病险堤坝动力扰动下静、动力响应特性分析研究

2021-10-22高四军

水利技术监督 2021年9期

高四军

(广东益鑫源工程建设管理咨询有限公司，广东江门 529000)

水利工程中不仅需要考虑工程设施在静力荷载下稳定性，同样需要考虑动力响应下安全稳定性，特别是病险水利工程，其安全稳定性受到多方面动力扰动影响[1- 2]，包括已建、运营中的水利设施所引起的动力扰动作用，故而开展相应的动力扰动下工程静、动力响应分析很有必要。蒋才等[3]、杨玉生等[4]、於正芳等[5]类比静力荷载下水利工程物理模型试验方法，借助振动台等室内试验设备，开展水利工程原型的模型试验，获得工程静、动力数据，基于数据之间的关系为工程设计探讨提供指导。当然，由于动力响应的特殊性，在一些水工建筑中，安装有相应的微震或声发射等监测设备[6- 7]，从微观角度分析工程动力响应、微裂纹产生等变化，对工程动力安全性预判具有重要价值[8]。数值仿真计算乃是一种高效研究手段，一些学者利用包括ANSYS、ABAQUS在内的多种仿真计算平台解决了水工建筑的地震荷载下抗震分析、渗流场变化分析、多工况下的静力稳定性分析等[9]，极大丰富了水利工程中仿真计算成果，为工程设计提供重要参考。本文以中山市大围联圩枢纽工程病险堤坝的泄流动力扰动工况作为分析案例，开展工程静、动力下位移、应力、加速度等分析，为工程除险加固设计提供重要参考。

1 工程概况

1.1 工程资料

中山市防洪枢纽工程包括有大围联圩设施，该枢纽工程面向境内多条河道，总长度超过650km，所在联圩内宽度10m以上的河流有25条，监测防洪堤坝渗透坡降在0.2～0.4的有19条，渗透坡降低于0.2的有6条，护坡采用梯形断面与矩形断面两种形式，两种方式长度分别为158、82km，围内宽度10m 以上内河涌217 条，总长度601.6km。中山大围联圩工程包括有南、北两侧防洪干堤，堤顶高程为13.5m，净高度为70m，堤顶宽度为5.8m，迎水侧、背水侧坡度分别为1/2、1/3，按照50年一遇洪水标准设计，在5年前已进行堤顶价高、坡身防护等措施。根据对Z1+320—Z1+550区段内堤防调查可知，该堤段内包含有一座中型南线水闸，乃是堤防防洪排涝重要水利调度设施，而堤防采用心墙坝体堆筑加固防渗设计[10]，南线水闸设计标准通行流量为325m3/s，采用直径为3m的弧型钢闸门作为水流控制通道，闸室顶部高程为14.8m，闸基础采用灌注桩支撑加固，并配备有相应的主、次预应力锚索，其中锚索横向间距为140mm，布设有14根横锚索，次锚索乃是与横锚索呈90°，闸室整体结构静力稳定性较佳。该水闸所在堤段经调研得知抗倾覆性能较弱，堤坝底部渗流活动较强，属于由于堤身稳定性欠佳引起的渗流场变化，因而考虑对大围联圩枢纽病险堤防开展稳定性分析，为工程实施准确除险加固措施提供参考。另一方面，南线水闸目前处于泄流时期，其较大水力作用引起的动力扰动对病险堤防具有重要影响，因而本文重点考虑在水闸运行中产生的动力作用对病险堤防的静、动力响应特性。

1.2 工程建模

利用ABAQUS仿真计算平台与CAD几何绘图软件进行联合建模计算，根据大围联圩病险堤防工程设计图，采用CAD构建起堤防几何模型，后进行网格划分，划分后有限元模型如图1所示[11]。该模型根据堤防心墙坝体堆筑材料差异性，分别由不同材料模型构成，共获得网格单元253658个，节点数223687个，其中在心墙坝体等重要部位处进行特殊加密，心墙与外坝身间为接触式连接方式，本模型中坝身侧边界均为法向限定条件，底部为单向限制条件。计算模型中X、Y、Z正向分别设定为下游河流、河流水平向、堤坝垂直向上。分别分析竣工期、蓄水期两个工况下稳定性特征，工况水位分别为11.8、12.5m。

