江蘇某巖基水閘整體式底板閘室結構設計數值模擬分析

陳 猛，陳潔茹，沈芝瑩

(淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001)

水閘是修建在河道、水庫、湖泊、渠道上十分常見的低水頭水工建筑物，能通過閘門的升降來調節水位和流量，常用于灌溉和防洪排澇等方面[1-6]。我國早在2000多年前的春秋時期就開始興建水閘，自新中國成立以來，各類水工建筑物大量修建，其中也修建了很多水閘，對于防洪、排澇和分配水資源等方面起到重要作用。閘底板作為水閘的重要基礎，其結構形式、尺寸等決定了整個水閘的穩定性和安全性[7-8]。常見的閘底板形式有平底板、低堰底板、箱框式底板、反拱底板等。常見水閘的基礎多坐于土質地基中，坐于巖質地基上的較少，并且對于土質地基上包括閘底板在內的水閘的結構計算分析方法較多，也較為成熟，但對于巖質地基上閘底板及水閘結構分析方法較少，還需進一步研究。根據閘底板與閘墩不同的連接方式，可將閘底板分為底板與閘墩相連的整體式底板和底板與閘墩分開的分離式底板。巖基上水閘受分縫等影響，受力條件較復雜，不能按照傳統結構力學的方法計算出巖基對底板、上部結構等構件的影響。隨著計算機技術的高速發展，出現了以計算機為基礎的三維有限元分析，使得這類問題得到了較好的解決。本文以江蘇某巖基水閘工程為例，采用ABAQUS三維有限元軟件，對整體式底板閘室結構在不同工況下的位移和最大主應力進行了模擬分析。

1 有限元模型

1.1 計算模型及參數

某水閘位于江蘇省，地基為砂巖，主要在潮水上漲時起到擋潮和在暴雨或雨季時起到排澇等作用。該水閘工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級別為2級，共有6個閘孔，單孔凈寬8m，閘室順水流方向長14m，閘總寬69m，中墩厚3.2m，邊墩厚2.5m，閘底板厚0.5m，閘門為弧形鋼閘門。水閘縱剖面如圖1所示。

圖1 某巖基水閘縱剖面圖

以整個閘室為研究對象，建立三維有限元數值模型。該模型為整體式底板閘室結構，在中墩設置施工縫，形成兩孔一聯，共三聯的整體式結構。模型中X方向為垂直水流自右岸指向左岸，Y方向為順水流方向自下游指向上游，Z方向為鉛直向上。巖基范圍取水閘各方向長度的3～3.2倍，具體范圍如下：地基深度按照水閘高度的3.2倍選取，為30m；X方向上兩邊各選取3倍的水閘寬度；Y方向上兩邊也各取3倍的水閘長度。實體單元采用C3D4單元，巖基設為接觸的主表面，閘室底板設為接觸的從表面，摩擦采用罰行為，值為0.35，法向為硬接觸；巖基底面為固定約束，巖基四周為水平約束。閘室及地基共剖分網格116480個，節點29628個。網格剖分圖如圖2所示。

圖2 數值模型網格剖分圖

根據相關試驗和檢測資料，閘室結構材料參數取值見表1。

表1 數值模型計算參數

1.2 計算工況及荷載

由于水閘主要起防潮和排澇的作用，且位于巖基上，根據實際情況，該水閘的計算工況主要考慮正向和方向擋水的情況，分別按照設計和校核進行計算，因此可分為：正向設計、正向校核、反向設計和反向校核等四種計算工況。計算時考慮水閘結構自重、水的自重、靜水壓力、揚壓力、土壓力和邊荷載等荷載，其中揚壓力包括滲透壓力和浮托力，因在巖基上，不考慮滲透壓力，揚壓力等同于浮托力。各計算工況水閘水位計水頭見表2。

表2 計算工況

2 整體式閘室結構位移和最大主應力

根據閘室實際情況和建立的數值模型，選取了在實際中可能的位移較大位置，作為數值模型在數值模擬分析中結構特征位置，共選取了上游側和下游側邊墩、中墩、底板、工作橋、排架等特征位置，如圖3所示。

