田間裝配式涵閘洞首結構強度與穩定性分析

楊明會

(朝陽市喀左縣水利局，遼寧 喀左縣 122300)

2011年，揚州大學針對我國灌區的實際需求，研究開發了一種新型裝配式田間涵閘，這種涵閘具有設計方便、構件定型化以及便于施工等諸多優點。揚州大學的設計專利僅從外觀、構件型式、擋土墻與底板承插方式等方面進行設計和規定，并未就涵閘洞首插槽式擋土墻結構強度與穩定性進行研究分析。因此，為了促進該專利迅速轉化為生產力，本次研究擬就田間涵閘洞首進行受力特征進行有限元模擬分析，以確定設計本身能否滿足使用要求。

1 工程概況

遼寧省喀喇沁左翼蒙古族自治縣(以下簡稱喀左縣)隸屬于遼寧省朝陽市，位于北緯40°47′12″～41°33′53″，東經119°24′54″～120°23′24″之間，地處遼寧省西部朝陽市南部、大凌河上游的丘陵地區[1]。喀左縣位于水資源嚴重不足的遼西半干旱地區，灌區灌溉管理就顯得尤為重要[2]。喀左縣境內有大小河流百余條，主干河為大凌河，從建昌縣流入，自南向北注入朝陽縣，蜿蜒境內78.55km，主要支流有榆河、蒿桑河、滲津河、牤牛河、芍藥河[3]。得益于地表水方面得天獨厚的條件，建國之初到20世紀末期，喀左縣進行了長達數十年的灌區建設，目前，仍在運行的大小灌區有13個，為促進當地的農業發展和農民增收起到了重要作用。

為了進一步提高灌區的農田灌溉技術水平，喀左縣自2016年開始，投入專項資金加大灌區技術改造工作。在這一背景下，平房子灌區擬在斗渠建設田間裝配式涵閘，結合揚州大學的專利設計和工程實際，設計出如圖1所示的涵閘洞首結構。該型涵閘的首孔直徑為80cm，設計流量為0.5m3/s。洞首的擋土墻最大高度為1.50m，長度為1.60m，擋土墻的插槽長為0.80m，寬度為0.20m，底板厚度為0.20m，墻后的回填土為無黏性粉質土。擋土墻采用C25號混凝土預制，然后運抵工程現場進行組裝，擋土墻插入底板的深度暫定為12cm。涵閘設計時的校核水位為閘前1.00m，閘下0.90m，并將該水位作為結構穩定性分析的設計水位。

圖1 田間涵閘洞首結構示意圖

2 有限元模型的構建

在本次研究中，根據裝配式小型水工建筑物的通用結構特點，以直徑80cm田間裝配式涵洞的洞首為例，采用三維有限元軟件ABAQUS以完工無水和校核水位運行兩種不同的工況，對上述涵閘洞首的整體強度進行模擬計算，同時利用該軟件對地基的豎向和橫向位移進行復核，以判斷上述設計是否滿足工程要求[4]。

2.1 模型的構建

考慮到涵閘地基尺寸的范圍特點，在模型構建中采取全約束[5]。模型的坐標系按下述要求選取：順水指向下游的方向為x軸正方向；垂直水流指向左方的方向為y軸的正方向；垂直指向上方的方向為z軸的正方向。在模型范圍確定之后，按照有限元軟件的要求，對洞首結構進行有限元網格剖分，同時在洞口、擋板和底板部位進行適當加密，最終獲得6872個計算單元，9813個計算節點，計算模型圖如圖2所示。

圖2 計算模型示意圖

2.2 材料的性質和力學參數

本次灌區技術改造中的涵閘建設采用的建筑材料是C25號混凝土，其材料的性質和力學參數的取值見表1。

表1 材料計算參數表

2.3 基本荷載

本次研究分為完工無水期和正常運行期兩種基本工況。完工無水期的基本荷載包括固定荷載以及回填土荷載。其中，固定荷載主要是涵閘的結構自重，回填土荷載則依據DL 5077—1997《水工建筑物荷載設計規范》確定，擋土墻和翼墻之后的水平土壓力則按照主動壓力以及垂直土自重進行計算[6]。

在正常運行工況下的固定荷載主要是結構自重；水平水壓力、水重以及揚壓力；擋土墻和翼墻之后的水平土壓力則按照主動壓力以及垂直土自重進行計算。

3 計算結果分析

按照上述構建的基于ABAQUS三維有限元模型，對涵閘洞首在完工無水和正常運行兩種不同工況下進行有限元計算分析，計算結構在各荷載綜合作用下的位移和應力，并據此判斷洞首的穩定和強度安全性進行評價分析。

