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摘 要： [摘要]為探討華北保定南部灌區水工拼裝式擋土墻最優設計，利用ABAQUS計算平臺開展擋土墻前后墻厚度參數優化分析。底板結構是拉應力最大部位;特征部位最大拉應力受前墻厚度參數影響下，以厚度0.8m時為最低;超過該方案后，厚度增長0.2m可致填土側、臨水側及底板最大拉應
[摘要]為探討華北保定南部灌區水工拼裝式擋土墻最優設計，利用ABAQUS計算平臺開展擋土墻前后墻厚度參數優化分析。底板結構是拉應力最大部位;特征部位最大拉應力受前墻厚度參數影響下，以厚度0.8m時為最低;超過該方案后，厚度增長0.2m可致填土側、臨水側及底板最大拉應力分別增長26.6%、21.1%和16.8%。填土側、背水側部位最大拉應力受后墻厚度參數抑制影響，且應力量值降幅集中在后墻厚度0.6～1.2m區間內，該區間內兩部位最大降幅分別為36%、35.4%;底板最大拉應力在后墻厚度1.2m后增長效果顯著。前墻厚度愈大，特征部位壓應力愈低，且在前墻厚度0.8m后降幅減少;特征部位最大壓應力在后墻厚度1.2m時為最低。綜合應力變化與分布特征考量認為，擋土墻前后墻厚度分別為0.8、1.2m時設計方案最優。研究結果可為水利工程中擋土墻設計參數優化分析提供一定參考。
[關鍵詞]ABAQUS;拼裝式擋土墻;參數設計;優化
1概述
農業水利工程中，擋土墻是重要水工建筑物，確保擋土墻安全設計對提升農業水利設施高效運營具有重要意義，因而推動擋土墻參數設計優化具有重要實踐指導價值[1-3]。擋土墻結構在建筑、公路等行業中運用較多，學者研究主要采用有限元計算方法，針對性解決土層與擋土墻間壓力計算分析，為探討擋土墻實際工況下安全穩定提供重要計算支撐[4-6]。模型試驗是一種重要水利研究方法[7-8]，根據水工結構實際尺寸在室內開發出原型，配合以實際荷載約束條件，研究水利大壩、溢洪道、擋土墻等[9-10]多種水工設施的運營穩定，為工程最優設計、運營分析等提供重要參考。當然，逐漸有部分學者開發出預制擋土墻或其他類型擋土墻，既方便了水利工程施工，又對水工結構的安全防護提升具有重要作用[11-13]。拼裝式擋土墻是一種重要裝配式開發設施，利用拼裝式擋土墻，可較好地在包括農業灌區在內的多個水利工程中使用，提高水工設計水平與施工效率。本文根據華北地區灌區擋土墻實際使用工況條件，對擋土墻前后墻厚度參數開展優化設計，為確定最優設計方案提供重要計算參考。
2工程建模分析
2.1工程概況
華北地區由于水資源分布不均，依賴于海河水系以及滹沱河水系完成農業生產、工業化用水等調度，目前已投入建設有南水北調中線工程，為天津、保定等城市用水提供重要保障。灌區作為農業生產重要組成部分，保定南部望都地區是傳統農業生產灌區，建設有全長50km的輸水灌渠，確保輸水安全性。采用內襯式預制混凝土防滲渠道，渠坡最大滲透坡降不超過0.3，水資源輸水及利用均在農業水利部門安全調度監測中。另一方面，在該灌渠渠首擬建一水利擋土墻，為確保擋土墻施工與水資源調度相協調，采用預制拼裝式設計。初步設計擋土墻高度為16.5m，底板厚度為16.6m，墻底高程為33.5m，沿灌渠輸水方向長度為14.5m，厚度設計為1.2m，內置有空箱，降低水力沖刷作用，空箱與擋土墻間隔為0.6m，墻頂板厚度設計為0.7m，而灌渠渠首流量設計為0.65m3/s，擬設預制拼裝式擋土墻立面示意圖見圖1。目前該水工擋土墻頂墻厚度以及側壁截面體型等參數均已完成優化，但前后墻厚度設計參數還需優化，為確定擋土墻最優設計方案提供重要支撐。
2.2工程仿真
本文為確定該預制拼裝式水工擋土墻設計參數最優方案，采用ABAQUS仿真計算平臺與UG建模軟件協同計算，解決擋土墻前后墻厚度參數優化問題[14-15]。根據擋土墻所在工程環境，本計算中考慮擋土墻應力變形場影響范圍為寬35m的回填土層，地基土體影響深度范圍設定為30m，不考慮土體各向異性對擋土墻應力特征影響。擋土墻所有材料均為鋼混結構，因而建模時均視為均值材料，土體物理參數均以現場取樣在室內土工試驗中實測值。對UG建模后的幾何圖在ABAQUS中進行網格劃分，整體擋土墻模型共獲得網格單元102102個，節點數82672個，劃分后模型見圖2。
