基于ANSYS的某水閘除險加固穩定性分析研究

葛萬明，蔣曉君，尤維鋒

（1.無錫市水利設計研究院有限公司，江蘇 無錫 214023；2.無錫市太湖閘站工程管理處，江蘇 無錫 214023；3.洛社鎮水利農機服務站，江蘇 無錫 214023）

1 引言

當前我國部分地區經濟發展日益繁榮，水資源需求旺盛，造成部分運營周期較長、設計時間較久遠的水利樞紐工程出現運營癱瘓，各種病險現象出現，極大影響了水資源調度[1,2]。針對病險水閘開展除險加固，提升水利樞紐工程運營效率，擺在許多水利工程師面前，已有較多相關學者或工程師已開展過病險水閘等水利工程的除險加固設計、危害排查、安全評價等內容[3-6]。利用數值計算手段，評估水閘除險加固設計安全穩定性，相比是較為關鍵的研究課題，本文將根據某病險水閘的除險加固設計，依據數值建模計算分析手段，分析評價除險加固設計方案在病險水閘中的適用性與科學性，提升我國對病險水閘的除險加固設計水平。

2 工程概況

某市A水閘樞紐工程為集農田灌溉、城市供民業用水、防洪等多種作用，調控城市內水位，保證河道水位處于安全警戒狀態內，選址位于牙河與虎河匯流處下游12 km，在閘室上、下游分別建有機架橋與公路橋，滿足通航與汽車行駛要求。根據原設計方案，該水閘順水流方向總長為147.2 m，設計控制流量為1 200 m3/s，采用筏型基礎，基礎墩厚達0.8 m，共有4孔聯排調水，每個孔室寬度為6.4 m，水閘底板采用鋼筋混凝土澆筑，平面形態為多拐點折線，每段高程均控制在-3.652 m，每段底板凈長為6.2 m。在水閘上游建有4%坡度的護底及7.5 m長的防沖槽，抵抗水流沖刷力，在底板下游建有15 m長消力池，上下游邊坡架設4段翼墻，上、下游分別為直立型與圓弧型翼墻。根據地質勘察表明，閘室地基為第四系全新統堆積土層，厚度達21 m，從上至下主要包括淤泥質土層（厚4.2 m）、弱透水性粉質粘土（厚6.2 m）、中密結構粉砂土（厚5.2 m）、黃色黏土（厚2.2 m）、全風化砂土（厚3.1 m）。地下水來源為河流地下水與大氣降水，根據水質監測表明地下水質中含有Na、K等堿性元素，對底板混凝土具有一定侵蝕作用。

該水閘樞紐工程由于建設時間比較久遠，運營周期較長，已經出現部分閘室坡面混凝土表皮脫落，沉降變形較大，達到1.12 m，已超出安全使用規范內了。閘室頂面公路橋橫梁各處均出現一定大小的裂縫，超過35 cm長裂縫有70條，底板部分區域混凝土鋼筋出露，受銹蝕較嚴重，閘室建筑物受損較嚴重，兩側翼墻同樣出現較多空隙，夾雜泥沙層較多，威脅墻體穩定性。以上出現的種種水閘危險信號，均表明對該水利工程進行除險加固很有必要。

3 水閘除險加固方案設計

筆者將簡要介紹該病險水閘在閘室底板、翼墻等建筑除險加固研究方案。閘室加固方案采用拆除全部閘墩，保留閘室底板，以原底板地基為建設基礎，灌注混凝土砂漿，強化地基承載力，使原閘底板高程達到-3.178 m，重新修筑閘墩，閘墩厚度控制在1.2 m，保證閘室安全穩定性，原底板的存在一方面可以減少混凝土澆筑成本，另一方面在澆筑時起到防護底板突涌作用。

由于不拆除原底板，需要重新修筑底板結構形式，采用1.5孔1聯，設計寬度達到16.8 m，配筋量達到成本最優化，沉降變形控制較好，故而底板結構為1.5孔1聯。

上游翼墻全部拆除，但保留翼墻混凝土底板，并對翼墻底板地基高壓注漿，增強地基承載力，重新設計上游翼墻，翼墻高度設計為8.35 m，材料選用C30混凝土。下游翼墻亦是拆除原砂漿墻體，保留底板，重新修筑翼墻，保證翼墻高程達5.485 m，且各翼墻區段內改為3段，墻頂平臺設置砂漿砌石，保證當下游調控水位500 m3/s～1 100 m3/s流量時，下游河道水位不會漫過翼墻頂。上下游翼墻均采用重力式翼墻對稱式分布設置，轉角均為90°。

