文筆洲交叉閘進(jìn)水閘防滲穩(wěn)定性有限元分析

鄒禮兵

（廣州市禺山水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司　廣東　廣州　511400）

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文筆洲交叉閘進(jìn)水閘防滲穩(wěn)定性有限元分析

鄒禮兵

（廣州市禺山水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司廣東廣州511400）

摘要水閘工程防滲穩(wěn)定性，是衡量工程質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，通過(guò)ABAQUS軟件，以粉砂地基上的文筆洲交叉閘進(jìn)水閘工程為實(shí)例，對(duì)進(jìn)水閘閘室應(yīng)力、滲流穩(wěn)定、地基防滲處理等進(jìn)行了有限元模擬分析。經(jīng)過(guò)實(shí)際施工驗(yàn)證，采用有限元方法進(jìn)行設(shè)計(jì)可靠度較高，而且具有良好的穩(wěn)定性和安全性。

關(guān)鍵詞水閘工程；滲流計(jì)算；穩(wěn)定性；有限元分析

1　工程概況

文筆洲交叉閘位于文筆洲水閘上游200m位置，屬于排澇為主的中型水利樞紐工程，在多年的使用過(guò)程中，文筆洲交叉閘受到水力沖刷等客觀因素影響，開(kāi)始出現(xiàn)自然老化跡象，譬如混凝土結(jié)構(gòu)沉降、斷裂、露筋等現(xiàn)象。為有效消除內(nèi)澇和防洪減災(zāi)，決定在原來(lái)工程的基礎(chǔ)上，分別在西閘、西南閘、南閘重新規(guī)劃建設(shè)5孔、2孔、3孔平面定輪鋼閘門(mén)，閘門(mén)設(shè)計(jì)的規(guī)格如表1所示。

按照上表規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)重新規(guī)劃建設(shè)閘門(mén)，確定工程規(guī)模III等，其中主建筑3級(jí)、次要建筑4級(jí)、臨時(shí)建筑5級(jí)。為保證工程防滲穩(wěn)定性，在工程施工之前，有必要明確特征水位情況和閘址地基的物理力學(xué)指標(biāo)[1]。

1.1特征水位情況

考慮到工程防滲穩(wěn)定性，與區(qū)域內(nèi)水位有關(guān)，在此按照85國(guó)家高程，分別確定各閘的閘上水位和閘下水位情況，其中西閘、南閘、西南閘的閘上水位均為4.5m、閘下數(shù)位均為4.44m，而設(shè)計(jì)洪水情況如圖1所示。

1.2閘址地基物理力學(xué)指標(biāo)

區(qū)域地質(zhì)勘察資料顯示，文筆洲交叉閘閘址地基共11層，為素填土層①、淤泥質(zhì)土層②1、粉質(zhì)粘土層②2、粉砂層②3、中砂層②4、粗砂層②5、礫砂層②6、砂質(zhì)粘性土層③、花崗巖層④1、花崗巖層④2、花崗巖層④3。以上各層的狀態(tài)、摩擦系數(shù)、壓縮系數(shù)、壓縮模量、承載力特征值等物理力學(xué)指標(biāo)[2]，如表2所示。

除了上表的地基物理力學(xué)指標(biāo)，筆者另外根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》的標(biāo)準(zhǔn)，確定閘址場(chǎng)地土屬于軟弱土～中軟土，土質(zhì)狀態(tài)呈輕微液化狀，其液化指數(shù)在0.04～1.54之間。

2　閘基防滲穩(wěn)定性有限元計(jì)算與分析

本工程按照內(nèi)河10年一遇暴雨凈流量24h內(nèi)排干標(biāo)準(zhǔn)，以《陽(yáng)江市漠西排澇防洪工程文筆洲交叉閘安全鑒定報(bào)告》、《防洪標(biāo)準(zhǔn)》、《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》、《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》等為依據(jù)，同時(shí)參照文筆洲交叉閘現(xiàn)狀地形圖和剖面圖，以及上文所提到的文筆洲交叉閘特征水位情況和閘址地基相關(guān)物理關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)，對(duì)交叉閘工程進(jìn)行有限元分析，計(jì)算出其防滲穩(wěn)定性相關(guān)參數(shù)。本文選取南閘防滲穩(wěn)定性有限元計(jì)算分析為例。

在水閘工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中，利用ABAQUS軟件，對(duì)水閘工程采用有限單元法進(jìn)行動(dòng)力分析比較普遍。本軟件針對(duì)水閘工程的抗滑穩(wěn)定性有限元計(jì)算應(yīng)用比較成熟，分析比較方便[3]。

