基于ANSYS的渾河攔河閘靜力學(xué)分析

閆 濱，常鈺杰，閆勝利，高真?zhèn)?，石芮?/p>

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽 110161；2.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，濟(jì)南 250000；3.遼寧省朝陽縣水務(wù)局，遼寧朝陽 122000）

建成于20世紀(jì)50-70年代的水閘工程，受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)條件、資金投入、管理水平以及工程建設(shè)技術(shù)水平等多方面因素的限制，普遍存在著設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低、穩(wěn)定性不足、工程質(zhì)量差、管理不當(dāng)?shù)葐栴}[1]，許多結(jié)構(gòu)部件出現(xiàn)了破損和老化現(xiàn)象，并逐漸產(chǎn)生抗震能力不足、混凝土結(jié)構(gòu)老化、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、地基承載力不足等病險(xiǎn)問題，存在嚴(yán)重安全隱患。加之近年來全球氣候變化和極端天氣事件頻發(fā)，水閘遭受的地震、泥石流、洪水等超標(biāo)荷載，加劇了水閘病險(xiǎn)程度。病險(xiǎn)水閘難以正常發(fā)揮防洪、抗旱、排澇的作用，影響防洪體系的安全，制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，甚至嚴(yán)重威脅到下游居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。為此，眾多學(xué)者對病險(xiǎn)水閘的病害診斷、安全評價(jià)及除險(xiǎn)加固措施等展開深入研究[2-4]，水閘工程的安全問題也越來越受到重視。

水閘中最重要的部分莫過于閘室結(jié)構(gòu)，經(jīng)過長期的運(yùn)行，閘室難免會產(chǎn)生一些病險(xiǎn)問題，對閘室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成一定影響，因此對水閘閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全分析顯得尤為重要[5]。傳統(tǒng)的水閘安全分析通常只對水閘閘室每個(gè)獨(dú)立構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，多采用數(shù)值法和半解析法求解內(nèi)力分布。把結(jié)構(gòu)的每個(gè)構(gòu)件單獨(dú)剖開分析的方法，雖然簡化了閘室結(jié)構(gòu)和受力情況，但彼此之間的影響和空間效應(yīng)卻被忽略，很難反映結(jié)構(gòu)的整體作用，且計(jì)算過程不僅繁雜，計(jì)算量還很大，較易出現(xiàn)與實(shí)際情況偏差較大的結(jié)果[6-7]。也有學(xué)者考慮了水閘的整體性，運(yùn)用可靠度理論計(jì)算可靠度指標(biāo)，進(jìn)而判斷水閘的整體可靠性[8-10]。但上述方法均是通過數(shù)學(xué)計(jì)算實(shí)現(xiàn)的，無法直觀了解水閘結(jié)構(gòu)的病險(xiǎn)或失事部位。

隨著科技的發(fā)展，利用有限元方法對水利工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析日益廣泛，它不僅能減少計(jì)算工作量，還能得到較準(zhǔn)確直觀的計(jì)算結(jié)果。針對水閘結(jié)構(gòu)而言，可以有效解決地基與閘體的接觸設(shè)置、繁瑣的邊界條件等無法通過數(shù)學(xué)計(jì)算解決的復(fù)雜問題，且可以直觀了解水閘結(jié)構(gòu)的病險(xiǎn)或失事部位。目前已有許多學(xué)者運(yùn)用有限元數(shù)值模擬方法對水閘結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)、地震動力等計(jì)算，從而復(fù)核或分析水閘結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。例如，LI等[11]對水閘閘下湍流壁面射流的流場和沖刷演變進(jìn)行了數(shù)值模擬，較好描述了試驗(yàn)觀察到的流態(tài)，即主噴流分叉為回噴流和尾部噴流；并準(zhǔn)確預(yù)測了沖刷深度和長度的演變。LIANG 等[12]采用基于Sobol序列的隨機(jī)抽樣方法和基于方差的靈敏度分析方法，構(gòu)建了水閘底板全局敏感性分析有限元模型，根據(jù)閘空一階和全階靈敏度系數(shù)的分布規(guī)律，確定典型位置，分析了主要影響因素與各位置變形指標(biāo)之間的線性和非線性關(guān)系。結(jié)果表明，閘室的變形主要是沉降，地基土的變形模量是影響閘室變形的主要因素。王云龍考慮樁-土-上部結(jié)構(gòu)共同作用，分3 種工況對水閘結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算，得到閘室及地基土變形及應(yīng)力變化規(guī)律[13]。馬利嘉等[14]采用ANSYS 中的模態(tài)分析反應(yīng)譜法進(jìn)行地震動力計(jì)算，得到地震荷載作用下的閘室地基沉降以及拉、壓應(yīng)力值。毋霈雯基于ANSYS 軟件，在不同工況下對某渠首閘閘室進(jìn)行了非線性靜力分析，得到了閘室在不同工況下的變形和應(yīng)力結(jié)果，通過從分析結(jié)果中提取閘室關(guān)鍵截面的內(nèi)力，對閘室進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)[15]。吳蓋[16]對比了結(jié)構(gòu)力學(xué)法和ANSYS有限元法求解某泄水閘應(yīng)力和抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的結(jié)果，證明其結(jié)構(gòu)和抗滑穩(wěn)定性均滿足要求。

