陈 超，王 霄，齐春舫，谷 静，胡林生

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005)

水工建设中设计参数的优化可提升工程寿命及运营效率，为工程建设安全性提供保障[1-3]，研究水工建筑的设计参数优化问题具有重要意义。一些专家与学者认为，水工模型试验理论乃是适配于实验室研究水工静、动力特性及渗流场特征的重要手段，开展消力池[4]、溢洪道[5]及泄洪闸[6]等诸多水工设施的模型试验，研究了不同工况、不同设计方案下的水力特征，推动了模型试验在水工设计中的应用水平。另一方面，一些学者认为水工建筑中采用模型试验虽精度较高、结果较可靠，但不可忽视其试验成本、试验周期，因而高效率的研究手段在水工设计中具有重要意义，例如有宏微观监测分析[7]、理论计算[8]及水工材料基础室内力学试验[9]等，均是为工程高效设计提供依据与参考。仿真计算是一种快速的模拟方法，一些专家根据水工建筑特点，利用ANSYS[10]、COMSOL[11]等仿真平台建立有限元模型，改变不同设计参数计算模型静、动力特征，对比各设计方案得到的差异性，进而评价方案的最优性。本文为研究挡墙侧壁现浇结构设计参数的最优化，计算分析了不同侧壁厚度方案下应力与位移特征，为选择工程最佳设计提供了计算参考。

1 工程仿真建模

1.1 工程概况

为提升淮河下游农业灌渠用水安全性，对输水管线沿线水工建筑开展除险调查，针对性解决输水耗散过大的问题，提升灌区输水管线水工结构安全性。淮安境内灌区面积超过80km2，输水管线全长为105km，分为南、北两侧干线，并且在主干线中穿插有支线管道，所有管道均采用PCCP标准管道，具备较大承压、抗拉特性，最大抗压应力可达35MPa，且管线内降淤排沙效果较好，流速稳定性较佳，沿线管道控制流速为0.35～0.5m/s，渠底采用双层式防渗衬砌结构截面，有效降低由于渠底水压过大而引起的渗水压力，管线两侧渠坡土质以粉质粘土为主，其沉降变形较少，密实度较大，也是工程建设初期对土层分层压实带来的正面效应。在淮安灌区输水管线全干线中共有多座中小型水闸、抽水泵站及调压塔等水工建筑，构成了灌区水利控制枢纽的层次性，其中水闸为下游水厂源头的来水流量控制设施，各水闸中设计最大过闸流量为106m3/s，位于灌区堂子巷二道闸处，是灌区中下游重要过闸水流水力控制设施。调压塔位于北线干堤与下游用水设施之间，距离上游集水源15km，为干线上提压输水的中转站，进出水口截面为弧型，半径为3.2m，与输水管道相匹配，配备有节制阀开关，对进水流量精确控制，可控制管线内流量不超过10L/s。与调压塔、二道闸相邻近的水工建筑乃是洪桥抽水泵站，最大引水流量为235m3/s，进水池内深度为2.4m，首、尾侧均设置有半径为2.2m的弧型钢闸门，配备有沉砂池、排沙闸等降淤设施，有效减弱上游泥沙淤积对泵站引水性能的影响。根据现场调查得知，洪桥抽水泵站下游两侧土体滑移面受泵站动力振动影响较显著，特别是在泵站引水工作时，易引起土体出现潜在滑移面，工程管理部门认为洪桥泵站因配置有挡土边墙，可有效降低泵闸进水侧过大的土压力。洪桥泵站挡墙拟采用水工预制拼装式，高度为15.8m，墙底板宽度为16m，墙顶、底板厚度分别为1.4、1.2m，箱涵厚度为0.8m，涵内底板厚度为0.6m，宽度为3.6m，前、后墙均为预制式构件，厚度为1m，侧壁乃是现浇式构件，其厚度参数影响着挡墙顶、底板应力传递，洪桥挡墙设计立面图如图1所示。由于该挡墙顶、底板等构件均为预制式，而侧壁构件作为预留现浇，其厚度设计参数乃是挡墙结构性能最大化的关键。

