陳 敏，莊夢如，王明東，朱瀟瀟

(淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005)

水工建設中探討工程設計參數的最優(yōu)性對提升設計水平、工程質量及運營效率均具有重要作用[1-2]，研究水工設計參數最優(yōu)性可從方案對比、利弊性、工程建設必要性等角度考慮。鄧燕[3]、劉中峰等[4]、崔忠[5]根據水工模型試驗理論，設計不同方案的模型試驗，如溢洪道、消能池及閘門等，對水工模型應力狀態(tài)、滲流特征開展評價分析，進而確定工程設計參數的最優(yōu)性，為工程建設提供重要參考。也有一些學者認為工程設計最優(yōu)化不僅僅需要考慮結構安全可靠性，同樣需要考慮結構材料的穩(wěn)定性，根據結構材料的力學穩(wěn)定性或滲透特征影響因素[6-8]，設計最適配于工程的最優(yōu)參數，進而為工程最優(yōu)化設計提供重要基礎。不可忽視，模型試驗成本較高，而結構材料設計最優(yōu)化與工程適配性還有待檢驗，故一些學者認為利用COMSOL[9]、ABAQUS[10]、ANSYS等[11]數值仿真軟件分析有限元模型在不同設計方案下應力、位移特征的差異性，為工程設計提供可靠依據。本文根據淮安水利-交通聯(lián)合樞紐性水閘工程的閘室底板厚度參數最優(yōu)化問題，開展了不同厚度參數方案的靜力與滲流特征分析，為閘室工程的設計提供參考。

1 工程概況

為保障淮安地區(qū)水利資源利用效率與河道交通快捷性，考慮在淮漣一干河新建一水利樞紐工程，該工程不僅可對水資源進行峰、谷調度，也可作為通行交通樞紐，緩解河道兩岸通行擁堵問題，有效提升一干河周邊水利-交通協(xié)調性。該樞紐工程主要水工建筑包括有水閘、圍堰、交通橋、排沙閘、啟閉機等設施，該水閘樞紐工程為多孔式結構，共有8孔，按照四孔并聯(lián)式設計形式，單孔凈寬為6.0 m，閘頂高程為32.6 m，底板長度與厚度乃是根據工程最優(yōu)設計分析的對象，水閘上游正常蓄水位為12.5 m，枯水位為4.8 m。該水閘支撐結構體系為預應力錨固墩，每個支撐墩直徑為1.6 m，在閘墩同一側中均布置有橫、縱連系梁，可有效提升閘墩抗拉特性。根據預埋傳感器監(jiān)測表明，墩身最大拉應力不超過1.2 MPa，位移以沉降方向為主，最大位移量為8 mm；而滲流監(jiān)測表明閘室內滲流場較平靜，無紊流、渦流等現象，蓄水工況下紊動能分布在6.5～10.4 m2/s2，閘室側壁上靜壓力分布較穩(wěn)定，無顯著壓力集中效應；另一方面，正常蓄水工況下閘室內流速較穩(wěn)定，基本在4.5 m/s左右，水利沖刷作用并不顯著，有效延長水閘使用周期。圍堰采用黏性沙土為堆筑料，采用分層壓實方法，有效降低土體沉降對堆筑圍堰穩(wěn)定性的影響，圍堰與水閘間具有水利緩沖地帶，可作為消能降沖的水工建筑設計區(qū)域，此與閘室底板滲流、排沙降淤具有密切相關聯(lián)系，該工程中所設修建的排沙閘主要降低過閘水流含沙量，水文資料顯示過閘斷面水流含沙量低于2.5 kg/m3。交通橋布設在閘室與啟閉機連接中部，寬度為4.2 m，且與交通橋相對應設置有檢修橋，寬度為2.2 m。閘室配備有平面鋼閘門，并且采用壓桿支撐結構體系作為閘門與啟閉機之間聯(lián)動載體，桿件主要以受壓為主，最大抗壓應力可達18 MPa，啟閉機采用液壓程序控制，開度與流量匹配性較大，確保閘門防滲效果與過閘流量相結合；根據現狀對閘門運營工況下模擬分析得知，其浸潤線分布較安全，最大拉應力僅為0.78 MPa，壓應力分布滿足設計要求。為確保該水閘設計方案適配水利與交通樞紐功能作用，勢必需要討論水閘設計方案對交通橋及閘室靜力穩(wěn)定性影響，因本工程中水閘設施閘頂、側壁部分設計參數均已確定，故重點探討閘室底板設計參數的影響問題。

2 設計仿真

根據前述水閘水利-交通樞紐地位與作用性，本文采用Abaqus仿真計算平臺對該水閘結構進行有限元建模[10-12]，另在計算模型中施加靜水壓力、揚程壓力等，其他結構自重按照均布荷載施加至模型中，研究工況以上、下游水位為正常蓄水位，下游水位為5.6 m。水閘結構按照實際材料本構模型方程進行設定應力變形關系，閘基礎影響深度按照試測法確定為26 m，模型橫向軸線研究長度為8 m，地基與土層間采用薄層界面單元，土體物理力學狀態(tài)參數以室內試驗測定砂土力學參數取值。

