鮮興灌區(qū)渠首泄洪閘閘室結(jié)構(gòu)有限元分析

徐淑琴，樂靜，王亞超，高凱茹，郭曉婷，李仲裕

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150030)

水閘是修建在河道和渠道上的低水頭水工建筑物，通過閘門控制流量和調(diào)節(jié)水位，作為擋水、泄水或取水的建筑物，被廣泛應(yīng)用于灌溉、防洪、發(fā)電、航運(yùn)等水利工程[1-2].閘室是水閘的主要組成部分，其受力比較復(fù)雜.對(duì)水閘閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移進(jìn)行合理分析，是保證閘室結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵.傳統(tǒng)的閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算方法是將閘底板和閘墩分別計(jì)算，把閘底板看作基礎(chǔ)梁，把閘墩看作懸臂梁，對(duì)其結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算.這種方法雖然簡單，但不能充分反映閘室結(jié)構(gòu)的整體受力情況.

有限元法將閘室結(jié)構(gòu)和地基作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，建立三維有限元模型，并且考慮了地基土體的非線性以及閘室與地基間的接觸作用.這樣計(jì)算的結(jié)果不僅能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)不同工況下水閘結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力變化趨勢(shì)，更能準(zhǔn)確地反應(yīng)水閘結(jié)構(gòu)復(fù)雜的受力變形情況，更符合實(shí)際工程，是目前較科學(xué)的方法.

中國是世界上第三大凍土國家，全國面積的70%為凍土區(qū)，主要分布在西北、華北和東北地區(qū)[3].大量工程實(shí)踐表明，水利工程經(jīng)常由于冬季寒冷的天氣和潮濕的土質(zhì)而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、破壞嚴(yán)重等現(xiàn)象，從而影響其正常運(yùn)行，造成國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)受到嚴(yán)重影響[4].中國北方地區(qū)均屬于季節(jié)性凍土區(qū)，水工建筑物普遍存在由于地基土凍脹作用或冰壓力而出現(xiàn)的不同程度凍害現(xiàn)象.在設(shè)計(jì)時(shí)考慮冰壓力和土的凍脹力作用于建筑物就顯得十分重要，這也是設(shè)計(jì)人員需解決的一大難題[5].

當(dāng)土體氣溫下降到0 ℃以下時(shí)，土體中的水分就會(huì)結(jié)成冰并且體積膨脹，造成建筑物基礎(chǔ)周圍土體膨脹.當(dāng)土體的這種凍脹變形受到基礎(chǔ)的約束作用時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生一定的凍脹力.如果在設(shè)計(jì)、建造中未考慮到凍脹力對(duì)基礎(chǔ)的影響，或者雖然考慮了但計(jì)算不準(zhǔn)確，都有可能使得建筑物在凍脹作用下發(fā)生破壞.

目前對(duì)受凍脹力的復(fù)雜工況的閘室結(jié)構(gòu)分析研究較少[6-7].文中基于ANSYS軟件建立水閘整體三維模型，利用有限元法求解凍脹情況下閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移的真實(shí)數(shù)據(jù)，分析黑龍江省鮮興灌區(qū)渠首改造工程新建泄洪閘的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移分布情況，為今后東北極寒地區(qū)類似的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考，應(yīng)用于實(shí)際工程中.

1 工程概況

鮮興灌區(qū)歷史悠久，新中國成立前就已開發(fā)，是集賢縣的主要糧食產(chǎn)區(qū).灌區(qū)引水渠首位于哈達(dá)密河筆架山水庫下游5 000 m處，始建于20世紀(jì)70年代，由攔河壩和引水閘組成.引水閘建于1973年，攔河壩建于1990年.經(jīng)過多年運(yùn)行，工程已嚴(yán)重老化且損壞嚴(yán)重；引水閘啟閉機(jī)使用多年，不能正常啟閉.另外，哈達(dá)密河渠首上游段主槽和灘地淤積嚴(yán)重，下游段沖刷破壞形成塌岸.目前渠首不但影響正常灌溉引水，而且存在嚴(yán)重的安全隱患，因此必須進(jìn)行更新改造，確保渠首安全運(yùn)行.

