ABAQUS軟件在淠史杭灌區水閘閘室穩定計算中的應用

陸 璐

（安徽省淠史杭灌區管理總局設計院 合肥 230088）

1 引言

在淠史杭灌區水閘一類建筑物的常規設計過程中，需要根據《水閘設計規范》（SL265-2016）中結構計算章節內關于水閘閘室穩定的計算公式對水閘進行相關驗算復核，其中計算內容除了包括水閘閘室的抗滑穩定性還需要驗證閘室在抗傾覆穩定方面以及水閘進出口兩側的翼墻的結構穩定是否滿足要求。經過多年的運用實踐，灌區內水閘的設計多采用1 孔或多孔作為結構型式，縱向不設分縫。常規規范公式法在計算閘室穩定時通常忽略閘室各個組成部分之間的互相作用，將水閘閘室看作成一個單元，即作為一個整體進行計算，這種計算方式簡單直接，并且為設計工作提供了便利。

2 工程概況

戚家橋泄水閘位于安徽省六安市戚家橋集附近的淠河總干渠左岸11+000 處，主要作用是排除總干渠右岸山丘區44.40km2面積的來水，并可將總干渠水放空，以便渠道進行維修。戚家橋泄水閘是淠史杭灌區安全暢通運行的關鍵性控制工程之一，是保證灌區正常灌溉和城市供水的重要措施，對改善農業生產條件，提高水資源利用率，促進六安市城南鎮社會經濟可持續發展，對于灌區發展和城市發展都具有重大意義。

2013年戚家橋泄水閘進行拆除重建。新建的戚家橋泄水閘采用潛孔式水閘型式，共3 孔，單孔凈寬5.0m，總凈寬15.0m。水閘底檻高程為47.33m，檢修平臺頂高程53.93m，閘室順水流方向長12.0m，邊墩厚1.0m，中墩厚1.2m，閘室總寬度為19.4m。啟閉機臺頂面高程為59.73m，啟閉機房凈高3.5m，凈寬5.0m。閘室主要部位均為C25 鋼筋混凝土結構。考慮到與現狀閘頂交通橋兩岸道路的順暢連接，閘上交通橋布置在閘室上游側，與水閘墩墻整體澆筑。水閘結構形式采用三孔一聯的整體箱涵式基礎，閘室上部荷載可均勻傳遞到至水閘地基上，從而減小不均勻沉降。

3 計算模型及參數

3.1 計算模型

將整個閘室以及上部建筑作為本次計算的整體研究對象，利用ABAQUS 軟件建立三維有限元模型，模型結構包含閘室底板、閘墩、檢修便橋、交通橋、工作閘門、啟閉機房、橋頭堡和地基礎。根據工程場地地質條件，地基土體服從莫爾-庫侖屈服準則，符合彈塑性材料判定標準。結合廣義胡克定律，用線彈性材料構建莫爾-庫侖模型，從而詳盡展示水閘閘室混凝土材料的本構關系。本次計算模型是根據笛卡爾直角坐標系進行分解，分為X、Y、Z 三個方向。其中X 方向指的是順著水流方向指向下游，Y 方向指的是垂直水流方向指向上游，Z 方向指的是縱軸指向上。

考慮到在三維空間里建立模型，有限元分析計算結果與結構基礎選取尺寸標準有很大影響，本次計算模型選取基礎的尺寸范圍擴大至水閘上下游及左右兩側相應尺寸的一倍大小，基礎選取深度設定為21m。同時，在有限元模型中向基礎底部施加受力，側面施加水平法向鏈桿受力，從而盡可能使模型的規格符合實際情況，提高計算結果的準確性。有限元模型采用C3D8R 六面體約簡線性積分單元進行結構網格劃分，將閘室分解成16314 個節點，共10922 個單元格，將地基分解成10032 個節點，共8262 個單元格，盡可能準確地反映出水閘閘室和基礎之間的位移變化情況，計算模型見圖1。

圖1 計算模型圖

3.2 初始地應力的平衡

根據工程區地質條件，地基土體因承受自身重力，存在初始應力。垂直沉降位移的數值正常控制在10～14 個數量級，基本可以忽略不計，符合地基應力平衡。

3.3 材料的物理力學參數

模型選取線彈性材料模擬閘室混凝土，選取彈塑性材料模擬閘室基礎土體，見表1。

表1 材料物理力學參數取值表

3.4 在不同工況下閘室穩定成果分析

閘室的穩定性分析主要是建模后通過閘室的平均基礎應力是否超過各種計算條件下地基的容許承載力來判別。行業規范中要求在各種計算條件下，閘室基礎的最大應力與最小應力之比不得大于規范允許值，同時閘室的最大基底應力不應超過標準地基容許承載力的1.2 倍。本次關于水閘閘室結構建立的有限元模型用來分析閘室底板在不同條件下承載的豎向應力，分析成果顯示閘室穩定情況滿足規范要求。