4 基于ANSYS下除險加固方案復核分析

為確保該病危水閘除險加固方案科學合理，需對設計方案開展進一步復核分析，依據設計方案，利用ANSYS數值建模計算，研究水閘的滲流、翼墻及閘室應力三個方面穩定性。

4.1 滲流穩定性校核分析

水閘等水利工程滲流穩定性很大程度取決于閘室底板滲透壓承受能力，故而筆者以閘室底板原型參數建立數值模型（圖1），該模型中包括了下覆基底土層與上覆混凝土結構。

圖1 閘室底板數值模型

以底板正、反向擋水兩種工況開展分析，當底板正向擋水時，閘室上下游水位分別為3.523 m、0.925 m；當底板反向擋水時，閘室上下游水位分別為-2.476 m、1.525 m。圖2為兩種工況下底板滲透壓力云圖。從圖2可看出，不論是正向擋水亦或是反向擋水，滲透壓力最大值區域總集中在直接接觸水流的方向上，另一方面，正向擋水下閘室底板滲透壓力最大值為80.6 kPa，反向擋水工況下最大滲透壓力僅有前者的75%，且從兩個工況下各自的最小滲透壓力來看，正向擋水工況下滲透壓力整體高于反向擋水。以A～F特征點分別計算滲透坡度，在正向擋水工況下，閘室上游A～B滲透坡度為0.043 3，閘室區段C～D滲透坡度為0.031 5，閘室下游E～F滲透坡度為0.045 7，由此可見，閘室雖承擔水位調控，但其滲透坡度低于上下游滲透坡度。相比正向擋水工況下，反向擋水滲透坡度顯著增大，A～B、C～D、E～F三個區段內滲透坡度分別為0.067 1、0.046 2、0.066 5。依據文獻[7]知，閘室滲透坡降允許值為0.15～0.25，表明兩種工況下閘室滲流穩定性均處于安全運營范圍。

圖2 底板滲透壓力云圖

4.2 翼墻穩定性校核分析

閘室翼墻包括上、下游翼墻，筆者將以多種荷載工況條件下分別計算上、下游翼墻基底壓力，進而評價翼墻除險加固后穩定性。

根據水閘所處地質環境與工程效益，所采用的多種荷載工況如表1所示，根據地基承載力與基底壓力計算公式（式1～3），計算出各個工況下底板基底壓力Pc及抗滑穩定安全系數Kc（表2）[8]。

表1 多種荷載工況參數表

表2 基底壓力Pc抗滑穩定安全系數Kc計算結果表

式中，f、φ0表示摩擦系數，取0.3；ΣH表示閘室底板水平向載荷，kN；C0表示土體粘聚力，kPa。

式中，J表示地基承載力，kPa；[J]表示標準承載力，kPa；mB、mD表示承載力修正系數，m；γs、γP表示土容重，kN/m3；B、D表示基礎尺寸，m。

從表2計算結果可知，所有荷載組合工況條件下基底壓力與抗滑穩定安全系數均滿足設計規范[7]要求；對比不同荷載工況，翼墻前后水位差恒定條件下（ΔH不變），隨著前后水位增長，抗滑穩定安全系數亦在增長，基底壓力最大值增長，基底壓力最小值減小。筆者認為，水閘上游翼墻加固后，在初始狀態下內部應力會局部出現應力集中，導致基底壓力出現隨著水位增長而持續增長現象。耦合地震動因素工況下（荷載組合7與8），相比未考慮地震動荷載組合下，抗滑穩定安全系數均減小了30.4%、17.1%，表明地震荷載會削弱上游翼墻抗滑穩定性。