基于上述研究成果，本研究利用有限元軟件ANSYS Workbench 對大型水閘渾河攔河閘的應(yīng)力、變形等進(jìn)行分析，特別針對閘室底板部位進(jìn)行更為詳細(xì)的應(yīng)力分析，對其安全性態(tài)進(jìn)行評判，進(jìn)而揭示可能致使該工程失效的主要因素及最薄弱的部位，以便在工程后續(xù)管理中針對性地采取有效防治措施，同時(shí)為新建水閘工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

渾河閘位于遼寧省沈陽市渾河中下游，工程等別為Ⅰ等，規(guī)模為大（1）型，其相應(yīng)的主要水工建筑物為1級。攔河閘為22 孔無底坎式平底寬頂堰，堰頂高程30.5 m，閘墩高8.64 m，閘室單孔凈寬9.6 m，二孔一聯(lián)（寬23.4 m）共計(jì)11聯(lián)，中墩厚1.8 m，縫墩厚2.4 m，縫墩縫寬30 mm?？p墩總長19.98 m，中墩總長19.69 m。底板順?biāo)飨蜷L20.0 m，厚1.50 m。閘室整體混凝土采用C25 混凝土。工程所在地區(qū)地震基本烈度為7 度，α=0.1 g，工程區(qū)地震動峰值加速度為0.1 g，對應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。閘址處地層以砂礫和圓礫為主，密實(shí)度較高，砂礫地基允許承載力為360 kPa，圓礫地基允許承載力為550 kPa。渾河閘閘址多年平均最大風(fēng)速12.8 m·s-1，最大風(fēng)速25.2 m·s-1，主風(fēng)向SW，風(fēng)區(qū)長度1.65 km。閘室結(jié)構(gòu)布置詳圖見圖1。

圖1 閘室結(jié)構(gòu)圖(高程單位：m；尺寸單位：mm）Figure 1 Structural drawing of sluice chamber (Elevation unit: m; Dimensions in mm)

2 ANSYS建模

2.1 材料參數(shù)設(shè)置

在“Engineering Data”中為實(shí)體模型賦予材料屬性，閘室鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)假定為均質(zhì)彈性材料，選擇材料“Concrete”賦予鋼筋混凝土參數(shù)，按照閘室、鋪蓋、護(hù)坦等所用混凝土和鋼筋的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行更改。地基土假定為彈塑性材料，選擇材料“Concrete NL”賦予地基物理力學(xué)參數(shù)，并按照實(shí)際地基礫砂和圓礫的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行更改。共添加5種材料，具體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of materials

2.2 模型建立

本研究計(jì)算選取順?biāo)飨蛳噜弮蓚€(gè)永久縫之間閘段為研究對象，選擇模塊“Geometry”，采用Workbench 自帶的DM 軟件建立與實(shí)際工程大小完全相同的閘底板、閘墩和地基整體有限元實(shí)體計(jì)算模型。坐標(biāo)原點(diǎn)取右岸下游端底板外側(cè)與閘墩底相接觸的交點(diǎn)處，X軸正方向指向上游，豎直向上為Y軸正方向，垂直水流指向左岸為Z軸正方向。計(jì)算選取中間孔閘段（二孔一聯(lián)），閘室具體尺寸與實(shí)際工程相符。根據(jù)圣維南原理，壩基越大，基礎(chǔ)邊界約束條件的變化對壩體應(yīng)力和位移的影響越小，當(dāng)壩基尺寸達(dá)到一定范圍后，壩體的應(yīng)力和位移幾乎不受計(jì)算范圍的影響[16]。因此，本研究計(jì)算模型選取地基的范圍是從閘室向上下游延伸2倍閘室長度，向左右岸各延伸2倍閘室寬度，深度取2倍閘室高度，其中第一層礫砂土層厚度根據(jù)地質(zhì)報(bào)告資料取5.4 m。