工程防護(hù)對(duì)象的重要性為一般，主體建筑物是泄洪閘，為Ⅲ等水閘，規(guī)模為中型，主要建筑物為3級(jí).泄洪閘布置在哈達(dá)密河主河道靠左岸，順?biāo)鞣较蚩傞L93 m，泄洪閘中心線位于改造工程的中心，由進(jìn)口段、閘室段、消能段、防沖段4部分組成.閘孔凈寬27 m，分3孔布置，每孔凈寬為9 m，閘室總寬31 m.堰型為寬頂堰，閘底板頂高程為100.18 m，長8 m，底板厚1.2 m，上、下游設(shè)2 m深齒，其下鋪厚0.1 m的素混凝土墊層和厚0.15 m的保溫板，閘墩厚1 m.閘門為9.4 m×1.8 m平板鋼閘門3扇，閘門門槽厚度為0.2 m；啟閉機(jī)為3臺(tái)QP型卷揚(yáng)式雙吊點(diǎn)啟閉機(jī)，啟門力1.60×105N.閘室上游設(shè)人行橋，其上設(shè)啟閉臺(tái).工作閘門前設(shè)一道檢修門槽.在閘室下游設(shè)交通橋，交通橋總寬4.0 m，凈寬3.4 m.根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]和《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[9]劃分，抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，不需進(jìn)行抗震計(jì)算.該場(chǎng)地勘察期間，勘探深度內(nèi)地基土中粗砂、礫砂層含有地下水.CK2K號(hào)孔水位為0.20 m，水位標(biāo)高99.69 m，勘察期間為枯水期.本區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為2.00 m，季節(jié)性最大凍結(jié)深度為2.30 m.該場(chǎng)地凍脹等級(jí)為Ⅳ級(jí)，凍脹類別為強(qiáng)凍脹.泄洪閘閘室縱剖面圖如圖1所示，泄洪閘平面布置圖見圖2.

圖1 泄洪閘閘室縱剖面圖

圖2 泄洪閘平面布置圖

2 閘室結(jié)構(gòu)有限元法分析

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法雖然簡單，但是很難真正反映出結(jié)構(gòu)之間的相互作用，甚至?xí)休^大誤差.ANSYS軟件是國內(nèi)外較為流行的大型通用商業(yè)有限元分析軟件，使用越來越普及，不僅在大專院校和科研院所廣泛使用，而且在設(shè)計(jì)和施工單位也有較大的用戶群.ANSYS軟件功能強(qiáng)大，集結(jié)構(gòu)、流體、電磁等多物理場(chǎng)于一體，單元種類和單元數(shù)目眾多.該軟件可以在大多數(shù)計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)中運(yùn)行，還可以與大多數(shù)CAD軟件接口.在有限元分析的過程中，通過建立與實(shí)際工程相同尺寸的模型而得出的計(jì)算結(jié)果，可以更好地反映工程的實(shí)際情況，而且也使得工程設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理.

有限元法實(shí)際是將彈性力學(xué)的問題轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法進(jìn)行分析.按照選取基本未知量的不同，可以分為力法、位移法和混合法，通常采用位移法作為有限元法的計(jì)算方法.有限元首先是把連續(xù)體劃分為有限個(gè)單元，單元之間由節(jié)點(diǎn)連接，用單元的集合體代替原來的結(jié)構(gòu).然后，選擇一個(gè)合適的函數(shù)式，一般來說，這些函數(shù)都應(yīng)該滿足單元間位移的連續(xù)性.然后利用變分原理對(duì)各單元進(jìn)行分析，并集成所有的單元.最后，采用彈性力學(xué)的物理和幾何方程求出各單元的應(yīng)力和應(yīng)變[10].有限元分析軟件中，結(jié)構(gòu)靜力分析過程主要包括3個(gè)步驟：創(chuàng)建有限元模型，設(shè)定約束條件、施加荷載并求解，查看結(jié)果.

