田間裝配式涵閘洞首結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性分析

楊明會(huì)

(朝陽(yáng)市喀左縣水利局，遼寧 喀左縣 122300)

2011年，揚(yáng)州大學(xué)針對(duì)我國(guó)灌區(qū)的實(shí)際需求，研究開(kāi)發(fā)了一種新型裝配式田間涵閘，這種涵閘具有設(shè)計(jì)方便、構(gòu)件定型化以及便于施工等諸多優(yōu)點(diǎn)。揚(yáng)州大學(xué)的設(shè)計(jì)專(zhuān)利僅從外觀(guān)、構(gòu)件型式、擋土墻與底板承插方式等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)定，并未就涵閘洞首插槽式擋土墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析。因此，為了促進(jìn)該專(zhuān)利迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，本次研究擬就田間涵閘洞首進(jìn)行受力特征進(jìn)行有限元模擬分析，以確定設(shè)計(jì)本身能否滿(mǎn)足使用要求。

1 工程概況

遼寧省喀喇沁左翼蒙古族自治縣(以下簡(jiǎn)稱(chēng)喀左縣)隸屬于遼寧省朝陽(yáng)市，位于北緯40°47′12″～41°33′53″，東經(jīng)119°24′54″～120°23′24″之間，地處遼寧省西部朝陽(yáng)市南部、大凌河上游的丘陵地區(qū)[1]?？ψ罂h位于水資源嚴(yán)重不足的遼西半干旱地區(qū)，灌區(qū)灌溉管理就顯得尤為重要[2]?？ψ罂h境內(nèi)有大小河流百余條，主干河為大凌河，從建昌縣流入，自南向北注入朝陽(yáng)縣，蜿蜒境內(nèi)78.55km，主要支流有榆河、蒿桑河、滲津河、牤牛河、芍藥河[3]。得益于地表水方面得天獨(dú)厚的條件，建國(guó)之初到20世紀(jì)末期，喀左縣進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的灌區(qū)建設(shè)，目前，仍在運(yùn)行的大小灌區(qū)有13個(gè)，為促進(jìn)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)民增收起到了重要作用。

為了進(jìn)一步提高灌區(qū)的農(nóng)田灌溉技術(shù)水平，喀左縣自2016年開(kāi)始，投入專(zhuān)項(xiàng)資金加大灌區(qū)技術(shù)改造工作。在這一背景下，平房子灌區(qū)擬在斗渠建設(shè)田間裝配式涵閘，結(jié)合揚(yáng)州大學(xué)的專(zhuān)利設(shè)計(jì)和工程實(shí)際，設(shè)計(jì)出如圖1所示的涵閘洞首結(jié)構(gòu)。該型涵閘的首孔直徑為80cm，設(shè)計(jì)流量為0.5m3/s。洞首的擋土墻最大高度為1.50m，長(zhǎng)度為1.60m，擋土墻的插槽長(zhǎng)為0.80m，寬度為0.20m，底板厚度為0.20m，墻后的回填土為無(wú)黏性粉質(zhì)土。擋土墻采用C25號(hào)混凝土預(yù)制，然后運(yùn)抵工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝，擋土墻插入底板的深度暫定為12cm。涵閘設(shè)計(jì)時(shí)的校核水位為閘前1.00m，閘下0.90m，并將該水位作為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的設(shè)計(jì)水位。

圖1 田間涵閘洞首結(jié)構(gòu)示意圖

2 有限元模型的構(gòu)建

在本次研究中，根據(jù)裝配式小型水工建筑物的通用結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以直徑80cm田間裝配式涵洞的洞首為例，采用三維有限元軟件ABAQUS以完工無(wú)水和校核水位運(yùn)行兩種不同的工況，對(duì)上述涵閘洞首的整體強(qiáng)度進(jìn)行模擬計(jì)算，同時(shí)利用該軟件對(duì)地基的豎向和橫向位移進(jìn)行復(fù)核，以判斷上述設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足工程要求[4]。

2.1 模型的構(gòu)建

考慮到涵閘地基尺寸的范圍特點(diǎn)，在模型構(gòu)建中采取全約束[5]。模型的坐標(biāo)系按下述要求選?。喉?biāo)赶蛳掠蔚姆较驗(yàn)閤軸正方向；垂直水流指向左方的方向?yàn)閥軸的正方向；垂直指向上方的方向?yàn)閦軸的正方向。在模型范圍確定之后，按照有限元軟件的要求，對(duì)洞首結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分，同時(shí)在洞口、擋板和底板部位進(jìn)行適當(dāng)加密，最終獲得6872個(gè)計(jì)算單元，9813個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，計(jì)算模型圖如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型示意圖

2.2 材料的性質(zhì)和力學(xué)參數(shù)

本次灌區(qū)技術(shù)改造中的涵閘建設(shè)采用的建筑材料是C25號(hào)混凝土，其材料的性質(zhì)和力學(xué)參數(shù)的取值見(jiàn)表1。

表1 材料計(jì)算參數(shù)表

2.3 基本荷載

本次研究分為完工無(wú)水期和正常運(yùn)行期兩種基本工況。完工無(wú)水期的基本荷載包括固定荷載以及回填土荷載。其中，固定荷載主要是涵閘的結(jié)構(gòu)自重，回填土荷載則依據(jù)DL 5077—1997《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》確定，擋土墻和翼墻之后的水平土壓力則按照主動(dòng)壓力以及垂直土自重進(jìn)行計(jì)算[6]。