2.3 網(wǎng)格劃分

采用“Mesh”劃分網(wǎng)格。閘室結(jié)構(gòu)采用四面體劃分網(wǎng)格，鋪蓋、護(hù)坦及地基采用掃掠方法劃分網(wǎng)格。由于閘室結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，對閘室結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格進(jìn)行加密劃分，同時(shí)加密閘室結(jié)構(gòu)中應(yīng)力較大或者出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象的部位。地基網(wǎng)格尺寸控制在0.8～1.5 m 范圍。整個(gè)模型共劃分了116 346 個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為428 323 個(gè)。具體網(wǎng)格劃分效果見圖2。本模型已進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，且經(jīng)過正交質(zhì)量檢查、單元質(zhì)量檢查和傾斜度檢查，網(wǎng)格質(zhì)量均滿足要求。

圖2 水閘模型網(wǎng)格劃分圖Figure 2 Grid division diagram of sluice model

2.4 邊界條件設(shè)定

計(jì)算中將縫墩外側(cè)作為自由端考慮，不施加約束，地基底面施加3 個(gè)方向全約束，地基的4 個(gè)側(cè)面分別施加垂直于該截面方向的位移約束。設(shè)置閘底板底部、鋪蓋底面、護(hù)坦底面與第一層地基接觸方式為“Frictional”，其中閘底板底部、鋪蓋底面、護(hù)坦底面為“Target”目標(biāo)面，地基頂面為“Contact”接觸面，摩擦系數(shù)為0.4，兩層地基之間接觸面設(shè)定為“Bonded”綁定接觸。閘室底面與地基接觸設(shè)置詳見圖3。

圖3 閘室底面與地基接觸設(shè)置圖Figure 3 Contact setting diagram between bottom surface of sluice chamber and foundation

2.5 荷載添加

本研究選取兩種工況進(jìn)行計(jì)算：上、下游均無水的完建期；上游水位36.00 m，下游無水的正常蓄水位期。

兩種工況受到的荷載均有結(jié)構(gòu)自重，包括閘室結(jié)構(gòu)自重、閘室上部結(jié)構(gòu)重（交通橋、檢修橋、工作橋、排架、啟閉機(jī)、啟閉機(jī)室重）。除此之外，工況二還受到上游水重、上游水平水壓力、揚(yáng)壓力和浪壓力。

為方便計(jì)算，本研究在建模分析的過程中采取了一定的簡化措施[17]：（1）將閘墩上部結(jié)構(gòu)等荷載等效為面荷載，施加在閘墩頂部相應(yīng)的范圍內(nèi)；（2）底板、閘墩等結(jié)構(gòu)的自重根據(jù)模型體積和材料容重由Workbench軟件輸入材料參數(shù)直接算出；（3）作用在閘門上的水壓力以面荷載的方式施加在門槽處相應(yīng)的范圍內(nèi)。

3 位移和應(yīng)力結(jié)果分析

3.1 位移結(jié)果分析

完建期和正常蓄水位工況下閘室總位移以及X、Y、Z方向的位移值見表2。

表2 不同工況下閘室X、Y、Z方向的最大位移Table 2 Maximum displacements of sluice chamber in X, Y and Z directions under different working conditions

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2016)，水閘在自然地質(zhì)狀態(tài)下的地基沉降量，最大值不宜超過15 cm，相鄰結(jié)構(gòu)部位的地基最大沉降差不宜超過5 cm。完建期和正常蓄水位期位移結(jié)果均滿足上述要求。

3.1.1 完建期位移結(jié)果分析 完建期地基-閘室、閘室整體位移圖以及X、Y、Z方向位移圖見圖4～圖7。由圖4a可知，地基土變形自上而下逐漸減小，沉降從閘基中部開始向外擴(kuò)展，距離閘室越近地基土變形越大，最大位移發(fā)生在閘室。由圖4b可知，完建期閘室最大位移為13.40 cm，出現(xiàn)在縫墩左岸上游端，縫墩左右岸變形程度不對稱，但相差極小，最大位移差為0.08 cm。