圖3 閘室結構特征位置分布圖

2.1 閘室結構沉降和水平位移

對每個結構特征位置的沉降和水平位移進行統計，云圖如圖4所示，計算結果見表3，如圖5所示。

由圖3、表3和圖4可知：沉降：除閘底板跨中位置在正向和反向工況下沉降相差稍大外，閘室其它同一結構特征位置各工況時的沉降值相差不大。在各工況下，閘室胸墻、交通橋、工作橋、檢修便橋等結構跨中處沉降較大，其中閘室工作橋跨中處沉降最大，最大值為校核正向工況時的0.33mm，閘室胸墻底部跨中處最大沉降發生在校核工況時的0.23mm；正向工況時閘底板跨中沉降最小，最小值為校核正向工況時的0.1mm，其中設計水位時沉降比校核水位時略大，閘室邊孔閘底板沉降比中孔底板的沉降略大；閘墩頂部最大沉降量在反向工況時比正向工況時略大，且校核水位時最大為0.22mm，最大沉降量在正反向工況時出現的部位不一樣，正向時偏向上游臨土側，反向時在閘墩與排架連接處，閘墩沉降自上至下逐漸減小且呈水平條帶狀分布。

圖4 閘室結構位移云圖

單位：mm

水平位移：在相同的工況時，閘室結構高度相同的位置順水流方向的水平位移變化很小，在0.1mm以內；正向工況時，閘室有向下游傾覆的趨勢，高度越高水平位移變化越大；反向工況時，閘墩水平位移順水流方向變化不大，隨高度變大呈拋物線狀變化，邊墩底部比頂部水平位移大；正向工況時下游段底板水平位移大，反向時上游段底板水平位移大；胸墻的最大水平位移出現在胸墻的跨中位置，為校核正向時的0.49mm，如圖5所示。

2.2 閘室結構最大主應力

圖5 閘室結構特征位置各工況下的位移

根據閘室數值模型以及實際經驗，本次對每個結構部件的最大主壓應力和主拉應力進行模擬，并對模擬結果進行統計和分析，計算結果見表4，如圖6所示。

由表4和圖6可知：最大主壓應力在各工況下，閘室交通橋的最大主壓應力比閘室其它結構部位的大，其中設計正向時交通橋處最大主壓應力最大，為1.13MPa，出現在橋梁縱梁與支撐靠近的底面部位；工作橋與交通橋最大主壓應力分布規律基本一致，最大主壓應力為0.56MPa；檢修便橋在反向工況下最大主壓應力最大，為0.58MPa，也出現在橋梁縱梁與支撐靠近的底面部位；在正向工況下，邊墩處的最大主壓應力最大，為0.83MPa，且出現在邊墩與閘底板連接部位；在反向工況下中墩處的最大主壓應力最大，為0.45MPa，且設計水位時比校核水位時略大，出現在接近齒墻的中墩底部；邊孔閘底板在正向工況時的最大主壓應力最大，為0.71MPa，校核水位時比設計水位時略大，出現在接近齒墻的底板表面，且正向時偏向下游、方向時偏向上游；中孔閘底板最大主壓應力的分布規律與邊孔基本一致，最大值為校核正向時的0.67MPa；胸墻在正向工況時的最大主壓應力最大，為0.87MPa，校核水位時比設計水位時略大，出現在閘墩與胸墻的連接部位；在校核正向工況下，排架的最大主壓應力最大為0.5MPa，出現在邊墩頂部與排架接觸部位且偏向上游側。

圖6 閘室結構部件各工況下的最大主應力

表4 閘室結構部件各工況下的最大主應力 單位：MPa

最大主拉應力：邊墩的最大主拉應力出現在邊墩中齒坎上游側基礎底層，為校核正向時的0.77MPa；中墩的則出現在中齒坎與中墩基礎連接處附近，最大值也為校核正向時的0.38MPa；閘底板邊孔的出現在邊墩與底板連接處，最大主拉應力同為校核正向時的0.69MPa；中孔底板的出現在中齒坎和中墩基礎連接處附近，也同為校核正向時的0.56MPa；胸墻的最大主拉應力出現在胸墻底梁的上游側，為校核正向時的0.46MPa；排架的出現在邊墩排架頂部與工作橋縱梁連接處附近，同為校核正向時的0.13MPa；工作橋、交通橋和檢修便橋的最大主拉應力分別為校核正向時的0.46、0.37、0.37MPa。

3 結論

通過對江蘇某巖基水閘工程采用ABAQUS三維有限元軟件建立數值模型，并對水閘閘室結構的特征位置及結構構件在設計正向、設計反向、校核正向和校核反向等4種工況下的位移和最大主應力進行了模擬分析，得到了上述工況下各結構特征位置位移的大小和出現的位置，以及各結構部件最大主應力的數值及出現的部位，為今后巖基上的水閘設計提供了有力的依據。