反拱底板式水閘地基變形模量敏感性分析

肖榮平，葛卉犇，田鶴暉

(1.江蘇淮陰水利建設(shè)有限公司，江蘇 淮安 223000;2.江蘇淮源工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，江蘇 淮安 223000)

1 概述

受服役環(huán)境的影響，不同地基變形模量對水閘底板的應(yīng)力、豎向位移均可能產(chǎn)生較大影響[1-3]，反拱底板主要是利用拱內(nèi)軸向力以及混凝土的抗壓性[4-6]，由于反拱水閘底板是超靜定結(jié)構(gòu)[7-8]，若受到溫度等因素的影響或拱座出現(xiàn)毫米級的沉降差[9]，則拱內(nèi)可能產(chǎn)生較大內(nèi)力，內(nèi)力會使混凝土底板出現(xiàn)拉力而產(chǎn)生裂縫，甚至破壞底板[10-11]。因此，有必要對閘室結(jié)構(gòu)的反拱底板式水閘地基變形模量進(jìn)行敏感性分析，以便指導(dǎo)工程的設(shè)計、施工和安全運行。

某水閘閘室為對稱結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土材料，閘身結(jié)構(gòu)主要為閘墩與反拱式底板，底板與岸墻連成整體，水閘結(jié)構(gòu)為7孔閘，閘總寬度45.5m，每孔凈寬5.5m，水閘中墩寬1.0m，邊墩寬0.8m，墩中心間距6.5m，墩底板寬2.0m，拱底板寬4.5m。為得到地基變形模量對該反拱底板式水閘應(yīng)力應(yīng)變的影響，在對水閘閘室結(jié)構(gòu)有限元分析方法研究的基礎(chǔ)上，借助數(shù)值仿真分析手段，計算了正常服役工況下2種施加方法對水閘反拱底板結(jié)構(gòu)特性影響，重點分析了反拱底板式水閘地基變形模量敏感性。通過對其結(jié)果的剖析，提出了一些應(yīng)對措施。

2 計算模型

為便于計算，計算時取該對稱結(jié)構(gòu)水閘的一半進(jìn)行建模計算，模型充分考慮了底板、閘墩、胸墻、工作橋、檢修便橋以及岸墻等主要結(jié)構(gòu)。水閘整體三維有限元模型如圖1所示。

模型計算坐標(biāo)：X軸為順河向方向；Y軸為橫河向方向，Z軸為豎向?；A(chǔ)計算范圍：順河向河流上、下游各取2倍閘寬，橫河向從左岸墻向一側(cè)取2.0倍閘室寬度，沿建基面向下取2.0倍閘寬。

邊界條件：基礎(chǔ)側(cè)面施加法向鏈桿約束，底面全約束，即6個自由度均設(shè)為零。底板與地基間接觸方式為“面面接觸”，滑移采用小滑移選項，底板接觸部位為主表面，接觸部位為從表面，摩擦系數(shù)取0.3。

網(wǎng)格剖分：由于模型較大，計算時采用前處理軟件對該水閘進(jìn)行網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格為六面體單元和少量五面體等參單元，計算時對重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了網(wǎng)格加密。模型離散為18.7萬個單元，21.4萬個節(jié)點。

計算荷載：閘室自重、靜水壓力、浮托力、滲透壓力、側(cè)向土壓力、閘室上部簡化計算荷載及地震工況下的動荷載。閘室上部簡化計算荷載如圖2所示。

圖1 水閘整體三維有限元模型

圖2 閘室上部簡化計算荷載

施加方法與計算參數(shù)：為得到地基變形模量對反拱底板式水閘應(yīng)力、位移的影響。正常蓄水位下服役工況下，荷載施加時采用“一次”與“仿真施工過程”兩種施加方法。其中，“一次”施加方法未考慮施工過程，一次性將荷載全部施加到水閘結(jié)構(gòu)上；“仿真施工過程”施加方法是通過施加初始應(yīng)力與采用殺死單元功能共同實現(xiàn)對該水閘施工過程的模擬。水閘計算模型材料參數(shù)見表1。

表1 水閘計算模型材料參數(shù)

