張拉預應力施工影響下水閘加固結構應力穩定性研究

曾俊平

（江西省水利水電建設集團有限公司，江西 南昌 330200）

水利樞紐工程中泄洪水閘運營安全性是發揮其防洪、蓄水、排澇等功能作用的重要保障，提升水閘穩定性本質上是確保結構應力安全性[1-3]，使水閘不出現張拉破壞，提升整體抗拉特性。水閘加固設計方案與施工工藝有關，確保施工工序簡便、加固結構有效乃是水工結構設計方案優化的重要體現[4，5]。模型試驗理論是研究水工建筑穩定性以及滲流狀態的一種重要手段。劉芷妍等[6]、李寧霄[7]、陳斌等[8]利用水工模型設計對比試驗，分析不同方案設計參數優化下水工建筑滲流場、靜力場穩定特征，為工程建設、設計提供重要佐證。另一方面，基于現場監測手段，對已有工程進行監測，分析工程運營數據規律性，為擬建工程設計提供優化參考[9，10]。不論是模型試驗或是監測手段，周期均耗時較長，為高效研究解決該問題，逐步推廣應用數值計算。一些學者利用Abaqus[11]、ANSYS[12]、COMSOL[13]等多類型仿真計算平臺，建立計算模型，施加相應的工況邊界荷載，分析不同設計參數影響下水工計算模型的應力、位移特征，進而確定最優方案?；谮M江中下游地區擬建水利樞紐工程泄洪水閘加固結構設計方案優化問題，利用Abaqus 仿真計算平臺，探討張拉施工預應力損失量影響下結構應力變化與分布特征，為確定最優工程設計方案提供計算依據。

1 工程概況

贛江中下游地區在春夏之交經常水位暴漲，危及下游地區的防洪安全，工程設計部門考慮在贛江中下游所涉及的吉安、豐城等地區新建一座水利樞紐工程。該工程包括防洪堤壩、溢洪道、泄洪閘以及輸水隧洞等，堤壩全長2 582 m，沿南北走向，壩頂高程258.5 m，局部壩段設置有高度3.2~3.8 m 防浪墻，減弱水力沖刷作用。壩體采用混凝土堆石壩澆筑而成，壩身設置有止水面板，重點部位設置有防滲墻，確保壩體滲透坡降滿足安全要求。輸水隧洞是贛江上游水位調度的重要設施，可在汛期實現上游水資源分流，為農業生產以及其他方向提供重要水資源。隧洞開挖擬采用襯砌錨索支護結構，圍巖體屬大理巖，監測表明圍巖完整性較佳。模擬計算開挖過程可知，圍巖張拉應力集中效應并不明顯，最大拉應力僅0.45 MPa，輸水隧洞建設處于較安全可靠狀態。贛江中下游地區泄流水量常超過1 000 m3/s，故樞紐工程設置有溢洪道結構，堰頂高度248.5 m，采用多孔式泄流設計，單孔尺寸6 m×5.5 m，閘室底板厚度0.8 m，泄流閘剖面如圖1 所示。采用預應力閘墩作為承重加固結構，其所布設的橫、縱連系梁乃是結構體系中重要一環，有限元分析表明連系梁上最大拉應力1.55 MPa，最大位移屬沉降方向，達12.6 mm。結構體系靜力荷載下安全穩定性較佳，但動力響應下加速度響應值最大可達3.8 m/s2，結構抗震性能比較弱，需在溢洪道支撐墩結構中設置預應力錨索結構。該錨索與連系梁呈相反布置，橫向錨索間距160 mm，為多層式分布，層間距40 mm，最大可承受張拉荷載3 550 kN；縱向錨索與橫向相互垂直，雙層錨筋作為單束錨索，層間距30 mm，抗傾覆、抗滑移穩定性均較佳，估計投入運營后，該結構體系中最大可減弱張拉應力30%。預應力加固結構與泄流中墩的連接過程需要完成張拉預應力施工，而施工工序會影響張拉預應力損失量，為提升泄流水閘加固結構的設計水平，對不同施工工序（不同張拉應力損失量）下水閘加固結構設計開展仿真優化。

