北方寒區水庫閘門金屬結構冰凍荷載壓力模擬研究

李 升

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

北方冬季溫度較低，對于大中型水庫而言冬季水閘不采取有效的防范措施會使得其金屬結構遭到一定程度的破壞[1]。冬季閘門、攔污柵等金屬結構受水面冰層產生巨大推力影響其結構安全[2]。SL 74—2013《水利水電工程鋼閘門設計》規定寒冷地區的閘門、攔河壩以及其它水工建筑物不得承受冰的靜壓力[3]。寒區水庫冬季運行期間，由于水位、氣溫的變化冰層會對其結構產生靜壓力，加大閘門的荷載，當壓力達到千兆帕時會對閘門造成巨大的危害，導致閘門、閘門支臂、主梁、攔污柵等金屬結構受壓受損變形，結構強度或遭受破壞，閘門及埋件結構因氣溫較低，易發生脆性斷裂破壞，影響閘門開啟[4]。啟閉設備的控制系統遭受冰凍破壞，鋼絲繩被冰剪斷破壞，液壓油流動不暢，影響閘門啟閉[5]。水庫中漂浮的冰層或冰塊，在風力或水流推力作用下對閘門產生撞擊力。氣溫回升冰層與閘門受膨脹壓力影響牢固凍結后，閘門冰荷載影響程度較大[6-11]。尤其是兩種靜冰和動冰壓力綜合影響會使得水庫閘門的破壞可能性大大增加[12-14]。為模擬不同冰荷載作用下閘門破壞情況，開展不同類型冰荷載作用下閘門有限元模擬研究，以渾水閘進水閘和大伙房泄洪洞出口工作閘門為例，計算其在動冰壓力、靜冰壓力和內部冰膨脹壓力下的應力和變形情況，并與設計水位下的應力和變形情況和實際測量值進行對比，實現冰凍破壞的定量計算，首次實現內部冰膨脹壓力的有限元數值模擬，為工程設計和運行管護提供參考。

1 冰荷載的確定

1.1 動冰壓力大小的確定

閘門動冰壓力根據GB/T 50662—2011《水工建筑物抗冰凍設計規范》規范進行計算，計算公式為：

(1)

式中，Fi1—水庫閘門受冰塊撞擊產生的壓力值，MN；ν—冰塊撞擊的速率，m/s，一般情況下在試驗現場進行流速的測定，對于水庫而言按照3%最大風速值確定冰塊撞擊的速率，對于遼寧地區的水庫而言其冰塊撞擊速率一般取值不高于0.6m/s；δi—流動冰塊的寬度，m，通常情況下其取值為0.7～0.8倍流動冰塊的最大寬度值，初期按照最大流動冰塊寬度進行取值；A—流動冰塊整體冰面的面積，m2；fic—按照現場水流測定情況確定的冰塊的抗壓強度，MPa，本文取值為0.3MPa，河流流冰初期可取0.45MPa，流冰后期高水位時可取0.3MPa。對于渾水閘進水閘算例，冰塊運動速度按0.6m/s計算，流冰厚度參考規范中國河流平均最大冰厚圖中相關數據取1m，冰塊面積按進水閘閘門寬度乘以閘墩前段距離閘門距離的乘積即6m×5m=30m2，冰的抗壓強度取0.3MPa。

1.2 靜冰壓力大小的確定

根據GB/T 50662—2011規定，閘門不應承受靜冰壓力。可模擬極端工況下閘門的靜冰壓力。水平方向受冰層升溫膨脹其閘門靜冰壓力可按照不同冰塊厚度查表1得到。

表1 不同冰厚靜冰壓力值

1.3 計算模型及參數

為模擬不同類型冰壓力對閘門金屬結構的破壞，結合工程實際破壞情況，采用文獻[15]中的有限元數值模擬模型對渾水閘進水閘和大伙房泄洪洞出口工作閘門進行有限元數值模擬。

