基于COMSOL計算下秦淮河道水閘加固墩結構體型設計分析研究

馬 力，顧 冬，羅 坤

（南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210000）

水工建筑加固設計方案優化分析不僅可提升工程設計水平，亦有益于工程運營長期穩定性，開展相應的水工設計優化具有重要意義[1-3]。劉芷妍等[4]、張笮娜等[5]、徐建榮等[6]根據水工模型試驗理論，在室內進行水工原型尺寸復制，探討水工模型在模擬工況下的滲流場、靜力場以及動力響應下特征，為工程設計提供重要優化參數。當然，一些水工建筑安裝有相關監測傳感器，可進行運營監測，進而從中分析設計方案利弊，為擬建工程設計方案最優比選提供參考[7，8]。數值計算研究方法高效、快捷，利用ANSYS[9]、ABAQUS[10]以及 MIDAS[11]等軟件可對水工模型進行仿真計算，針對不同設計方案開展對比分析，進而確定工程設計最優方案。根據秦淮河洪藍水閘鋼結構加固設計方案優化問題，開展了閘墩加固數量、閘墩厚度參數計算分析，為水閘加固設計以及建設提供了重要依據。

1 工程仿真建模

1.1 工程概況

為提升秦淮河通航能力，需對河道進行整治清淤。需疏浚河道全長18 km，包括5 座中型水閘，最大設計泄流量585 m3/s。設計采用圍堰施工進行整治，以堆筑壩構建圍堰壩，確保施工安全。施工另建設有溢流設施，溢流堰堰頂高程82.8 m，下游設有消能池與防浪墻等。消力池池深0.8 m，防浪墻厚度1 m、高4.8 m。由于河道整治與水閘除險加固為系統性工程，工程管理部門擬對整治河道內的5 座中型水閘進行加固。洪藍水閘是所整治河道上最為重要的樞紐設施，閘頂高程85.5 m，閘室底板厚度0.8 m，采用4 孔式泄流設計，單孔最大泄流量可達252 m3/s，但由于運營年限較長以及河道淤積嚴重，目前單孔泄流量僅能達到155 m3/s。水閘設擋土邊墻，采用水工預制拼裝，最大抗壓能力15 MPa，箱涵內可承受沉降位移20 mm，確保水閘應力、位移場處于安全狀態。通過有限元靜力場計算得知，該水閘結構拉應力分布較少，集中在閘頂區域，最大拉應力不超過1.7 MPa，但位移計算結果表明其沉降位移較大，接近安全允許值，在垂直方向上存在沉降以及傾覆趨勢，為水閘加固結構設計時應重點考慮方面。另外，水閘內滲流場模擬結果表明浸潤線在蓄水工況下增長較快，逼近泄流孔頂部，底板結構處孔隙水壓力集中過多，與該水閘底板基礎沉降過大有關。為提升水閘運營能力，針對基礎沉降位移過大、滲流活動較活躍等特點，初步考慮采用加固中墩方案，中墩剖面如圖1所示，擬對該方案設計參數開展優化分析，為確定最優設計方案提供參考。

圖1 水閘中墩剖面

1.2 工程建模

根據洪藍水閘工程現狀分析，采用鋼結構加固中墩設計方案，型鋼的翼緣與板厚分別為1.2、1.8 m，高5.56 m，總寬為4.6 m，保護層厚度0.4 m，型鋼布設角度為25°，方案加固設計如圖2所示。

圖2 閘墩型鋼加固結構方案

利用COMSOL 有限元仿真軟件建立計算模型[12，13]，水閘中墩模型關鍵部位包括墩頂、墩底、鋼結構加固點3個部位，其有限元模型如圖3所示。

圖3 閘墩有限元模型及關鍵部位

經劃分網格單元后，共獲得微單元體36 826個、節點28 524 個，在鋼結構加固處及迎水側等區域重點加密，確保計算精度。根據有限元計算規則，設定模型X、Y、Z 正向分別為順水流下游、垂直向上以及中墩右岸方向。設定墩底部位固定約束，無自由度邊界，頂部為單向約束條件，在迎水、背水側為多向約束，屬單自由度狀態；以當前水閘上游蓄水位為計算工況，水位6.5 m，水閘閘門處于關閉狀態，該工況計算模型荷載條件包括結構自重、靜水壓力以及揚壓力等。鋼結構加固方案中主要參數已基本確定，包括型鋼連接方式以及數量等，但水閘共有2 根中墩與4 根邊墩，閘墩加固數量還未確定，擬至少加固2根以上；另有加固墩厚度參數未確定，這與鋼結構布設形式有關，加固后墩厚最少0.4 m，為此針對兩設計參數開展優化對比。

