多線分離式船閘相鄰閘室墻連接方式研究

莫光游，扈世龍，黃 瓊，黎琨之

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙 410008; 2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410076)

0 前言

分離式閘室結(jié)構(gòu)是船閘工程常采用的結(jié)構(gòu)型式，由于其閘墻與底板的聯(lián)系相對(duì)獨(dú)立，結(jié)構(gòu)主要依靠自重維持穩(wěn)定，因此在較大水平力的作用下，結(jié)構(gòu)的抗滑和抗傾穩(wěn)定是設(shè)計(jì)時(shí)控制的關(guān)鍵［1］。隨著我國(guó)內(nèi)河航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，新建或擴(kuò)建與原有船閘相配套的二線或多線船閘已成為一種趨勢(shì)，如京杭運(yùn)河［2］、西江桂平［3］和貴港［4］、湘江株洲航電樞紐和大源渡航電樞紐二線或多線船閘的設(shè)計(jì)和建設(shè)等。然而，對(duì)于采用分離式結(jié)構(gòu)的多線船閘，由于一方面新擴(kuò)建船閘與原有船閘緊鄰布置，另一方面分離式閘室結(jié)構(gòu)整體性較差，因此相鄰閘室墻在施工和運(yùn)行的過(guò)程中相互影響明顯。所以對(duì)多線分離式船閘相鄰閘室墻之間的影響效果進(jìn)行分析，研究合理的處理措施，減小閘室墻相互之間的不利影響，對(duì)保證結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定十分重要。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文依據(jù)長(zhǎng)沙樞紐船閘工程某一典型分離式閘室結(jié)構(gòu)段，采用有限元分析方法，建立二維數(shù)學(xué)模型，探討多線分離式船閘相鄰閘室墻之間采用不同的連接方式時(shí)，閘室墻結(jié)構(gòu)相互影響的變化情況。

1 工程概況

長(zhǎng)沙綜合樞紐位于湘江長(zhǎng)沙段蔡家洲，具有改善環(huán)境、通航、給水、發(fā)電、旅游、灌溉等綜合效益。船閘等級(jí)Ⅲ級(jí)，為雙線單級(jí)船閘，各線船閘緊鄰布置。部分閘室段作用在中風(fēng)化層上，地質(zhì)條件較好，閘室結(jié)構(gòu)均采用分離式結(jié)構(gòu)。其它閘室結(jié)構(gòu)段地基條件復(fù)雜，均采用塢式結(jié)構(gòu)。本文以分離式閘室某一典型結(jié)構(gòu)段為例進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。如圖1所示，該閘室結(jié)構(gòu)段地基地質(zhì)條件較好，主要分布為風(fēng)化程度較弱的中風(fēng)化巖和微風(fēng)化巖;一線與二線船閘之間的閘室墻距離較近，在較不利的工況(完建工況和一線檢修二線正常運(yùn)行工況)下中間閘墻結(jié)構(gòu)相互影響明顯。

完建工況:解閘建設(shè)完成，考慮結(jié)構(gòu)及回填土自重，閘室內(nèi)水壓力作用，不考慮靜水壓力和揚(yáng)壓力的作用。

檢修工況(一線檢修，二線正常運(yùn)行):二線船閘閘室內(nèi)部正常運(yùn)行水位29.7 m;檢修閘室內(nèi)部水位與閘室底板高程8.0 m 一致;一線右側(cè)水位19.03 m;墻后水位為排水管水位26.16 m。浪力在水位基礎(chǔ)上加0.5 m 的水位進(jìn)行考慮;揚(yáng)壓力按照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］中附錄B 的公式計(jì)算。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

本文采用有限元仿真分析方法，綜合考慮地基條件、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、材料非線性和接觸非線性的影響，建立二維數(shù)學(xué)模型，對(duì)雙線分離式閘室相鄰閘墻結(jié)構(gòu)采用不同的連接方式進(jìn)行計(jì)算。

2.1 計(jì)算原理及方法［6］

有限元法作為一種求解偏微分方程的數(shù)值計(jì)算方法，具有通用性和實(shí)用性強(qiáng)、易于推廣應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，已成為工程設(shè)計(jì)和科研領(lǐng)域的一項(xiàng)重要分析技術(shù)手段。本計(jì)算采用應(yīng)用較廣泛的位移有限元法，結(jié)構(gòu)和土體均采用PLANE42 三角形單元，該單元由3 個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有2 個(gè)自由度，即可沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X 和Y 方向平動(dòng)位移。