圖4 完建期整體位移圖Figure 4 The total displacement diagram during the completion period

由圖5b 可知，X方向(順?biāo)鞣较?閘室結(jié)構(gòu)整體向上游移動，這是由于閘墩上部結(jié)構(gòu)偏向于上游端導(dǎo)致的，位移范圍為0.04～0.11 cm，左右岸位移大小及趨勢對稱分布。閘室最大位移發(fā)生在縫墩、中墩頂部靠近下游側(cè)，向上游移動，約0.11 cm，最小位移發(fā)生在閘室底板下游處，受閘室上部荷載和自重的影響，X方向上的位移值從閘墩頂部到閘底板底部呈逐漸減小趨勢，到閘底板處下游位移值比上游略小。由圖5a 可知，上游地基表面向下游略微移動，最大位移量為0.13 cm；而下游地基表面向上游略微移動，最大位移量約為0.21 cm，這種移動趨勢是由于受到閘室下沉而產(chǎn)生的拉力作用的結(jié)果。

圖5 完建期X方向位移圖Figure 5 X-displacement during the completion period

由圖6a可知，Y方向上最大位移發(fā)生在閘室附近，且隨著地基深度的增加位移量越來越小。由圖6b可知，閘室受自重作用向下沉降，沉降范圍在13.23～13.40 cm 之間。最大沉降量出現(xiàn)在縫墩外側(cè)靠近上游側(cè)，為13.40 cm，最小沉降量出現(xiàn)在下游底板處，為13.23 cm，最大差值為0.17 cm，滿足要求，且與閘室整體變形圖呈現(xiàn)結(jié)果一致，由此可見，閘室最大位移發(fā)生在Y方向上。閘室上游側(cè)沉降量大于下游側(cè)，閘室略微向上游傾斜，這是因?yàn)樯喜抗ぷ鳂?、啟閉機(jī)、框架等結(jié)構(gòu)偏向上游側(cè)，所以上游Y方向上產(chǎn)生的沉降量要大于下游側(cè)。

圖6 完建期Y方向位移圖Figure 6 Y-displacement during the completion period

圖7 完建期Z方向位移圖Figure 7 Z-displacement during the completion period

由圖7b可知，閘室Z方向上的位移相對最小，最大位移發(fā)生在兩個(gè)縫墩頂部，分別為0.10 cm和0.06 cm，向兩個(gè)縫墩的外側(cè)移動。由圖7a 可知，右岸地基表面向左岸移動，最大位移量為0.30 cm；而左岸地基表面向右岸移動，最大位移量為0.29 cm?？偟膩碚f就是地基表面向內(nèi)側(cè)移動，兩岸位移量相差極小，這種移動趨勢是由于受到閘室下沉而產(chǎn)生的拉力作用的結(jié)果。

3.1.2 正常蓄水位期位移結(jié)果分析 正常蓄水位期地基-閘室、閘室整體位移圖以及X、Y、Z方向位移圖見圖8～圖11。由圖8可知，正常蓄水位期地基土、閘室整體變形趨勢與完建期相同，閘室最大位移為13.83 cm，出現(xiàn)在閘墩下游側(cè)，左右兩岸位移大小和趨勢呈對稱分布。同時(shí)，由于水閘采用的是整體式底板，因此沉降變形比較均勻，不會對閘室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的不利影響。

圖8 正常蓄水位期整體位移圖Figure 8 The total displacement diagram during normal water level period

由圖9b可知，X方向除閘底板上游外側(cè)略微向上游移動外，閘室整體向下游移動，這是因?yàn)樯嫌斡兴a(chǎn)生了水平水壓力而下游無水，閘墩移動范圍為0.02～0.30 cm。最大位移發(fā)生在左、右岸縫墩和中墩頂部，向下游移動約0.30 cm。從閘墩頂部到閘底板處，X方向上的位移呈逐漸減小趨勢，上、下游位移基本一致。由圖9a可知，地基位移趨勢與完建期規(guī)律相同。

圖9 正常蓄水位期X向位移圖Figure 9 X-displacement during normal water level period

由圖10b 可知，Y方向上閘室整體向下沉降，沉降范圍為13.16～13.83 cm。沉降量從上游至下游呈逐漸減小趨勢，最大位移出現(xiàn)在中墩上游側(cè)區(qū)域，為13.83 cm，最小位移為13.16 cm，出現(xiàn)在右縫墩下游側(cè)，最大沉降量差值為0.67 cm，滿足要求。上游沉降量大于下游是由于上游底板受到水重，同時(shí)上部結(jié)構(gòu)偏向上游端，閘室在自重、水重、水平水壓力和揚(yáng)壓力的共同作用下，向上游傾斜。由圖10a 可知，最大沉降出現(xiàn)在閘室地基表面，越向地基深處沉降量越小。