2 閘墩加固數量參數優化分析

為分析閘墩加固數量參數對水閘結構應力影響，設計閘墩加固數量分別為2、3、4、5、6根，而閘墩厚度統一設定為0.6 m，其他參數保持一致，僅改變加固閘墩數量，計算各方案中閘墩關鍵部位應力變化特征。

2.1 拉應力特征

由不同加固數量方案計算可得關鍵部位最大拉應力變化特征，如圖4 所示。從圖4 可看出，3 個關鍵部位中拉應力最大為閘墩加固點處，在加固數量為3 根時該部位最大拉應力1.88 MPa，而墩頂、墩底最大拉應力相比前者分別下降64.1%、28.6%；各設計方案中該部位最大拉應力相比墩頂、墩底增幅分別達89.1%～2.96倍、36%～51%。結構設計中應重點關注加固點，該部位極易發生拉應力集中效應[14，15]。分析加固數量與最大拉應力變化關系可知，加固點與墩底部位處最大拉應力均呈先減后增變化，轉折點為加固數量4 根，該方案下前兩者的最大拉應力分別為1.43、0.95 MPa，均低于結構材料安全值；當加固數量超過4 根，達到5、6 根后，墩底處最大拉應力相比加固數量4 根增長了19.5%、53.4%，平均增幅可達36.4%，而加固點在加固數量4～6 根區間內最大增幅27%，平均增幅20.8%，其拉應力已超過結構應力安全值，閘墩失穩傾覆滑移趨勢增大。當加固數量為4 根時，墩底處最大拉應力相比加固數量2、3 根分別降低了51.2%、29.3%，處于遞減態勢；閘墩加固數量在2～4根區間內，墩底、鋼結構加固點部位最大拉應力平均降幅為30.2%、26.4%。從應力安全性角度考慮，閘墩加固數量應控制在4根以內，可以降低由于加固數量過多、導致應力擾動過大而引起較大張拉應力威脅。與墩底、加固點兩關鍵部位變化態勢不同的是，墩頂處在加固數量為2～4 根區間時，最大拉應力基本處于穩定狀態，波動幅度最大僅為1.2%，穩定在0.67 MPa 左右，顯著低于結構張拉破壞強度；而在加固數量超過4根后，墩頂部位最大拉應力呈增大特征，加固數量為5、6 根時最大拉應力相比前一穩定應力值分別上升了21.2%、64.5%，張拉應力威脅增大。綜合而論，閘墩加固數量控制在4根時，對水閘結構應力擾動影響較小，結構張拉應力增幅不顯著，各關鍵部位應力滿足安全要求。

圖4 關鍵部位最大拉應力特征（閘墩加固數量影響）

2.2 壓應力特征

由不同閘墩加固數量方案計算得到關鍵部位最大壓應力變化特征，如圖5所示。

圖5 關鍵部位最大壓應力特征（閘墩加固數量影響）

加固點、墩底壓應力與加固數量呈遞增關系，預壓效果較好，確保了閘墩不出現失穩[16，17]，加固數量為2 根時加固點最大壓應力為11.5 MPa，而加固數量為4、6根時壓應力相比前者上升了38.1%、40.6%；從壓應力增幅變化來看，在加固數量4根后，增幅有所減小，加固點、墩底部位平均增幅分別為0.9%、2.4%，而加固數量在2～4 根區間內增幅分別為17.6%、21.3%，從經濟成本角度考慮，加固數量在4根時抗失穩效果最優，成本適中。與拉應力類似，墩頂部位最大壓應力變化與墩底、加固點部位亦有顯著差異，各設計方案下墩頂部位最大壓應力基本不變，穩定在7.6 MPa，最大變化幅度僅為1.9%，表明墩頂部位最大壓應力受閘墩加固數量影響敏感度較低。比較拉、壓應力受加固數量影響變化特征可知，當閘墩加固數量為4 根時，不僅有利于水閘結構抗拉性，同時水閘抗失穩滑移效果也最佳，是閘墩加固數量最優參數。