3 計算結(jié)果與敏感性分析

3.1 模型計算結(jié)果分析

由計算可得，水閘橫河向位移總體上處于向河側(cè)傾斜的趨勢，順河向位移微傾上游，“一次”施加方法主拉應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在邊墩與胸墻底梁交接處，其值為12.461MPa。底板主拉應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在邊墩下游底板與基座下表面交接處，其值為4.616MPa?！耙淮巍笔┘臃椒ńY(jié)果位移值偏大，這可能是因為在計算時未考慮初始位移對水閘結(jié)構(gòu)的影響?？紤]到水閘服役多年，位移沉降已趨于穩(wěn)定，“仿真施工過程”施加方法結(jié)果位移值較客觀，采用“仿真施工過程”施加方法時，計算所得同一位置主拉應(yīng)力的最大值分別為0.426、2.340MPa。此外，支座變形對胸墻應(yīng)力影響較大，固結(jié)式胸墻位移值偏大，表征其受不均勻沉降影響較大；胸墻與閘墩交接處位移值偏大，可能產(chǎn)生裂縫。

2種施加方法下，水閘總體上處于受壓狀態(tài)，底板與邊墩基座交接下表面均產(chǎn)生了較大主拉應(yīng)力集中區(qū)，表明這兩處均屬于薄弱區(qū)域，應(yīng)重點關(guān)注。當(dāng)邊孔與大體積岸墻直接相連時，對邊孔反拱底板的拱腳處，建議適當(dāng)增加配鋼筋量，以作局部加強。

條件較差地基的水閘有限元計算應(yīng)盡可能仿真真實的初始位移情況，建議采用“模擬施工過程”的施加方法。

3.2 敏感性分析

為得到取值不同地基變形模量對反拱底板式水閘應(yīng)力產(chǎn)生的影響，計算時取原地基彈性模量的0.5、1、1.5、2、2.5、3倍進(jìn)行計算，則取值分別為21.30、42.60、63.90、85.20、106.50、127.80MPa。計算所得2種施加方法下地基彈性模量與主拉應(yīng)力最大值、岸墻與閘室最大位移差值關(guān)系如圖3—6所示。

圖3 “一次”彈性模量與主拉應(yīng)力關(guān)系

圖4“一次”彈性模量與結(jié)構(gòu)豎向位移關(guān)系

圖5 “仿施”彈性模量與主拉應(yīng)力關(guān)系

圖6 “仿施”彈性模量與結(jié)構(gòu)豎向位移關(guān)系

由圖3—6可得，隨著上述地基彈性模量取值的增加，服役工況下“一次”“仿施”2種施加方法計算所得胸墻底梁與邊墩交接處、底板與邊墩基座交接處下表面、2#孔(從左向右第2個孔)上游連接坎中部3處主拉應(yīng)力最大值均呈逐漸減小趨勢；閘室與地基豎向最大位移差值均呈減小趨勢。因此，可知地基變形與彈性模量之間具有較強的相關(guān)性，地基的不均勻沉降問題在反拱底板式水閘結(jié)構(gòu)中更為突出，反拱底板式水閘宜修建于條件較好的地基之上。

對于地質(zhì)條件較差的地基處理建議：①可通過打樁、灌漿等提高地基的承載力的工程措施，例如：在岸墻下適當(dāng)加設(shè)短樁等。②設(shè)計時優(yōu)化底板結(jié)構(gòu)以減少不均勻沉降在水閘反拱底板產(chǎn)生的內(nèi)力，例如：分縫邊墩與岸墻用縫分隔。③施工時以閘室為中心，嚴(yán)格按照水閘混凝土工程施工原則進(jìn)行施工，尤其是先重后輕原則，例如：讓重的結(jié)構(gòu)先沉降，先澆筑閘墩后澆筑反拱；先澆岸墻后澆筑反拱底板等。④預(yù)留足夠時間使其沉降穩(wěn)定，例如：推遲岸墻與反拱底板預(yù)留縫的填筑時間。

4 結(jié)論

(1)底板與邊墩基座交接下表面處均屬于薄弱區(qū)域，應(yīng)重點關(guān)注。當(dāng)邊孔與大體積岸墻直接相連時，對邊孔反拱底板的拱腳處，建議適當(dāng)增加配鋼筋量，以作局部加強。

(2)對于條件較差地基的水閘有限元計算應(yīng)盡可能仿真真實的初始位移情況，建議采用“模擬施工過程”的施加方法。

(3)地基變形與彈性模量間具有較強的相關(guān)性，地基變形在反拱底板式水閘結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)更為突出，反拱底板式水閘宜修建于條件較好的地基之上。

(4)通過對反拱底板式水閘地基變形模量敏感性的剖析，對于地質(zhì)條件較差的地基上擬建反拱底板式水閘提出了一些應(yīng)對措施。