經Abaqus劃分網格后，且在閘室底板、閘墩部位等處加密劃分，本模型所采用的微單元體為三角形與四邊形網格，該計算模型劃分后共獲得微單元體168 262個，圖1為該模型二維特征。根據水利-交通樞紐功能設計前提，該水閘模型頂部為水平向單個自由度邊界體系，而底部為零自由度邊界條件，閘室側壁為法向約束條件。為分析方便，本文設定計算模型的X、Y、Z正向分別為水流下游端、結構垂直上方及橫軸下右方。

圖1 水閘有限元模型

3 閘室底板厚度設計與應力特征關系

根據對閘室底板厚度設計分析可知，其厚度分布范圍不得超過單孔凈寬1/4，同時其厚度不得低于0.70 m，故本文探討閘室底板厚度最優(yōu)設計方案時設定為0.70 m、0.85 m、1.00 m、1.15 m、1.30 m、1.45 m，對各方案的應力、位移特征及滲流特征進行對比，為評價設計最優(yōu)性提供依據。本文根據水利與交通樞紐工程，重點探討不同方案中水閘上交通橋底與閘室耦合部位、檢修橋與閘室耦合部位、閘室底板部位三個關鍵部位的應力位移特征，評價最適配閘室底板厚度設計參數，各關鍵部位所在位置如圖2所示。

3.1 拉應力特征

根據對各底板厚度設計方案影響水利-交通聯(lián)合樞紐工程設施應力分析，獲得關鍵部位最大拉應力與底板厚度變化特征，如圖3所示。由圖3可知，該水閘關鍵部位中拉應力最大為交通橋底部位，其拉應力分布為1.68～5.63 MPa，而各方案中檢修橋底與閘室底板部位最大拉應力較前者具有差幅40.4%～82.4%、13.1%～31.9%，特別是在底板厚度1.45 m，檢修橋底、與交通橋底部位處最大拉應力差距最大，達82.4%。分析表明，水閘樞紐設施中，交通橋底所受張拉應力較大，其底部應配置抗拉效果較好的結構材料，增強橋底剛度，保障交通樞紐順暢。當閘室底板厚度愈大時，交通橋底、閘室底板兩關鍵部位最大拉應力隨底板厚度均為先減后增變化，變化節(jié)點為底板厚度1.00 m時，在該方案下，前述兩關鍵部位最大拉應力分別為1.68 MPa、1.29 MPa，顯著低于結構材料安全允許值；而該方案下交通橋底處最大拉應力相比閘室底板厚度0.70 m、0.85 m分別降低了64.7%、45.5%，在底板厚度0.70～1.00 m區(qū)間內交通橋底最大拉應力平均降低40.4%，同樣閘室底板部位在該區(qū)間內亦具有平均降幅40.7%。當底板厚度超過1.0 m后，交通橋底、閘室底板部位最大拉應力均具有較大增幅，底板厚度1.15 m、1.45 m時閘室底板處最大拉應力較厚度1.00 m時分別增長了56.7%、2.8倍，而在底板厚度1.00～1.45 m區(qū)間內其最大拉應力平均增幅可達65.3%，同樣在交通橋底處，其最大拉應力在該厚度區(qū)間內的平均增長可達51.2%，表明底板厚度超過1.00 m后拉應力的增長敏感程度遠高于前一遞減區(qū)間，從結構應力安全角度考慮[13-14]，應避免底板厚度超過1.00 m。相比前兩關鍵部位，檢修橋底處最大拉應力受底板厚度參數影響較小，各方案中檢修橋最大拉應力分布為0.98～1.00 MPa，最大變幅為1.15～1.30 m方案，達1.8%，各方案中檢修橋底拉應力特征值均低于結構材料安全值，故閘室底板厚度設計優(yōu)化時，可不考慮檢修橋底拉應力所受影響。