3 閘墩厚度設計參數優化分析

根據閘墩厚度設計方案，設定厚度參數分別為0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4 m，閘墩加固數量設定為4根，其他參數均保持一致。

3.1 拉應力特征

根據不同閘墩厚度設計方案下拉應力計算，獲得關鍵部位拉應力變化特征，如圖6所示。從圖6可知，3 個關鍵部位拉應力隨閘墩厚度增加均呈遞減態勢，即關鍵部位最大拉應力與閘墩厚度參數為負相關關系，但降幅均在閘墩厚度1 m 后逐漸放緩，加固點處在厚度1 m 時最大拉應力相比厚度0.4、0.8 m時分別降低了51.3%、18.3%，而厚度1.4 m 下最大拉應力相比厚度1 m 僅下降了7.7%，說明閘墩厚度對關鍵部位拉應力影響逐步減弱。在閘墩厚度0.4～1 m區間內，加固點、墩底、墩頂處最大拉應力的平均降幅分別為21.3%、27.5%、38.8%，厚度超過1 m 后，在1～1.4 m 區間內3個關鍵部位的降幅分別僅有3.9%、2%、1.3%。閘墩厚度愈大，雖所控制的結構張拉應力愈低，但不可忽視所需鋼結構材料成本也會愈高，因而選擇適中的厚度參數更利于水閘加固設計。從圖6可知，當閘墩厚度為1 m時，3個關鍵部位最大拉應力分別為1.32、0.75、0.32 MPa，均低于結構安全設計值，且建設成本較適宜，該厚度參數為最優方案。

圖6 關鍵部位最大拉應力特征（閘墩厚度影響）

3.2 壓應力特征

同理，計算獲得閘墩厚度影響下關鍵部位最大壓應力變化特征，如圖7 所示。從圖7 可看出，閘墩厚度參數與各關鍵部位最大壓應力具有二次函數關系，均呈先增后減變化，控制閘墩厚度在壓應力增幅區間更佳。在閘墩厚度為0.4 m時，加固點部位最大壓應力為12.1 MPa，而厚度0.6、1 m方案下最大壓應力相比前者分別上升了22.7%、44.8%，而厚度1.4 m壓應力相比厚度1 m 下降了15.9%，厚度1 m 為關鍵部位壓應力最大方案。在閘墩厚度0.4～1 m 區間內，加固點、墩底、墩頂處最大壓應力平均增幅分別為13.4%、18%、20.6%，而厚度超過1 m 后即厚度在1～1.4 m 區間內，關鍵部位最大壓應力分別減小，平均降幅分別為8.2%、9.5%、10.3%。當厚度為1 m時，3個關鍵部位最大壓應力分別為17.6、16.1、13.8 MPa，不僅低于結構材料抗壓強度，且結構抗傾覆失穩性能最優。綜合認為，當閘墩厚度為1 m 時，閘墩結構應力穩定性最佳，為最優方案。

圖7 關鍵部位最大壓應力特征（閘墩厚度影響）

4 結論

（1）加固點部位為閘墩拉應力最大；加固點與墩底部位處拉應力最低方案均為加固數量4根，兩部位最大拉應力隨加固數量增加呈先減后增變化，墩頂最大拉應力在低于加固數量4根時穩定在0.67 MPa，超過4根后均遞增。

（2）加固點、墩底部位最大壓應力隨閘墩加固數量增加為遞增變化，但在加固數量4根后增幅減小，墩底部位在加固數量2～4、4～6根區間內的平均增幅分別為21.3%、2.4%，各加固數量方案下墩頂最大壓應力基本不變，穩定在7.6 MPa。

（3）關鍵部位拉應力與閘墩厚度參數為負相關變化，但降幅差異性顯著，加固點、墩底、墩頂處最大拉應力在厚度0.4～1 m 區間內平均降幅為21.3%、27.5%、38.8%，在 1～1.4 m 區間內平均降幅又為3.9%、2%、1.3%；厚度參數與關鍵部位最大壓應力具有二次函數關系，厚度1 m 時關鍵部位壓應力最大，結構抗傾覆滑移效果最好。

（4）綜合應力變化特征，認為閘墩加固數量4根、閘墩厚度1 m時為加固設計最優方案。