覆蓋層上水閘閘室結(jié)構(gòu)與地基相互作用有限元分析

【摘要】本文以躍進河擋潮閘為例，研究比較了水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和三維水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。運用有限元結(jié)構(gòu)軟件ANSYS，選取相聯(lián)的七孔閘門建立三維有限元模型，分析結(jié)構(gòu)和地基覆蓋層在完建期閘室結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分布和變化規(guī)律。同時將有限元計算結(jié)果與等效靜力法做比較，根據(jù)位移和應(yīng)力的情況找出一些規(guī)律，為水閘設(shè)計提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】穩(wěn)定；水閘；有限元

一、工程概況

躍進河擋潮閘閘孔尺寸為7（孔）×10.0m（凈寬）×3.9m（高），計算最大過閘流量546m3/s，為典型的軟土地基。從上至下分別為淤泥層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、粉砂層、中砂層、粗砂層。

二、彈性地基梁法計算應(yīng)力

設(shè)計洪水工況H上=2.8m，H下=2.7m，軟土地基上的閘室整體穩(wěn)定系數(shù)均不滿足規(guī)范值，需進行基礎(chǔ)處理。本工程采用灌注樁+粉噴樁聯(lián)合地基，灌注樁樁徑1m，間距3m×2.6m；粉噴樁樁徑0.5m，框格式布置。

三、基礎(chǔ)沉降量計算

軟土地基在荷載作用下，地基總沉降量包括：瞬時沉降量（Sd）、主固結(jié)沉降（Sc）和次固結(jié)沉降（Ss）。次固結(jié)沉降是土骨架在持續(xù)荷載作用下蠕變所產(chǎn)生的沉降，該沉降量采用經(jīng)驗估算。瞬時沉降、主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降三者較難截然分開，本次設(shè)計中，將主固結(jié)沉降量計算結(jié)果用ms修正后作為最終總沉降量S。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，本工程軟土沉降經(jīng)驗系數(shù)按ms=1.5考慮。

計算得到填土-時間-沉降曲線，沉降量小于150mm，滿足水閘安全和正常使用的要求。

四、有限元計算

模型選取：左右岸方向延伸100米，上下游方向延伸80米，由底板處向下延伸40米，將該模型按照整體剖分有限元網(wǎng)格。坐標原點取在上游最左端。

混凝土和基巖采用線彈性材料，覆蓋層采用理想的彈塑性材料。主體采用C30混凝土，彈性模量E=3.0×MPa；泊松比μ=0.167；容重γ=25.0KN/。

由于閘體和樁的尺寸相差過大，綜合考慮精度和計算時間的要求，我們使用普通的六面體8節(jié)點單元，并包含小部分退化單元，并將模型中樁的單元尺寸為600mm，其余部分為700mm。模型最終包含有245580個節(jié)點，228382個單元。

閘門與墩之間由鉸螺栓連接，從簡化模型和減小計算量的角度考慮，使用ANSYS中的BONDED接觸設(shè)置。

施加9.8m2/s的重力加速度模擬土層及閘墩的結(jié)構(gòu)自重，施加10KN/m的均布豎向荷載模擬地面荷載。上游水推力按作用在閘墩上的等效節(jié)點力施加，上下游水壓力以面力形式作用在水閘上，揚壓力以面力形式作用在底板上。由于模型模擬的范圍足夠大，在邊界約束中假定不存在水平位移，模型最底端基巖采用三向固結(jié)約束，模型周邊均采用水平連桿方式連接。

（1）位移成果分析

由圖1，2，3可見：X方向的位移0～20mm，最大位移發(fā)生在兩側(cè)閘墩的頂部，兩邊墩分別向外側(cè)方向移動，最大移動位移約為75mm，地基表面由于受到閘室結(jié)構(gòu)下沉所產(chǎn)生的拉力影響，左（右）岸地基表面有向右（左）岸移動的趨勢。

由于上游水位大于下游水位，閘室結(jié)構(gòu)向下游發(fā)生偏移，Y方向位移范圍約為0～5mm。Y方向上閘室最大位移發(fā)生在上下游閘墩末端頂部。Y方向位移從閘墩頂部到閘基處逐漸減小，閘基底部末端上游位移值小于下游。閘室結(jié)構(gòu)對覆蓋層深度影響最大范圍約三倍閘高上（下）游覆蓋層有向下（上）游移動的趨勢。

由于閘室結(jié)構(gòu)的不對稱，上游的沉降量略大于下游，閘室整體沉降值約22mm；Z向閘室結(jié)構(gòu)的最大位移發(fā)生在閘墩下游頂部。離閘基中間位置越遠，Z向沉降量越小，深度越深，沉降越小。

（2）應(yīng)力成果分析

計算顯示，閘基底Y方向上基本為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力分布比較均勻，應(yīng)力值約0.11MPa，在閘底板與覆蓋層接觸的角部、閘墩與閘底板接觸的角部均出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，約1.05MPa，由于閘室自重和水荷載、揚壓力作用，下游角部的壓應(yīng)力大為上游角部的壓應(yīng)力。在閘基的上表面，由于閘墩作用，上表面受拉力作用，中間位置出現(xiàn)了較小拉應(yīng)力，大約為0.64MPa。在地基不均勻沉降和閘墩共同作用下，閘底板下表面受壓，并在閘墩與底板交接處出現(xiàn)應(yīng)力集中，大約為0.6MPa。

閘底板在X方向由于地基的不均勻沉降，在閘室的地面出現(xiàn)了一定的拉應(yīng)力，約0.5MPa；在Y方向上，閘底板受壓應(yīng)力較均勻，約0.5MPa，閘室底板下表面出現(xiàn)壓應(yīng)力集中，約1.4MPa，閘室底板的上表面出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，最大值約2.3MPa；在Z方向上基本為壓應(yīng)力，而且壓應(yīng)力的分布比較均勻，約1.5MPa。

小結(jié)

水閘是中小型水電工程中常用的一種擋水結(jié)構(gòu)，本文以躍進河擋潮閘為基本的計算結(jié)構(gòu)，使用彈性地基梁法計算了閘墩與地基內(nèi)力和應(yīng)力分布情況，運用E-P曲線法計算沉降；同時利用ANSYS數(shù)值模擬分析軟件，分析了閘室結(jié)構(gòu)在完建期的位移和應(yīng)力分布情況。

（1）閘室結(jié)構(gòu)的位移分析表明：閘室結(jié)構(gòu)略向上游傾斜，上游端X向沉陷值要大于下游端，閘室的Y向位移均較小。

（2）閘基的應(yīng)力分布都比較均勻，只是在角部出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。上游角部的壓應(yīng)力要大于下游角部壓應(yīng)力。

（3）彈性地基梁法在計算底板應(yīng)力時，當(dāng)H/2L<0.2時，假設(shè)為“文克爾”型地基，此時覆蓋層厚對底板應(yīng)力影響明顯；當(dāng)H/2L>2.0時，假設(shè)為“半無限大彈性體”型地基，覆蓋層厚對于閘底板應(yīng)力影響已很小。而通過此次有限元分析，得到的結(jié)論是覆蓋層厚對于底板應(yīng)力的影響范圍主要集中在H/2L<0.5時；而當(dāng)H/2L>0. 5時，厚度對應(yīng)力的影響已很小，可見有限元分析所得的覆蓋層主要影響范圍較之傳統(tǒng)的彈性地基梁法認為的范圍要小，即傳統(tǒng)的彈性地基梁法考慮得偏于保守。

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