2.1 有限元模型創(chuàng)建

根據(jù)選定的設(shè)計(jì)方案，對(duì)該泄洪閘采用三維有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行分析，以水閘結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，建立底板、閘墩、閘門和地基整體有限元分析模型，模型尺寸依據(jù)圣維南原理和計(jì)算經(jīng)驗(yàn).根據(jù)圣維南原理，若地基基礎(chǔ)很大，則地基邊界約束條件對(duì)閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移造成的影響就越小.對(duì)實(shí)際工程研究表明，水閘地基規(guī)模達(dá)到一定范圍以后，地基基礎(chǔ)的計(jì)算范圍幾乎不影響閘室的應(yīng)力和位移變化規(guī)律[11].因此，選取范圍從閘室向左、右岸均延伸15 m，向上、下游各延伸20和15 m；閘室結(jié)構(gòu)的地基土深度取為20.00 m，閘室結(jié)構(gòu)左岸的地基土深度為24.72 m，右岸為22.07 m.模型整體坐標(biāo)系采用笛卡兒直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)取在上游端齒墻與地基相接觸的靠左岸處交點(diǎn).X軸正向?yàn)轫樅臃较颍瑥纳嫌沃赶蛳掠?；Y軸為鉛直向上；Z軸正向由左岸指向右岸.考慮到模型模擬的范圍已足夠大，故假定模型周邊不存在水平位移，地基底面施加固定約束，左右岸側(cè)及上下游側(cè)地基施加法向水平鏈桿約束.

本次有限元分析中，閘室中的混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，地基土采用彈塑性模型.所有實(shí)體單元均采用Solid 185單元進(jìn)行模擬.Solid 185單元被稱為3D8節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)體單元，用于模擬3D實(shí)體結(jié)構(gòu)，該單元由8個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度.該單元除具有塑性、蠕變、應(yīng)力剛化、大變形、大應(yīng)變、單元生死、初應(yīng)力輸入等特性外，還具有超彈、黏彈、黏塑和單元技術(shù)選擇等特性，且可采用混合公式模式模擬幾乎不可壓縮材料的彈塑性行為和完全不可壓縮材料的超彈性行為[12].混凝土材料本構(gòu)關(guān)系采用廣義Hooke定律；同時(shí)，土體材料本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb模型.混凝土彈性模量取28 000 MPa，泊松比為0.167，容重為25 kN/m3.地基土變形模量取8 MPa，泊松比為0.20，容重為21 kN/m3，黏聚力為0，內(nèi)摩擦角27°.在有限元分析中，網(wǎng)格劃分好壞將直接影響到非線性分析是否收斂和計(jì)算結(jié)果正確與否.為了獲得足夠的計(jì)算精度，對(duì)閘室結(jié)構(gòu)受力的主要部位進(jìn)行加密處理，土體越靠近閘室結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)格劃分越細(xì)致；而距離閘室較遠(yuǎn)的土體，劃分網(wǎng)格比較稀疏.泄洪閘三維模型及網(wǎng)格圖如圖3所示，該模型共計(jì)節(jié)點(diǎn)124 657個(gè)，單元113 702個(gè).

圖3 泄洪閘三維模型網(wǎng)格圖

2.2 荷載施加

依據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]，水閘承受的主要荷載有自重、水重、水壓力、浮托力、滲透壓力、凍脹力、靜冰壓力等.文中工程考慮的凍脹力為水平凍脹力和切向凍脹力.對(duì)該泄洪閘閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)行完建期(閘門關(guān)閉)、灌溉期(上游水位為101.48 m，下游無水)、校核洪水位(上游為校核洪水位104.40 m，下游水位為104.15 m)以及凍脹(閘門關(guān)閉)4種工況的應(yīng)力、位移分析.各工況荷載及水位組合見表1.

表1 計(jì)算工況及荷載組合匯總

運(yùn)用ANSYS軟件建立設(shè)計(jì)方案下水閘閘室結(jié)構(gòu)及周圍土體的三維實(shí)體模型，針對(duì)工程運(yùn)行中4種情況，進(jìn)行荷載組合，對(duì)閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性有限元分析，最終得出水閘閘室結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化情況和位移變化趨勢(shì)，并判斷閘室應(yīng)力和位移變化量是否滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求[14].載荷的計(jì)算方法[15]如下.

1) 結(jié)構(gòu)自重：鋼筋混凝土容重為γ=25 kN/m3；結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)計(jì)算，依次作用于它們的重心上.

2) 水重：為作用于水閘室底板上的水的重量[16]，通過計(jì)算其實(shí)際體積和水的容重確定.但在有限元分析中，水重以面荷載的形式作用在閘底板上，上游底板處的水重p1=γ0h1，下游底板處的水重p2=γ0h2(式中h1，h2分別為上、下游水位；γ0為水的容重，一般取為10 kN/m3).

