高陂水利樞紐船閘閘室應(yīng)力特性分析

張亞彬

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635)

1 研究現(xiàn)狀

船閘閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有解析法和有限元方法，解析法因方法簡(jiǎn)單在大部分整體式閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算中占主要地位。解析法以平面應(yīng)變問(wèn)題計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，對(duì)于閘墻按固定于底板上的懸臂梁計(jì)算，對(duì)于底板簡(jiǎn)化為地基梁進(jìn)行計(jì)算[1]。在解析法的計(jì)算過(guò)程中，簡(jiǎn)化了閘室結(jié)構(gòu)與巖基間的共同作用，且結(jié)構(gòu)均處于平面體系中，對(duì)于厚度較薄且布置有輸水廊道和出水口的閘室底板，解析法無(wú)法考慮其三維受力特性，不符合閘室實(shí)際的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)[2]。

有限元法將閘室結(jié)構(gòu)和地基連在一起，組成結(jié)構(gòu)與巖體共同作用的有限元模型。作用于閘室上的荷載先劃分到單元重心，然后按照虛功相等原理轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)荷載，將單元?jiǎng)偠染仃嚱M集為閘室的整體剛度矩陣，單元荷載矩陣組集為閘室的整體節(jié)點(diǎn)荷載列陣，考慮位移邊界的約束條件后，求解閘室的整體平衡方程。有限元法可以反映各部分的共同作用和相互影響，可以求解船閘結(jié)構(gòu)的靜力平衡問(wèn)題，也可以考慮結(jié)構(gòu)的不規(guī)則外形和復(fù)雜荷載的影響，能夠更真實(shí)反映閘室的受力特性[2]。

2 工程概況

韓江高陂水利樞紐工程位于廣東省梅州市大埔縣高陂鎮(zhèn)上游約5 km處，是以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電和航運(yùn)等綜合利用的大型水利工程。工程船閘閘室為3級(jí)建筑物。船閘運(yùn)用情況按上游最高通航水位38.9 m，下游最低通航水位24.00 m考慮[3]。

船閘閘室尺寸為200 m×18 m(長(zhǎng)×寬)，口門(mén)寬為 16 m，閘室底板高程為19.35 m，閘室底板內(nèi)設(shè)10 m×3 m(寬×高)輸水廊道，廊道中間設(shè)置一道3.2 m×0.8 m(長(zhǎng)×寬)導(dǎo)流墩。閘室墻頂高程為41.4 m。閘室設(shè)有橫向結(jié)構(gòu)縫，間距為20 m[4]。閘室結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 船閘閘室結(jié)構(gòu)剖面示意(單位：高程m,尺寸mm)

3 有限元計(jì)算成果

計(jì)算程序采用有限元分析軟件Ansys。有限元模型采用solid95單元，劃分六面體計(jì)算網(wǎng)格[5]。主要研究船閘閘室運(yùn)行條件下遭遇地震，在自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、土壓力及地震作用下的應(yīng)力分布情況[6]。

船閘閘室在進(jìn)行有限元分析時(shí)，選取一個(gè)結(jié)構(gòu)分段20 m，考慮地基作用，建立有限元模型。模型底端約束X、Y、Z方向的位移，基巖側(cè)面約束法向位移，根據(jù)止水銅片位置和填土情況施加自重、揚(yáng)壓力、靜水壓力、土壓力和地震作用力等。

有限元模型整體坐標(biāo)系規(guī)定如下：閘室軸線方向?yàn)閄方向，垂直閘室軸線為Y方向，豎直為Z方向[7]。閘室有限元模型見(jiàn)圖2。模型計(jì)算信息見(jiàn)表1。

圖2 閘室有限元模型示意

表1 上閘首有限元模型信息

3.1 計(jì)算工況及計(jì)算參數(shù)

考慮在校核洪水和運(yùn)行情況下，均非閘室最危險(xiǎn)工況，故本文以地震工況分析船閘閘室應(yīng)力分布規(guī)律。船閘地震工況：水位組合按上游最高通航水位 38.9 m，下游最低通航水位24.00 m考慮[3]。

船閘結(jié)構(gòu)和地基結(jié)構(gòu)均采用線彈性材料，材料計(jì)算參數(shù)根據(jù)規(guī)范和工程實(shí)際情況選取?；炷敛牧稀⒌鼗按l周?chē)钔羺?shù)見(jiàn)表2～3。