圖3 關鍵部位最大拉應力與閘室底板厚度關系

3.2 壓應力特征

計算該樞紐工程水閘底板厚度各設計方案應力時，可聯(lián)合樞紐工程中交通、水利功能的關鍵部位壓應力變化特征，如圖4所示。從圖4中可知，該樞紐工程中閘室底板壓應力為最高，各方案中分布為4.00～9.52 MPa，而交通橋底、檢修橋底部位處最大壓應力較前者分別具有差幅20.8%～29.8%、47.3%～76.5%。當底板厚度增大時，閘室底板、交通橋底部位最大壓應力分別為遞增，但增幅在減小，特別是在底板厚度1 m后，其壓應力增長能力基本達到“飽和”狀態(tài)，兩關鍵部位最大壓應力在該方案后基本穩(wěn)定在9.5 MPa、6.8 MPa；當底板厚度為0.70 m時，交通橋底最大壓應力達3.19 MPa，而厚度為1.00 m、1.30 m、1.45 m后相應的壓應力較前者分別增長了1.080倍、1.140倍、1.138倍，在厚度0.70～1.00 m 區(qū)間內壓應力平均增幅可達46.8%，而超過1.00 m后，其壓應力增長平緩，最大增幅為2.1%，平均增幅僅為0.98%；閘室底板部位處最大壓應力與之變化特征基本一致，在厚度0.70～1.00 m與1.00～1.45 m區(qū)間內分別具有平均增幅54.80%、0.13%。壓應力的增長，表明結構抗滑移效果增強，故底板厚度1 m后，交通橋底、閘室底板處結構抗傾覆特性達到穩(wěn)定。在底板厚度影響壓應力特征中，檢修橋部位處最大壓應力仍然無顯著變化，在方案0.70～0.85 m具有最大變幅3.4%，各方案最大壓應力分布為2.12～2.29 MPa。綜合拉、壓應力特征可知，底板厚度設計時應重點考慮交通橋底與閘室底板部位，檢修橋拉、壓應力特征均滿足安全設計要求，從本文各方案應力對比結果可知，當閘室底板厚度為1.0 m時，應力特征最佳，設計效果最優(yōu)。

圖4 關鍵部位最大壓應力與閘室底板厚度關系

4 閘室底板厚度設計與位移、滲流特征關系

4.1 位移特征

根據對閘室底板厚度設計方案的靜力特征計算，可獲得水閘各向位移與底板厚度關系，如圖5。從圖5中曲線變化關系可知，水閘位移主要以豎向沉降為主，其Y向位移在各方案中分布為6.77～14.60 mm，而水閘橫向軸線Z向位移量變化幅度較小，基本穩(wěn)定在3.95 mm，不受底板厚度參數影響。當底板厚度愈大，水閘豎向沉降、順水流方向上位移均有降低態(tài)勢，表明增大底板厚度，有助于降低水閘變形量，提升結構穩(wěn)定性[15-16]。從底板厚度參數抑制Y、X向位移來看，當底板厚度為0.70 m時X向位移為11.9 mm，而在厚度0.70～1.00 m區(qū)間內平均降幅可達33.5%，超過1.0 m后降幅迅速減小，后平均降幅僅為1.2%；同樣在Y向位移中亦是如此，六個方案中平均降幅為13.1%，但在厚度0.70～1.00 m 與1.00～1.45 m區(qū)間內位移平均降幅分別為31.40%、0.85%。分析認為，從結構設計經濟性考慮，當閘室底板厚度1.00 m時，結構位移量值已處于較低水平，超過該厚度后水閘位移值抑制特性較弱，故選擇底板厚度1.00 m為設計方案時，位移特征滿足水閘交通-水利樞紐安全要求。

圖5 水閘各向位移與閘室底板厚度關系

4.2 滲流特征

基于各厚度設計方案下水閘滲流計算，獲得典型方案下水閘剖面孔隙壓力分布特征，如圖6所示。從圖6中可知，改變閘室底板厚度，并不影響水閘剖面上孔隙壓力分布狀態(tài)，僅其最大孔隙水壓力有所變化，在厚度1.00 m時孔隙水壓力最大為230.4 kPa，而厚度0.70 m、1.3 m時最大孔隙水壓力較前者分別增長了0.34%、14.10%?；跐B流特征計算獲得厚度0.70 m時水閘不均勻系數為2.255，而厚度1.00 m時不均勻系數為1.552。綜合分析認為，閘室底板厚度1.00 m為最佳設計方案。

圖6 孔隙壓力分布特征

5 結 論

(1)水閘中拉應力最大為交通橋底部位，檢修橋底、底板部位最大拉應力與之差幅為40.4%～82.4%、13.1%～31.9%；交通橋底、閘室底板最大拉應力隨底板厚度均為先減后增變化，厚度1.00 m 時為最低，為1.68 MPa、1.29 MPa，且拉應力遞增區(qū)間受厚度參數影響敏感度高于遞減區(qū)間；檢修橋底處最大拉應力受厚度參數影響較小，分布為0.98～1.00 MPa。

(2)閘室底板壓應力為最高；底板厚度增大時，閘室底板、交通橋底部位最大壓應力遞增，但增幅在減小，特別是厚度1.00 m方案后壓應力基本穩(wěn)定，閘室底板在厚度0.70～1.00 m與1.00～1.45 m 區(qū)間內平均增幅分別為54.80%、0.13%；檢修橋底壓應力變幅較小，穩(wěn)定在2.12～2.29 MPa。

(3)水閘位移主要以豎向沉降為主，Z向位移量穩(wěn)定在3.95 mm，不受底板厚度參數影響；Y、X向位移隨底板厚度遞減，但厚度超過1.0 m后位移降幅較小，在厚度0.70～1.00 m區(qū)間平均降幅分別為31.4%、33.5%，而在厚度1.00～1.45 m 區(qū)間為0.85%、1.20%；厚度參數不影響孔隙水壓力分布，其量值以厚度1.00 m方案下為最優(yōu)。

(4)綜合應力、位移與滲流特征，認為閘室底板厚度1.00 m時結構安全可靠性最強、設計最優(yōu)。