图1 挡土墙立面示意图

1.2 仿真建模

根据水工结构设计可知，洪桥抽水泵站挡墙结构整体设计模型如图2所示，将所建立起的挡墙几何模型与Abaqus仿真计算平台建立联系[12-13]，获得了洪桥挡墙结构有限元模型，如图3所示。该模型经网格划分后共获得微单元体168922个，节点数136428个，采用四边体作为微单元体，特别在本文重点研究的侧壁构件处加密网格，确保结构计算精度。该模型中外荷载包括有结构自重、上游迎水侧静水压力等，故模型顶部设置有法向约束边界条件，底部设置有零自由度约束体系，两侧均为横向变形边界条件。从挡墙结构计算深度可知，模型最大影响范围不超过基础土体深度30m，也不超过上、下游水流轴线长度20m。为分析方便，本文中设定计算模型的X、Y、Z正向分别为墙体轴线右向方向、泵站背水侧方向及竖直向上方向。

图2 挡墙结构整体设计模型

图3 挡土墙划分网格后模型

从本文重点分析的侧壁厚度设计参数入手，已知箱涵底板厚度0.6m，而侧壁厚度作为荷载传递构件，其壁厚势必不可低于箱涵底板厚度0.6m；另一方面，该预制水工挡墙的顶、底板最厚处为1.4m，侧壁厚度不应超过顶板最大厚度，故限定侧壁厚度为0.6～1.4m。为确定壁厚最优设计参数，本文设定壁厚计算对比组分别为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)，挡墙顶、底板及踵板等设计参数均保持一致，研究侧壁厚度设计参数影响下挡墙结构静力特性，进而评价最适宜方案。

2 挡墙设计参数对结构应力特征影响

从挡墙设计方案仿真计算结果考虑，本文从挡墙结构中选择墙顶板与侧壁连接部位为A特征部位，而侧壁与底板相连的墙趾部作为B特征部位，C特征部位为墙底板底部，所在位置如图4所示，从3个特征部位的应力特征开展对比分析。

图4 特征部位位置示意图

2.1 拉应力特征

根据对各设计方案的应力计算，获得壁厚设计参数与挡墙结构特征部位最大拉应力变化关系，如图5所示。从图5中可知，挡墙结构中拉应力最大位于底板C部位，其在各设计方案中最大拉应力分布为0.923～4.08MPa，而相应的顶板A部位、侧壁墙趾B部位最大拉应力较前者的差幅分别达25.9%～41.5%、34.3%～69.1%，表明应合理控制挡墙结构上各部位配筋设置，特别是在侧壁与墙底板、墙趾连接部位处应加密配筋，提升该部位刚度，增强抗拉特性。3个特征部位最大拉应力随壁厚参数均呈先减后增变化，均在壁厚参数1.05m时为各方案中最低拉应力，顶板A部位、墙趾B部位、底板C部位在该方案中最大拉应力分别为0.79MPa、0.61MPa、0.92MPa，而在壁厚0.6、0.9m时顶板A部位相应的最大拉应力较前者分别增长了2.85倍、1.5倍，同时壁厚1.2、1.35m方案中A部位最大拉应力较方案1.05m时也分别增大了48.2%、187%。从整体设计方案壁厚参数区间来看，当壁厚参数位于0.6～1.05m区间时，壁厚每增大0.15m，顶板A部位、墙趾B部位、底板C部位最大拉应力随之平均减少32.9%、27.9%、34.3%；而在壁厚1.05～1.35m区间内，3部位最大拉应力随之平均增幅为71%、57.5%、85.2%。分析表明，挡墙结构最大拉应力受壁厚参数影响具有促进与抑制区间，侧壁结构设计时应尽量考虑壁厚参数位于拉应力抑制区间。从本文计算拉应力结果来看，当壁厚参数为1.05m时，挡墙结构设计处于较优状态，为最佳方案。

