赵家堡子水电站溢流坝中墩锚固竖井优化设计研究

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

预应力闸墩属于近年来在水利工程设计中使用比较广泛的闸墩类型[1]。随着数值模拟技术的发展和进步，逐步成为预应力闸墩结构设计研究的重要方法，极大促进了预应力闸墩结构设计研究的发展[2]。许多水利工程中的预应力闸墩经过不断的优化措施，性能获得显著提高[3-5]。但是，某些对拉锚固竖井预应力闸墩在预应力的作用下，锚固竖井的应力较大，不利于泄水建筑物的整体安全[6]。因此，本文研究主要应用ANSYS 三维有限元分析软件的参数化设计语言 APDL 建立赵家堡子水电站溢流坝中墩锚固竖井参数化整体模型，对锚固竖井结构特征尺寸进行优化，达到降低关键部位应力值的目标，为大坝设计施工提供必要的理论和技术支撑。

1 工程概况

赵家堡子水电站为辽宁省东部爱河水电梯级开发规划的重要工程。坝址位于丹东凤城市石城镇境内，距离凤城市约35km，是一座以发电为主，兼具防洪和养殖等综合功能的小型径流式水电站。电站水库库容1550万m3，工程等别为Ⅲ等，主要水工建筑物级别为3级，设计洪水标准为百年一遇，校核洪水标准为千年一遇。水电站工程主要由混凝土重力坝、溢流坝、引水系统和电站厂房构成，装机总容量为1.68MW。电站的溢流坝段位于大坝左侧，总宽度为64.5m，一共设有4孔泄水闸，包含2个中墩和2个边墩，中墩和右侧边墩厚度为3m，左侧边墩采用悬臂式挡墙设计，其中中墩采用对拉式锚固竖井预应力闸墩设计。闸室设计为弧形工作闸门，顶宽1.5m，高程197.80m，溢流堰宽度为13m，堰顶高程177.50m，建基面高程164.50m。

2 锚固竖井结构参数优化模型

2.1 几何模型与参数

在建立中墩锚固竖井结构参数优化模型之前，首先需要对锚固竖井的几何结构与主要参数进行定义[7]。结合赵家堡子水电站的设计资料，画出泄洪闸中墩锚固竖井几何结构与主要参数示意图(见图1)。图中，h为锚固竖井的高度，b1为锚固竖井顶面宽度，b2为锚固竖井底面宽度，θ为下游面与竖直方向的夹角，φ1为下游折坡面与竖直方向的夹角，h1为下游折点与下游面的竖直距离。上述几何参数中，有些参数为定值，有些参数为需要根据相关工程经验确定的变量。本次研究中选取顶面宽度(bottom1)、底面宽度(bottom2)、下游面折坡宽度(bottom3)和下游面折坡高度(height)作为设计变量，进行参数优化建模。

图1 锚固竖井几何结构与参数示意图

2.2 有限元模型的建立

图2 切割边界示意图

ANSYS软件是一款由前处理模块、分析计算模块和后处理模块组成，可以十分方便地进行工程研究的有限元模型构造，研究对象的分析计算和结果的呈现[8]。因此，本次研究选用ANSYS软件进行双排桩结构的有限元模型构建。由于闸墩的锚固竖井的整体空间较小，对其他部分的应力变形可以忽略不计，因此可以通过切割边界的方式进行建模区域确定[9]。鉴于竖井附近易发生应力集中，因此切割边界应该远离应力集中区。但是，计算范围选择过大又容易造成单元和节点数过多，不利于计算简化。综合上述，在闸墩整体几何结构上按照ABCB划定的区域进行切割(见图2)，厚度取闸墩的厚度。对模型使用六面体八节点实体单元SOLID45进行网格划分，单元尺寸不超过0.5m，最终获得21819个计算单元、8336个计算节点(见图3)。