2D 結(jié)構(gòu)單元形函數(shù):

式中:L1、L2、L3為面積坐標(biāo);u1、u2、v1、v2為內(nèi)部自由度，可提高計(jì)算精度，單相鄰單元之間位移不連續(xù)，即“非協(xié)調(diào)”，在單元計(jì)算階段通過(guò)靜力凝聚消去這些內(nèi)部自由度。

應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系:

式中 {: σ} 為應(yīng)力矩陣 [; D] 為彈性矩陣 {; ξel} 為彈性應(yīng)變列陣，即引起應(yīng)力的應(yīng)變。

為模擬剛體和柔體面面接觸的情況，模型使用Targe169(剛體)和 Canta172(柔體)定義2－D 接觸對(duì)。地基底邊界為固定邊界，左側(cè)和右側(cè)邊界X 方向均被約束，上側(cè)Y 方向自由。材料參數(shù)的選取如表1所示。

表1 地基模型主要物理力學(xué)參數(shù)

2.2 計(jì)算方案擬定

計(jì)算模型如圖1所示，以垂直于水流方向指向一線船閘為X 正向，豎直向上方向?yàn)閅 正向。根據(jù)類似工程的經(jīng)驗(yàn)，地基計(jì)算范圍X 向約取4 倍閘室底輪廓寬度，即200 m，Y 向約取76 m。根據(jù)多線分離式船閘閘室結(jié)構(gòu)相互影響的特點(diǎn)，選取對(duì)中間閘室墻受力較不利的完建和檢修工況(一線檢修，二線正常運(yùn)行)，擬定不同的中間閘室墻間的連接方式如下。

設(shè)計(jì)方案:兩線船閘中間閘室墻分縫連接;

優(yōu)化方案一:兩線船閘中閘室墻混凝土澆筑連接(不分縫)，厚度3 m;

優(yōu)化方案二:兩線船閘中閘室墻混凝土澆筑連接(不分縫)，厚度5 m。

3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果表明，不同的計(jì)算方案之間，閘室結(jié)構(gòu)中間相鄰閘室墻的位移和內(nèi)力分布變幅較大，為突出研究的重點(diǎn)，本文主要對(duì)中間閘墻進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 位移分析

對(duì)于閘室墻位移的分析，一般選取閘室頂部水平位移以及閘室墻前后趾豎向位移作為控制點(diǎn)，中間閘室墻各控制點(diǎn)的位置分布如圖2。表2為各控制點(diǎn)閘室頂部水平位移和前后趾豎向位移對(duì)比值。

圖2 中間閘室墻位移控制點(diǎn)示意圖

船閘結(jié)構(gòu)在完建工況下，由于閘室內(nèi)部無(wú)水壓力作用，閘室位移主要受墻后土壓力影響;在檢修工況(一線檢修、二線正常運(yùn)行)下，二線閘室內(nèi)部有水壓力作用，而一線閘室內(nèi)部無(wú)水壓力作用，中間閘墻受墻后土壓力和水壓力等共同影響，左右側(cè)閘墻受力不對(duì)稱。

從表2分析得:完建工況下，當(dāng)中間閘室墻分縫連接(設(shè)計(jì)方案)時(shí)，閘室墻頂部水平位移值和前后趾豎向位移差值普遍大于閘室墻不分縫連接(優(yōu)化方案)方案的計(jì)算結(jié)果。這是由于設(shè)計(jì)方案中，中間閘墻缺乏聯(lián)系，在墻后土壓力的作用下，閘墻向閘室內(nèi)側(cè)的水平位移大，閘墻前后趾的豎向位移也大;而優(yōu)化方案中，中間閘墻作為一個(gè)整體共同承擔(dān)墻后土壓力的作用，因此閘墻向閘室內(nèi)側(cè)的水平位移和前后趾的豎向位移均較小，同時(shí)連接處混凝土澆筑層越厚，中間閘室墻的整體性越好，閘墻相應(yīng)的位移也越小。檢修工況下，各方案中中間閘室墻結(jié)構(gòu)的位移變化規(guī)律與完建工況下的情況相似。另外，該工況下二線船閘正常運(yùn)行，閘室內(nèi)的水壓力抵消了一部分墻后土壓力的作用，而一線船閘由于檢修沒(méi)有水壓力產(chǎn)生的抵消力，因此水平位移值左側(cè)閘墻B 處明顯小于右側(cè)閘墻C 處，差幅約為50%，閘墻前后趾豎向位移的差值左側(cè)也小于右側(cè)，差幅約為30%。