图5 壁厚参数影响下特征部位最大拉应力特征

2.2 压应力特征

同理，计算获得侧壁厚度设计参数与挡墙结构最大压应力变化关系，如图6所示。从图6中可知，挡墙各部位中最大压应力位于底板C部位，各方案中其最大压应力可达1.79～4.13MPa，而相比前者，墙顶板A部位、墙趾B部位最大压应力仅为前者的22.2%～47.9%、62.2%～81.1%，在C部位处具有较好的预压面，抗滑移、抗变形效果均较佳。从壁厚参数影响压应力来看，墙趾B部位、底板C部位最大压应力随壁厚参数均为递增状态，当壁厚参数为0.6m时，两部位最大压应力分别为1.11MPa、1.79MPa；而壁厚参数增长至0.75m时，两部位最大压应力较前者分别增大了68.3%、62%；而在壁厚参数1.05m时，相应最大压应力又分别增长了1.94倍、1.29倍；在壁厚参数1.05m后，增幅减弱。综合来看，在壁厚参数0.6～1.05m区间，墙趾B部位、底板C部位最大压应力分别平均增长45.4%、33.5%，而在壁厚1.05～1.35m区间，平均增长幅度仅为1.1%、0.5%。分析认为，壁厚参数愈大，愈有利于挡墙结构底板、墙趾处受压，但其效果在壁厚参数1.05m后面临“饱和”状态，过大的壁厚参数，对结构抗倾覆效果并无较大正面促进效应，反而可能会引起工程成本的增加，故应控制壁厚参数在适宜区间即可[14-15]。与B、C特征部位不同的是，墙底板A部位最大压应力在各设计方案中均处于较稳定状态，分布为0.89～0.93MPa，各方案间最大波动幅度不超过2%，表明墙顶板处压应力受壁厚参数影响较小。由上分析可知，壁厚参数选择1.05m，不仅有利于结构抗拉特性，对挡墙压应力状态亦是较佳。

图6 壁厚参数影响下特征部位最大压应力特征

2.3 应力分布特征

根据对挡墙结构填土侧、迎水侧及底板3个面的应力特征计算，获得各特征面上应力分布特征，壁厚参数1.05m方案下挡墙结构应力分布特征如图7所示。从该拟选最优方案中可知，填土侧、迎水侧拉应力分布区间分别为0.68～0.8MPa、0.56～0.68MPa，量值较低，最大拉应力位于底板部位，达0.92MPa，满足结构材料允许值要求。底板上拉应力主要以0.33～0.56MPa为主，有利于结构抗拉设计。综合应力分布特征与量值特征，壁厚参数1.05m为应力评价的最优方案。

图7 挡墙结构应力分布特征

3 挡墙设计参数对结构位移特征影响

位移特征乃是反映结构体系稳定性的重要指标，本文根据不同壁厚设计方案计算获得挡墙结构上X、Y、Z负向最大位移变化特征，如图8所示。从图8中可知，挡墙结构上位移量最大为Z向，即挡墙结构以发生沉降变形为主，各设计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，两者随壁厚参数均呈先减后增变化，在壁厚1.05m方案下为最低位移值，分别为6.2、4.8mm，而壁厚为0.6、0.9m时Y向位移较前者分别增长了117%、19%，而壁厚增大至1.2、1.35m后Y向位移较壁厚1.05m时分别提高了23.2%、67.5%；Y向位移在壁厚0.6～1.05m区间内平均降低22.6%，在1.05～1.35m区间内平均增长29.6%，同样Z向位移在该两区间内的平均变幅分别为22.6%、31.9%，故控制Z、Y向位移的关键是使壁厚参数位于递减区间。与前两向位移不同的是，X向位移在各方案中处于稳定状态，分布在3.29～3.34mm，最大变幅不超过3%，表明X向位移受壁厚参数的影响并不敏感。从应力评价的最优方案可知，壁厚1.05m方案下Z、Y向位移均满足前述分析要求，而X向位移下亦处于较低水平。

图8 壁厚参数影响下挡墙位移特征

4 结论

(1)挡墙最大拉应力位于底板C部位；结构最大拉应力受壁厚参数影响具有促进与抑制区间，在壁厚参数1.05m方案中拉应力最小，该方案下拉应力分布有利于抗拉特性。

(2)最大压应力位于底板C部位；墙趾B部位、底板C部位最大压应力随壁厚参数变化的增幅在壁厚1.05m后放缓；墙底板A部位最大压应力受壁厚参数影响较小，分布区间为0.89～0.93MPa。

(3)挡墙以沉降变形为主；Z、Y向最大位移值在壁厚1.05m方案下最低，Z、Y向位移的递减、递增效应具有一致性；X向位移在各方案中最大变幅不超过3%。

(4)综合应力与位移特征，认为壁厚参数1.05m时为最优方案。