水閘安全評價中閘室的三維有限元復核分析

郭樹華，王江

（上海勘測設計研究院有限公司，上海200050）

1 引言

水閘安全評價是對水閘結構安全檢查并進行安全類別評價，是水閘工程進行維修、改建的決策依據(jù)[1]。相對于新建水閘的工程設計，水閘安全評價工作針對性更強、目的更明確、研究深度更深、精度要求更高[2]。同時還是一個系統(tǒng)過程，里面涉及面廣，內容比較復雜，包括土建、金結、量測、電氣、機械設備等。在安全評價中，復核計算分析是必不可少的步驟，通過復核計算分析可知水閘防洪標準、抗震安全、金屬結構安全性，并給出安全復核評價級別[3]。本文采用數(shù)值模擬方法對水閘閘室結構應力進行復核分析，為水閘安全評價復核計算提供新的方法。

2 工程概況及理論分析

2.1 工程概況

川東港閘下移工程于2010年1月開工建設，2010年10月完成水下工程驗收，2013年2月完成土建施工及安裝工程驗收工程。該閘在發(fā)揮擋潮、防洪、排澇、蓄淡灌溉等方面發(fā)揮了巨大效益，為沿海大開發(fā)、服務地方經濟發(fā)展提供重要保障。

川東閘閘身總凈寬100m，每孔凈寬10m，共10孔。通航孔單獨一聯(lián)，呈“U”字形結構布置于左岸，泄洪孔每兩孔一聯(lián)，每聯(lián)呈“山”字形結構，剩余一孔泄洪孔單獨一聯(lián)，布置于右岸，共6聯(lián)。閘身順水流向長16.5m，垂直水流向長117.7m，閘底板面高程為-2.5m，底板厚1.5m。

2.2 理論分析

為了對川東港閘整體結構的受力狀態(tài)進行全面了解，應采用三維有限元軟件ABAQUS對其整體強度和穩(wěn)定性進行研究分析。

根據(jù)川東港閘工程的結構特征和受力特點，將地基、閘室、閘墩等一起建模，考慮它們之間的相互作用。各種結構離散成四面體單元等參單元，單元之間通過有限個結點連接起來。所考慮的荷載按有關規(guī)范進行處理。

3 數(shù)值模擬計算

3.1 閘室復核分析計算模型

川東港閘基礎順水流方向長49.5m，垂向為353.1m，深度為高程-20.1m。為提高計算精度，對模型進行了相應的簡化處理。根據(jù)地基模型的尺寸因素，對地基采用全約束。川東港閘三維有限元模型單元總數(shù)為57 051個，結點總數(shù)為102 535個。

3.2 材料性質和力學參數(shù)

川東港閘結構采用線彈性材料模擬，土體為彈性材料，由于土體自重產生的變形已基本完成，故計算中不計入土體自重引起的應變。本次復核計算的材料強度值應選取原設計強度等級與檢測結果中的較小值。結構材料強度等級取C30，彈性模量3.0×104MPa，泊松比0.167，重度25.0kN/m3。地基土為重粉質砂壤土，壓縮模量6.94MPa，泊松比0.3。

3.3 基本荷載和計算工況

基本荷載和計算工況如下：（1）固定荷載：閘室結構自重。（2）回填土荷載：根據(jù)SL 744—2016《水工建筑物荷載設計規(guī)范》，墻后水平土壓力按主動土壓力和垂直土重進行計算，其余按邊荷載考慮。（3）水荷載：水荷載的加載工況如表1所示。

表1復核計算水位組合表

4 復核計算結果分析

按照上述計算模型和參數(shù)，分別對川東港閘閘室結構的各種工況進行了空間有限元計算，求出各種工況下站身結構在荷載作用下的各結點應力。

4.1 應力分析

根據(jù)計算結果分析，各工況下泄洪孔單聯(lián)閘室底板的最大主拉應力主要分布在上、下游面層，最大值為2.43MPa，泄洪孔單聯(lián)閘室底板的最大主壓應力主要分布在上、下游底層，最大值為2.81MPa；泄洪孔雙聯(lián)閘室底板的最大主拉應力主要分布在上、下游面層，最大值為1.54MPa，泄洪孔雙聯(lián)閘室底板的最大主壓應力主要分布在上、下游底層，最大值為2.06MPa；通航孔閘室底板的最大主拉應力主要分布在上、下游面層，最大值為2.14MPa，通航孔閘室底板的最大主壓應力主要分布在上、下游底層，最大值為3.04MPa；邊墩最大主拉應力為0.87MPa，最大主壓應力為3.49MPa；中墩最大主拉應力為1.09MPa，最大主壓應力為3.22MPa；縫墩最大主拉應力為1.15MPa，最大主壓應力為3.53MPa。

根據(jù)規(guī)范要求，混凝土強度等級C30容許拉應力0.572MPa、容許壓應力9.295MPa。

閘室底板底層、面層、閘墩的最大主拉應力均超過了混凝土的允許拉應力，故底板底層、面層、閘墩混凝土的抗拉強度均不滿足要求，最大主壓應力未超過混凝土的允許壓應力，故混凝土的抗壓強度滿足要求。

4.2 閘室結構承載能力復核

閘室結構承載能力復核計算應考慮混凝土強度檢測值，若該部位混凝土強度等級大于設計強度等級時，混凝土強度等級應用設計強度等級；若該部位混凝土強度等級小于設計強度等級時，混凝土強度等級應用檢測的混凝土強度等級。計算時考慮碳化的影響，混凝土保護層厚度應用實測保護層厚度進行計算。閘室結構承載能力計算成果如表2～表3所示。

經過配筋后泄洪孔單聯(lián)、泄洪孔雙聯(lián)以及通航孔閘室底板、閘墩、交通橋等結構承載能力均滿足要求。

表2泄洪孔單聯(lián)閘室結構承載力計算成果表

表3通航孔閘室結構承載力計算成果表

5 結語

本文通過三維有限元軟件對川東閘復核分析計算，得出了以下結論：底板底層、面層、閘墩混凝土的抗拉強度均不滿足要求，混凝土的抗壓強度滿足要求；泄洪孔單聯(lián)、泄洪孔雙聯(lián)以及通航孔閘室底板、閘墩等結構承載能力均滿足要求。

通過三維有限元軟件進行復核分析計算，高精度，高效率，可應用于各種復雜的水閘結構型式，為以后的類似工程提供有益參考。