邊荷載對護坦結構設計影響研究

張麗萍，董 雷，代 晴

(徐州市水利建筑設計研究院，江蘇 徐州 221000)

水閘、溢流堰等建筑物是水利工程中不可缺少的[1- 3]，作為上下游連接段的翼墻是上述建筑物的重要組成部分。在墻后會形成一定區域的填土，墻后的填土對結構產生的荷載稱為邊荷載[4]。

護坦位于泄水建筑物下游，用以保護河床免受水流沖刷或其他侵蝕破壞的剛性結構設施。當下泄水流采用底流消能時，護坦(或其一部分)常做成消力池型式，促使高速水流在消力池范圍內產生水躍。由于護坦受力情況較復雜，又緊靠閘室或壩體，一旦破壞，直接影響閘壩安全[5- 7]。而邊荷載對底板結構的影響較大[8]，因此有必要進行邊荷載對護坦底板結構設計影響的研究。

有限元法具有極大的通用性和靈活性，可以用來求解彈性力學中的各種復雜邊界條件。本文采用有限元法進行模擬分析計算，能夠簡化繁瑣的計算過程，很簡便得到計算結果[9]。

采用有限元法進行彈性力學分析時，首先需對結構進行離散化，將計算區域劃分為有限個計算單元，單元之間只在結點上互相聯系，然后對計算單元進行分析，根據基本方程和變分原理建立單元結點力和結點位移之間的關系，最后整體計算分析，根據結點力平衡方程建立有限元方程，引進邊界約束條件，解總體剛度方程求結點位移分量[10]。

1 模型構建

1.1 模型構建

本文研究邊荷載對護坦的影響，因此將護坦兩側的構筑物簡化為邊荷載，地基土按照彈性地基考慮，為滿足計算精度，地基土深度取10m深。

因各工程地質條件不同，邊荷載作用大小不同，本文僅定性研究邊荷載對護坦結構的影響，相應設計參數設置如下：地基土彈性模量為1×105kPa、泊松比為0.3，護坦彈性模量為2.8×107kPa、泊松比為0.167，邊荷載為100kPa。

1.2 單元劃分

將地基劃分為有限個三角形單元，三角形單元形狀應盡量規則，內角相差不應太多。網格劃分越細，計算結果精度越高，但是到一定程度后對結果精度的影響不太明顯。綜合考慮精度和計算能力，靠近底板的計算區域網格宜密，遠離底板的計算區域網格宜疏，并使相鄰分區單元的邊界節點重合。

1.3 邊界條件

地基計算區域兩側取X方向約束，地基計算區域底部取X、Y方向約束。

2 計算結果

2.1 分縫數量對護坦結構的影響

采用護坦寬10m、荷載作用范圍10m作為基本模型，計算分縫數量對護坦結構的影響。主要分為以下4種計算工況：護坦不分縫(工況1)；護坦之間分一道縫(工況2)；護坦之間分兩道縫(工況3)；護坦之間分三道縫(工況4)。分縫寬度為2cm。

各工況中結合工程實際考慮了翼墻與護坦之間是否留2cm沉降縫，分為兩個子模型。計算結果如圖1—2所示。

圖2 分縫數量對護坦彎矩值影響分布圖

圖1 護坦最大彎矩值與分縫數量關系圖

通過圖1兩條趨勢線對比可知，護坦和翼墻之間留2cm縫可有效降低邊荷載對護坦的影響，可以看出降低幅度約為50%；通過對兩根趨勢線中不分縫的最大彎矩值與其他工況最大彎矩值對比可知，邊荷載對分縫護坦的影響程度明顯低于對不分縫護坦的影響。

對圖2中四個工況圖形對比可知，邊荷載對離荷載最近的一塊護坦彎矩影響最大，對于分縫護坦，最大彎矩值變化不大，且最大彎矩均出現在距邊荷載最近的一塊護坦上，對于分兩道以上縫的護坦，處于中間部位的護坦，其彎矩值與鄰近邊荷載護坦上的彎矩值相比可忽略不計。因此以下針對邊荷載對不分縫和分一道縫護坦的影響作進一步研究。

2.2 邊荷載對不分縫護坦的影響

根據工程一般需要，將護坦寬度分為8、10、12、14、16m五組，根據邊荷載的作用范圍對護坦應力影響不同，結合已有研究[11]，將邊荷載作用范圍分為5、10、15、20m四個系列。計算結果如圖3所示。

圖3 不分縫護坦最大彎矩值趨勢圖

經上述計算分析，邊荷載對不分縫護坦最大彎矩值的影響隨著護坦寬度的增加，先增大再減小，在護坦寬度10～12m時達到最大值。同時從計算結果可看出，邊荷載作用范圍超過10m后，作用范圍對護坦的彎矩影響幾乎沒有差別。

2.3 邊荷載對分一道縫護坦的影響

可將邊荷載對中間分一道縫的護坦的影響視作單邊荷載對臨近護坦的影響。將護坦寬度從12～32m，每間隔2m為一組，共11組，根據邊荷載的作用范圍對護坦應力影響不同，將邊荷載作用范圍分為5、10、15、20m四個系列。計算結果如圖4所示。

圖4 分一道縫護坦最大彎矩趨勢圖

計算結果表明：護坦分一道縫的工況下，隨著護坦寬度的增加，最大彎矩值先變大，在護坦總寬度大于22m后逐漸趨于平緩。從計算結果可看出，在本模型條件下分縫后的護坦的彎矩值均未超過50kN·m；邊荷載作用范圍超過10m后，作用范圍對護坦的彎矩影響幾乎沒有差別。

3 結論

(1)翼墻與護坦之間留2cm的沉降縫，不僅能減少不均勻沉降帶來的危害，同時也能有效地減少邊荷載對護坦結構的影響程度。

(2)邊荷載僅對鄰近邊荷載的護坦有顯著影響，對中間護坦幾乎無影響。

(3)護坦不分縫時，邊荷載對護坦最大彎矩值的影響隨著護坦寬度增加先增加再減小，在護坦寬度10～12m時達到最大值。

(4)單邊荷載對護坦最大彎矩值的影響規律是隨著護坦寬度的增加先增加后區域平緩。

(5)邊荷載作用范圍超過10m后，作用范圍的大小對護坦影響的差異很小。