表3～4為下游翼墻荷載工況組合與計算結果。從計算結果可知，下游翼墻各工況中最大基底壓力為255.61 kPa；聯系荷載組合與上覆填土可知，隨著上覆填土愈厚，抗滑穩定安全系數愈大，基底壓力愈小，此意味著上覆填土能加強下游翼墻穩定安全性能；相比上游翼墻，同等荷載工況下，下游翼墻基底壓力高43.6%，表明下游翼墻設計時地基灌漿孔設計應更均勻，增強地基承載力。

表3 下游翼墻荷載工況組合

表4 下游翼墻計算結果

4.3 閘室應力分析

閘室穩定性主要考慮閘室結構應力分布，筆者結合數值模擬手段與工程實際參數，計算分析閘室地應力與整體結構應力，評價除險加固方案的合理性。

根據閘室所處工況，以閘室初始應力為0計算，在確保地基地應力處于平衡條件下，即沉降值低于10-5時[9]，所得地應力為計算結果，圖3為不同工況下閘室基底地應力數值計算結果。從圖中可看出，最大地應力出現在完建工況下，達158.21 kPa，耦合地震工況下，地應力均勻系數增長了17.3 %，但仍低于2，滿足設計要求；抗滑穩定安全系數隨著閘室上下游水位的降低，但整體水平均超過3。

圖3 閘室基底地應力計算結果

根據閘室所處工況，以閘室結構外參數為依托，劃分數值模型單元，計算獲得閘室結構整體應力分布云圖（圖4）。閘室整體均處于受壓狀態，僅在局部排架及底板區域出現拉應力，最大拉應力位于底板邊緣，筆者分析閘室底板出現拉應力主要由于在閘墩區域會出現局部應力集中，造成底板變形，出現拉應力，而排架柱作為支撐結構，受到水位調控機器及其他荷載影響，導致排架柱底在局部中心地帶出現拉應力分布，但數值較小，最大拉應力僅有2.74 MPa，與排架柱及底板混凝土材質抗拉強度相比，均在允許范圍內。

圖4 閘室結構應力分布云圖

圖5 閘墩、排架柱上下游最大壓應力曲線

圖5為7個閘墩與上、下游排架柱最大壓應力變化關系。7個閘墩最大壓應力分布較為均勻，最大壓應力平均值為7.173 MPa，最大壓應力出現在閘墩4，達7.207 MPa；上游排架柱內部壓應力顯著低于下游，唯排架柱4兩者相比接近，筆者分析是由于排架柱4作為中間排架，為并排雙架組合形式，截面面積較大，上下游過流斷面影響較小，故而兩者基底壓力接近一致；上、下游7個排架柱平均最大壓應力分別為4.293 MPa、5.489 MPa；依據設計選用的混凝土材料抗壓強度為11.9 MPa，表明上下游閘墩與排架柱均處于安全狀態，閘室處于正常運營。

5 結論

依據某水閘除險加固設計方案，利用ANSYS建模與理論計算模型，開展水閘的滲流、翼墻及閘室應力穩定性分析，獲得了以下幾點結論與認識：

（1）結合工程實際與經濟效益，采用拆除全部閘墩，保留閘室底板；以1.5孔1聯重新修筑底板結構；拆除上、下游全部翼墻，以原有底板地基重新設計建設對稱分布重力式翼墻。

（2）獲得了閘室在正、反向擋水工況下滲透壓力最大值區域總集中在擋水方向上，且正向擋水工況下滲透壓力整體高于反向擋水，反向擋水工況下最大滲透壓力僅有正向擋水的75%；閘室反向擋水滲透坡度高于正向擋水工況，但兩個工況下滲透坡降均低于允許值0.15～0.25。

（3）獲得了所有荷載組合工況條件下上、下游翼墻基底壓力與抗滑穩定安全系數均滿足設計規范要求；地震動荷載工況下，翼墻抗滑穩定系數顯著降低；同等荷載工況下，下游翼墻基底壓力低上游翼墻7 %。

（4）獲得了閘室最大地應力為158.21 kPa，地應力均勻系數低于2，抗滑穩定安全系數超過3，均滿足水閘設計要求；閘室結構整體處于受壓狀態，7個閘墩及上、下游排架柱最大壓應力分別為7.207 MPa、4.653 MPa、6.869 MPa，僅局部排架及底板區域出現拉應力，最大拉應力僅有2.74 MPa，處于材料抗拉強度允許范圍內。