非對(duì)稱工況下雙線船閘施工仿真預(yù)測(cè)分析

陸建新 王其標(biāo)

(1.南通市航道管理處，江蘇 南通 226006； 2.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032)

非對(duì)稱工況下雙線船閘施工仿真預(yù)測(cè)分析

陸建新1王其標(biāo)2

(1.南通市航道管理處，江蘇 南通 226006； 2.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032)

使用有限元分析軟件，依托海安船閘建立了非對(duì)稱工況下雙線船閘有限元計(jì)算模型，預(yù)測(cè)分析了回填工況及極端運(yùn)行工況下船閘的受力性能，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：依據(jù)前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整后的仿真分析模型可以較好地為后續(xù)施工提供依據(jù)，從而降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提高施工質(zhì)量。

雙線船閘，預(yù)測(cè)分析，非對(duì)稱，有限元

0 引言

許多船閘在施工期會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫，有的裂縫甚至向深層發(fā)展，威脅到建筑物安全使用[1,2]。雙線船閘結(jié)構(gòu)處于一側(cè)為另一線船閘，一側(cè)為土體的特殊狀態(tài)，屬于非對(duì)稱工況，較之一般的單線船閘結(jié)構(gòu)受力更為復(fù)雜。通過(guò)對(duì)船閘回填工況的仿真模擬，可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)在施工中可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，從而可以采取預(yù)防措施，避免其對(duì)工程造成不利影響；同時(shí)根據(jù)模擬成果，也可以驗(yàn)證施工設(shè)計(jì)的合理性[3,4]。目前對(duì)雙線船閘施工的研究均未考慮非對(duì)稱性的影響，本文依托海安雙線船閘工程，依據(jù)前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整后的仿真分析模型對(duì)回填和極端運(yùn)行工況進(jìn)行了分析，分析了船閘結(jié)構(gòu)的受力和變形特性，研究結(jié)果表明采用仿真模擬方法對(duì)船閘回填過(guò)程中的應(yīng)力及沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)是可行的。

1 工程概況

海安船閘位于南通市海安縣境內(nèi)，為雙線船閘，兩閘中心距為60.0 m。上游引航道接入新通揚(yáng)運(yùn)河與通榆河交匯處，下游引航道接入老通揚(yáng)運(yùn)河道，下通如海運(yùn)河。航道全線按三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)雙線航道整治，海安船閘采用雙線230.0 m×23.0 m×4.0 m，為Ⅲ級(jí)通航建筑物。

海安船閘上、下閘首采用整體剛度大、抗震性能好的鋼筋混凝土塢式結(jié)構(gòu)。上、下閘首寬度為53.8 m，長(zhǎng)度為28.5 m；輸水廊道進(jìn)口斷面尺寸為3.5 m×3.0 m，出口段2.5 m×3.0 m；廊道的進(jìn)口段和出口段均延伸至門(mén)庫(kù)，閥門(mén)設(shè)置在廊道的進(jìn)口段。

2 計(jì)算模型與計(jì)算條件

2.1 有限元模型

考慮了閘首和基礎(chǔ)土體等結(jié)構(gòu)，建立了船閘—地基系統(tǒng)的三維有限元整體仿真模型，模型采用實(shí)體單元分析，模型邊界約束條件為：地基上下游截面邊界順河方向水平位移為零，地基左右側(cè)截面邊界處橫河方向的水平位移為零，底部截面邊界處豎向位移為零[5]。

表1 土層參數(shù)表

2.2 材料參數(shù)

地基土共分為7層，計(jì)算參數(shù)如表1所示。船閘結(jié)構(gòu)混凝土彈性模量E=30 GPa，泊松比v=0.167，重度γ=24 kN/m3。

2.3 分析斷面選取

船閘沉降和應(yīng)力分析斷面的選取如圖1所示，以東閘首作為分析對(duì)象。沉降分析斷面設(shè)置在每個(gè)閘首的底板底部順河向中心線，同時(shí)在橫河方向三等分線上設(shè)置分析斷面。應(yīng)力分析斷面設(shè)置在每個(gè)閘首的底板底部順河向中心線。在分析斷面坐標(biāo)系的選取上，將船閘中心線定為X軸，將閘首與閘室分界面定為Y軸。