3.1 位移分析

對模型各節點的水平和豎向位移進行計算，得到如圖3—6所示的整體結構位移云圖。對兩種不同工況下的洞首豎向和水平位移最大值進行統計，結果見表2—3。

圖3 完工無水工況下水平位移云圖

圖4 正常運行工況下水平位移云圖

圖5 完工無水工況下豎向位移云圖

圖6 正常運行工況下豎向位移云圖

表3 洞首水平位移計算結果 單位：mm

由位移云圖和表中的數據可知，在完工無水工況下，豎向位移的最大值出現在底板的上游部位，并且整個洞首結構都發生豎向位移，也就是下沉，最大沉降量為2.65mm，最小沉降量則出現在底板的下游端，最小沉降量為1.63mm，沉降差為1.02mm。在正常使用工況下，豎向位移的最大值出現在底板的上游部位，并且整個洞首結構都發生豎向位移，也就是下沉，最大沉降量為2.81mm，最小沉降量則出現在底板的下游端，最小沉降量為1.72mm，沉降差為1.09mm。根據SL 265—2001《水閘設計規范》的相關要求，水閘地基的沉降量不宜超過150mm，最大沉降差不宜超過50mm[7]。由此可見，地基沉降滿足設計要求。

在完工無水工況下，涵閘洞首結構的水平位移量較小，最大值為0.82mm，并且位移方向均為上游向下游位移；在正常運行工況下，涵閘洞首結構的水平位移量較小，最大值為0.57mm，并且位移方向均為上游向下游位移。由此可見，涵閘洞首的結構水平位移較小，滿足設計要求。

3.2 應力計算結果分析

利用構建的模型，對涵閘洞首整體結構在完工無水和正常運行兩種不同工況下的最大主拉應力和最大主壓應力值進行計算，得到如圖7—10所示的應力云圖，兩種不同工況下，底板、擋土墻和翼墻等不同部位的結構應力計算成果見表4。

圖7 完工無水工況下最大主拉應力云圖

圖8 完工無水工況下最大主壓應力云圖

表4不同部位的結構應力計算成果單位：MPa

圖9 正常使用工況下最大主拉應力云圖

圖10 正常使用工況下最大主壓應力云圖

結合應力云圖和表4中的計算結果可知，在完工無水工況下，涵閘洞首底板的最大主拉應力最大值為0.225MPa，主要分布于底板上游段中部的面層；最大主壓應力的最大值為0.354MPa，仍主要分布于底板上游段中部的面層。擋土墻的最大主拉應力最大值為0.058MPa，主要分布于擋土墻的底部；最大主壓應力的最大值為0.127MPa，仍主要分布于擋土墻的底部。翼墻的最大主拉應力和最大主壓應力值分別是0.417MPa和0.511MPa，均主要分布于翼墻和底板的連接處。

在完工無水工況下，涵閘洞首底板的最大主拉應力最大值為0.228MPa，主要分布于底板上游段中部的面層；最大主壓應力的最大值為0.357MPa，仍主要分布于底板上游段中部的面層。擋土墻的最大主拉應力最大值為0.052MPa，主要分布于擋土墻的底部；最大主壓應力的最大值為0.109MPa，仍主要分布于擋土墻的底部。翼墻的最大主拉應力和最大主壓應力值分別是0.416MPa和0.508MPa，均主要分布于翼墻和底板的連接處。

根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》，C25號混凝土的拉應力容許值為0.57MPa，壓應力容許值為8.33MPa[8]。結合上述計算結果，涵閘洞首各個部位的最大主拉應力和最大主壓應力值均為超過上述限制，因此，在完工無水和正常運行兩種工況下，涵閘洞首的底板、翼墻和擋土墻混凝土承受的抗拉和抗壓強度均滿足要求。

4 結語

本次研究以遼寧省喀左縣平房子灌區田間涵閘為例，利用ABAQUS三維有限元模型對田間裝配式涵閘洞首結構強度和穩定性展開研究，結論顯示，在完工無水和正常運行兩種不同工況下，涵閘洞首結構的豎向位移和水平位移量較小，涵閘洞首的底板、翼墻和擋土墻混凝土承受的抗拉和抗壓強度均滿足要求。工程完工后一年的運行實踐也證明，田間涵閘渠首結構設計合理，完全滿足設計要求。