(1)渾水閘進水閘。渾水閘進水閘為開敞式平板鋼閘門，閘門結構形式為板、梁組合結構，閘門尺寸為5.20m×6.00m。根據其受力特點，考慮計算精度要求，對可以掃略的部分采用掃略方法劃分六面體網格，對不能掃掠劃分的部分采用協調分片算法劃分四面體網格。計算模型節點總數為154485個，單元總數為40425個。閘門主要構件的材料為普通低碳鋼A級，材料的彈性模量取用E=2.06×105MPa，泊松比取用μ=0.30，容重γ=78.5kN/m3。

(2)大伙房泄洪洞出口工作閘。大伙房泄洪洞出口工作閘為潛孔式平面滑動鋼閘門，閘門形式為板殼結構，閘門尺寸為3.66m×3.75m。根據其受力特點，考慮計算精度要求，對可以掃略的部分采用掃略方法劃分六面體網格，計算模型節點總數為25368個，單元總數為5684個。閘門主要構件的材料為普通低碳鋼A級，材料的彈性模量取用E=2.06×105MPa，泊松比取用μ=0.30，容重γ=78.5kN/m3。

2 渾河閘進水閘冰凍荷載應力模擬

2.1 不同工況荷載設置

進行3種工況下的閘門有限元模擬，分別為靜水工況、動冰工況和靜冰工況，各種工況具體荷載情況如下：

(1)靜水工況：設計水位36.00m，閘底高程33m，設計水頭3m。

(2)動冰工況：動冰厚度1m，動冰壓力F=126kN，冰下水位2m。

(3)靜冰工況：靜冰厚度1m，靜冰壓力P=245kN/m，冰下水位2m。

2.2 不同工況應力與變形

對渾水閘進水閘3種工況下應力與變形情況進行匯總分析，在3種工況下閘門的應力和變形模擬值均小于許用值，滿足規范和設計要求，具體數據見表2。

在靜冰工況下，應力模擬值為設計工況下的3.4倍，變形模擬值為設計工況下的3.6倍；應力模擬值為許用值的86.5%，變形模擬值為許用值的62%。在此工況下，鋼閘門應力和變形相比設計工況均大幅提高，已超過許用值的2/3以上，閘門結構面臨變形損壞的危險，因此冬季運行時應極力避免閘門前結冰情況。

3 大伙房出口閘冰凍荷載應力模擬

進行1種工況下的閘門三維有限元模擬，即內部空腔存水結冰情況下閘門受力和變形情況，水結冰壓力P=36.26MPa，作用位置為閘門內部空腔。對泄洪洞出口閘在空腔水結冰膨脹作用下應力、變形情況的模擬值和實測值進行對比分析，具體結果見表3。

表3 泄洪洞出口閘應力與變形一覽表

閘門變形模擬值與實測值偏差不大，主梁和面板的等效應力仿真值均超過了許用值，不滿足規范和設計要求；主梁的變形的仿真值和實測值均不滿足規范和設計要求。結合現場檢測實際情況，閘門背水側翼緣發生大的變形，后期通過融冰措施排出空腔內部積水，由于變形處于材料彈性變形階段，閘門在冰融化排水后變形自動恢復，恢復后的變形量滿足規范和設計要求。

4 主要結論

(1)閘門在凍冰壓力下應力和變形相比于設計工況變化不大，在靜冰壓力下應力和變形都接近許用值，在水結冰膨脹壓力下應力和變形都超過許用值，因此在水庫在冬季放流過程中或春季開江階段應避免流冰對閘門產生撞擊。

(2)水庫冬季運行時，要嚴禁閘門前水體冰封對閘門產生靜冰壓力，還要注意檢查閘門梁板結構的排水孔是否堵塞、空腔內是否留存積水，避免動冰壓力、靜冰壓力和水結冰膨脹壓力給閘門等金屬結構造成破壞。

(3)本文對靜冰厚度對北方地區水庫閘門金屬冰凍荷載壓力影響未進行研究，存在不足，在后續的研究中應重點關注靜冰厚度的影響。