3 結(jié)果分析

3.1 回填預(yù)測(cè)分析

土方回填時(shí)填土應(yīng)盡量采用同類土填筑，并宜控制土的含水率在最優(yōu)含水量范圍內(nèi)。本工程根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，①-1粉質(zhì)粘土層，①-3粉土層適宜用作回填土。粉質(zhì)粘土最優(yōu)含水量(重量比)：12%～15%，粉土最優(yōu)含水量(重量比)：16%～22%。在實(shí)際回填過(guò)程中，針對(duì)海安雙線船閘船首與閘室的沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。對(duì)閘首的中板和邊板角點(diǎn)以及閘室的角點(diǎn)都進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，本節(jié)將數(shù)值分析選取的斷面經(jīng)過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)的角點(diǎn)，數(shù)值分析得到的不同斷面在回填工況下的沉降如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及本文模擬結(jié)果如表2所示。

表2 回填工況下沉降值對(duì)比匯總表 mm

從圖2及表2沉降分布情況可以看出模擬值與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，仿真模擬方法可以對(duì)船閘回填過(guò)程中的應(yīng)力及沉降進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，達(dá)到指導(dǎo)施工的目的。

3.2 極端工況預(yù)測(cè)分析

當(dāng)一側(cè)船閘需要大修，另一側(cè)船閘在最高水位下運(yùn)行時(shí)，對(duì)于船閘結(jié)構(gòu)而言，其整體受力是最為不利的，本文將這種情況定義為極端運(yùn)行工況。本節(jié)對(duì)海安船閘極端運(yùn)行(假定西側(cè)船閘水位為0 m，東側(cè)船閘水位達(dá)到最高8 m)情況下船閘結(jié)構(gòu)的沉降及應(yīng)力進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。閘首和閘室的應(yīng)力及沉降情況見(jiàn)圖3，圖4。

從沉降和應(yīng)力對(duì)比圖可以看出，在極端運(yùn)行工況下閘首和閘室均產(chǎn)生附加沉降和應(yīng)力，表現(xiàn)為中板沉降和應(yīng)力大于邊板，且由閘首與閘室鄰近面向兩側(cè)逐漸減弱。其中應(yīng)力分布情況較沉降復(fù)雜，其分布形式主要取決于上部船閘結(jié)構(gòu)的分布形態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用有限元方法，分析了海安雙線船閘在回填和極端運(yùn)行工況下閘首和閘室的應(yīng)力分布規(guī)律及變形特性，得到以下結(jié)論：

1)回填工況模擬值與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，表明仿真模擬方法可以對(duì)船閘回填過(guò)程中的應(yīng)力及沉降進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，達(dá)到指導(dǎo)施工的目的。

2)極端預(yù)測(cè)分析表明，船閘的附加沉降和應(yīng)力的產(chǎn)生均存在空間的非對(duì)稱性，表現(xiàn)為中板沉降和應(yīng)力大于邊板，且由閘首與閘室鄰近面向兩側(cè)逐漸減弱。

3)依據(jù)前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整后的仿真分析模型可以較好地為后續(xù)施工提供指導(dǎo)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提高施工質(zhì)量。

[1] 朱 平,王海濱,劉宏新.船閘工程閘室側(cè)墻裂縫分析與處理[J].水運(yùn)工程,2006(8):116-119.

[2] 曹周紅.不同施工過(guò)程對(duì)塢式船閘結(jié)構(gòu)影響的仿真模擬研究[D].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué),2005.

[3] 陳勝宏,陳尚法,楊啟貴.三峽工程船閘邊坡的反饋分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001,20(5):619-625.

[4] 李建林,哈秋舲.三峽工程永久船閘邊坡合理坡角研究[J].葛洲壩水電工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1994,16(2):7-13.

[5] 蘇 超,李勁松,崔瀟菡.三維有限元法在大型船閘閘首設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2014(5):112-116.

Analysis of the construction technology of lock heads under asymmetric working condition

Lu Jianxin1Wang Qibiao2

(1.NantongChannelManagement,Nantong226006,China;2.SHCCDesign&ScienceResearchInstitute,Shanghai200032,China)

This article uses finite element analysis software to establish the finite element calculation model of double lock under asymmetric conditions relying on Hai’an lock, the characteristics of stress distribution and deformation of lock head and lock chamber under backfill and extreme operating conditions was analyzed, and were compared with the measured results. Results show that using the modify model which based on the early stage of the monitoring data, we can better guide the subsequent construction, reduce the risk of construction and increase the construction quality.

double lock, forecast analysis, asymmetric, the finite element

2015-08-29

陸建新(1963- )，男，高級(jí)工程師； 王其標(biāo)(1987- )，男，工程師

1009-6825(2015)31-0100-03

U615

A