圖10 正常蓄水位期Y向位移圖Figure 10 Y-displacement during normal water level period

由圖11b 可以看出，閘室Z方向上最大位移出現(xiàn)在兩個(gè)縫墩頂部靠近上游側(cè)，分別向各自的外側(cè)移動，大小分別為0.16 cm和0.10 cm。由圖11a可知，地基位移趨勢與完建期一致。

圖11 正常蓄水位期Z向位移圖Figure 11 Z-displacement during normal water level period

3.2 應(yīng)力結(jié)果分析

拉應(yīng)力為第一主應(yīng)力，壓應(yīng)力為第三主應(yīng)力，閘室正應(yīng)力以及第一、第三主應(yīng)力分布情況如表3。

表3 閘室第一、第三主應(yīng)力Table 3 The first and third principal stresses of the sluice chamber MPa

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2015)，C25混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為16.7 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1.78 MPa。

3.2.1 完建期應(yīng)力結(jié)果分析 完建期閘室第一、第三主應(yīng)力圖及上游橫斷面第一、第三主應(yīng)力等值線圖見圖12～圖15。由圖12 和圖14 可知，完建工況拉應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在閘底板上部和中墩處底板下表面，范圍約在0.79～1.21 MPa。拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在左、右岸縫墩上游與閘底板相交處，為2.03 MPa，超過C25 混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，但是超過極限值的閘室范圍特別小，只存在于極個(gè)別節(jié)點(diǎn)處，且這種情況下計(jì)算出來的最大值往往會比實(shí)際值稍大。參考文獻(xiàn)[15]拉應(yīng)力復(fù)核方法，得到渾河閘縫墩與閘底板相交處能承受的最大拉應(yīng)力為4.58 MPa，大于2.03 MPa，判斷不會因拉應(yīng)力過大對閘室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成影響。在實(shí)際工程中可以采取相應(yīng)措施改善該區(qū)域受力情況，如控制水位，避免上下游水位差過大；對于新建水閘設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意此區(qū)域設(shè)計(jì)，例如著重提升混凝土標(biāo)號，適當(dāng)增大密度和提高強(qiáng)度；避免尖角，把棱角改為過渡圓角；適當(dāng)加厚底板；提高此區(qū)域配筋率等。由圖13和圖15可知，水閘完建期，上、下游均無水，閘墩和底板只承受自重和上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，基本處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力一般在0.62～1.13 MPa 之間。中墩、縫墩與閘底板交界處壓應(yīng)力較大，同時(shí)在右岸縫墩上游內(nèi)側(cè)和閘底板相交處出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，為3.41 MPa，未超過C25混凝土抗壓強(qiáng)度極限。

圖12 完建期閘室第一主應(yīng)力圖Figure 12 The first principal stress diagram of the sluice chamber during the completion period

圖13 完建期閘室第三主應(yīng)力圖Figure 13 The third principal stress diagram of the sluice chamber during the completion period

圖14 完建期上游橫斷面第一主應(yīng)力等值線圖Figure 14 Contour map of the first principal stress of upstream cross section during the completion period

圖15 完建期上游橫斷面第三主應(yīng)力等值線圖Figure 15 Contour map of the third principal stress of upstream cross section during the completion period

由于閘墩基本受壓且應(yīng)力變化不大，而閘底板各部位應(yīng)力變化明顯且有應(yīng)力集中現(xiàn)象產(chǎn)生，因此針對閘底板不同部位的應(yīng)力變化進(jìn)行詳細(xì)分析。完建期閘底板頂面和底面上游(x=19)、中游(x=10)和下游(x=0.5)第一主應(yīng)力圖見圖16?？梢钥闯?，頂面不論上、中、下游，閘墩與閘底板交界處均受到壓應(yīng)力作用，拉應(yīng)力均出現(xiàn)在縫墩、中墩之間的閘底板頂面處，上、下游處拉應(yīng)力值偏大且大致相等，最大值在0.63 MPa，中游處拉應(yīng)力稍小，最大值為0.57 MPa。而閘底板底面所有拉、壓應(yīng)力規(guī)律與頂面相反，拉應(yīng)力出現(xiàn)在中墩、縫墩下的閘底板底面，其中最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在中墩下的閘底板底面，上、下游最大拉應(yīng)力值分別為0.30 MPa 和0.34 MPa，中游最大拉應(yīng)力值為0.15 MPa由兩個(gè)閘墩向其中間，閘底板底面受到的拉應(yīng)力逐漸減小并最終變?yōu)閴簯?yīng)力。

