沉井基礎(chǔ)水閘三維有限元分析

羅志雄

（江西省水利科學(xué)研究院，江西南昌330029）

1 概況

水閘是水利工程中一種重要的水工建筑物，基礎(chǔ)對(duì)于水閘的安全運(yùn)行有著決定作用。對(duì)于土基上的水閘，常常會(huì)遇到疏松的砂土或軟弱的的粘性土地基，需要采取一定的工程措施處理后作為水閘的持力層。深基礎(chǔ)水閘地基常用處理方法為樁基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)、深層攪拌樁等，馬世榮通過(guò)對(duì)水閘基礎(chǔ)類型與地基特性進(jìn)行分析，確定當(dāng)?shù)鼗冃文Ａ吭?0 MPa以下時(shí)，應(yīng)考慮用鉆孔灌注樁或沉井基礎(chǔ)[1]。沉井基礎(chǔ)由于其結(jié)構(gòu)截面尺寸和剛度大，抗?jié)B及耐久性好，承載力高，在復(fù)雜地形和地質(zhì)條件下施工時(shí)，對(duì)附近建筑物的影響很小等優(yōu)勢(shì)下，近年來(lái)被廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)踐，且建筑物經(jīng)處理后運(yùn)行效果良好。

在計(jì)算分析深基礎(chǔ)水閘結(jié)構(gòu)問(wèn)題上，傳統(tǒng)計(jì)算方法將閘室和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分開(kāi)計(jì)算，計(jì)算過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際情況存在較大差異，很難真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，三維有限元[2-6]計(jì)算方法應(yīng)用愈加廣泛，深基礎(chǔ)水閘這種復(fù)雜的閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算成為可能，但主要集中在樁基礎(chǔ)水閘結(jié)構(gòu)分析上[7-9]，對(duì)于沉井基礎(chǔ)研究較少[10]。該文以某矩形多孔沉井基礎(chǔ)水閘為例，采用三維有限元軟件ABAQUS對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，分析閘室結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力變化情況，為今后沉井基礎(chǔ)水閘工程設(shè)計(jì)和安全鑒定提供參考。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

某水閘共3孔，閘總長(zhǎng)109.0 m，總寬15.4 m，設(shè)計(jì)排澇流量為75 m3/s，閘底板高程27.0 m，沉井底高程為23.0 m，閘墩頂部高程33.5 m，工作橋高程38.6 m，啟閉機(jī)采用QLSD-2×10 t。該閘采用鋼筋混凝土沉井基礎(chǔ)，尺寸為12 m×15.2 m×3.2 m（長(zhǎng)×寬×高），沉井井壁厚0.4 m，每塊沉井垂直水流方向設(shè)2道橫隔板，凈間距4.6 m，順?biāo)鞣较蛟O(shè)2道縱隔板，凈間距3.5 m，縱橫隔板厚均為0.3 m。

2.2 模型建立

利用ABAQUS有限元軟件對(duì)閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，地基模型尺寸的合理選取，對(duì)分析結(jié)果有著一定影響[11]，該文模擬采用順?biāo)鞣较蛉?6.0 m，垂直水流方向取47.4 m，深度取至高程14.0 m。

模型整體坐標(biāo)系采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，Z軸與水流方向一致，指向下游為正；垂直方向?yàn)?Y軸，向上為正；X軸為垂直水流方向；坐標(biāo)原點(diǎn)位于閘室底板靠近下游的頂點(diǎn)。ABAQUS里自由度編號(hào)1，2，3分別代表 X，Y，Z方向的位移，該文描述位移變化符號(hào)符合實(shí)際規(guī)定[12]。

在定義材料時(shí)，閘室混凝土結(jié)構(gòu)均采用線彈性材料模擬，土體采用彈塑性材料模擬，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。具體結(jié)構(gòu)及土體參數(shù)，見(jiàn)表1，各工況計(jì)算水位，見(jiàn)表2。

表1 結(jié)構(gòu)及土體材料參數(shù)表

表2 各計(jì)算工況水位

在定義接觸時(shí)，閘室底板作為主控接觸面，土體作為從屬接觸面。模擬采用C3D8R單元，該單元是六面體減縮線性積分單元，其中單元總數(shù)為22 903個(gè)，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為28 733個(gè)。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

