(gòu)上拉應(yīng)力影響特征，考慮抗拉效應(yīng)的技術(shù)優(yōu)勢特征，以格柵網(wǎng)格尺寸12 cm時最大，以此為設(shè)計方案較為恰當。

同理，可獲得結(jié)構(gòu)上壓應(yīng)力受格柵網(wǎng)格尺寸影響變化特征(如圖6所示)。根據(jù)筆者分析壓應(yīng)力變化趨勢，踵底板上壓應(yīng)力最大，此與該部位壓應(yīng)力來源于結(jié)構(gòu)自重有關(guān)，表明擋墻結(jié)構(gòu)受力體系中，仍以結(jié)構(gòu)自重為最關(guān)鍵。分析網(wǎng)格尺寸影響壓應(yīng)力特征可知，網(wǎng)格尺寸愈大，結(jié)構(gòu)受壓效果愈顯著，但不可忽視網(wǎng)格尺寸過大，對壓應(yīng)力提升作用有所減弱，以扶肋扶壁為例，其在網(wǎng)格尺寸3 cm時最大壓應(yīng)力為8.06 MPa，而網(wǎng)格尺寸6 cm、12 cm、18 cm下壓應(yīng)力較前者分別增長了27.2%、75.9%、76%，在網(wǎng)格尺寸3～12 cm方案內(nèi)時，扶肋扶壁壓應(yīng)力隨網(wǎng)格尺寸增長的平均增幅為20.9%，而網(wǎng)格尺寸12 cm后壓應(yīng)力漲幅基本處于停滯，平均增幅僅為0.04%，即鋼絲格柵網(wǎng)格尺寸參數(shù)對結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力影響減弱。

圖6 最大壓應(yīng)力影響變化示意

踵底板及面板部位壓應(yīng)力受格柵網(wǎng)格尺寸影響與前者基本一致，在尺寸3～12 cm方案內(nèi)時，兩者壓應(yīng)力分別具有平均增幅17.1%、29.6%，最大增幅分別可達23.3%、43.4%，而在網(wǎng)格超過12 cm后，則平均增幅僅為0.25%、0.45%。由此可知，格柵網(wǎng)格對結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力影響具有合理尺寸，不在該合理尺寸附近，則結(jié)構(gòu)預(yù)壓效果并不顯著，從本文模擬計算結(jié)果可知，該合理尺寸位于12 cm左右。綜合結(jié)構(gòu)應(yīng)力特征影響特性，鋼絲格柵網(wǎng)格尺寸為12 cm時結(jié)構(gòu)抗拉、預(yù)壓技術(shù)優(yōu)勢最顯著。

3.2 位移特征

位移特征反映了結(jié)構(gòu)在運營工況下微觀變化，本文依據(jù)格柵網(wǎng)格尺寸差異，得出三向位移變化特征(如圖7所示)。觀察圖中位移變化可知：Z向位移最大，各方案中分布為4.5～12.6 mm，印證了結(jié)構(gòu)自重乃是導(dǎo)致位移發(fā)生的最大本質(zhì)原因。當格柵網(wǎng)格尺寸增大后，各向位移均隨之遞減，但降低幅度具有變化節(jié)點，均在格柵網(wǎng)格尺寸12 cm方案后位移降幅減緩，X、Y、Z向在該方案下位移分別為3.45 mm、2.03 mm、4.7 mm，而X向位移較之網(wǎng)格尺寸為3 cm、9 cm時分別減少了65.1%、30.8%，但網(wǎng)格尺寸為15 cm、18 cm時較之該變化節(jié)點方案下分別減少了3.3%、3.6%，從整體位移變幅看，在網(wǎng)格尺寸3～12 cm方案內(nèi)，X向位移隨各方案的平均降幅為29.6%，而尺寸在12cm后，平均降幅僅為1.8%。該現(xiàn)象在Y、Z向位移中亦是如此，在尺寸3～12 cm方案內(nèi)，平均降幅分別為34.1%、28%，最大降幅分別可達37.5%、28.3%，而網(wǎng)格超過12 cm后，最大降幅分別僅為7.6%、4.1%，平均降幅分別為3.9%、2.1%。分析認為，控制鋼絲格柵網(wǎng)格尺寸在合理區(qū)間內(nèi)更利于結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)優(yōu)勢，從位移影響變化結(jié)果可認為，格柵網(wǎng)格尺寸不應(yīng)超過12 cm，而綜合結(jié)構(gòu)靜力場變化，鋼絲格柵網(wǎng)格尺寸以12 cm下最安全。