相關期刊推薦：《水利科技與經濟》(月刊)創刊于1995年，由哈爾濱市水務科學研究院、哈爾濱市水利規劃設計研究院、哈爾濱市水利學會主辦。以介紹國內水利水電工程的勘測、設計、施工、運行管理和水利經濟等方面的研究論文為主，同時介紹國外的先進技術和經驗，在國內水利科技與經濟領域具有較大影響。
以擋土墻竣工期水位工況作為外荷載條件，擋土墻前后水位分別為35、36.5m，荷載主要包括墻體自重、靜水壓力、土壓力及水流上揚壓力等;墻底板設置為固定約束，側壁為側向約束，頂部為自由邊界;模型計算過程中X、Y、Z正向分別為擋土墻軸線右向、下游水流向以及垂直向上方向，對各擋土墻設計參數方案施加荷載后開展對比計算。
3擋土墻前墻厚度參數設計優化分析
針對擋土墻前墻厚度參數，在保證其他設計參數(包括壁厚、頂厚等)均為一致的前提下，僅改變前墻厚度，分別設定前墻厚度參數為0.6、0.8、1、1.2、1.4和1.5m，后墻厚度參數統一設定為1m。為對比方便，本文計算結果重點以擋土墻填土側、臨水側及底板展開計算分析。
3.1拉應力影響特征
根據對擋土墻各前墻厚度參數設計方案開展計算，獲得前墻厚度參數影響下擋土墻特征部位處最大拉應力變化特征，見圖3。從圖3中可知，3個特征部位中拉應力以底板部位為最大，在前墻厚度為1m時，底板處最大拉應力為1.02MPa，而擋土墻填土側、背水側最大拉應力僅為前者的69.5%、80.4%，表明擋土墻底板結構受到較大張拉應力集中，擋土墻結構設計時應注重鋼筋加密防護，確保墻底板結構安全穩定[16-17]。由前墻厚度參數對3個部位拉應力影響特征可看出，6個設計方案中最大拉應力變化趨勢為V形，以前墻厚度0.8m時為轉變節點，墻厚低于0.8m時最大拉應力為遞減態勢，厚度增長0.2m導致擋土墻填土側、臨水側及底板最大拉應力分別降低60.1%、55.5%和49.4%。當前墻厚度超過0.8m后，各特征部位最大拉應力均為上升趨勢，填土側最大拉應力在墻厚0.8m時是各方案中最低值，為0.5MPa，而墻厚1.2、1.5m時的最大拉應力相比前者分別增大96.4%、150.9%。與之同時在臨水側同樣的設計方案對比下，最大拉應力亦分別增大66.2%、112.3%，該區間內厚度增長0.2m，填土側、臨水側及底板最大拉應力分別增長26.6%、21.1%和16.8%，表明前墻厚度參數超過0.8m后，該預制拼裝式擋土墻拉應力顯著集中，墻體受張拉破壞威脅陡升，對擋土墻安全運營帶來較大挑戰。分析認為，當前墻厚度超過一定節點后，此時前墻自重應力集中在底板上，造成底板產生彎曲應力，進而影響填土側與背水側拉應力分布狀態，造成應力集中上升的現象，因而應控制前墻厚度在合理區間。
3.2壓應力影響特征
根據前墻厚度參數對拉應力影響計算，同理獲得壓應力受之影響變化特征，見圖4所示。從圖4中可知，3個特征部位最大壓應力與前墻厚度參數均為負相關關系，各曲線變化呈L形;3個特征部位最大壓應力均以臨水側為最大，在前墻厚度為1.2m時臨水側最大壓應力為2.44MPa，而填土側、底板部位最大壓應力相比前者降低25.4%、16.4%，這與臨水側所受上揚壓力、靜水壓力影響有關，故各方案中該部位上壓應力均為擋土墻身上最大。當前墻厚度參數增大時，特征部位最大壓應力呈“快速下降-緩慢下降”兩階段變化特征。以臨水側壓應力為例，其在前墻厚度0.6～0.8m區間內，最大壓應力降低54.2%;在厚度區間0.8～1.4m內，最大壓應力平均降幅為0.2%，其中各設計方案間最大降幅為0.36%，表明厚度參數過大，其壓應力降幅并無較大的增長。填土側最大壓應力降幅變化與臨水側有所類似，厚度0.6～0.8m區間內的最大壓應力降幅為45.4%，在此之后各方案間壓應力最大降幅為0.56%。分析認為，最大壓應力隨前墻厚度參數變化具有顯著降幅轉變節點，該節點為厚度0.8m;超過該節點后，增大前墻厚度參數，對整體擋土墻壓應力抑制效應并無顯著促進作用。綜合應力影響特征認為，當擋土墻前墻厚度為0.8m時，墻體各特征部位上應力均處于較佳狀態，擋土墻運營穩定性最優。
4擋土墻后墻厚度參數設計優化分析
擋土墻前墻最優設計參數確定后，對后墻參數進行進一步優化分析很有必要。在保證擋土墻其他設計參數不變情況下，設定前墻厚度為0.8m，分別設定后墻厚度參數為0.6、0.8、1、1.2、1.4和1.6m，同樣以擋土墻填土側、臨水側及底板特征部位應力開展計算分析。
4.1拉應力影響特征