圖1 泄流閘剖面

2 仿真建模

根據贛江中下游地區擬建泄流水閘加固結構的預應力錨索分析，初步設計橫向錨索根數為16 根，縱向錨索根數為14根，另橫向錨索與水平面夾角為30°，橫、縱向設計荷載噸位分別為2 580、1 860 kN，拉錨系數為1.8，錨索保護層厚度0.4 m，錨筋直徑24 mm，采用整體式施工工藝，確保預應力錨索與中墩間連接處無張拉應力集中。該設計方案中錨固洞體型為半圓弧，高度1.6 m，長邊1.2 m，墊塊截面尺寸為0.35 m×0.35 m的矩形，可承受最大拉應力3.4 MPa，中墩厚度1.4 m，錨索布設形式如圖2 所示。在各設計參數保持一致的前提下，對施工工序影響下的張拉預應力損失量進行計算分析，由于張拉過程中預應力損失量為5%~30%，不同施工方案勢必會影響錨索最終加固性能，對錨索張拉施工預應力損失量參數開展計算優化很有必要。

圖2 加固錨索布設形式

針對上述工程資料，利用Abaqus 仿真平臺開展建模計算[14，15]，建立的泄流水閘整體有限元模型如圖3 所示。該模型包括水閘、閘墩以及錨索加固結構等，簡化了連系梁等對預應力錨索無顯著影響結構。泄流水閘模型提取加固結構獨立模型與預應力錨索中錨塊體獨立模型，如圖4所示。圖3模型采用三、四變形作為微單元體進行網格劃分，共獲得泄流水閘整體微單元285 682個、節點數198 636個，而在加固結構模型中共有單元體125 628 個、節點數106 282 個，錨塊體是關鍵部位，獨立加密劃分。在加固結構中，設計參數均一致，但施工工序改變會影響張拉預應力損失量，因而改變單一預應力損失量參數η，對比分析張拉預應力損失5%（A 方案）、10%（B 方案）、15%（C 方案）、20%（D 方案）、25%（E 方案）、30%（F 方案）6 個方案，進而獲得結構張拉預應力施工最優方案。計算模型中，設定X、Y、Z 正向分別為順水閘右肩、順下游水流及閘室垂直向上方向。計算工況以施工完建期作為研究對象，該工況下外荷載包括結構自重與錨索張拉荷載，模型底部設置有固定約束，頂部為單向約束，左、右側為自由邊界條件，在上述建模資料以及設計方案基礎上，分析不同張拉預應力損失方案下的結構靜力場特征。

圖3 泄流水閘整體有限元模型

圖4 錨索加固結構特征部位計算模型

3 張拉施工預應力影響下加固結構應力特征

3.1 拉應力特征

對不同張拉施工預應力設計方案開展應力計算，獲得不同預應力損失量下的關鍵部位最大拉應力變化關系，如圖5 所示。從圖5 可知，3 個關鍵部位中拉應力最大屬錨固洞，該部位乃是加固結構中張拉應力集中威脅最大截面，在張拉預應力損失15%時錨固洞上最大拉應力為2.04 MPa，而同方案中閘坎、錨塊部位上最大拉應力較前者分別下降了68.2%、49.8%，在各方案中錨固洞與閘坎部位拉應力差距幅度達86.9%~3.4 倍，與錨塊上拉應力差幅達28.8%~1.8 倍；表明加固結構配筋時應重點關注錨固洞，確保該部位抗拉特性處于較佳狀態[16]。從預應力損失量影響拉應力變化可知，錨固洞最大拉應力與預應力損失量呈負相關變化，張拉預應力損失5%時錨固洞上最大拉應力為2.81 MPa；而預應力損失增長至10%、20%、30%后，拉應力相比降低了14.6%、44.9%、47.9%，其中降幅在預應力損失量5%~20%更顯著，該區間內錨固洞拉應力平均降幅達17.9%；預應力損失量超過20%后，各方案間拉應力最大降幅僅為3.2%，平均降幅2.8%，表明張拉預應力損失量20%時不僅有利于簡化施工工序，而且有益于結構抗拉特性。與錨固洞不同，閘坎、錨塊兩部位上最大拉應力在張拉預應力損失量5%~20%時，基本保持不變，穩定在1.02、0.65 MPa，低于結構材料允許值；而張拉施工預應力損失量在25%、30%后，閘坎上最大拉應力相比前一穩定區間內最大拉應力分別增長了20.1%，而錨塊最大拉應力在張拉預應力損失量20%~30%時平均增幅達5.8%，在應力損失量20%后易出現危險張拉面，因而控制張拉應力損失量低于20%時，閘坎與錨塊上拉應力處于安全狀態。綜合3 個關鍵部位拉應力，當張拉預應力損失量在20%時，不僅施工工序較為適中，且3 個關鍵部位上拉應力均處于安全允許值以下，結構抗拉特性較優。