圖16 完建期閘底板頂面、底面上游(x=19)、中游(x=10)和下游(x=0.5)第一主應(yīng)力圖Figure 16 The first principal stress diagram of upstream (x=19), midstream (x=10) and downstream (x=0.5) of the top and bottom surface of soleplate during the completion period

完建期閘底板頂面和底面上游(x=19)、中游(x=10)和下游(x=0.5)第三主應(yīng)力圖見圖17。由圖17 可知，除中游段閘墩之間的閘底板頂面出現(xiàn)少許拉應(yīng)力外，其他部位均受到壓應(yīng)力作用，且閘墩與閘底板交界處受到的壓應(yīng)力大于其他部位，上、下游最大壓應(yīng)力分別為0.94 MPa和0.95 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中游(0.24 MPa)。閘底板底面各個(gè)部位均受到壓應(yīng)力作用，上游、中游和下游的最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在兩閘墩之間，最大壓應(yīng)力分別為0.96，0.53，0.99 MPa，上、下游壓應(yīng)力值大致相等，略大于中游，而閘墩附近壓應(yīng)力最小。

圖17 完建期閘底板頂面和底面的上游(x=19)、中游(x=10)和下游(x=0.5)第三主應(yīng)力圖Figure 17 The third principal stress diagram of upstream (x=19), midstream (x=10) and downstream (x=0.5) of the top and bottom surface of soleplate during the completion period

3.2.2 正常蓄水位期應(yīng)力結(jié)果分析 正常蓄水位時(shí)閘室第一、第三主應(yīng)力圖及上游橫斷面第一、第三主應(yīng)力等值線圖見圖18～圖21。由圖18和圖20可知，正常蓄水位時(shí)期，在左、右縫墩上下游與閘室底板的連接部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，距離閘墩越近，應(yīng)力集中越明顯，拉應(yīng)力大小在0.74～1.68 MPa，最大拉應(yīng)力約為2.92 MPa，出現(xiàn)在左、右縫墩上游與閘底板連接點(diǎn)處；同完建期一樣，超過了混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，但沒有超過拉應(yīng)力復(fù)核計(jì)算結(jié)果的最大拉應(yīng)力允許值4.58 MPa，不會對水閘整體穩(wěn)定性造成影響，可采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?。由圖19和圖21可知，閘墩和底板主要承受壓應(yīng)力，壓應(yīng)力大小通常在0.68～1.28 MPa之間。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在縫墩與閘底板交界處，為5.14 MPa，小于C25混凝土抗壓強(qiáng)度極限。

圖18 正常蓄水位期閘室第一主應(yīng)力圖Figure 18 The first principal stress diagram of the sluice chamber during normal water level period

圖19 正常蓄水位期閘室第三主應(yīng)力圖Figure 19 The third principal stress diagram of the sluice chamber during normal water level period

圖20 正常蓄水位期上游橫斷面第一主應(yīng)力等值線圖Figure 20 Contour map of the first principal stress of upstream cross section during normal water level period

圖21 正常蓄水位期上游橫斷面第三主應(yīng)力等值線圖Figure 21 Contour map of the third principal stress of upstream cross section during normal water level period

正常蓄水位時(shí)期閘底板頂面、底面上游(x=19)、中游(x=10)和下游(x=0.5)第一主應(yīng)力圖見圖22。由圖22 可知，閘底板頂面除中游縫墩與閘底板交界處受到極小拉應(yīng)力外，不同位置第一主應(yīng)力變化規(guī)律及上、中、下游拉應(yīng)力值大小規(guī)律與完建期基本一致。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在下游處閘墩之間的閘底板頂面，最大拉應(yīng)力值約為0.58 MPa，上、中游最大拉應(yīng)力值分別為0.49 MPa和0.34 MPa。閘底板底面上、中、下游在各個(gè)部位均只受到拉應(yīng)力，且閘墩下的閘底板底面受到的拉應(yīng)力大于閘墩之間的底板底面處拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值均出現(xiàn)在中墩下的底板底面，上、中和下游值分別為0.52，0.22，0.68 MPa，同樣是上、下游的拉應(yīng)力值大于中游。