图3 有限元模型示意图

为了直接准确获得有限元模型的计算结果，研究中对边界条件进行合理化假设，其中底面的约束条件为固结，四周边界采取法向约束，上游、下游和顶部按自由边界处理[10]。根据电站的设计资料，研究中选取正常运行工况进行优化计算，选取正常运行工况和检修工况进行计算结果检验。其中正常运行工况下左右侧弧形闸门为正常挡水，考虑到预应力锚索的作用，预应力应该为永存吨位，大坝上游正常蓄水位为195.00m，下游正常尾水位为173.93m；检修工况为左侧检修门挡水，右侧弧门正常挡水，其他条件与正常运行工况相同。计算过程中将正常运行工况下的荷载组等效施加于计算模型。

3 优化设计计算与结果分析

3.1 优化设计计算方法

本次结构优化设计的类型为尺寸优化，将锚固竖井的关键部位尺寸作为设计变量，其初始值选择工程初步设计中的参数值。其中，顶面宽度为2m，底面宽度为3m，下游面折坡宽度为1.5m，下游面折坡高度为1.5m。将关键部位的最大拉应力值作为目标函数，优化约束条件是锚固竖井的体积要符合工程经验的容许范围。由于锚固竖井的关键部位最大应力值与设计变量之间并不存在比较明确的函数关系，因此选用ANSYS 软件中的优化模块OPT和APDL语言进行优化计算[11]，其主要步骤如下：对上节建立的三维有限元模型施加约束并求解，从结果中提取优化参数，然后保存文件，通过lgwrite 生成优化分析文件；进入优化处理器并读入上一步保存的分析文件，然后对提取的参数变量进行声明并定义变量性质，允许误差设定为0.01；选择适用性好、计算速度快的零阶优化方法，定义优化迭代次数为30，当出现7次不可行解时则认为优化过程发散。利用opexe命令执行优化，列出优化序列，根据优化序列结果，得到优化参数组合。

3.2 优化计算结果

利用优化设计计算流程，进行优化计算，获得优化序列，并进一步获得竖井几何参数优化值(见表1)。

表1 锚固竖井设计变量优化结果

4 优化结果验证

图4 正常运行工况X向应力云图

图5 检修工况X向应力云图

图6 正常运行工况Y向应力云图

图7 检修工况Y向应力云图

图8 正常运行工况Z向应力云图

图9 检修工况Z向应力云图

利用上节获得的优化成果，对锚固竖井的有限元模型进行圆整，然后再次打开ANSYS 软件并清除原数据，输入优化前后的锚固竖井参数分别建立预应力闸墩整体模型。在正常运行和检修工况下进行荷载加载计算(优化参数下的预应力闸墩的应力分布云图见图4～图9)。优化前后，计算锚固竖井结构各向最大应力(计算结果见表2)。由应力云图和计算结果可知，对于优化后的锚固井结构参数，闸墩的各向应力最大值均有所减小。尤其是正常运行工况下的Y向应力和Z向应力以及检修工况下的Z向应力减小最为明显。在正常运行工况下，优化前的Y向应力和Z向应力最大值分别为4.64MPa和4.98MPa，优化后分别为4.03MPa和3.75MPa，分别减小了13.15%和24.70%；在检修工况下，优化前的Z向应力最大值为5.34MPa，优化后为4.16MPa，减小了21.91%。总之，结构参数优化对降低闸墩的整体应力水平，特别是Z向应力具有十分显著的效果，建议在工程设计中采用。

表2 优化前后锚固竖井各向最大应力计算结果

5 结 论

本文以赵家堡子水电站溢流坝段泄洪闸预应力中墩为例，利用有限元建模分析的方法对闸墩锚固竖井的几何参数展开优化研究。结果表明：利用数值模拟计算方法获得的最优序列，其锚固竖井的顶面宽度、底面宽度、下游面折坡宽度和高度的优化结果分别为1.928m、4.316m、1.039m和1.617m，圆整后的推荐结果分别为1.9m、4.3m、1.0m和1.6m。

检验结果显示，结构参数优化对降低闸墩的整体应力水平，特别是Z向应力具有十分显著的效果，建议在工程设计中采用。