按照上述計(jì)算模型和參數(shù)，分別對(duì)閘室結(jié)構(gòu)的2種工況進(jìn)行了空間有限元計(jì)算，從位移、結(jié)構(gòu)應(yīng)力角度分別對(duì)閘室進(jìn)行分析并作出安全評(píng)價(jià)。

1）位移分析

閘室整體結(jié)構(gòu)豎向位移（沉降）計(jì)算成果，閘室整體結(jié)構(gòu)水平位移（順?biāo)鞣较颍┯?jì)算成果，見(jiàn)表3。

由表3可知：閘室整體結(jié)構(gòu)最大沉降位移發(fā)生在校核工況下的，沿豎直方向整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生向下的位移，最大沉降量為51.4 mm，最大沉降差為18.0 mm。根據(jù)規(guī)范地基最大沉降量不宜超過(guò)150 mm，故地基沉降滿足要求。

由表3可知：閘室順?biāo)飨蛩轿灰频淖畲笾蛋l(fā)生在校核工況下，沿順?biāo)鞣较驈纳嫌蜗蛳掠伟l(fā)生位移，最大值為Uxmax=41.7 mm，水平位移較小。

表3 閘室整體結(jié)構(gòu)豎向位移（沉降）計(jì)算成果表

2）應(yīng)力分析

閘室結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力計(jì)算成果，最大主壓應(yīng)力計(jì)算成果，見(jiàn)表4。

表4 閘室結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力計(jì)算成果表MPa

由表4可知：在各工況下閘室底板的最大主拉應(yīng)力主要分布在下游側(cè)閘墩之間底板底層，最大值為0.64 MPa，最大主壓應(yīng)力主要分布在下游側(cè)底板面層與閘墩交界處，最大值為1.65 MPa；閘墩的最大主拉應(yīng)力主要分布在背水側(cè)邊墩與底板交界處，最大值為0.86 MPa，最大主壓應(yīng)力主要分布在下游臨水側(cè)邊墩與底板交界處，最大值為3.24 MPa；沉井的最大主拉應(yīng)力主要分布在上游側(cè)底板底層角部，最大值為0.89 MPa，最大主壓應(yīng)力主要分布在下游側(cè)縱井壁角部，最大值為1.89 MPa。閘室底板、閘墩及沉井等結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力均超過(guò)了混凝土的允許拉應(yīng)力，故這些結(jié)構(gòu)混凝土的抗拉強(qiáng)度不滿足要求，需要進(jìn)行配筋。

2.4 閘室結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算

依據(jù)表4的應(yīng)力計(jì)算成果，對(duì)閘室結(jié)構(gòu)承載能力復(fù)核計(jì)算，與實(shí)際情況進(jìn)行比較，計(jì)算成果，見(jiàn)表5。

由表5可知經(jīng)過(guò)配筋后：閘室底板、閘墩、沉井等結(jié)構(gòu)承載能力均滿足要求。

3 結(jié)論

1）有限元計(jì)算結(jié)果表明，該沉井基礎(chǔ)水閘整體位移滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。閘室底板的最大主拉應(yīng)力主要分布在下游側(cè)閘墩之間底板底層，最大值為0.64 MPa；閘墩的最大主拉應(yīng)力主要分布在背水側(cè)邊墩與底板交界處，最大值為0.86 MPa；沉井的最大主拉應(yīng)力主要分布在上游側(cè)底板底層角部，最大值為0.89 MPa，均超過(guò)了混凝土的允許拉應(yīng)力，需要進(jìn)行配筋。

表5 閘室結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算成果表

2）經(jīng)配筋復(fù)核計(jì)算，該水閘閘室底板、閘墩、沉井等結(jié)構(gòu)承載能力均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

3）利用三維有限元軟件ABAQUS對(duì)沉井基礎(chǔ)水閘進(jìn)行分析，能了解水閘的整體沉降以及閘室結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況，更為直觀反映水閘運(yùn)行情況。建議在沉井基礎(chǔ)水閘實(shí)際工程設(shè)計(jì)和安全鑒定中，更多地采用三維有限元進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究，作出合理的分析判斷。