3) 水壓力：作用于上游面閘墩上的是上游水平方向水壓力，同樣以面力的形式將力施加在閘墩單元上，單元水壓力隨高度的變化而改變，表示為p1=γ0(h-h0)(式中h為上游水深，h0為每層單元距底板的高度)；下游水平水壓力，作用在閘墩下游的受水面，其表達(dá)式同上游水平水壓力.

4) 揚(yáng)壓力：閘底板底部受到的豎直向上的水壓力即為揚(yáng)壓力，如圖4所示，揚(yáng)壓力包括滲透壓力U1和浮托力U2兩部分.

圖4 閘底板揚(yáng)壓力

5) 凍脹力：切向凍脹力為作用于基礎(chǔ)側(cè)表面向上且順凍脹方向的凍脹力[17]；強(qiáng)凍脹土單位切向凍脹力采用95%保證率條件下的數(shù)值，即105 kPa[17].水平凍脹力沿水平方向作用于基礎(chǔ)側(cè)面.

單位水平凍脹力[18]為

式中：h1為土的凍脹量.

6) 靜冰壓力：冰厚為1 m，靜冰壓力標(biāo)準(zhǔn)值為245 kN/m，下游水位等于底板頂高程.

7) 側(cè)向土壓力：為了充分體現(xiàn)閘室結(jié)構(gòu)與周圍土體的相互作用和工程的實(shí)際情況，通過建立閘室結(jié)構(gòu)與周圍土體的整體模型以模擬兩者間的相互作用.

2.3 結(jié)果分析

由于篇幅限制，只給出部分豎向位移和應(yīng)力結(jié)果云圖.圖5—6為完建期工況下的豎直向位移云圖和第一應(yīng)力云圖，圖7—9分別為校核洪水位的應(yīng)力云圖和凍脹工況下的位移云圖；圖中d，σ分別為位移、應(yīng)力.其他結(jié)果見表2—3.

圖5 完建工況閘室Y向位移云圖

圖6 完建工況閘室第一主應(yīng)力云圖

圖7 校核洪水位工況第一主應(yīng)力云圖

圖8 校核洪水位工況第三主應(yīng)力云圖

圖9 凍脹工況閘室Y向位移云圖

表2 4種工況下閘室的第一和第三主應(yīng)力最大值

表3 4種工況下閘室位移值

完建工況，沒有上下游水荷載作用，閘室最大豎向位移發(fā)生在邊墩處頂部；最大、最小豎向位移值分別為5.354，5.234 mm，最大差值僅為0.120 mm.水閘僅受自重和上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的載荷，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在靠上游一側(cè)底板頂部，其值為0.01 MPa，小于混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn).靠邊墩下游側(cè)底板處承受較大的壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力值為0.09 MPa，未超過混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn).

灌溉期工況時(shí)，閘室豎向位移分布較均勻，趨勢(shì)大致向上游傾斜.最大、最小豎向位移值分別為6.960，3.621 mm.最大豎向位移出現(xiàn)在閘室邊墩靠上游處，最小值出現(xiàn)在中墩之間下游側(cè)底板處.在靠邊墩上游側(cè)底板頂部出現(xiàn)0.29 MPa的最大拉應(yīng)力，而壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在靠邊墩上游側(cè)底板頂部，數(shù)值為0.20 MPa.

校核洪水工況，水閘開閘泄洪.閘室豎向位移值為3.970～6.563 mm，最大差值為2.593 mm.最大位移值出現(xiàn)在靠上游一側(cè)邊墩內(nèi)側(cè)處，最小值在中墩靠下游側(cè)頂部處.在靠邊墩上游側(cè)底板頂部出現(xiàn)0.16 MPa的最大拉應(yīng)力，而壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在邊墩內(nèi)側(cè)處，為1.25 MPa.

凍脹工況時(shí)，最大豎向位移值為12.069 mm，最小豎向位移值為1.553 mm.最大值豎向位移出現(xiàn)在閘室靠上游一側(cè)中墩之間底板頂部處，最小值出現(xiàn)在中墩之間下游側(cè)底板頂部處.在靠邊墩上游側(cè)底板頂部出現(xiàn)1.21 MPa的最大拉應(yīng)力，而壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在邊墩靠上游側(cè)底板頂部，數(shù)值為0.74 MPa.

