陸 璐

（安徽省淠史杭灌區(qū)管理總局設(shè)計(jì)院 合肥 230088）

1 引言

在淠史杭灌區(qū)水閘一類(lèi)建筑物的常規(guī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）中結(jié)構(gòu)計(jì)算章節(jié)內(nèi)關(guān)于水閘閘室穩(wěn)定的計(jì)算公式對(duì)水閘進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)算復(fù)核，其中計(jì)算內(nèi)容除了包括水閘閘室的抗滑穩(wěn)定性還需要驗(yàn)證閘室在抗傾覆穩(wěn)定方面以及水閘進(jìn)出口兩側(cè)的翼墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是否滿足要求。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)用實(shí)踐，灌區(qū)內(nèi)水閘的設(shè)計(jì)多采用1 孔或多孔作為結(jié)構(gòu)型式，縱向不設(shè)分縫。常規(guī)規(guī)范公式法在計(jì)算閘室穩(wěn)定時(shí)通常忽略閘室各個(gè)組成部分之間的互相作用，將水閘閘室看作成一個(gè)單元，即作為一個(gè)整體進(jìn)行計(jì)算，這種計(jì)算方式簡(jiǎn)單直接，并且為設(shè)計(jì)工作提供了便利。

2 工程概況

戚家橋泄水閘位于安徽省六安市戚家橋集附近的淠河總干渠左岸11+000 處，主要作用是排除總干渠右岸山丘區(qū)44.40km2面積的來(lái)水，并可將總干渠水放空，以便渠道進(jìn)行維修。戚家橋泄水閘是淠史杭灌區(qū)安全暢通運(yùn)行的關(guān)鍵性控制工程之一，是保證灌區(qū)正常灌溉和城市供水的重要措施，對(duì)改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，提高水資源利用率，促進(jìn)六安市城南鎮(zhèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，對(duì)于灌區(qū)發(fā)展和城市發(fā)展都具有重大意義。

2013年戚家橋泄水閘進(jìn)行拆除重建。新建的戚家橋泄水閘采用潛孔式水閘型式，共3 孔，單孔凈寬5.0m，總凈寬15.0m。水閘底檻高程為47.33m，檢修平臺(tái)頂高程53.93m，閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)12.0m，邊墩厚1.0m，中墩厚1.2m，閘室總寬度為19.4m。啟閉機(jī)臺(tái)頂面高程為59.73m，啟閉機(jī)房?jī)舾?.5m，凈寬5.0m。閘室主要部位均為C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。考慮到與現(xiàn)狀閘頂交通橋兩岸道路的順暢連接，閘上交通橋布置在閘室上游側(cè)，與水閘墩墻整體澆筑。水閘結(jié)構(gòu)形式采用三孔一聯(lián)的整體箱涵式基礎(chǔ)，閘室上部荷載可均勻傳遞到至水閘地基上，從而減小不均勻沉降。

3 計(jì)算模型及參數(shù)

3.1 計(jì)算模型

將整個(gè)閘室以及上部建筑作為本次計(jì)算的整體研究對(duì)象，利用ABAQUS 軟件建立三維有限元模型，模型結(jié)構(gòu)包含閘室底板、閘墩、檢修便橋、交通橋、工作閘門(mén)、啟閉機(jī)房、橋頭堡和地基礎(chǔ)。根據(jù)工程場(chǎng)地地質(zhì)條件，地基土體服從莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則，符合彈塑性材料判定標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合廣義胡克定律，用線彈性材料構(gòu)建莫爾-庫(kù)侖模型，從而詳盡展示水閘閘室混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系。本次計(jì)算模型是根據(jù)笛卡爾直角坐標(biāo)系進(jìn)行分解，分為X、Y、Z 三個(gè)方向。其中X 方向指的是順著水流方向指向下游，Y 方向指的是垂直水流方向指向上游，Z 方向指的是縱軸指向上。

