馮佳佳，程 博，曹 洋，劉曉靜

(南京市水利規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

我國水資源分布極不平衡，小型農(nóng)田水利工程是節(jié)約水資源工作的重要組成部分，對社會主義新農(nóng)村建設具有重要的保障作用[1- 4]。洪曉林等[5]研究總結(jié)，自1993年國家科技委員會把“農(nóng)田水利裝配式建筑物技術(shù)”列為國家級科技成果重點推廣計劃以來，我國在農(nóng)田水利裝配式建筑物技術(shù)的研究和推廣上做了大量工作，已經(jīng)取得豐碩成績。標準化構(gòu)件和高度工廠化生產(chǎn)是裝配式結(jié)構(gòu)的重要特點之一[6- 9]，裝配化的設計可提高渠道的生產(chǎn)和施工質(zhì)量，在多地已有應用[10- 18]。但目前各地所采用的裝配式農(nóng)田水渠形狀、尺寸各不相同，而且對于小型田間建筑物的研究不多，導致農(nóng)田水利工程整體裝配化率不高，因此完善裝配式農(nóng)田水利建筑物研究、尤其是小型田間建筑物更有利于發(fā)揮裝配式技術(shù)的優(yōu)勢。

鑒于以上狀況，本文以南京市浦口區(qū)2014年農(nóng)田水利重點片區(qū)三合圩裝配化示范區(qū)工程為背景，提出兩種小型農(nóng)田水渠的結(jié)構(gòu)形式，在初選多種渠道厚度方案的基礎(chǔ)上，使用有限元分析軟件Ansys劃分線彈性體六面等參單元，以渠道及地基部分為對象建立模型，基于模型模擬分析計算渠道位移與變形以及各部分應力，最終選出最優(yōu)渠道厚度設計方案。

1 技術(shù)參數(shù)與工程實測資料

本研究區(qū)中(南京市三合圩裝配化示范區(qū))，各灌溉站設計流量均為0.22m3/s；根據(jù)示范區(qū)田間工程布局與田塊劃分，確定支渠設計流量為0.22m3/s；斗渠分兩種，斗渠1的設計流量為0.055m3/s，斗渠2的設計流量為0.11m3/s。裝配式渠道采用輕骨料、細石混凝土等混凝土材料，所采用的混凝土材料中基料為C25細石混凝土，抗?jié)B等級為W4。計算中按C25混凝土取值，彈性模量E為2.8×104N/mm2，泊松比v為0.17，密度為2.5×10-9t/mm3。場區(qū)為粉質(zhì)粘土，泊松比為v=0.25～0.35，彈性模量E為8～10N/mm2。計算中取為中間值，即E=9.0N/mm2，v=0.3，土的天然容重γ取18.5×10-6N/mm3。渠道安裝前，地基均已完成沉降，因而在計算中不考慮地基的密度。

2 初擬結(jié)構(gòu)形式與尺寸

斗渠采用U型截面，如圖1所示。斗渠分節(jié)長度為500mm，分節(jié)間留10mm伸縮縫并采取防漏措施，渠身高400mm或500mm，結(jié)構(gòu)總寬為708mm或880mm，總高為460mm或560mm。渠身為工廠整體預制，運輸至現(xiàn)場后進行施工。

圖1 U型斗渠結(jié)構(gòu)示意圖

支渠采用矩形截面，由底板、側(cè)墻及橫撐組成，底板與側(cè)墻裝配形成渠身，側(cè)墻頂部由橫撐約束側(cè)向變形，如圖2所示。支渠底板與側(cè)板均為分節(jié)長度為1000mm，分節(jié)間留10mm伸縮縫并采取防漏措施，側(cè)墻與底板錯開安裝。側(cè)板高800mm，下部以榫頭形式插入底板。各部件在工廠內(nèi)分別預制，運輸至現(xiàn)場裝配后再進行施工。渠道型號與厚度尺寸見表1。

圖2 矩形支渠渠結(jié)構(gòu)示意圖

渠道方案名稱型號側(cè)板厚/mm底板厚/mm底板寬/mm460mm高U型斗渠560mm高U型斗渠矩形支渠方案一U460×505060300方案二U460×404050290方案三U460×303040280方案四U560×606060300方案五U560×505050290方案六U560×404040280方案一R800×8080100850方案二R800×707090840方案三R800×606080830