圖22 正常蓄水位期閘底板頂面、底面上游(x=19)、中游(x=10)和下游(x=0.5)第一主應(yīng)力圖Figure 22 The first principal stress of upstream (x=19), midstream (x=10) and downstream (x=0.5) of the top and bottom surface of soleplate during normal water level period

正常蓄水位期閘底板頂面、底面上游(x=19)、中游(x=10)和下游(x=0.5)第三主應(yīng)力圖見圖23。由圖23可知，底板頂面不同位置第三主應(yīng)力變化趨勢基本一致，拉應(yīng)力以及較大壓應(yīng)力出現(xiàn)的位置與完建期分布規(guī)律基本一致，上、中、下游最大壓應(yīng)力值分別為1.77，2.79，2.59 MPa。底板底面各部位應(yīng)力的變化趨勢與頂面相反，各個(gè)部位均受到壓應(yīng)力，閘墩與底板相交處壓應(yīng)力小于其他部位，上、中、下游壓應(yīng)力變化規(guī)律也與完建期相同，上、中、下游最大壓應(yīng)力分別為0.81，0.38，0.78 MPa。

圖23 正常蓄水位期閘底板頂面、底面上游(x=19)、中游(x=10)和下游(x=0.5)第三主應(yīng)力圖Figure 23 The third principal stress of upstream (x=19), midstream (x=10) and downstream (x=0.5) of the top and bottom surface of soleplate during normal water level period

4 穩(wěn)定分析驗(yàn)算

閘室在荷載作用下可能沿地基面發(fā)生滑動，當(dāng)?shù)鼗惺艿膲毫^大時(shí)甚至?xí)l(fā)生失穩(wěn)；地基的沉陷和不均勻沉陷，不僅會使閘室高程降低，還可能導(dǎo)致閘室傾斜甚至斷裂。盡管靜力學(xué)計(jì)算表明閘室沉陷量滿足要求，還是必須驗(yàn)算閘室和地基的穩(wěn)定性以保證閘室在各種情況下能安全可靠運(yùn)用。

土基上的閘沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G為作用在閘室上的全部垂直荷載總和，包括作用在底板上的揚(yáng)壓力(KN)；∑H為作用在閘室上的全部水平荷載總和(kN)；f 為閘室混凝土與閘室地基間的摩擦系數(shù)；C為閘室基底與地基的黏聚力(kPa)；A為閘室底板的面積(m2)；φ為閘室基礎(chǔ)底面與土基間的摩擦角(°)。

閘室基底應(yīng)力按式（2）計(jì)算：

式中：P為閘室基底應(yīng)力的最大值或最小值(kPa)；B為閘室寬度(m)；e為偏心距(m)。

式中：∑M為作用在閘室上的全部荷載對于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩(kN·m)。

渾河攔河閘為1級建筑物，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2016)，其沿閘室基底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值在基本荷載組合時(shí)K=1.35；特殊荷載組合時(shí)K=1.20。在各種計(jì)算情況下，土基上的閘室平均基底應(yīng)力不得大于地基允許承載力，最大基底應(yīng)力不得大于地基允許承載力的1.2倍。本工程閘址處地基允許承載力為360 kPa。

渾河攔河閘閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、基底應(yīng)力及不均勻系數(shù)的計(jì)算成果見表4。由表4 可知，不同工況下閘室抗滑穩(wěn)定性、基底應(yīng)力及不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表4 閘室抗滑穩(wěn)定、基底應(yīng)力及不均勻系數(shù)計(jì)算成果表Table 4 Calculation results of anti-sliding stability, non-uniformity coefficient and base stress of sluice chamber