圖7 各向位移影響變化示意

4 格柵設(shè)計參數(shù)對滲流場影響

依據(jù)FLUENT流場模擬計算平臺，完成對各格柵網(wǎng)格尺寸方案下滲流場特征參數(shù)計算，圖8為北湖堤防擋墻處上、下游區(qū)段內(nèi)流速變化特征。

圖8 各方案下斷面流速特征示意

從圖8中可看出，不同方案中區(qū)段上流速變化有所差異性，但整體量值水平以網(wǎng)格尺寸愈大者更高，即格柵網(wǎng)格尺寸與流速水平具有正相關(guān)關(guān)系。在網(wǎng)格尺寸為3 cm時區(qū)段上平均流速為0.22 m/s，而網(wǎng)格尺寸為6 cm、12 cm、18 cm方案內(nèi)的平均流速分別增長了1.45倍、3.1倍、6.5倍，網(wǎng)格尺寸每增長3 cm，平均流速水平可增長54.9%，表明網(wǎng)格尺寸愈大，對堤防河道斷面上流速控制愈不利。另一方面，流速過小并不是最合理的，當流速過小時，造成堤防迎水側(cè)泥沙懸浮、排沙沖淤效果削弱，對泥沙等水流雜質(zhì)的沖刷作用同樣也會減弱，對北湖內(nèi)水生態(tài)環(huán)境影響具有負面影響[17-18]。當分析各方案中流速變化可知，格柵網(wǎng)格為尺寸愈高的方案中雖流速較大，但波動性亦較大，在格柵網(wǎng)格為15 cm、18 cm方案中，區(qū)段流速波幅最大分別超過20.2%、18.6%，可能對堤防局部流體活動產(chǎn)生渦旋、紊流效應(yīng)，與擋墻結(jié)構(gòu)安全運營設(shè)計的目的相背道。而在網(wǎng)格為3 cm、6 cm尺寸較小的方案中，也會出現(xiàn)上游或下游斷面上的非穩(wěn)定流速，分別在斷面為12 m、6 m處具有最大波幅，故網(wǎng)格尺寸較小也不適合安全設(shè)計。綜合討論，認為網(wǎng)格尺寸為12 cm時流速穩(wěn)定性最佳，全斷面上最大波幅不超過1%，與靜力場的技術(shù)優(yōu)勢結(jié)合之下，此方案具有最綜合最優(yōu)技術(shù)。

5 結(jié)語

1) 扶肋扶壁處拉應(yīng)力最大；扶肋扶壁、頂板及面板均以格柵網(wǎng)格為12 cm方案下拉應(yīng)力最低，格柵網(wǎng)格尺寸超過12 cm后，3部位拉應(yīng)力隨之平均增幅分別為51.8%、54.4%、45.6%；踵底板拉應(yīng)力受格柵網(wǎng)格尺寸影響較小，各方案中均維持在1.7 MPa；壓應(yīng)力以網(wǎng)格尺寸為12 cm方案下為最大增長點，超過該方案后預(yù)壓效果減弱。

2)Z向位移最大；格柵網(wǎng)格尺寸增大，各向位移均在12 cm方案后降幅減緩，在網(wǎng)格尺寸3～12 cm方案內(nèi)，X、Y、Z向位移的平均降幅分別為29.6%、34.1%、28%，而超過12 cm后，平均降幅分別為1.8%、3.9%、2.1%。

3) 格柵網(wǎng)格尺寸與流速水平具有正相關(guān)關(guān)系，格柵網(wǎng)格每增長3 cm，平均流速水平可增長54.9%；網(wǎng)格尺寸過大或過小均不利滲流安全，會導(dǎo)致流速出現(xiàn)波動性，網(wǎng)格尺寸為12 cm方案下斷面流速波幅不超過1%，穩(wěn)定性最好。

4) 綜合研究認為鋼絲格柵網(wǎng)格為12 cm下靜力穩(wěn)定性與滲流安全性綜合技術(shù)優(yōu)勢最佳。