江蘇某巖基水閘整體式底板閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)值模擬分析

陳 猛，陳潔茹，沈芝瑩

(淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223001)

水閘是修建在河道、水庫、湖泊、渠道上十分常見的低水頭水工建筑物，能通過閘門的升降來調(diào)節(jié)水位和流量，常用于灌溉和防洪排澇等方面[1-6]。我國早在2000多年前的春秋時(shí)期就開始興建水閘，自新中國成立以來，各類水工建筑物大量修建，其中也修建了很多水閘，對于防洪、排澇和分配水資源等方面起到重要作用。閘底板作為水閘的重要基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)形式、尺寸等決定了整個(gè)水閘的穩(wěn)定性和安全性[7-8]。常見的閘底板形式有平底板、低堰底板、箱框式底板、反拱底板等。常見水閘的基礎(chǔ)多坐于土質(zhì)地基中，坐于巖質(zhì)地基上的較少，并且對于土質(zhì)地基上包括閘底板在內(nèi)的水閘的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析方法較多，也較為成熟，但對于巖質(zhì)地基上閘底板及水閘結(jié)構(gòu)分析方法較少，還需進(jìn)一步研究。根據(jù)閘底板與閘墩不同的連接方式，可將閘底板分為底板與閘墩相連的整體式底板和底板與閘墩分開的分離式底板。巖基上水閘受分縫等影響，受力條件較復(fù)雜，不能按照傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算出巖基對底板、上部結(jié)構(gòu)等構(gòu)件的影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的三維有限元分析，使得這類問題得到了較好的解決。本文以江蘇某巖基水閘工程為例，采用ABAQUS三維有限元軟件，對整體式底板閘室結(jié)構(gòu)在不同工況下的位移和最大主應(yīng)力進(jìn)行了模擬分析。

1 有限元模型

1.1 計(jì)算模型及參數(shù)

某水閘位于江蘇省，地基為砂巖，主要在潮水上漲時(shí)起到擋潮和在暴雨或雨季時(shí)起到排澇等作用。該水閘工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級別為2級，共有6個(gè)閘孔，單孔凈寬8m，閘室順?biāo)鞣较蜷L14m，閘總寬69m，中墩厚3.2m，邊墩厚2.5m，閘底板厚0.5m，閘門為弧形鋼閘門。水閘縱剖面如圖1所示。

圖1 某巖基水閘縱剖面圖

以整個(gè)閘室為研究對象，建立三維有限元數(shù)值模型。該模型為整體式底板閘室結(jié)構(gòu)，在中墩設(shè)置施工縫，形成兩孔一聯(lián)，共三聯(lián)的整體式結(jié)構(gòu)。模型中X方向?yàn)榇怪彼髯杂野吨赶蜃蟀叮琘方向?yàn)轫標(biāo)鞣较蜃韵掠沃赶蛏嫌?，Z方向?yàn)殂U直向上。巖基范圍取水閘各方向長度的3～3.2倍，具體范圍如下：地基深度按照水閘高度的3.2倍選取，為30m；X方向上兩邊各選取3倍的水閘寬度；Y方向上兩邊也各取3倍的水閘長度。實(shí)體單元采用C3D4單元，巖基設(shè)為接觸的主表面，閘室底板設(shè)為接觸的從表面，摩擦采用罰行為，值為0.35，法向?yàn)橛步佑|；巖基底面為固定約束，巖基四周為水平約束。閘室及地基共剖分網(wǎng)格116480個(gè)，節(jié)點(diǎn)29628個(gè)。網(wǎng)格剖分圖如圖2所示。

圖2 數(shù)值模型網(wǎng)格剖分圖

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)和檢測資料，閘室結(jié)構(gòu)材料參數(shù)取值見表1。

表1 數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)

1.2 計(jì)算工況及荷載

由于水閘主要起防潮和排澇的作用，且位于巖基上，根據(jù)實(shí)際情況，該水閘的計(jì)算工況主要考慮正向和方向擋水的情況，分別按照設(shè)計(jì)和校核進(jìn)行計(jì)算，因此可分為：正向設(shè)計(jì)、正向校核、反向設(shè)計(jì)和反向校核等四種計(jì)算工況。計(jì)算時(shí)考慮水閘結(jié)構(gòu)自重、水的自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、土壓力和邊荷載等荷載，其中揚(yáng)壓力包括滲透壓力和浮托力，因在巖基上，不考慮滲透壓力，揚(yáng)壓力等同于浮托力。各計(jì)算工況水閘水位計(jì)水頭見表2。

表2 計(jì)算工況

2 整體式閘室結(jié)構(gòu)位移和最大主應(yīng)力

根據(jù)閘室實(shí)際情況和建立的數(shù)值模型，選取了在實(shí)際中可能的位移較大位置，作為數(shù)值模型在數(shù)值模擬分析中結(jié)構(gòu)特征位置，共選取了上游側(cè)和下游側(cè)邊墩、中墩、底板、工作橋、排架等特征位置，如圖3所示。

圖3 閘室結(jié)構(gòu)特征位置分布圖

2.1 閘室結(jié)構(gòu)沉降和水平位移

對每個(gè)結(jié)構(gòu)特征位置的沉降和水平位移進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，云圖如圖4所示，計(jì)算結(jié)果見表3，如圖5所示。