3 荷載與工況分析

未通水時渠身受到自重作用以及兩側(cè)的土壓力作用，通水時渠身還受到渠內(nèi)水體的作用力，因此應針對是否通水分別進行荷載分析。此外，U型渠側(cè)板頂部還受到壓頂?shù)淖灾刈饔茫?jīng)過計算，壓頂自重引起的內(nèi)力與土壓力引起的內(nèi)力相互抵消，因此分析U型渠未通水工況時不考慮頂部壓重，即按土方回填已完成，但尚未安裝時的狀態(tài)進行分析。按照運行期有水和完建期無水情況分類，對6種尺寸厚度的U型渠共需計算12種工況，對3種尺寸厚度的矩形渠共需計算6種工況，全部共計18種計算工況。

4 有限元計算

4.1 建立模型

對U型渠，取伸縮縫間490mm長的渠身結(jié)構(gòu)與地基建立模型。對矩形支渠，取三段完整底板(順水方向3000mm)及相應范圍內(nèi)的側(cè)板與地基建立分析模型。兩模型以渠道寬度方向為x軸，渠道長度方向為y軸，高度方向為z軸，原點取為渠道端部截面底板底面對稱軸位置。地基深度取為渠道結(jié)構(gòu)總高3倍范圍，地基寬度取渠道底板寬度5倍范圍。模型中，采用線彈性6面體等參單元模擬渠道結(jié)構(gòu)與地基。渠向結(jié)構(gòu)材料的彈性模量取E=2.8×104N/mm2，泊松比取v=0.17，密度ρ取2.5×10-9t/mm3。渠道周圍土體按粉質(zhì)粘土考慮，對側(cè)板的作用力按主動土壓力計算，主動土壓力系數(shù)取k=0.376，土體天然容重取γ取18.5×10-6N/mm3。

4.2 應力分析計算結(jié)果

4.2.1 位移與變形

將各工況下兩種裝配式渠道的沉降位移與變形、結(jié)構(gòu)主應力的有限元計算結(jié)果最大值匯總見表2、3。其中，沉降位移即渠道底板底面的豎向位移中負號表示位移方向向下；豎向變形為側(cè)板頂面與底板底面的豎向位移差，正值表示渠身豎向拉長，負值表示渠向豎向壓縮；橫向變形為側(cè)板頂面的橫向位移，正值表示渠道側(cè)板發(fā)生向外的彎曲變形，呈“張開”趨勢，負值表示渠道側(cè)板發(fā)生向內(nèi)變形，呈“閉合”趨勢。

表2 各工況U型斗渠的沉降位移與變形

表3 各計工況矩形支渠的沉降位移與變形

由表2、3中計算結(jié)果可見：各工況渠道均發(fā)生了方向向下的沉降位移，水體自重較大，運行期工況渠身結(jié)構(gòu)發(fā)了較為明顯的沉降位移。但完建期渠身結(jié)構(gòu)的沉降位移不明顯。由于水壓的影響，運行期渠道結(jié)構(gòu)的沉降位移明顯大于完建期。

對于U型渠而言，隨著側(cè)板與底板厚度的減小，結(jié)構(gòu)自重減小，沉降位移也相應減小。渠道側(cè)板方向傾斜，因而在土壓力與水壓力作用下不僅發(fā)生橫向變形，也發(fā)生了較明顯的豎向變形，其中土壓力在側(cè)板上存在豎直向上的荷載分量，導致渠身結(jié)構(gòu)在豎直方向上被拉長。完建期工況僅受土壓力作用時，引起的豎向變形可完全抵消自重產(chǎn)生的豎向壓縮變形，使得渠身表現(xiàn)出豎向被拉長的變形形態(tài)。隨著側(cè)板與底板厚度的減小，結(jié)構(gòu)自重引起的豎向壓縮變形越小，該效應也越明顯。因而當側(cè)板、底板厚度取值過小時，需注意回填土時對渠身造成損壞，甚至渠道被“擠出”。

對于矩形渠而言，隨側(cè)板厚度的減小，結(jié)構(gòu)自重也減小，其沉降位移逐漸減小。剛度隨側(cè)板厚度的減小而減小，其橫向變形逐步增大。在運行期水重的作用下，渠道沉降位移大于完建期的數(shù)值。運行期工況，側(cè)板的相對向內(nèi)變形更大，這是因為水重作用下底板發(fā)生了彎曲變形，使得側(cè)板發(fā)生了向內(nèi)的轉(zhuǎn)動。該轉(zhuǎn)動變形抵消了水壓引起的側(cè)板的向外的變形。