考慮到在三維空間里建立模型，有限元分析計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)選取尺寸標(biāo)準(zhǔn)有很大影響，本次計(jì)算模型選取基礎(chǔ)的尺寸范圍擴(kuò)大至水閘上下游及左右兩側(cè)相應(yīng)尺寸的一倍大小，基礎(chǔ)選取深度設(shè)定為21m。同時(shí)，在有限元模型中向基礎(chǔ)底部施加受力，側(cè)面施加水平法向鏈桿受力，從而盡可能使模型的規(guī)格符合實(shí)際情況，提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。有限元模型采用C3D8R 六面體約簡(jiǎn)線性積分單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，將閘室分解成16314 個(gè)節(jié)點(diǎn)，共10922 個(gè)單元格，將地基分解成10032 個(gè)節(jié)點(diǎn)，共8262 個(gè)單元格，盡可能準(zhǔn)確地反映出水閘閘室和基礎(chǔ)之間的位移變化情況，計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算模型圖

3.2 初始地應(yīng)力的平衡

根據(jù)工程區(qū)地質(zhì)條件，地基土體因承受自身重力，存在初始應(yīng)力。垂直沉降位移的數(shù)值正?？刂圃?0～14 個(gè)數(shù)量級(jí)，基本可以忽略不計(jì)，符合地基應(yīng)力平衡。

3.3 材料的物理力學(xué)參數(shù)

模型選取線彈性材料模擬閘室混凝土，選取彈塑性材料模擬閘室基礎(chǔ)土體，見(jiàn)表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)取值表

3.4 在不同工況下閘室穩(wěn)定成果分析

閘室的穩(wěn)定性分析主要是建模后通過(guò)閘室的平均基礎(chǔ)應(yīng)力是否超過(guò)各種計(jì)算條件下地基的容許承載力來(lái)判別。行業(yè)規(guī)范中要求在各種計(jì)算條件下，閘室基礎(chǔ)的最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之比不得大于規(guī)范允許值，同時(shí)閘室的最大基底應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)地基容許承載力的1.2 倍。本次關(guān)于水閘閘室結(jié)構(gòu)建立的有限元模型用來(lái)分析閘室底板在不同條件下承載的豎向應(yīng)力，分析成果顯示閘室穩(wěn)定情況滿足規(guī)范要求。

3.4.1 完建期工況下的閘室穩(wěn)定成果分析

在完建期，采用ABAQUS 有限元軟件對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果中的水閘基底應(yīng)力分布情況，見(jiàn)圖2。

圖2 完建期閘室基底應(yīng)力分布圖和應(yīng)力等值線圖

由分布圖可知，完建期水閘的基底應(yīng)力在設(shè)計(jì)水位工況下均為受壓，閘室基底最大壓應(yīng)力為75kPa，最小壓應(yīng)力50kPa。其中，在閘門(mén)以及閘墩的位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中分布的現(xiàn)象，其中最大壓應(yīng)力分布在邊墩的上下游外邊緣處，壓應(yīng)力值為0.3MPa，其他部位應(yīng)力分布比較均勻。由此可見(jiàn)，水閘的閘底板承受力來(lái)自上部結(jié)構(gòu)的自重以及不均勻剪力。經(jīng)計(jì)算，閘室基底最大壓應(yīng)力與最小壓應(yīng)力的比值為1.5，因此，完建期水閘閘室穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

3.4.2 設(shè)計(jì)洪水位工況下閘室穩(wěn)定成果分析

在設(shè)計(jì)洪水位工況下，采用ABAQUS 有限元軟件對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果中的水閘基底應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖3。

圖3 設(shè)計(jì)洪水位下閘室基底應(yīng)力分布圖和應(yīng)力等值線圖

由圖3可知，完建期水閘的基底應(yīng)力在設(shè)計(jì)水位工況下均為受壓，閘室基底最大壓應(yīng)力為81.7kPa，最小壓應(yīng)力54.2kPa。其中，在閘門(mén)以及閘墩的位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中分布的現(xiàn)象，其中最大壓應(yīng)力分布在邊墩的上下游外邊緣處，壓應(yīng)力值為0.37MPa，其他部位應(yīng)力分布比較均勻。由此可見(jiàn)，水閘的閘底板承受力來(lái)自上部結(jié)構(gòu)的自重以及不均勻剪力。經(jīng)計(jì)算，閘室基底最大壓應(yīng)力與最小壓應(yīng)力的比值為1.51，因此，完建期水閘閘室穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