由圖3、表3和圖4可知：沉降：除閘底板跨中位置在正向和反向工況下沉降相差稍大外，閘室其它同一結(jié)構(gòu)特征位置各工況時(shí)的沉降值相差不大。在各工況下，閘室胸墻、交通橋、工作橋、檢修便橋等結(jié)構(gòu)跨中處沉降較大，其中閘室工作橋跨中處沉降最大，最大值為校核正向工況時(shí)的0.33mm，閘室胸墻底部跨中處最大沉降發(fā)生在校核工況時(shí)的0.23mm；正向工況時(shí)閘底板跨中沉降最小，最小值為校核正向工況時(shí)的0.1mm，其中設(shè)計(jì)水位時(shí)沉降比校核水位時(shí)略大，閘室邊孔閘底板沉降比中孔底板的沉降略大；閘墩頂部最大沉降量在反向工況時(shí)比正向工況時(shí)略大，且校核水位時(shí)最大為0.22mm，最大沉降量在正反向工況時(shí)出現(xiàn)的部位不一樣，正向時(shí)偏向上游臨土側(cè)，反向時(shí)在閘墩與排架連接處，閘墩沉降自上至下逐漸減小且呈水平條帶狀分布。

圖4 閘室結(jié)構(gòu)位移云圖

單位：mm

水平位移：在相同的工況時(shí)，閘室結(jié)構(gòu)高度相同的位置順?biāo)鞣较虻乃轿灰谱兓苄?，?.1mm以內(nèi)；正向工況時(shí)，閘室有向下游傾覆的趨勢，高度越高水平位移變化越大；反向工況時(shí)，閘墩水平位移順?biāo)鞣较蜃兓淮?，隨高度變大呈拋物線狀變化，邊墩底部比頂部水平位移大；正向工況時(shí)下游段底板水平位移大，反向時(shí)上游段底板水平位移大；胸墻的最大水平位移出現(xiàn)在胸墻的跨中位置，為校核正向時(shí)的0.49mm，如圖5所示。

2.2 閘室結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力

圖5 閘室結(jié)構(gòu)特征位置各工況下的位移

根據(jù)閘室數(shù)值模型以及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，本次對每個(gè)結(jié)構(gòu)部件的最大主壓應(yīng)力和主拉應(yīng)力進(jìn)行模擬，并對模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，計(jì)算結(jié)果見表4，如圖6所示。

由表4和圖6可知：最大主壓應(yīng)力在各工況下，閘室交通橋的最大主壓應(yīng)力比閘室其它結(jié)構(gòu)部位的大，其中設(shè)計(jì)正向時(shí)交通橋處最大主壓應(yīng)力最大，為1.13MPa，出現(xiàn)在橋梁縱梁與支撐靠近的底面部位；工作橋與交通橋最大主壓應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，最大主壓應(yīng)力為0.56MPa；檢修便橋在反向工況下最大主壓應(yīng)力最大，為0.58MPa，也出現(xiàn)在橋梁縱梁與支撐靠近的底面部位；在正向工況下，邊墩處的最大主壓應(yīng)力最大，為0.83MPa，且出現(xiàn)在邊墩與閘底板連接部位；在反向工況下中墩處的最大主壓應(yīng)力最大，為0.45MPa，且設(shè)計(jì)水位時(shí)比校核水位時(shí)略大，出現(xiàn)在接近齒墻的中墩底部；邊孔閘底板在正向工況時(shí)的最大主壓應(yīng)力最大，為0.71MPa，校核水位時(shí)比設(shè)計(jì)水位時(shí)略大，出現(xiàn)在接近齒墻的底板表面，且正向時(shí)偏向下游、方向時(shí)偏向上游；中孔閘底板最大主壓應(yīng)力的分布規(guī)律與邊孔基本一致，最大值為校核正向時(shí)的0.67MPa；胸墻在正向工況時(shí)的最大主壓應(yīng)力最大，為0.87MPa，校核水位時(shí)比設(shè)計(jì)水位時(shí)略大，出現(xiàn)在閘墩與胸墻的連接部位；在校核正向工況下，排架的最大主壓應(yīng)力最大為0.5MPa，出現(xiàn)在邊墩頂部與排架接觸部位且偏向上游側(cè)。

圖6 閘室結(jié)構(gòu)部件各工況下的最大主應(yīng)力

表4 閘室結(jié)構(gòu)部件各工況下的最大主應(yīng)力 單位：MPa

最大主拉應(yīng)力：邊墩的最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在邊墩中齒坎上游側(cè)基礎(chǔ)底層，為校核正向時(shí)的0.77MPa；中墩的則出現(xiàn)在中齒坎與中墩基礎(chǔ)連接處附近，最大值也為校核正向時(shí)的0.38MPa；閘底板邊孔的出現(xiàn)在邊墩與底板連接處，最大主拉應(yīng)力同為校核正向時(shí)的0.69MPa；中孔底板的出現(xiàn)在中齒坎和中墩基礎(chǔ)連接處附近，也同為校核正向時(shí)的0.56MPa；胸墻的最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在胸墻底梁的上游側(cè)，為校核正向時(shí)的0.46MPa；排架的出現(xiàn)在邊墩排架頂部與工作橋縱梁連接處附近，同為校核正向時(shí)的0.13MPa；工作橋、交通橋和檢修便橋的最大主拉應(yīng)力分別為校核正向時(shí)的0.46、0.37、0.37MPa。

3 結(jié)論

通過對江蘇某巖基水閘工程采用ABAQUS三維有限元軟件建立數(shù)值模型，并對水閘閘室結(jié)構(gòu)的特征位置及結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)計(jì)正向、設(shè)計(jì)反向、校核正向和校核反向等4種工況下的位移和最大主應(yīng)力進(jìn)行了模擬分析，得到了上述工況下各結(jié)構(gòu)特征位置位移的大小和出現(xiàn)的位置，以及各結(jié)構(gòu)部件最大主應(yīng)力的數(shù)值及出現(xiàn)的部位，為今后巖基上的水閘設(shè)計(jì)提供了有力的依據(jù)。