3.4.1 完建期工況下的閘室穩定成果分析

在完建期，采用ABAQUS 有限元軟件對模型進行計算，計算結果中的水閘基底應力分布情況，見圖2。

圖2 完建期閘室基底應力分布圖和應力等值線圖

由分布圖可知，完建期水閘的基底應力在設計水位工況下均為受壓，閘室基底最大壓應力為75kPa，最小壓應力50kPa。其中，在閘門以及閘墩的位置出現了應力集中分布的現象，其中最大壓應力分布在邊墩的上下游外邊緣處，壓應力值為0.3MPa，其他部位應力分布比較均勻。由此可見，水閘的閘底板承受力來自上部結構的自重以及不均勻剪力。經計算，閘室基底最大壓應力與最小壓應力的比值為1.5，因此，完建期水閘閘室穩定計算結果滿足規范要求。

3.4.2 設計洪水位工況下閘室穩定成果分析

在設計洪水位工況下，采用ABAQUS 有限元軟件對模型進行計算，計算結果中的水閘基底應力分布情況見圖3。

圖3 設計洪水位下閘室基底應力分布圖和應力等值線圖

由圖3可知，完建期水閘的基底應力在設計水位工況下均為受壓，閘室基底最大壓應力為81.7kPa，最小壓應力54.2kPa。其中，在閘門以及閘墩的位置出現了應力集中分布的現象，其中最大壓應力分布在邊墩的上下游外邊緣處，壓應力值為0.37MPa，其他部位應力分布比較均勻。由此可見，水閘的閘底板承受力來自上部結構的自重以及不均勻剪力。經計算，閘室基底最大壓應力與最小壓應力的比值為1.51，因此，完建期水閘閘室穩定計算結果滿足規范要求。

3.4.3 校核洪水位工況下閘室穩定成果分析

在校核洪水位工況下，采用ABAQUS 有限元軟件對模型進行計算，計算結果中的水閘基底應力分布情況見圖4。

圖4 校核洪水位下閘室基底應力分布圖和應力等值線圖

由圖4可知，水閘的基底應力在校核水位工況下均為受壓，閘室基底最大壓應力為95kPa，最小壓應力63.3kPa。其中，在閘門以及閘墩的位置出現了應力集中分布的現象，其中最大壓應力分布在邊墩的上下游外邊緣處，壓應力值為0.348MPa，其他部位應力分布比較均勻。由此可見，水閘的閘底板承受力來自上部結構的自重以及不均勻剪力。經計算，閘室基底最大壓應力與最小壓應力的比值為1.50，因此，校核洪水位工況下水閘閘室穩定計算結果滿足規范要求。

3.4.4 正常蓄水位加地震工況下閘室穩定成果分析

在正常蓄水位加地震工況下，采用ABAQUS 有限元軟件對模型進行計算，計算結果中的水閘基底應力分布情況見圖5。

圖5 正常蓄水位加地震工況閘室基底應力分布圖和應力等值線圖

由圖5可知，水閘的基底應力在正常蓄水位加地震工況下均為受壓，閘室基底最大壓應力為87.5kPa，最小壓應力58.3kPa。其中，在閘門以及閘墩的位置出現了應力集中分布的現象，其中最大壓應力分布在邊墩的上下游外邊緣處，壓應力值為0.32MPa，其他部位應力分布比較均勻。由此可見，水閘的閘底板承受力來自上部結構的自重以及不均勻剪力。經計算，閘室基底最大壓應力與最小壓應力的比值為1.50，因此，校核洪水位工況下水閘閘室穩定計算結果滿足規范要求。

4 規范公式法與ABAQUS 軟件計算結果的對比

為了便于分析兩種計算方法的結果，對四種工況下閘室穩定計算結果進行了總結。經過基于ABAQUS 軟件進行的有限元分析法和與常規規范公式法的計算結果進行對比復核，兩種計算方法得到的結果都滿足水閘《水閘設計規范》（SL265-2001）規范要求。具體結果見表2。

表2 兩種方法計算結果對比表

5 結語

從計算結果看出有限元法得出的計算比值稍大一些，并且閘室底板出現了局部的應力集中現象，因為對水閘模型在進行網格劃分時，網格節點會發生幾何形狀變形。但是從上述計算數值可以看出，規范公式法的計算結果與采用ABAQUS 軟件進行有限元分析法的計算結果差別不大，兩種計算方法的計算結果均滿足規范要求。

水閘設計規范中的公式計算法具有普遍適用性，但相比較而言，有限元分析法能夠將水閘閘室的基底應力的變化情況更為詳盡地展現出來，且能夠真實反映閘室結構的受力狀況，具有更高的精確性和準確性，可以為淠史杭灌區內水閘設計工作提供更精準的技術支撐■