由表3可以得出凍脹工況時(shí)橫河向位移最大，即X向位移值最大，為23.178 mm.在上下游水位差作用下會(huì)造成閘室結(jié)構(gòu)出現(xiàn)順河向上的位移，最大位移為0.135 mm.對(duì)比不同工況的計(jì)算結(jié)果，該水閘結(jié)構(gòu)的位移變化以沉降為主.該泄洪閘閘室結(jié)構(gòu)的豎向位移量普遍較小，在不同工況下相同特征位置處的豎向位移相差不大.這是因?yàn)樵趯?shí)際工程中，地基具有較強(qiáng)的抗變形能力，從而造成閘室結(jié)構(gòu)的豎向位移很小.4種工況的豎向位移差異不大，這是因?yàn)樗l結(jié)構(gòu)的自重和向下固定荷載是引起閘室結(jié)構(gòu)沉降的主要因素.在4種工況條件下，閘室變形的變化趨勢(shì)是比較一致的，并且最大值和最小值相應(yīng)的部位也基本相同.綜合以上各種工況，最大、最小豎向位移值分別為12.069和1.533 mm，均出現(xiàn)在凍脹工況，不同工況對(duì)位移結(jié)果的變化趨勢(shì)影響不大;各種工況下，該泄洪閘的豎向位移值均不大.

在不同工況下，第一、第三主應(yīng)力的變化趨勢(shì)略有不同.完建期和灌溉期工況中，拉、壓應(yīng)力的變化趨勢(shì)以及最大值對(duì)應(yīng)的部位基本一致.但校核洪水位和凍脹工況的最大壓應(yīng)力的位置發(fā)生了變化，第三主應(yīng)力最大值對(duì)應(yīng)的部位由邊墩內(nèi)側(cè)處變?yōu)檫叾湛可嫌蝹?cè)底板頂部，校核洪水位和凍脹工況的最大拉應(yīng)力均位于靠邊墩上游側(cè)底板頂部.

綜合上述不同工況，最大拉應(yīng)力為1.21 MPa，出現(xiàn)在靠上游一側(cè)底板頂部處，凍脹工況下產(chǎn)生不利的應(yīng)力集中現(xiàn)象，該部位出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191—2008)[19]，校核洪水位最大主拉強(qiáng)度未超過抗拉強(qiáng)度允許值1.78 MPa.

在應(yīng)力圖中不難發(fā)現(xiàn)，在靠邊墩上游側(cè)底板頂部處，有限元的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相比有些偏大，造成這種情況的主要原因是在計(jì)算模型中，節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，這是ANSYS軟件本身限制所產(chǎn)生的，可視為由于模型結(jié)構(gòu)有尖銳突角而引起的應(yīng)力集中.這種現(xiàn)象并不會(huì)隨著網(wǎng)格細(xì)化而改變，但其結(jié)構(gòu)本身應(yīng)力值并未超過允許應(yīng)力，結(jié)構(gòu)也沒有發(fā)生破壞.這個(gè)拉應(yīng)力值可以作為配筋計(jì)算的安全儲(chǔ)備，應(yīng)該適當(dāng)提高相應(yīng)部位的配筋率以加強(qiáng)其抗拉強(qiáng)度，防止拉裂破壞產(chǎn)生.

最大壓應(yīng)力數(shù)值為1.25 MPa，位于邊墩內(nèi)側(cè)處，存在應(yīng)力集中，導(dǎo)致該泄洪閘閘室結(jié)構(gòu)的一處出現(xiàn)較大壓應(yīng)力.不過，最大主壓應(yīng)力未超過抗壓強(qiáng)度允許值16.70 MPa，滿足工程設(shè)計(jì)規(guī)范要求.說明該泄洪閘結(jié)構(gòu)的工作性態(tài)良好，能保證安全穩(wěn)定運(yùn)行.

3 結(jié) 論

該水閘結(jié)構(gòu)的位移變化主要以沉降為主，水閘閘室的最大、最小豎向位移分別為12.069，1.553 mm，結(jié)構(gòu)的豎向位移值達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定.最大拉應(yīng)力為1.21 MPa，最大壓應(yīng)力為1.25 MPa，局部抗拉強(qiáng)度和局部抗壓強(qiáng)度未超出規(guī)范允許值；靠上游一側(cè)底板頂部出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，在工程實(shí)際中應(yīng)當(dāng)格外注意并且需要采取配置抗拉鋼筋等措施，保證水閘工程的安全運(yùn)行.