4.2.2 結(jié)構(gòu)應力

(1)U型渠結(jié)構(gòu)應力

總體來看，隨側(cè)板及底板厚度的減小，渠道結(jié)構(gòu)最大拉主應力與最大壓主應力均呈增大趨勢。由于水壓力的影響，運行期渠道結(jié)構(gòu)的主應力明顯大于完建期主應力。460mm高斗渠最大拉主應力為0.909N/mm2，最大壓主應力為1.172N/mm2，均發(fā)生于工況1-6；560mm高斗渠最大拉主應力為1.253N/mm2，最大壓主應力為1.309N/mm2，均發(fā)生于1-12工況。渠道安全級別為III級，以C25混凝土的抗拉強度設計值1.27N/mm2考慮，結(jié)構(gòu)拉應力應不大于1.10N/mm2。表4計算結(jié)果顯示，初設方案中所有結(jié)構(gòu)尺寸均安全。因此，460mm高斗渠側(cè)板厚最低可取30mm；560mm高斗渠側(cè)板最低可取50mm。

表4 各工況U型渠最大主拉應力

(2)矩形渠結(jié)構(gòu)應力

U型渠為整體式裝配式結(jié)構(gòu)，但矩形渠是有底板、側(cè)墻、橫撐以及鎖扣等構(gòu)件組合而成的裝配式結(jié)構(gòu)，因此在有限元計算的基礎(chǔ)上分別對各部分構(gòu)件的應力進行歸納總結(jié)，將各工況下應力計算值匯總見表5、6。

表5 矩形支渠各部位拉應力最大值單位：N/mm2

表6 矩形支渠各部位壓應力最大值單位：N/mm2

可以看出：底板底面受拉，頂面受壓，完建期工況底板跨中區(qū)域應力大，兩端應力小，運行期工況相對比較均勻，隨底板厚度的減小，底板內(nèi)應力越來越大。

側(cè)板大部分區(qū)域內(nèi)應力水平不高，由于有限元模型難以直接考慮螺栓作用，橫撐安裝處發(fā)生了應力集中，側(cè)板應力被高估。導致計算結(jié)果側(cè)板內(nèi)應力水平較高，工況3到6拉主應力部分超出了C25混凝土的強度設計值。完建期工況拉主應力隨板厚減小而增大，但運行期工況相反。隨板厚的減小，壓主應力變大。橫撐拉主應力最大值較大，各工況最大拉主應力均超出了C25混凝土的抗拉強度設計值。完建期工況，橫撐應力隨板厚的減小而增大，運行期工況變化不明顯。拉應力主要出現(xiàn)在與側(cè)板連接處的外端，且拉應力水平較高。這是由于有限元計算中忽略了螺栓，簡化為橫撐與側(cè)板直接連接，造成了應力集中位置的變化。實際結(jié)構(gòu)中，應按螺栓受力重新分析橫撐兩端的受力狀態(tài)，并校核承載力是否滿足要求。

5 裝配式渠道方案優(yōu)選

5.1 U型裝配式渠道分析與優(yōu)選

完建期側(cè)板呈“閉合”變形趨勢，運行期側(cè)板呈“張開”變形趨勢。隨板厚的減小，側(cè)板橫向變形增大。渠道豎向被拉長，板厚較小時更為明顯，甚至還會出現(xiàn)被“擠出”的位移趨勢。主應力主要分布于側(cè)板中下部，底板內(nèi)應力也較大。最大應力出現(xiàn)于側(cè)板與底板交界處，以及底板對稱軸處頂面與底面。側(cè)板與底板交界處有應力集中現(xiàn)象，但程度不劇烈。

通過Ansys模擬計算的不同工況下各個設計方案的位移、變形和結(jié)構(gòu)應力結(jié)果可以看出：僅從強度角度出發(fā)，460mm高斗渠側(cè)板厚度最低可優(yōu)化至30mm，560mm高斗渠側(cè)板厚度最低可優(yōu)化至50mm。若通過摻入纖維可將混凝土抗拉強度設計值提高至1.45N/mm2以上，560mm高斗渠側(cè)板可優(yōu)化為40mm。