2.1水閘工程抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析方法

水閘工程抗滑穩(wěn)定計(jì)算的方法很多，文章主要采用有效應(yīng)力法和瑞典條分法。水閘閘室地基穩(wěn)定計(jì)算采用效應(yīng)力法計(jì)算；對(duì)于水閘土條底面支撐力、重力以及作用在水閘底面孔隙水壓力等關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)的優(yōu)化計(jì)算則采用瑞典條分法，在計(jì)算過(guò)程，土條間力一般忽略不計(jì)算。基于水閘工程閘室-地基內(nèi)在滲流期穩(wěn)定滲透流網(wǎng)的分析，則采用整個(gè)隔離土體(顆粒+孔隙水)為分析單元，其土條受力分析如圖2所示。

表1　文筆洲交叉閘新建閘門(mén)規(guī)格

圖1　文筆洲交叉閘設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線

表2　文筆洲交叉閘閘址地基物理力學(xué)指標(biāo)

圖2中，水閘隔離土體（顆粒+孔隙水）整體單元重力主要分為三個(gè)部分進(jìn)行計(jì)算：h1段位置處于浸潤(rùn)線上部位置；h2段位于浸潤(rùn)線和地下水位之間；h3段位于地下水位以下。根據(jù)水土微分方程等公式計(jì)算可得到抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：

圖2　水閘隔離土體（顆粒+孔隙水）受力分析

表3　文筆洲交叉閘地基應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（kPa）

表4　抗滑穩(wěn)定分析

圖3　正常蓄水期閘室結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布云圖（Pa）

圖4　閘底板應(yīng)力云圖（Pa）

式（1.1）中，

h1～h3——各段土條高度；

c、φ——有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)；

b——土條寬度；

γ——土體天然容重；

γ'——土體浮容重；

γw——水容重；

γsat——土體飽和容重。

按照以上的計(jì)算方法，計(jì)算出舊南閘地基應(yīng)力，以推斷出進(jìn)水閘的穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

考慮到文筆洲交叉閘的地基巖土層，以淤泥質(zhì)土為主，各閘地基應(yīng)力的最小值，都在地基允許承載力之上，因此確認(rèn)各閘均需要處理地基，以提高地基的防滲穩(wěn)定性。

2.2總體布置

結(jié)合閘址條件、功能要求和工程規(guī)模等，進(jìn)水閘新南閘總體布置方法如下：

南閘總體布置：南閘位于高排渠下游的進(jìn)口位置，其中閘基礎(chǔ)、消力池、消力池坎、與西閘布置形式一樣，而開(kāi)敞式閘室選用C30鋼筋混凝土平底，總寬度為25.2m，僅設(shè)置一個(gè)卷?yè)P(yáng)式啟閉裝置控制閘門(mén)，啟閉機(jī)高程16.65m。

水閘南閘設(shè)計(jì)成進(jìn)水閘，南閘閘室位敞開(kāi)式，閘門(mén)為平面定輪，卷?yè)P(yáng)機(jī)啟閉模式；閘室結(jié)構(gòu)為三孔公用整體型底板，鋼筋混凝土澆筑的整體式框架結(jié)構(gòu)，采用開(kāi)敞式閘室、平面定輪閘門(mén)、卷?yè)P(yáng)機(jī)啟閉方式。

2.3進(jìn)水閘閘基抗滑穩(wěn)定的有限元計(jì)算

2.3.1閘室荷載分析

閘室荷載分析計(jì)算組合原則及內(nèi)容如表4所示。

3　水閘閘室應(yīng)力有限元計(jì)算分析

有限元計(jì)算依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范SL/191.2008》。

C30混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：

C30混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：

在正常蓄水期，通過(guò)對(duì)南閘閘室上部結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力N的ABAQUS分布云圖計(jì)算分析，如圖3所示。南閘進(jìn)水閘室結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下，N=0.8MPa，云圖分析可以發(fā)現(xiàn)，最大主應(yīng)力主要分布在水閘交通橋欄桿位置；拉應(yīng)力值＜1.5MPa，由此得出結(jié)論：南閘閘室上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞。

3.1利用有限元計(jì)算抗滑穩(wěn)定系數(shù)及應(yīng)力比值系數(shù)

上一節(jié)利用ABAQUS有限元工具進(jìn)行了閘底應(yīng)力計(jì)算，可以算出應(yīng)力比值η2。同時(shí)把最大閘底主應(yīng)力Nmax增加到閘基滲流模型中，因?yàn)槟祥l長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)，因此，設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，只是利用有限元工具Autobank軟件分析計(jì)算出正常運(yùn)行期和地震工況時(shí)的閘基的抗滑安全系數(shù)Fs2[4]。