图1 堤坝有限元模型

2 静力特性分析

2.1 位移特征

根据ABAQUS仿真计算，获得两工况下病险堤坝静力荷载下位移特征，其中沉降位移对于病险堤坝安全稳定重中之重，因而给出典型两工况下沉降位移分布特征，如图2所示。从图中可知，竣工期最大沉降值为0.6m，而分布于坝基底部，其竣工期沉降值并未达到坝高1%，因而竣工期沉降满足安全要求，同样在蓄水期其最大沉降为0.68m，亦满足堤坝运营要求；另一方面，根据计算获得竣工期X、Y向最大位移分别为0.13、0.11m，而方向分别为向上游和右岸坝体方向，在蓄水期X向位移受上扬压力影响，位移量值较小，最大仅为0.05m，而Y向位移受静水压力作用同向影响，其最大位移值为0.16m。从两工况下沉降分析可知，最大沉降均位于坝基靠近左岸区域，坝身沉降层次性分布显著，从坝顶至坝基持续递增，且从坝身中部向两侧坝肩为递减态势，竣工期坝身中部沉降值分布为0.45～0.6m，蓄水期有所增大13.3%～51.1%，为0.51～0.68m。分析认为，两工况中最大沉降基本均接近安全设计要求的上限值，此种现象主要受上游水位静水压力对坝体产生较大沉降有关，当然亦不可忽视坝体采用心墙体分层堆筑，每层堆筑体变形模量差异性、不均匀性均会影响最终沉降，因而在该堤段内有中大型水闸运行环境下，进行病险提防的扰动加固，应重点控制沉降变形的负面影响。

图2 堤坝沉降位移分布特征

2.2 应力特征

经计算获得两工况下应力特征，如图3所示，大、小主应力分别表征了结构张拉与压缩应力状态。从图中可看出，竣工期两主应力最大值分别为1.24、0.61MPa，位于坝基部位；不论是大主应力亦或是小主应力，从坝顶至坝址，均为递增态势，坝顶处大主应力约为8.96kPa，在坝体中部大主应力增长近2个量级，达779.4kPa，进而在坝址底部达到大主应力最大值，增长幅度约59.1%，1/2坝高的变化，平均引起大主应力幅度增长40倍。从竣工期坝体应力稳定性考虑，病险堤防坝体无较大拉应力集中区域，各区间拉应力分布均为均匀，层次性分明，坝顶亦未出现局部弯拱效应。当病险堤坝为蓄水期时，其主应力最大值分别为1.3、0.7MPa，较之竣工期分别增长了4.8%、14.8%，最大值亦均位于坝址；应力增长与蓄水期水位上涨有关，导致堤坝应力值提高，但从整体主应力值来看，均低于结构安全设计值，表明应力稳定性较佳，张拉破坏或堆筑料发生应力失稳可能性较低，堤坝结构应力处于较为安全状态。

图3 堤坝应力分布特征(从左至右分别为大、小主应力)

3 动力响应特性分析

根据动力监测，获得动力扰动下的参数特征，给出泄流时水闸所产生的动力荷载各向加速度反应谱特征图，X、Y两向加速度反应谱曲线如图4所示，所分解出的X、Y、Z像最大加速度分别为1.98、-1.98、-1.46m/s2。

图4 X、Y两向加速度反应谱曲线

荷载的施加处运营水闸泄流时动力荷载，另还包括有动水压力Mw，其计算式如(1)式所示：

(1)

