1 概 述

水利工程中抗震设计也较为重要，水工建筑结构只有具备良好的抗震性能，才能更好地长期安全稳定运营，因而许多水利工程师借助各种手段来提升水工结构的动力抗震性能，在一定程度上也提升了水利工程的设计水平[1-2]。原型物理实验在水利工程中运用较广，它采用原型尺寸设计水工建筑，并借助振动台等室内大型试验仪器，研究结构破坏过程中动力响应特征，为结构设计提供具体试验参数[3-5]。采用微震等现场监测仪器或原位测试仪器对工程现场水工建筑开展监测测试，能够获取到水利工程运营过程中的数据特征变化，为工程师预判水利安全状态提供重要参考[6-8]。仿真计算能够较好模拟不同运营工况下水利建筑所处环境，并结合不同设计方案，分析各设计方案下水工建筑的动力或静力特征，从而为水工设计提供计算参数或模拟运营[9-11]。本文利用ANSYS仿真手段，计算获得不同设计方案下栅墩动力响应特征，为确定最佳抗震设计方案提供重要计算依据。

2 工程资料

2.1 工程概况

某河道防洪枢纽工程包括上游拦污栅墩、节制闸、输水隧洞及大坝堤防工程，为下游通航以及生产生活提供安全保障。枯水期甚至可以保证地区缺水率不会超过4%，同时可承担地区超过1 000 km2面积农田，提升了区域水资源利用效率与水利工程安全性。拦污栅墩作为该水利枢纽工程重要水工结构设施，其迎水侧是正常蓄水位高程379 m的大型水库，总库容设计为6 000×104m3，大坝堤防高程423.5 m，拦污栅墩设置于堤防大坝K+125 m处，具有过滤泥沙、减弱泥沙对水闸及堤防工程的流体冲刷作用。拦污栅墩后连接输水渠道，渠首流量为0.65 m3/s，干渠总长度约125 km，以模袋式混凝土作为衬砌形式，保证输水渠道安全稳定性。整个堤防工程中设计进水孔2个，分布于拦污栅墩下游，每个出水口为3.5 m×6.8 m，采用弧型钢闸门作为水流量调控设施，设计有电脑程序精确控制式的液压启闭机，保证通行水流安全性与输水效率。拦污栅设置有6根支撑墩，栅墩之间的间距为4 m，均采用预应力混凝土浇筑形成。设置有预应力锚索与锚固洞连接，保证闸墩安全可靠性。锚索共有4根主锚索与3根次锚索，主锚索横贯在纵向梁上，上下排主锚索间距为1.4 m，次锚索靠近闸墩承载平台边缘设置，中间次锚索距离闸墩顶部2.2 m，锚索布设剖面形态见图1。

图1 锚索结构平面布置图

目前由于该防洪枢纽工程运行时间较久，部分水工结构出现老化及渗漏，极大地威胁了整体水利结构安全稳定性。特别是在闸墩纵向梁上，作为拦污栅墩在纵向剖面上的承载结构，其安全可靠性对工程运营具有重大意义，因而对栅墩纵向梁安全加固设计很有必要。布设在栅墩纵向方向的纵向梁，轴向长度为1.5 m，目前工程设计部门考虑对该栅墩纵向梁的截面体型开展设计方案对比研究，以此获取最适合该栅墩纵向梁截面的最佳方案。

针对纵向梁截面体型设计方案，考虑采用数值仿真计算手段，针对性解决不同纵向梁截面设计方案下栅墩整体应力变形特征，因而数值计算首先需解决目前堤防枢纽工程场地地质状态，获取相关岩土物理力学参数，确保各方案计算准确性。根据现场原位测试资料得知，该枢纽工程位于弱风化花岗岩层上，该基岩稳定性较好。现场所取出样芯表明花岗岩完整性较好，表面无显著孔隙，室内测试单轴抗压强度接近60 MPa，三向压力测试气体渗透率最低仅为10-18m2。表面覆盖土层为第四系堆积土层，松散性较大，局部变形程度较高，承载力较低，输水渠道持力层甚至都穿过该层，位于下卧砂土层中，砂土粒径最大仅为4 mm，含水量较低，承载力中等，渠道采用厚20 cm碎石垫层铺设在此层上，即可满足承载力要求。在上述工程资料及参数测试结果下，以地震动荷载作为约束，所采用地震动荷载实质上为EI Centro地震波，设计反应谱法叠加动力荷载，根据不同栅墩纵梁截面体型设计方案，分别计算获得栅墩结构动力响应特征，为评判最优方案提供计算依据。

2.2 模型建立及动荷载

借助ANSYS软件，按照栅墩整体几何形态建立数值模型，且以六面变形体为基本单元体，经划分模型网格单元后共获得单元总数198 738个，节点数96 538个，所建立栅墩仿真模型见图2。有限元模型中，空间坐标体系X、Y、Z正方向分别为水流右侧垂线方向、顺水流向、向上竖向。对比纵梁不同截面体型，只需改变纵梁剖面不同几何设计参数，即可对比各方案下动力响应特征。