表2 材料計(jì)算參數(shù)

表3 回填土計(jì)算參數(shù)

3.2 計(jì)算成果及分析

船閘運(yùn)行期遭遇地震，閘室內(nèi)高水位工況時(shí)，閘室底板、閘室邊墻內(nèi)側(cè)和輸水廊道內(nèi)壁的荷載為高水頭產(chǎn)生的靜水壓力及地震動(dòng)水壓力，閘室邊墻外側(cè)承受低水頭產(chǎn)生的靜水壓力及地震動(dòng)水壓力。在這些荷載共同作用下，閘室第一主應(yīng)力云圖示意見(jiàn)圖3。按照?qǐng)D4所示截取剖面，分析第一主應(yīng)力(拉應(yīng)力)在閘室橫斷面上的分布情況，第一主應(yīng)力等值線示意見(jiàn)圖5～6。

圖3 閘室第一主應(yīng)力云示意

圖4 剖面截取位置示意

圖5 閘室1-1剖面第一主應(yīng)力云示意

圖6 閘室2-2剖面第一主應(yīng)力云示意

根據(jù)圖5～6所示，閘室橫斷面主拉應(yīng)力對(duì)稱(chēng)分布，最大主拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在輸水廊道上部及邊墻內(nèi)側(cè)邊角處，呈U型分布。在閘室內(nèi)外水位差作用下，閘室邊墻內(nèi)側(cè)底部為負(fù)彎矩，拉應(yīng)力較大，約為3.45 MPa。此處拉應(yīng)力數(shù)值沿閘室軸線方向分布均勻，兩端與中間相差僅約0.2 MPa。

輸水廊道在充水壓力作用下，拉應(yīng)力主要分布在輸水廊道上方，主拉應(yīng)力在1-1斷面和2-2斷面上的分布差異較大。在1-1斷面上，由于結(jié)構(gòu)縫處閘室處于無(wú)約束狀態(tài)，且布置有止水銅片，靠近結(jié)構(gòu)縫處閘室上部底板在X方向存在水位差，上部底板拉應(yīng)力主要由X方向荷載產(chǎn)生。在2-2斷面上，各方向荷載均為擠壓作用，僅導(dǎo)流墩由于充水壓力在連接處受拉。在1-1斷面上，導(dǎo)流墩與上部底板連接處、充水廊道折角上方拉應(yīng)力較大，分別為4.3 MPa和3.2 MPa；在2-2斷面上，拉應(yīng)力較小，約1.0 MPa左右。此外在閘室輸水廊道下部折角處，出現(xiàn)局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但拉應(yīng)力數(shù)值較小，約為1.3 MPa。

通過(guò)分析，閘室底板較薄，輸水廊道尺寸較大，輸水廊道上部區(qū)域與閘室邊墻內(nèi)角連通形成較大范圍的拉應(yīng)力區(qū)。由于輸水廊道采用分散式出口，在靠近結(jié)構(gòu)縫周?chē)l室底板沿水流方向和垂直水流方向均存在水位差，局部拉應(yīng)力較大。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)以上區(qū)域加強(qiáng)配筋，以防止混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

整體式閘室底板與邊墻剛性連接，對(duì)閘室底板受力產(chǎn)生不利影響，底板內(nèi)將產(chǎn)生附加應(yīng)力，底板上部區(qū)域易于邊墻內(nèi)角產(chǎn)生連通的拉應(yīng)力區(qū)域。布置輸水廊道后，不僅削弱混凝土受力，且由于水壓作用，拉應(yīng)力范圍和數(shù)值均將變大，因此，不宜布置較大尺寸的輸水廊道或者在輸水廊道周?chē)伴l室邊墻折角加強(qiáng)配筋，以保證結(jié)構(gòu)安全。輸水廊道出水口與結(jié)構(gòu)縫之間不宜距離過(guò)近，避免沿水流方向的水位差使底板產(chǎn)生拉應(yīng)力。

布置輸水廊道后，船閘閘室三維特性明顯，應(yīng)用三維有限元法對(duì)多方向、多種類(lèi)荷載作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力反應(yīng)進(jìn)行分析十分必要。