圖5 關鍵部位最大拉應力變化

3.2 壓應力特征

與拉應力計算同理，根據不同張拉施工方案可獲得張拉預應力損失量影響下關鍵部位最大壓應力變化特征，如圖6 所示。從圖6 可看出，3 個特征部位上壓應力最大仍為錨固洞，其壓應力分布為12.8~17.5 MPa，而在張拉預應力損失量15%時最大壓應力為16.5 MPa，而閘坎、錨塊上壓應力僅為前者的46.4%、72.2%。各方案中，錨固洞與閘坎、錨塊上壓應力差幅分別為1.1~1.5 倍、31.2%~45.1%，表明關鍵部位中壓應力差異性低于拉應力。從不同設計方案的最大壓應力變化特征可知，3 個關鍵部位壓應力隨張拉預應力損失量均為先增后減變化，預壓效果最好均為張拉預應力損失量20%方案。該方案中錨固洞、閘坎、錨塊3 個部位最大壓應力分別為17.5、8.4、13.3 MPa，且關鍵部位最大壓應力與張拉預應力損失量具有二次函數關系。當張拉預應力損失量為5%~20%時，3 個部位上最大壓應力平均增幅分別為10.9%、11.6%、12.3%，而超過該節點后最大壓應力平均降幅分別為8.5%、16.9%、13%；從預壓效果來看，關鍵部位最大壓應力較大，但低于結構材料允許值，有利于平衡張拉預應力損失量，各設計方案中最大壓應力均超過結構材料安全值，而張拉預應力損失量20%方案下壓應力效果最為顯著，更有利于結構張拉施工預應力補償。

圖6 關鍵部位最大壓應力變化

3.3 應力分布特征

根據前述不同設計方案下拉、壓應力特征計算，初步可確定張拉預應力損失量20%為最優方案，給出該方案下關鍵部位應力分布狀態如圖7所示。從圖7 可知，錨固洞最大拉應力為1.54 MPa，集中于錨固洞側截面，但分布區域較小，全截面上拉應力以0.41~0.69 MPa 分布最廣；閘坎上拉應力不僅分布區域較少，且量值亦較低，僅在閘坎與錨塊接觸面上存在局部拉應力；錨塊拉應力主要集中在0.18~0.46 MPa，在錨塊頂面存在最大拉應力，錨塊左、右側面以及上、下游面所存在拉應力量值與分布面積均較小，對結構張拉破壞威脅較輕。綜上可知，當選擇張拉預應力損失量20%方案時，加固結構與閘墩應力特征均處于安全穩定狀態，施工工序適中，為最優方案。

圖7 關鍵部位應力分布特征

4 結論

（1）加固結構上拉應力最大位于錨固洞，各方案中錨固洞與閘坎、錨塊部位的拉應力差幅分別為86.9%~3.4 倍、28.8%~1.8 倍；錨固洞最大拉應力與預應力損失量呈負相關，但降幅在損失量20%方案后逐漸放緩，在5%~20%、20%~30%時平均降幅分別為17.9%、2.8%，閘坎與錨塊在損失量20%方案前處于拉應力穩定狀態，張拉預應力損失量超過20%后拉應力遞增。

（2）關鍵部位最大壓應力隨張拉預應力損失量增大為先增后減變化，且兩者具有二次函數關系，壓應力最大均為張拉預應力損失量20%方案，3 個部位最大壓應力分別為17.5、8.4、13.3 MPa，該方案下預壓效果最佳。

（3）綜合拉、壓應力變化特征以及應力分布特征可知，張拉預應力損失量20%方案下應力分布處于較合理、安全狀態，屬最優方案。