反拱底板式水閘地基變形模量敏感性分析

肖榮平，葛卉犇，田鶴暉

(1.江蘇淮陰水利建設有限公司，江蘇 淮安 223000;2.江蘇淮源工程建設監理有限公司，江蘇 淮安 223000)

1 概述

受服役環境的影響，不同地基變形模量對水閘底板的應力、豎向位移均可能產生較大影響[1-3]，反拱底板主要是利用拱內軸向力以及混凝土的抗壓性[4-6]，由于反拱水閘底板是超靜定結構[7-8]，若受到溫度等因素的影響或拱座出現毫米級的沉降差[9]，則拱內可能產生較大內力，內力會使混凝土底板出現拉力而產生裂縫，甚至破壞底板[10-11]。因此，有必要對閘室結構的反拱底板式水閘地基變形模量進行敏感性分析，以便指導工程的設計、施工和安全運行。

某水閘閘室為對稱結構，鋼筋混凝土材料，閘身結構主要為閘墩與反拱式底板，底板與岸墻連成整體，水閘結構為7孔閘，閘總寬度45.5m，每孔凈寬5.5m，水閘中墩寬1.0m，邊墩寬0.8m，墩中心間距6.5m，墩底板寬2.0m，拱底板寬4.5m。為得到地基變形模量對該反拱底板式水閘應力應變的影響，在對水閘閘室結構有限元分析方法研究的基礎上，借助數值仿真分析手段，計算了正常服役工況下2種施加方法對水閘反拱底板結構特性影響，重點分析了反拱底板式水閘地基變形模量敏感性。通過對其結果的剖析，提出了一些應對措施。

2 計算模型

為便于計算，計算時取該對稱結構水閘的一半進行建模計算，模型充分考慮了底板、閘墩、胸墻、工作橋、檢修便橋以及岸墻等主要結構。水閘整體三維有限元模型如圖1所示。

模型計算坐標：X軸為順河向方向；Y軸為橫河向方向，Z軸為豎向。基礎計算范圍：順河向河流上、下游各取2倍閘寬，橫河向從左岸墻向一側取2.0倍閘室寬度，沿建基面向下取2.0倍閘寬。

邊界條件：基礎側面施加法向鏈桿約束，底面全約束，即6個自由度均設為零。底板與地基間接觸方式為“面面接觸”，滑移采用小滑移選項，底板接觸部位為主表面，接觸部位為從表面，摩擦系數取0.3。

網格剖分：由于模型較大，計算時采用前處理軟件對該水閘進行網格剖分，網格為六面體單元和少量五面體等參單元，計算時對重要結構進行了網格加密。模型離散為18.7萬個單元，21.4萬個節點。

計算荷載：閘室自重、靜水壓力、浮托力、滲透壓力、側向土壓力、閘室上部簡化計算荷載及地震工況下的動荷載。閘室上部簡化計算荷載如圖2所示。

圖1 水閘整體三維有限元模型

圖2 閘室上部簡化計算荷載

施加方法與計算參數：為得到地基變形模量對反拱底板式水閘應力、位移的影響。正常蓄水位下服役工況下，荷載施加時采用“一次”與“仿真施工過程”兩種施加方法。其中，“一次”施加方法未考慮施工過程，一次性將荷載全部施加到水閘結構上；“仿真施工過程”施加方法是通過施加初始應力與采用殺死單元功能共同實現對該水閘施工過程的模擬。水閘計算模型材料參數見表1。

表1 水閘計算模型材料參數

3 計算結果與敏感性分析

3.1 模型計算結果分析

由計算可得，水閘橫河向位移總體上處于向河側傾斜的趨勢，順河向位移微傾上游，“一次”施加方法主拉應力的最大值出現在邊墩與胸墻底梁交接處，其值為12.461MPa。底板主拉應力的最大值出現在邊墩下游底板與基座下表面交接處，其值為4.616MPa。“一次”施加方法結果位移值偏大，這可能是因為在計算時未考慮初始位移對水閘結構的影響。考慮到水閘服役多年，位移沉降已趨于穩定，“仿真施工過程”施加方法結果位移值較客觀，采用“仿真施工過程”施加方法時，計算所得同一位置主拉應力的最大值分別為0.426、2.340MPa。此外，支座變形對胸墻應力影響較大，固結式胸墻位移值偏大，表征其受不均勻沉降影響較大；胸墻與閘墩交接處位移值偏大，可能產生裂縫。

2種施加方法下，水閘總體上處于受壓狀態，底板與邊墩基座交接下表面均產生了較大主拉應力集中區，表明這兩處均屬于薄弱區域，應重點關注。當邊孔與大體積岸墻直接相連時，對邊孔反拱底板的拱腳處，建議適當增加配鋼筋量，以作局部加強。

條件較差地基的水閘有限元計算應盡可能仿真真實的初始位移情況，建議采用“模擬施工過程”的施加方法。

3.2 敏感性分析

為得到取值不同地基變形模量對反拱底板式水閘應力產生的影響，計算時取原地基彈性模量的0.5、1、1.5、2、2.5、3倍進行計算，則取值分別為21.30、42.60、63.90、85.20、106.50、127.80MPa。計算所得2種施加方法下地基彈性模量與主拉應力最大值、岸墻與閘室最大位移差值關系如圖3—6所示。

圖3 “一次”彈性模量與主拉應力關系

圖4“一次”彈性模量與結構豎向位移關系

圖5 “仿施”彈性模量與主拉應力關系

圖6 “仿施”彈性模量與結構豎向位移關系

由圖3—6可得，隨著上述地基彈性模量取值的增加，服役工況下“一次”“仿施”2種施加方法計算所得胸墻底梁與邊墩交接處、底板與邊墩基座交接處下表面、2#孔(從左向右第2個孔)上游連接坎中部3處主拉應力最大值均呈逐漸減小趨勢；閘室與地基豎向最大位移差值均呈減小趨勢。因此，可知地基變形與彈性模量之間具有較強的相關性，地基的不均勻沉降問題在反拱底板式水閘結構中更為突出，反拱底板式水閘宜修建于條件較好的地基之上。

對于地質條件較差的地基處理建議：①可通過打樁、灌漿等提高地基的承載力的工程措施，例如：在岸墻下適當加設短樁等。②設計時優化底板結構以減少不均勻沉降在水閘反拱底板產生的內力，例如：分縫邊墩與岸墻用縫分隔。③施工時以閘室為中心，嚴格按照水閘混凝土工程施工原則進行施工，尤其是先重后輕原則，例如：讓重的結構先沉降，先澆筑閘墩后澆筑反拱；先澆岸墻后澆筑反拱底板等。④預留足夠時間使其沉降穩定，例如：推遲岸墻與反拱底板預留縫的填筑時間。

4 結論

(1)底板與邊墩基座交接下表面處均屬于薄弱區域，應重點關注。當邊孔與大體積岸墻直接相連時，對邊孔反拱底板的拱腳處，建議適當增加配鋼筋量，以作局部加強。

(2)對于條件較差地基的水閘有限元計算應盡可能仿真真實的初始位移情況，建議采用“模擬施工過程”的施加方法。

(3)地基變形與彈性模量間具有較強的相關性，地基變形在反拱底板式水閘結構中表現更為突出，反拱底板式水閘宜修建于條件較好的地基之上。

(4)通過對反拱底板式水閘地基變形模量敏感性的剖析，對于地質條件較差的地基上擬建反拱底板式水閘提出了一些應對措施。