Autobank軟件在水閘安全鑒定中的應(yīng)用

任伯鋒，李洪斌，唐 帥

（山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟南250014）

韓莊節(jié)制閘位于山東省微山縣韓莊鎮(zhèn)，是南四湖洪水經(jīng)韓莊運河南下的關(guān)鍵性控制工程。1960年建成17孔老閘，1980年在老閘兩側(cè)各擴建7孔新閘，新老閘共31孔。新閘共14孔，于1977年3月開工，1980年4月建成，由山東省南四湖流域工程指揮部設(shè)計，韓莊閘擴建會戰(zhàn)指揮部施工，2002年進行除險加固，2004年加固完成。

1 閘室穩(wěn)定復核

1.1 基本資料

韓莊節(jié)制閘閘室為開敞式寬頂堰，共31孔，單孔凈寬12m，閘室總寬435.6m。老閘室順水流向長18.5m，墩厚1.5m。采用分離式底板，底板頂高程30.30m，墩下大底板厚2m，墩間小底板厚1m。新閘室順水流向長27m，墩厚1.5m。也采用分離式底板，底板頂高程28.50m，墩下大底板厚1.8m，墩間小底板厚1.0m。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，進行荷載計算、基底應(yīng)力及抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算。

根據(jù)地質(zhì)報告，閘室基礎(chǔ)主要位于泥巖、細砂巖、石英砂巖、礫巖上。泥巖、細砂巖、石英砂巖、礫巖的地基承載力特征值分別為270kPa、310kPa、1500kPa和270kPa。基礎(chǔ)底面混凝土與基巖之間的抗剪斷強度值建議采用f′=0.40，c′=0.03MPa，閘基混凝土與基巖面的抗剪強度建議值f=0.30。本次復核閘基彈性模量取2.79×107kPa，泊松比取0.15。

1.2 計算原則

閘室為分離式底板，老閘單聯(lián)寬20.9m，新閘單聯(lián)寬20.6m，取中間一塊墩下大底板為計算單元，分別計算正常蓄水位情況、設(shè)計洪水位情況、校核洪水位情況和地震情況的閘室穩(wěn)定和地基應(yīng)力。閘室抗滑穩(wěn)定按下式進行計算：

式中：kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為基礎(chǔ)底面與地基土之間的摩擦系數(shù)；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載，kN；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN。

基底壓應(yīng)力按下式進行計算：

抗浮穩(wěn)定按下式計算：

式中：Kf為閘室抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；為作用在閘室上的全部向下的鉛直力之和，kN；為作用在閘室基底面向上的揚壓力，kN。

1.3 荷載組合及計算工況

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2016），作用在水閘上的荷載可分為基本荷載和特殊荷載兩類。根據(jù)規(guī)劃資料，結(jié)合該閘實際運用情況，本次復核計算工況及荷載組合見表1。

表1 閘室穩(wěn)定計算荷載組合

主要計算荷載包括如下方面：1）自重：包括閘室底板、閘墩、工作橋、檢修橋、公路橋、啟閉機房、工作閘門和啟閉機等的自重。2）水重：上、下游段底板以上的水重。3）靜水壓力：分別計算不同工況下的靜水壓力。4）揚壓力：分別計算各種工況作用下的揚壓力。5）風壓力：風壓采用基本風壓。6）波浪壓力：波列累計頻率P取1%，設(shè)計風速取汛期多年平均最大風速的1.5倍。7）地震力：擬靜力法計算，設(shè)計烈度提高為7度，地震加速度代表值取0.1g。

采用有限元軟件Autobank建立水閘穩(wěn)定計算二維模型，各工況下老閘、新閘穩(wěn)定計算成果見表2、表3。

表2 老閘閘室穩(wěn)定計算成果表

1.4 閘室穩(wěn)定計算成果

由表2和表3可知：在以上五種計算工況下，閘室最大基底應(yīng)力小于地基允許承載力，閘室基底均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求；閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)均大于允許值，滿足規(guī)范要求。

表3 新閘閘室穩(wěn)定計算成果表

2 閘室結(jié)構(gòu)復核

老閘底板為素混凝土結(jié)構(gòu)，室順水流向長18.5m，墩厚1.5m，采用分離式底板，底板頂高程30.09m，墩下大底板厚2.4m，墩間小底板厚1.3m；新閘底板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，室順水流向長27.0m，墩厚1.5m，也采用分離式底板，底板頂高程28.29m，墩下大底板厚1.8m，墩間小底板厚1m。根據(jù)水閘結(jié)構(gòu)特點，對閘室邊聯(lián)和中聯(lián)大底板進行結(jié)構(gòu)強度復核。

2.1 計算工況及荷載組合

計算荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、水重、土壓力、靜水壓力、揚壓力、地震等荷載，對正常蓄水位情況、校核洪水位情況及地震情況的閘室底板及閘墩結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)復核。采用Autobank有限元軟件中彈性地基梁法計算閘底板及閘墩內(nèi)力，計算中取垂直水流方向的單寬梁為計算單元，基巖定義為線彈性材料；在地基周圍施加水平位移和豎直位移約束，根據(jù)不同工況施加荷載。

2.2 結(jié)構(gòu)計算

各工況下的彎矩計算結(jié)果見表4、表5。

表5 新閘閘室結(jié)構(gòu)復核成果表

由表4～5可知：老閘邊聯(lián)底板在地震情況和校核洪水位情況下，混凝土抗拉強度不滿足規(guī)范要求，邊墩在正常蓄水位、校核洪水位和地震情況下混凝土抗拉強度均不滿足要求，中墩在地震情況下混凝土抗拉強度不滿足要求。

表4 老閘閘室結(jié)構(gòu)復核成果表

新閘邊聯(lián)和中聯(lián)均不滿足最小配筋率要求，其中，邊聯(lián)底板在正常蓄水位、校核洪水位和地震情況下受拉承載力均不滿足要求；邊墩在正常蓄水位和地震情況下受拉承載力不滿足要求。

3 結(jié)論

本文采用有限元軟件Autobank建立水閘閘室計算模型，將水閘閘室和地基作為一個整體進行結(jié)構(gòu)計算。分別對正常蓄水情況、地震情況和校核洪水位情況下閘室混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強度和受拉承載力進行計算，并與原設(shè)計混凝土抗拉強度和受拉承載力進行比較，進而得出原閘的結(jié)構(gòu)安全復核結(jié)論。相對傳統(tǒng)的計算方法，具有計算精度高、效率高、結(jié)果直觀和適用性強等優(yōu)點，為類似工程安全鑒定結(jié)構(gòu)復核計算提供參考。