5 討論與結(jié)論

彭志榮等[19]發(fā)現(xiàn)正常擋水期閘室豎向最大沉降量和最大、最小位移差均大于完建期，這與本研究結(jié)果一致。錢秋培等[20]利用ABAQUS 計(jì)算閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)閘墩底部出現(xiàn)較大拉、壓應(yīng)力，最大拉應(yīng)力雖超過混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，但在鋼筋混凝土材料的可承受范圍內(nèi)，可判斷閘室安全。郭博文等[18]以某跌水閘為例，首先利用有限元軟件對其進(jìn)行安全評價(jià)，判定閘墩與閘底板相交處易出現(xiàn)較大拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力為2.5 MPa，超過混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；然后通過力學(xué)計(jì)算進(jìn)行拉應(yīng)力復(fù)核，得到邊墩與閘底板相交處能承受的最大拉應(yīng)力為4.41 MPa，因而判斷水閘安全。本研究應(yīng)力分析有限元計(jì)算結(jié)果顯示，渾河閘完建期和正常蓄水位期的最大拉應(yīng)力分別為2.03 MPa、2.93 MPa，均超過強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，但拉應(yīng)力過大的區(qū)域非常小，且在鋼筋混凝土材料的抗拉能力承受限度內(nèi)，參考文獻(xiàn)[15]拉應(yīng)力復(fù)核方法，得到渾河閘縫墩與閘底板相交處能承受的最大拉應(yīng)力為4.58 MPa，大于兩種工況的最大拉應(yīng)力值，所以認(rèn)為不會對閘室結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定造成影響。王云[21]、陳立峰等[22]、李壯等[23]研究發(fā)現(xiàn)，不同工況下最大應(yīng)力值有所差別，與完建期相比，正常蓄水位時(shí)期結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力、局部拉應(yīng)力有所增大，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在閘墩上、下游與底板相交處。這與本研究得到的渾河閘最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在閘墩與閘底板相交處、正常蓄水位期最大壓應(yīng)力及拉應(yīng)力均稍大于完建期的結(jié)論一致。

本研究結(jié)果表明，不同工況下一、三主應(yīng)力的變化趨勢大致相同，應(yīng)力變化規(guī)律與實(shí)際情況基本相符。完建期、正常蓄水位期最大拉應(yīng)力分別為2.03 MPa 和2.93 MPa，均出現(xiàn)在縫墩與閘底板相交處的外側(cè)，兩種工況最大拉應(yīng)力均超過C25混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.78 MPa，但拉應(yīng)力過大區(qū)域僅出現(xiàn)在個(gè)別節(jié)點(diǎn)，且滿足拉應(yīng)力復(fù)核計(jì)算結(jié)果要求，參考其他學(xué)者的研究成果，判別此問題不會影響水閘結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。在水閘運(yùn)行中，可采取控制上、下游水位差等措施調(diào)整該區(qū)域受力狀態(tài)。完建期、正常蓄水位期最大壓應(yīng)力值分別為3.41 MPa和5.14 MPa，均小于C25混凝土軸心抗壓強(qiáng)度16.7 MPa。正常蓄水位與完建工況相比，閘室整體受到的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力稍有增大，可能是由于受到水壓力、揚(yáng)壓力等荷載共同作用所致，正常蓄水位工況為應(yīng)力控制工況。正常蓄水位期和完建期閘室豎向位移在距離閘墩上游側(cè)5～9 m處最大，從此處向上、下游側(cè)閘室豎向位移逐漸減小，且上游沉降量均大于下游側(cè)。完建期閘墩上下游沉降差為0.17 cm，小于正常蓄水位期的沉降差0.67 cm。這是由于閘室上部結(jié)構(gòu)布置偏向上游側(cè)，此外，正常蓄水位期上游除受到自重外，還受到水重作用，而下游無水，在多種荷載共同作用下導(dǎo)致正常蓄水位時(shí)期上下游沉降差增大。正常蓄水位期和完建期的豎向最大位移分別為13.83 cm 和13.40 cm，正常蓄水位期沉降略大，但二者相差不多，這是由于水閘結(jié)構(gòu)本身的自重和上部結(jié)構(gòu)的重量是引起閘室豎向位移的主要因素。同時(shí)，由于此閘室采用整體式閘底板，因而閘室垂直于水流方向沉降均勻，順?biāo)鞣较蛏稀⑾掠未嬖诔两挡?。完建期閘室向上游移動，移動范圍為0.04～0.11 cm；正常蓄水位期除閘底板底部外，閘室整體向下游移動，移動范圍為0～0.3 cm，閘底板向上游偏移的最大值為0.02 cm。兩種工況下閘室沿上下游方向位移的差別是由水平水壓力產(chǎn)生的，換言之，上下游水位差越大，閘室向下游偏移量越大。完建期和正常蓄水位期的閘室抗滑穩(wěn)定性、基底應(yīng)力和不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求。