表2 中間閘室墻控制點(diǎn)位移值 mm

3.2 地基反力分析

圖3為完建工況下中間閘室墻采用分縫連接(設(shè)計(jì)方案)和不分縫連接(優(yōu)化方案)時(shí)閘室墻下方地基反力分布對(duì)比圖;圖4為檢修工況(一線檢修二線運(yùn)行)下中間閘室墻連接處不同混凝土厚度方案中閘室墻下方地基反力分布對(duì)比圖。

圖3 完建工況下地基反力對(duì)比圖

從圖3分析得:設(shè)計(jì)方案中，中間左側(cè)閘室墻前后趾的地基反力值為0.762 MPa、0 MPa;中間右側(cè)閘室墻前后趾的地基反力值為0.804 MPa、0 MPa。這是由于中間閘室墻頂部的水平位移和前后墻趾的豎向位移差值均較大，因此中間閘墻后趾附近存在地基反力值為零的區(qū)域，結(jié)構(gòu)與地基有脫離的現(xiàn)象，此現(xiàn)象可能會(huì)使閘墻產(chǎn)生傾覆破壞，在工程中不允許出現(xiàn)。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中，中間左側(cè)閘室墻前后趾的地基反力值為0.573 MPa、0.143 MPa;中間右側(cè)閘室墻前后趾的地基反力值為0.695 MPa、0.143 MPa。由于中間閘室墻連接處設(shè)置混凝土澆筑層，閘墻位移相對(duì)減小，底部的地基反力值均為正值，底部和地基不發(fā)生分離，各閘室墻地基反力最小值與最大值的比值大于1∶5，滿足規(guī)范要求［7］。地基反力值最大值為0.695 MPa，小于地基承載力。

圖4 檢修工況下地基反力對(duì)比圖

從圖4分析得:優(yōu)化方案一中，中間左側(cè)閘室墻前后趾的地基反力值為0.702 MPa、0 MPa;中間右側(cè)閘室墻前后趾的地基反力值為0.815 MPa、0 MPa，說(shuō)明該工況下結(jié)構(gòu)與地基也發(fā)生了脫離現(xiàn)象。這是由于一方面二線船閘正常運(yùn)行，右側(cè)閘墻向閘室內(nèi)的位移較小，而一線船閘處于檢修狀態(tài)，左側(cè)閘墻向閘室內(nèi)的位移相對(duì)較大，因此墻后回填土體主要向中間右側(cè)閘室墻內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)，增大了對(duì)該閘墻的土壓力作用;另一方面，中間閘室墻連接處混凝土的厚度不足以抵抗墻后土壓力對(duì)閘墻產(chǎn)生的傾覆影響，從而還是存在地基反力為零的區(qū)域。優(yōu)化方案二中，由于增大了中間閘室墻連接處混凝土的厚度，因此受墻后土壓力的作用，中間閘墻的整體性加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)位移相應(yīng)減少，從而地基反力均為正值，地基與結(jié)構(gòu)不發(fā)生脫離。地基反力最值的比值滿足規(guī)范要求，船閘地基反力最大值為0.722 MPa，小于地基承載力。

3.3 應(yīng)力分析

圖5為完建工況下中間閘室墻分縫連接(設(shè)計(jì)方案)和不分縫連接(優(yōu)化方案一)時(shí)其內(nèi)力分布對(duì)比圖;圖6為檢修工況(一線檢修二線運(yùn)行)下中間閘室墻連接處不同混凝土厚度時(shí)其內(nèi)力分布對(duì)比圖。如圖所示，分別選取中間閘室墻連接處的上表面(A)和中部的折線頂點(diǎn)(B、C)作為不利拉應(yīng)力控制點(diǎn)。

