一種新型裝配式涵閘在農(nóng)田水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討

仲崇剛

（博樂市水利管理站小營盤水管所，新疆 博樂 833400）

農(nóng)田水利工程是發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，做好農(nóng)田水利工程建筑物的設(shè)計(jì)工作對于充分、高效地發(fā)揮其功能具有重要意義。裝配式建筑物具有工期短、質(zhì)量可靠、環(huán)保高效等特點(diǎn)，在農(nóng)田水利工程中發(fā)揮著越來越重要的作用；涵閘是農(nóng)田水利取水、輸水以及灌區(qū)工程中最常見的建筑物形式之一，其數(shù)量多、規(guī)模小、結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)行裝配式安裝能夠大大提高其在工程中的施工和安裝效率，節(jié)約工程成本。因此，設(shè)計(jì)一種安全、可靠、簡易的裝配式涵閘對于農(nóng)田水利工程的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1～5]。

裝配式建筑物集設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)工廠化以及施工裝配化等一系列特點(diǎn)，從而帶來低成本、高效率的優(yōu)點(diǎn)[6]；馮佳佳等以Ansys分析軟件為基礎(chǔ)，對農(nóng)田水利渠道的最佳尺寸進(jìn)行了對比分析[7]；楊明會(huì)以遼寧省某灌區(qū)田間涵閘為例,對裝配式涵閘洞首結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行了初步分析[8]；孫國梅則對涵閘混凝土的最佳配合比問題進(jìn)行了分析，并得出最佳配比為：粉煤灰：硅粉：發(fā)泡劑=20∶9∶1的泡沫混凝土[9]。

本文在總結(jié)前人研究理論和經(jīng)驗(yàn)的前提下，提出了一種新型裝配式涵閘，并對其穩(wěn)定可靠性進(jìn)行探討。

1 涵閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 拆分原則

為達(dá)到裝配式構(gòu)件預(yù)制、運(yùn)輸以及安裝等綜合要求，裝配式涵閘拆分原則應(yīng)遵循如下原則：（1）平面形狀。要注意平面長寬比、寬高比的合理性，局部突出或者凹入的尺寸應(yīng)該嚴(yán)格控制，質(zhì)量、剛度等參數(shù)需盡量分布均勻，形狀盡可能要保持簡單、規(guī)則、對稱。（2）豎向布置。各構(gòu)件要保證豎向的規(guī)則和均勻，承受豎向力的構(gòu)件其截面尺寸、剛度應(yīng)從上往下逐漸加大并保持對稱。（3）構(gòu)件劃分。需考慮構(gòu)件整體受力合理性和連接的簡易性，少規(guī)格、多組合，配筋種類取消而直徑取大并保證對稱配筋[10]。

1.2 構(gòu)件拆分

根據(jù)上述劃分原則，對常用涵閘的基本組成部分進(jìn)行劃分，在滿足運(yùn)輸要求和安裝簡便的前提下，將涵閘拆分為8個(gè)構(gòu)件：底板、翼墻、上游擋墻、平臺(tái)、閘門、下游擋墻、涵管以及涵管墊塊，各構(gòu)件及涵閘的形狀見圖1。從圖中可以看到，各構(gòu)件基本滿足對稱、均勻、規(guī)則等特性。

圖1 各拆分構(gòu)件示意圖

1.3 連接方式

裝配式建筑物的連接方式關(guān)系著建筑物的耐久性、穩(wěn)定性和止水效果等特性，一般而言，裝配式建筑物的連接方式主要分為兩類，一類是干連接，主要包括螺栓連接、焊接、企口連接、預(yù)應(yīng)力連接、機(jī)械套筒連接等等；另外一類則是濕連接，主要包括漿錨連接、灌漿拼裝以及樺式連接。從經(jīng)濟(jì)性、安全性、操作性等綜合考慮，對文中所涉及的構(gòu)件設(shè)計(jì)采取以樺式接頭和螺栓連接為主，并在適當(dāng)位置輔以橡膠墊止水，減少構(gòu)件之間的剛性接觸。各主要構(gòu)件設(shè)計(jì)的連接方式見表1。

表1 構(gòu)件連接方式選擇

2 結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性分析

2.1 尺寸確定

以控制600畝灌溉面積為例，設(shè)計(jì)過水流量為0.4 m3/s，上游水深為1.0 m，下游水深為0.9 m，閘底高程取實(shí)際應(yīng)用時(shí)的渠底高程，滲徑系數(shù)取6.0，則防滲長度為6.0 m；圓管涵直接為80 mm，考慮到機(jī)械下田等多種因素，將圓管涵長度設(shè)計(jì)為6.0 m，綜合考慮沖刷影響，將上下游底板的長度統(tǒng)一設(shè)置為2.4 m；閘門高度設(shè)計(jì)為1.3 m，安全提升高度為1.1 m，則擋墻高度為1.3+1.1=2.4 m；翼墻前端高度為0.6 m，與擋墻接觸側(cè)高度為2.4 m，混凝土標(biāo)號為C30。該新型水閘的三視圖見圖2。