3.4.3 校核洪水位工況下閘室穩(wěn)定成果分析

在校核洪水位工況下，采用ABAQUS 有限元軟件對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果中的水閘基底應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖4。

圖4 校核洪水位下閘室基底應(yīng)力分布圖和應(yīng)力等值線圖

由圖4可知，水閘的基底應(yīng)力在校核水位工況下均為受壓，閘室基底最大壓應(yīng)力為95kPa，最小壓應(yīng)力63.3kPa。其中，在閘門(mén)以及閘墩的位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中分布的現(xiàn)象，其中最大壓應(yīng)力分布在邊墩的上下游外邊緣處，壓應(yīng)力值為0.348MPa，其他部位應(yīng)力分布比較均勻。由此可見(jiàn)，水閘的閘底板承受力來(lái)自上部結(jié)構(gòu)的自重以及不均勻剪力。經(jīng)計(jì)算，閘室基底最大壓應(yīng)力與最小壓應(yīng)力的比值為1.50，因此，校核洪水位工況下水閘閘室穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

3.4.4 正常蓄水位加地震工況下閘室穩(wěn)定成果分析

在正常蓄水位加地震工況下，采用ABAQUS 有限元軟件對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果中的水閘基底應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖5。

圖5 正常蓄水位加地震工況閘室基底應(yīng)力分布圖和應(yīng)力等值線圖

由圖5可知，水閘的基底應(yīng)力在正常蓄水位加地震工況下均為受壓，閘室基底最大壓應(yīng)力為87.5kPa，最小壓應(yīng)力58.3kPa。其中，在閘門(mén)以及閘墩的位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中分布的現(xiàn)象，其中最大壓應(yīng)力分布在邊墩的上下游外邊緣處，壓應(yīng)力值為0.32MPa，其他部位應(yīng)力分布比較均勻。由此可見(jiàn)，水閘的閘底板承受力來(lái)自上部結(jié)構(gòu)的自重以及不均勻剪力。經(jīng)計(jì)算，閘室基底最大壓應(yīng)力與最小壓應(yīng)力的比值為1.50，因此，校核洪水位工況下水閘閘室穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

4 規(guī)范公式法與ABAQUS 軟件計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

為了便于分析兩種計(jì)算方法的結(jié)果，對(duì)四種工況下閘室穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)。經(jīng)過(guò)基于ABAQUS 軟件進(jìn)行的有限元分析法和與常規(guī)規(guī)范公式法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比復(fù)核，兩種計(jì)算方法得到的結(jié)果都滿足水閘《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2001）規(guī)范要求。具體結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 兩種方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

5 結(jié)語(yǔ)

從計(jì)算結(jié)果看出有限元法得出的計(jì)算比值稍大一些，并且閘室底板出現(xiàn)了局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因?yàn)閷?duì)水閘模型在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生幾何形狀變形。但是從上述計(jì)算數(shù)值可以看出，規(guī)范公式法的計(jì)算結(jié)果與采用ABAQUS 軟件進(jìn)行有限元分析法的計(jì)算結(jié)果差別不大，兩種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

水閘設(shè)計(jì)規(guī)范中的公式計(jì)算法具有普遍適用性，但相比較而言，有限元分析法能夠?qū)⑺l閘室的基底應(yīng)力的變化情況更為詳盡地展現(xiàn)出來(lái)，且能夠真實(shí)反映閘室結(jié)構(gòu)的受力狀況，具有更高的精確性和準(zhǔn)確性，可以為淠史杭灌區(qū)內(nèi)水閘設(shè)計(jì)工作提供更精準(zhǔn)的技術(shù)支撐■