圖5 完建工況下中間閘室墻內(nèi)力分布對(duì)比圖

從圖5分析得:設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化方案一相比，A處前者表現(xiàn)為壓應(yīng)力，后者表現(xiàn)為較大的拉應(yīng)力;而B 和C 處前者的拉應(yīng)力值均大于后者。這是由于設(shè)計(jì)方案中，中間閘室墻分縫連接，閘墻位移較大，同時(shí)中間閘室墻之間無(wú)聯(lián)系，因此連接處上表面A 主要承受豎向土壓力的擠壓作用，表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，而閘墻中部的折線頂點(diǎn)B 和C 受結(jié)構(gòu)較大水平位移的影響，表現(xiàn)為受拉狀態(tài)，拉應(yīng)力較大。優(yōu)化方案一中，中間閘室墻不分縫連接，結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體左右閘室墻分別承受方向相反的墻后土壓力作用，因此連接處的上表面受拉現(xiàn)象明顯，拉力值較大，而同時(shí)由于閘墻水平位移也隨之減小，B 和C 處的拉應(yīng)力也隨之減小。

圖6 檢修工況下中間閘室墻內(nèi)力分布對(duì)比圖

從圖6分析得:優(yōu)化方案一中，中間左側(cè)閘墻由于受水壓力和土壓力共同作用，結(jié)構(gòu)水平位移相對(duì)較小，閘墻B 處表現(xiàn)為壓應(yīng)力，而右側(cè)閘墻由于不受水壓力的作用，結(jié)構(gòu)水平位移相對(duì)較大，閘墻C處表現(xiàn)為拉應(yīng)力。優(yōu)化方案二中，由于中間閘墻連接處混凝土較厚，閘墻結(jié)構(gòu)的整體性相對(duì)更強(qiáng)，結(jié)構(gòu)水平進(jìn)一步減小，因此連接處上表面的受拉現(xiàn)象更為明顯，從而 A 處的拉應(yīng)力相對(duì)較大，B 處的壓應(yīng)力相對(duì)較大，C 處的拉應(yīng)力相對(duì)較小。

4 結(jié)論與建議

1)雙線分離式船閘相鄰的中間閘室墻當(dāng)采用分縫連接時(shí)，閘墻在外力的作用下，位移較大，結(jié)構(gòu)與地基有分離的現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)有傾覆的危險(xiǎn);當(dāng)采用不分縫(混凝土澆筑)連接時(shí)，中間閘墻結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體，共同承受外力的作用，閘墻位移相對(duì)較小，能有效降低結(jié)構(gòu)傾覆的危險(xiǎn)，且隨著連接處混凝土澆筑厚度的增大，閘墻整體承受外力作用的效果更佳。

2)中間閘室墻的內(nèi)力分布，與結(jié)構(gòu)的位移變形聯(lián)系密切。結(jié)構(gòu)位移越大，閘墻背部外表面拉應(yīng)力區(qū)的范圍和拉力值越大。閘墻不分縫連接時(shí)，連接處混凝土的上表面會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力集中的現(xiàn)象，且隨著混凝土澆筑厚度的增加，拉應(yīng)力集中現(xiàn)象更明顯。

3)連接處混凝土澆筑層的厚度越大，不利工況下地基與閘墻結(jié)構(gòu)發(fā)生脫離的機(jī)率越小，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全有利，而同時(shí)澆筑層上表面的拉應(yīng)力會(huì)隨之增大，甚至可能會(huì)超出混凝土材料的抗拉強(qiáng)度，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全不利。因此，建議在多線分離式船閘的設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)綜合考慮這兩者的綜合影響效果，選擇合適的混凝土連接厚度，同時(shí)對(duì)于部分不滿足混凝土抗拉要求的區(qū)域，可進(jìn)行相應(yīng)的配筋處理。本文優(yōu)化方案二連接處混凝土厚度為5 m，計(jì)算表明地基反力沒(méi)出現(xiàn)零值，各處內(nèi)力的分布滿足混凝土抗拉要求，說(shuō)明此方案是可行的。

4)本文的研究成果對(duì)多線分離式船閘結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，尤其是其相鄰閘室墻間連接方式的選擇，提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

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