在正常運(yùn)行工況下的固定荷載主要是結(jié)構(gòu)自重；水平水壓力、水重以及揚(yáng)壓力；擋土墻和翼墻之后的水平土壓力則按照主動(dòng)壓力以及垂直土自重進(jìn)行計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果分析

按照上述構(gòu)建的基于A(yíng)BAQUS三維有限元模型，對(duì)涵閘洞首在完工無(wú)水和正常運(yùn)行兩種不同工況下進(jìn)行有限元計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)在各荷載綜合作用下的位移和應(yīng)力，并據(jù)此判斷洞首的穩(wěn)定和強(qiáng)度安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

3.1 位移分析

對(duì)模型各節(jié)點(diǎn)的水平和豎向位移進(jìn)行計(jì)算，得到如圖3—6所示的整體結(jié)構(gòu)位移云圖。對(duì)兩種不同工況下的洞首豎向和水平位移最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2—3。

圖3 完工無(wú)水工況下水平位移云圖

圖4 正常運(yùn)行工況下水平位移云圖

圖5 完工無(wú)水工況下豎向位移云圖

圖6 正常運(yùn)行工況下豎向位移云圖

表3 洞首水平位移計(jì)算結(jié)果 單位：mm

由位移云圖和表中的數(shù)據(jù)可知，在完工無(wú)水工況下，豎向位移的最大值出現(xiàn)在底板的上游部位，并且整個(gè)洞首結(jié)構(gòu)都發(fā)生豎向位移，也就是下沉，最大沉降量為2.65mm，最小沉降量則出現(xiàn)在底板的下游端，最小沉降量為1.63mm，沉降差為1.02mm。在正常使用工況下，豎向位移的最大值出現(xiàn)在底板的上游部位，并且整個(gè)洞首結(jié)構(gòu)都發(fā)生豎向位移，也就是下沉，最大沉降量為2.81mm，最小沉降量則出現(xiàn)在底板的下游端，最小沉降量為1.72mm，沉降差為1.09mm。根據(jù)SL 265—2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求，水閘地基的沉降量不宜超過(guò)150mm，最大沉降差不宜超過(guò)50mm[7]。由此可見(jiàn)，地基沉降滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

在完工無(wú)水工況下，涵閘洞首結(jié)構(gòu)的水平位移量較小，最大值為0.82mm，并且位移方向均為上游向下游位移；在正常運(yùn)行工況下，涵閘洞首結(jié)構(gòu)的水平位移量較小，最大值為0.57mm，并且位移方向均為上游向下游位移。由此可見(jiàn)，涵閘洞首的結(jié)構(gòu)水平位移較小，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

利用構(gòu)建的模型，對(duì)涵閘洞首整體結(jié)構(gòu)在完工無(wú)水和正常運(yùn)行兩種不同工況下的最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力值進(jìn)行計(jì)算，得到如圖7—10所示的應(yīng)力云圖，兩種不同工況下，底板、擋土墻和翼墻等不同部位的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算成果見(jiàn)表4。

圖7 完工無(wú)水工況下最大主拉應(yīng)力云圖

圖8 完工無(wú)水工況下最大主壓應(yīng)力云圖

表4不同部位的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算成果單位：MPa

圖9 正常使用工況下最大主拉應(yīng)力云圖

圖10 正常使用工況下最大主壓應(yīng)力云圖

結(jié)合應(yīng)力云圖和表4中的計(jì)算結(jié)果可知，在完工無(wú)水工況下，涵閘洞首底板的最大主拉應(yīng)力最大值為0.225MPa，主要分布于底板上游段中部的面層；最大主壓應(yīng)力的最大值為0.354MPa，仍主要分布于底板上游段中部的面層。擋土墻的最大主拉應(yīng)力最大值為0.058MPa，主要分布于擋土墻的底部；最大主壓應(yīng)力的最大值為0.127MPa，仍主要分布于擋土墻的底部。翼墻的最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力值分別是0.417MPa和0.511MPa，均主要分布于翼墻和底板的連接處。

在完工無(wú)水工況下，涵閘洞首底板的最大主拉應(yīng)力最大值為0.228MPa，主要分布于底板上游段中部的面層；最大主壓應(yīng)力的最大值為0.357MPa，仍主要分布于底板上游段中部的面層。擋土墻的最大主拉應(yīng)力最大值為0.052MPa，主要分布于擋土墻的底部；最大主壓應(yīng)力的最大值為0.109MPa，仍主要分布于擋土墻的底部。翼墻的最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力值分別是0.416MPa和0.508MPa，均主要分布于翼墻和底板的連接處。

根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，C25號(hào)混凝土的拉應(yīng)力容許值為0.57MPa，壓應(yīng)力容許值為8.33MPa[8]。結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果，涵閘洞首各個(gè)部位的最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力值均為超過(guò)上述限制，因此，在完工無(wú)水和正常運(yùn)行兩種工況下，涵閘洞首的底板、翼墻和擋土墻混凝土承受的抗拉和抗壓強(qiáng)度均滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本次研究以遼寧省喀左縣平房子灌區(qū)田間涵閘為例，利用ABAQUS三維有限元模型對(duì)田間裝配式涵閘洞首結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性展開(kāi)研究，結(jié)論顯示，在完工無(wú)水和正常運(yùn)行兩種不同工況下，涵閘洞首結(jié)構(gòu)的豎向位移和水平位移量較小，涵閘洞首的底板、翼墻和擋土墻混凝土承受的抗拉和抗壓強(qiáng)度均滿(mǎn)足要求。工程完工后一年的運(yùn)行實(shí)踐也證明，田間涵閘渠首結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。