圖2 裝配式涵閘整體尺寸構(gòu)造示意

2.2 位移分析

采用Abaqus三維數(shù)值分析軟件，對涵閘在完工無水和正常運(yùn)行兩種狀態(tài)下的位移特性進(jìn)行分析，主要包括豎向沉降和橫向位移分析，其結(jié)果見圖3。從圖中可以對比看到：在完工無水即靜荷載作用下，涵閘的最大沉降位移位于涵管墊塊處，最大橫向水平位移位于底板下游端；在正常運(yùn)行期間下，最大沉降位移的位置發(fā)生改變，位于上游擋墻端，最大橫向水平位移也發(fā)生在下游底板端。

圖3 位移分析結(jié)果

為了進(jìn)一步分析兩種工況下位移量的大小，對其進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)見表2。從表中數(shù)據(jù)可以看到：完建期的豎向位移明顯大于正常使用狀況下的豎向位移，而完建期的水平位移則是小于正常使用工況；完建期工況下，豎向最大位移為1.82 mm，最小值為1.38 mm，沉降差為0.44 mm，水平最大位移為0.25 mm；正常使用工況下，豎向最大位移值為僅為0.34 mm，最小值為0.13 mm，沉降差為0.21 mm，而水平最大位移值為0.34 mm；農(nóng)田水利涵閘設(shè)計(jì)中，地基最大沉降量允許值為30 mm以內(nèi)，最大沉降差不超過20 mm，可見文中設(shè)計(jì)的裝配式涵閘整體穩(wěn)定性較好，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表2 不同工況位移分析

2.3 應(yīng)力分析

對兩種工況下的應(yīng)力情況進(jìn)行分析，見圖4。從圖中可以看到：在完建期工況下，最大拉應(yīng)力發(fā)生在墊塊處，最大主壓應(yīng)力發(fā)生在管涵處；在正常使用工況下，最大拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力也發(fā)生在墊塊和管涵處，可見工況的改變并不會(huì)改變最大應(yīng)力的位置，僅會(huì)對應(yīng)力值大小產(chǎn)生影響。

圖4 應(yīng)力分析結(jié)果

同理，對兩種工況下的應(yīng)力值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見表3。從表中可以看到：完建和正常使用工況下的最大拉應(yīng)力分別為0.66 MPa和0.25 MPa，管涵處的最大主壓應(yīng)力值分別為1.11 MPa和0.48 MPa；C30混凝土最大允許拉應(yīng)力為0.572 MPa，最大允許主壓應(yīng)力為9.295 MPa，因此兩種工況的最大應(yīng)力值均在設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度允許值范圍類，滿足規(guī)范要求。

表3 不同工況應(yīng)力分析

2.4 整體穩(wěn)定性分析

裝配式涵閘主要受到土壓力、水壓力、揚(yáng)壓力、重力等作用，因此，對正常使用工況下的垂直力和水平力進(jìn)行分析，見表4。利用表中數(shù)據(jù)，分別計(jì)算閘室基底的抗滑穩(wěn)定系數(shù)Kc和抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)Kf：

式中：f表示滑動(dòng)摩擦系數(shù)，取值為0.4；∑G表示垂直方向應(yīng)力，kN；∑P表示水平方向應(yīng)力，kN；[Kc]表示抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，取值為1.2；∑U表示揚(yáng)壓力，kN。

經(jīng)校核計(jì)算得到：Kc=1.2，Kf=6.3≥1.1，可見，本裝配式涵閘的抗滑穩(wěn)定性和抗浮穩(wěn)定性均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

表4 正常運(yùn)行期荷載計(jì)算

3 結(jié)論

以工程實(shí)際運(yùn)用為目的，設(shè)計(jì)一種新型的裝配式涵閘并對其進(jìn)行了不同況下的應(yīng)用分析，得到如下結(jié)論：

（1）完建期工況下，涵閘的最大沉降位移位于涵管墊塊處，在正常運(yùn)行期間時(shí)位于上游擋墻端，兩種工況下的最大橫向水平位移均發(fā)生在下游底板端，最大位移值均滿足規(guī)范要求。

（2）兩種工況下，最大拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力均發(fā)生在墊塊和管涵處，但在設(shè)計(jì)混凝土標(biāo)號C30下，均滿足強(qiáng)度要求。

（3）正常使用時(shí)，抗滑穩(wěn)定系數(shù)Kc和抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)Kf分別為1.2和6.3，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（4）根據(jù)分析結(jié)果認(rèn)為本文設(shè)計(jì)的裝配式涵閘具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，值得在農(nóng)田水利工程中推廣運(yùn)用。