根據后墻厚度參數設計方案計算出擋土墻各特征部位拉應力影響特征，見圖5。從圖5中可看出，后墻厚度參數與填土側、臨水側部位最大拉應力為負相關關系，在后墻厚度0.6m時填土側最大拉應力為1.28MPa，而厚度增大至1、1.4和1.6m后，最大拉應力相比前者分別減少32.8%、58.6%和61%，同樣各方案間臨水側最大拉應力降幅分別為26.7%、55.6%和57.9%。從整體降幅亦可知，后墻厚度增大0.2m，填土側、臨水側部位最大拉應力平均降低16.3%、15.1%，且集中在厚度參數方案0.6～1.2m區間內，兩者在該區間內最大降幅分別為36%、35.4%;表明后墻厚度參數愈大，對填土側、背水側拉應力抑制效果顯著。但不可忽視，當后墻厚度參數增大至1.2m后，兩特征部位最大拉應力降幅呈較小波動，表明填土、背水兩個側壁上最大拉應力在后墻厚度參數增大至一定節點后，抑制效應達到“飽和”狀態，降幅穩定。與前兩特征部位不同的是，底板部位最大拉應力隨后墻厚度參數為遞增關系，厚度為1、1.4和1.6m時，最大拉應力相比厚度0.6m下分別增長26.9%、87.3%和152.7%，特別是在厚度參數1.2m后，底板部位最大拉應力增幅顯著提升;厚度為0.6～1.2m時，每0.2m厚度增長，僅帶來最大拉應力增幅10.4%;但在此之后，厚度1.6、1.4m與厚度1.2m方案間最大拉應力分別達到87.8%、39.2%差幅。筆者認為，后墻厚度參數雖一定程度上可導致底板結構拉應力增長，但其增長空間主要集中在后墻厚度1.2m方案后，因而設計時可優先考慮后墻厚度對拉應力影響節點參數方案。
4.2壓應力影響特征
依據后墻厚度各設計方案計算獲得壓應力特征，見圖6。根據圖6中特征部位最大壓應力變化特征可知，其變化趨勢與前墻厚度參數影響拉應力變化特征類似，均呈短V形。壓應力最低點為厚度參數1.2m時，當后墻厚度參數為0.6m時，填土側最大壓應力為3.268MPa;而后墻厚度為0.8、1.2m時，分別降低15.7%、53.2%;在厚度0.6～1.2m區間內，厚度增大0.2m，填土側最大壓應力平均降低22.2%;在厚度為0.6m后，最大壓應力為上升態勢，厚度增大0.2m，最大壓應力平均增長25.4%。在3個特征部位中，最大壓應力變化態勢基本與之類似，厚度0.6～1.2m區間內，厚度增大0.2m，臨水側、底板部位最大壓應力分別平均降低21.3%、19.9%;而在厚度參數1.2m后，壓應力均開始上升，厚度0.2m可導致臨水側、底板部位最大壓應力增幅21.1%、21.5%。從整體壓應力影響態勢可知，后墻厚度參數應不超過壓應力最低方案節點，確保壓應力不處于過快上升區段內，控制后墻厚度參數低于1.2m，更利于擋土墻安全運營。
綜合后墻厚度參數對應力影響特征認為，當后墻厚度參數為1.2m時，擋土墻拉應力處于較佳抑制狀態，壓應力處于最低，該方案為擋土墻后墻厚度參數設計最優。
4.3最優方案應力分布特征
根據ABAQUS應力特征計算，不僅可得到量值變化特征，也可獲得擋土墻應力分布特征。由于張拉應力是結構設計中最為關注的重點，因而本文給出最優設計方案(前后墻厚度分別為0.8、1.2m)在某一時刻運營節點時擋土墻各特征面拉應力分布特征，見圖7。
從各特征面拉應力分布可看出，該最優方案中，擋土墻拉應力值均較低，最大拉應力位于底板部位，但運營中最大拉應力并未達到1MPa，低于結構材料安全允許值，滿足運營要求。從運營安全性考慮，所確定的最優方案是科學、合理、適配的。
5結論
1)擋土墻底板部位拉應力最大;3個特征部位最大拉應力隨前墻厚度參數變化呈V形，以厚度0.8m時為拉應力最低方案;超過該方案后，厚度增長0.2m可致填土側、臨水側及底板最大拉應力分別增長26.6%、21.1%和16.8%。
2)后墻厚度參數與填土側、背水側部位最大拉應力為負相關關系，厚度增大0.2m，填土側、背水側最大拉應力平均降低16.3%、15.1%，且集中在厚度0.6～1.2m區間內，該區間內兩部位最大降幅分別為36%、35.4%;底板最大拉應力隨后墻厚度為遞增，以厚度1.2m后拉應力增幅增長最為顯著。
3)3個特征部位最大壓應力與前墻厚度參數均為負相關關系，曲線變化呈L形，但特征部位最大壓應力隨后墻厚度參數為V形變化，前墻厚度影響下的平穩節點與后墻厚度影響下最低節點分別為0.8、1.2m。
4)綜合應力變化特征與分布特征，當擋土墻前后墻厚度分別為0.8、1.2m時，預制拼裝式水工擋土墻設計最優。——論文作者：李斯楊
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