式中，zi—计算深度与水面线距离，m；H0—堤坝迎水侧水深，m；Ai—截面面积，m2；ρ—水密度,kg/m3。

根据地震反应谱叠加至病险堤坝上，分析泄流水闸运营动力扰动下堤坝响应特征，并对模型中特征剖面展开重点分析，各特征剖面所在位置如图5所示。

图5 堤坝各特征剖面位置

3.1 加速度响应特征

根据对病险堤坝四个特征剖面上的加速度响应值进行计算，获得特征剖面上各向加速度响应最大值，如图6所示。从图中可知，加速度响应最大值总以X向为最大，但其方向为逆水流向，在A剖面中X向加速度最大值为5.38m/s2，而Y、Z向加速度最大值仅为前者的66.5%、51.1%，此类现象在B、C、D剖面中均是如此，但差距以A剖面上X向与Y、Z向加速度响应值差异性最大。分析认为，当水闸泄流产生动力扰动时，水流方向敏感性更大，水力作用传递性更快，因而在堤坝X向上加速度响应值最大。在X向上，四个特征剖面中以A剖面加速度为最大，C剖面加速度响应值最低，表明堤坝X向上受到水闸泄流动力扰动最敏感的属坝中剖面部位。Y向加速度响应方向均指向坝体右岸，且各值基本接近，稳定在3.55m/s2；Z向加速度响应值以D剖面上为最大，达2.98m/s2，A、B、C剖面上Z向加速度响应值基本接近，均稳定为2.75m/s2，此主要由于A～C剖面均为同向剖面，在Z向方向上所受自重作用基本同向、同作用点，因而加速度响应值基本一致。整体来看，水闸泄流动力扰动下，病险堤坝均会出现一定加速度响应，其中属堤坝水流方向上受危险性最大，设计除险加固时应重点关注。

图6 特征剖面上各向加速度响应最大值关系

3.2 位移响应特征

由动力响应计算，亦可获得各特征剖面上位移响应最大值，如图7所示，从图中位移响应值可看出，三个方向中位移最大值为X向，在B剖面上X向位移值为7.5cm，而该剖面Y、Z向位移最大值相比前者分别减少了41.1%、43.5%，表明X向位移响应程度高于Y、Z向。从同一方面中各特征剖面比较可知，X向中最大值出现在D剖面上，各剖面间位移最大值差距最大幅度仅为10%，表明动力扰动下病险堤坝X向位移响应差异性较小。Y、Z向中最大值剖面均为D剖面，达5.5cm、4.8cm，其中Y向中各剖面上位移响应值差异性较大，最大差异幅度为B、D剖面间，幅度达77.4%；各剖面Z向位移响应值基本接近，仅有7.9%差距，分布范围为4.25～4.8cm，响应值最低为C剖面。整体位移响应分析可知，泄流工况动力扰动下的堤坝各向位移值无超过9cm，整体处于较为安全状态，但也应适当考虑在堤坝轴线X方向上受到的水利冲刷影响，坝身应重点加固，减少由于该向位移引起的坝体表面开裂等现象。

图7 特征剖面上各向位移响应最大值关系

3.3 应力响应特征

同理，可获得病险堤坝各特征剖面应力响应最大值，如图8所示。根据图8可知，大主应力响应值以D剖面上最大，达1.35MPa，最低大主应力为C剖面，两者相差幅度为4.4倍，大主应力在各特征剖面上分布不均，以B、C剖面上大主应力较小，且未超过材料安全抗拉应力值，但在A、D剖面上大主应力值较大，接近或超过堆筑料允许值，具有张拉破坏的可能性；小主应力在各特征剖面上分布范围为2.2MPa～2.45MPa，差距较小，且各小主应力均未超过堤坝堆筑料抗压强度，安全性较佳。从整体应力响应值来看，压应力均满足要求，但在A、D剖面上应重点设计加固结构，确保张拉应力分布不会扩散，造成病险堤坝出现大范围拉应力集中现象，影响坝体稳定性。