綜合以上對于U型裝配式渠道有限元分析，并結(jié)合渠道防滲要求，研究區(qū)斗渠1和農(nóng)渠最終選取具有一定安全富余的方案1中的設計尺寸，即：渠道凈深400mm(不含壓頂)，總深460mm，口寬600mm，渠底弧面半徑0.3m，圓弧中心角134°，斷面形狀為“低腳杯”型。渠道斷面?zhèn)缺诤?0mm，底板厚度60mm，單節(jié)長度為0.495m。農(nóng)渠和斗渠1采用U型斷面，輸水能力Q為0.059m3/s，大于斗渠1的設計流量0.055m3/s，渠道斷面滿足灌區(qū)需求，此時平均流速為0.40m/s。斗渠2最終選取具有一定安全富余的方案5中的設計尺寸，即：渠道凈深500mm(不含壓頂)，總深560mm，口寬700mm，渠底弧面半徑0.35m，圓弧中心角134°，斷面形狀為“低腳杯”型。渠道斷面?zhèn)缺诤?0mm，底板厚度50mm，單節(jié)長度為0.495m。

5.2 矩形裝配式渠道分析與優(yōu)選

完建期與運行期，矩形支渠均呈“閉合”變形趨勢，隨板厚的減小，側(cè)板橫向變形增大。底板應力較小，不會發(fā)生強度破壞，其厚度可減至80mm，但應滿足其他構(gòu)造要求。側(cè)板大部分區(qū)域應力水平較低，但鎖扣端“榫頭”根部的拉應力較大，將導致強度破壞?？梢栽阪i扣部分通過添加纖維或該部分采用高強度的混凝土等措施將混凝土強度設計值提高，80mm厚側(cè)板可不發(fā)生破壞。若側(cè)板兩端均以橫撐代替鎖扣，應可避免側(cè)板強度破壞，按現(xiàn)有計算結(jié)果推算側(cè)板厚可減至60mm。側(cè)板變形與鎖扣間發(fā)生擠壓，導致鎖扣發(fā)生明顯應力集中，會導致鎖扣兩側(cè)破壞。若必須采用鎖扣，建議改變鎖扣形式，僅保留其頂部，而去除其兩側(cè)部分。橫撐應力較小，可滿足使用要求，但實際工程中，需要驗算是否足夠承擔人群荷載，或考慮其他使用狀態(tài)。螺栓受力不大，設計時除考慮螺栓強度外，還應考慮是否會引起周圍混凝土材料的破壞。

綜合裝配式矩形渠的有限元分析，最終研究區(qū)內(nèi)裝配式矩形渠選擇方案1中的尺寸。即：渠內(nèi)凈尺寸(寬×深)為600mm×800mm，側(cè)板厚度為80mm，底板厚度為100mm，底板寬度為850mm。順水流方向單節(jié)長度為990mm，每兩節(jié)預制渠道之間要設一道橫撐，橫撐中間邊墻和邊墻之間分縫處采用鎖扣連接，保證兩節(jié)渠道邊墻的整體性。根據(jù)計算：對于支渠，采用矩形斷面，寬為0.6m，高為0.8m，則輸水能力Q為0.237m3/s，大于設計流量0.22m3/s。渠道斷面尺寸滿足灌區(qū)設計需求，此時的渠道平均流速為0.52m3/s。

6 結(jié)論與建議

采用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計時，主要優(yōu)化對象是結(jié)構(gòu)形式以及結(jié)構(gòu)尺寸厚度。本文對裝配式矩形渠和裝配式U型渠進行了厚度上的優(yōu)化設計，裝配式渠道尺寸在滿足設計規(guī)范的前提下，與常規(guī)農(nóng)田水利渠道設計相比，經(jīng)過有限元結(jié)構(gòu)計算的裝配式渠道更加經(jīng)濟、更能夠適應預制、運輸以及安裝的過程，達到一個最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸。

在研究過程中，筆者認為在以下方面還需進一步深入研究和改進：

(1)由于復合材料可以有效降低構(gòu)件重量、提高防滲性能，而且安裝過程不易產(chǎn)生構(gòu)件破損，所以今后的研究和設計中還可以研發(fā)其他多種復合材料，并通過實驗確定配比和相關(guān)力學參數(shù)后應用到渠道設計中來，使渠道滿足強度和防滲要求的同時減小厚度取值。

(2)由于裝配化率的提高有助于進一步發(fā)揮裝配化的優(yōu)勢，所以應對于農(nóng)田水利工程中其他具備裝配化和序列化的渠系建筑物亟待進行裝配化設計，克服小型田間建筑物面廣量大給施工帶來的不便。