南閘上部結(jié)構(gòu)閘底板的應(yīng)力云圖如圖4（a）、（b）所示。

ABAQUS有限元分析南閘基底允許應(yīng)力比值η2安全可靠，如表5所示。

表5　η2計(jì)算分析結(jié)果

表6　南閘進(jìn)水閘地基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Fs2

表7　文筆洲交叉閘閘基設(shè)計(jì)內(nèi)容

圖5　加固地基防滲自動(dòng)剖分后的空間有限元網(wǎng)格

圖6　閘底防滲加固處理樁基布置

文筆洲交叉閘重建設(shè)計(jì)，邊墻與防洪堤的銜接，尤其與墻厚筑堤回填土的接觸位置，容易出現(xiàn)滲透破壞現(xiàn)象，因此，需要嚴(yán)格控制閘側(cè)的防滲長(zhǎng)度，以《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定為基準(zhǔn)，文筆洲交叉閘的上下游水位差，以及允許滲徑系數(shù)，同是決定閘側(cè)有效防滲長(zhǎng)度的重點(diǎn)參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)交叉閘在雙向水頭影響作用下，當(dāng)水位差越大，則防滲布置的難度就越大，設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，需要緊扣泄水和常水位的雙重工況，確定各閘的滲流穩(wěn)定性，具體的閘側(cè)滲流穩(wěn)定計(jì)算工況水位為：

滲徑系數(shù)4、滲徑長(zhǎng)度13m、實(shí)際防滲長(zhǎng)度30m；擋水工況時(shí)的上游水位4.5m、下游水位2.75m，水位差1.75m、滲徑系數(shù)4、滲徑長(zhǎng)度7m、實(shí)際防滲長(zhǎng)度33m。

根據(jù)泄水和常水位的雙重工況，利用Autobank建立二維有限元計(jì)算分析模型，計(jì)算出進(jìn)水閘（南閘）地基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Fs2值，表6給出了具體計(jì)算方法及參數(shù)。

3.2粉砂閘基防滲有限元設(shè)計(jì)分析

閘基防滲的重點(diǎn)部位，主要有閘底板、下游端齒墻、下游側(cè)護(hù)坦，期間需要確定地基有效深度和分段阻力，文筆洲交叉閘地基有效深度，根據(jù)地下輪廓線水平和垂直投影長(zhǎng)度確定，但有效深度大于地基深度時(shí)，以地基實(shí)際深度為準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要考慮潮位的影響。

由公式計(jì)算分析，南閘閘基設(shè)計(jì)內(nèi)容如表7所示。

水閘沉降計(jì)算有限元分析，如圖5所示，采用四面體C3D4劃分粉砂地基單元。對(duì)加固地基防滲進(jìn)行網(wǎng)格空間自動(dòng)剖分。

根據(jù)閘室底板應(yīng)力計(jì)算情況，充分考慮地震荷載加載組合情況，利用ABAQUS對(duì)單樁地基分級(jí)加載分析，得出對(duì)加固地基防滲設(shè)計(jì)施加的荷載為80kPa、250kPa。在防滲設(shè)計(jì)過(guò)程，需要確定地基樁數(shù)、邊距、樁距等基本參數(shù)以后，需要定制好布樁原則。布樁方式要合理，布樁方式如圖6所示。

布樁原則主要有：

（1）力確保樁基中各樁受力恒定均勻，作用在板式承臺(tái)上荷載的合力作用點(diǎn)，應(yīng)與群樁橫截面的重心相重合或接近；

（2）樁基在承受水平荷載和彎矩較大方向有較大的抵抗矩，以增強(qiáng)樁基的抗彎能力，樁底深入到液化層以下。

在實(shí)際施工過(guò)程中，文筆洲交叉閘在后端5.675m的范圍內(nèi)，以梅花的形狀，共布設(shè)5排水孔。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，西閘有效深度15.342m、實(shí)際深度10.9m；南閘有效深度15.342m、實(shí)際深度10.9m；西南閘有效深度14.342m、實(shí)際深度10.9m，可判斷西閘、南閘、西南閘的閘基滲流穩(wěn)定性有限元設(shè)計(jì)符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

4　結(jié)束語(yǔ)

對(duì)文筆洲交叉閘閘底結(jié)構(gòu)利用有限元軟件ABAQUS建立了三維有限元計(jì)算，分析了水閘在完建期和正常運(yùn)行期下的閘室應(yīng)力分布情況，并通過(guò)有限元計(jì)算出抗滑穩(wěn)定系數(shù)及應(yīng)力比值系數(shù)，依照防滲穩(wěn)定性有限元分析，提出防滲加固處理的方法和分析模型。根據(jù)實(shí)際工程具體的施工情況，驗(yàn)證了采用有限元計(jì)算成果進(jìn)行設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。陜西水利

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：唐紅云）

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