水閘除險(xiǎn)加固工程結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

曹凱敏,黃逸軍,邢永蘭

(湖州南太湖水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 浙南分公司,浙江 溫州 325000)

0 引 言

攔河閘作為一種重要的水利工程設(shè)施,廣泛應(yīng)用于各地的河流治理和防洪工作中[1]。攔河閘在長(zhǎng)期使用過(guò)程中,由于受到水流沖刷、潮汐漲落、腐蝕、疲勞等因素的影響,其結(jié)構(gòu)性能逐漸下降,導(dǎo)致其在遭遇風(fēng)浪、洪水等自然災(zāi)害時(shí)出現(xiàn)損壞,引發(fā)安全事故[2-3]。因此,對(duì)于攔河閘的除險(xiǎn)加固和閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析等問(wèn)題的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在研究攔河閘除險(xiǎn)加固和閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析問(wèn)題時(shí),傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法受到諸多限制,難以得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果[4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的不斷發(fā)展,許多研究者開(kāi)始運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)進(jìn)行閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析[5]。ANSYS軟件作為工程仿真軟件之一,在結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用。其強(qiáng)大的計(jì)算和模擬能力,可以模擬各種工程問(wèn)題,并幫助研究人員進(jìn)行理論分析和驗(yàn)證。因此,本文提出融合ANSYS的攔河閘除險(xiǎn)加固工程閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析方法,以期為攔河閘除險(xiǎn)加固工程提供更多參考。

1 攔河閘的除險(xiǎn)加固、結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算和閘室結(jié)構(gòu)受力分析研究

1.1 攔河閘概況及除險(xiǎn)加固方案

攔河閘作為河流治理和防洪的重要設(shè)施,在保障河流安全和運(yùn)行中發(fā)揮著重要的作用,因此攔河閘的除險(xiǎn)加固問(wèn)題不容忽視[6-7]。目前,由于多年前的攔河閘設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和管理手段不夠完善,導(dǎo)致大量攔河閘存在安全隱患[8]。本文以樂(lè)清市海塘安瀾工程中的勝利長(zhǎng)勝塘水閘為例,對(duì)其閘室構(gòu)造尺寸、除險(xiǎn)加固方法進(jìn)行分析,從而為攔河閘的除險(xiǎn)加固和閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析研究提供數(shù)據(jù)和理論參考。

經(jīng)過(guò)計(jì)算,水閘所需要應(yīng)對(duì)的20年一遇洪水排澇流量達(dá)到18.2m3/s。水閘內(nèi)側(cè)圍區(qū)常水位2m,閘前20年一遇內(nèi)河水位3.34m,閘前50年一遇內(nèi)河水位3.68m?，F(xiàn)狀涵閘結(jié)構(gòu)僅使用C25預(yù)制樁基礎(chǔ),規(guī)格為邊長(zhǎng)250mm,梅花形布置,無(wú)法滿(mǎn)足承載力要求。作為本工程而言,開(kāi)敞式和涵洞式在閘室部位已無(wú)明顯區(qū)別,主要根據(jù)水閘所處的位置以及上下游連接建筑物情況。

綜合分析結(jié)果,研究提出除險(xiǎn)加固方案:水閘設(shè)計(jì)規(guī)模為1×3m,閘底板設(shè)計(jì)高程0m。上游護(hù)底段順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)8m,上游防沖槽長(zhǎng)5m;閘室及交通橋段順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)11m,閘頂高程8.6m;下游消能防沖段順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)31m,消力池長(zhǎng)12m。

1.2 攔河閘的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算和力分析方法

閘室底板支撐著上方的設(shè)備并保持閘室內(nèi)部的水平,使閘門(mén)開(kāi)關(guān)更加順暢,閘門(mén)與閘室底板配合保證了閘門(mén)的密封性能[9-10]。閘室基樁因?yàn)椴荒芸紤]原閘室的頂推力,所以需要承受整體結(jié)構(gòu)的全部水平力,樁基的位置分布決定了閘室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方向。研究進(jìn)行閘室設(shè)計(jì)時(shí),將閘室底板視作一個(gè)懸臂板,根據(jù)基樁位置和閘室整體結(jié)構(gòu),將底板劃分為3個(gè)板帶,見(jiàn)圖1。

圖1 閘室底板板帶劃分

由圖1可見(jiàn),閘室底板沿水流方向被劃分成長(zhǎng)度為2.245、3.965、4.790m的3段板帶。完整板帶包含32個(gè)基樁,其中板帶1包含14個(gè)基樁,板帶2包含10個(gè)基樁,板帶3包含8個(gè)基樁。3段板帶分別使用直徑為18、25、20mm的鋼筋。設(shè)計(jì)閘室底板使用C25混凝土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)澆筑。閘室底板中間具有分縫結(jié)構(gòu),順?biāo)鞣较虻膭偠容^大,可以不考慮順?biāo)鞣较虻氖芰?。閘室底板基樁承受建筑的載荷重力,并將載荷分散到地下,減少底板的直接受力,同時(shí)基樁將閘室底板與地下土壤進(jìn)行連接,當(dāng)水位較高時(shí),基樁可以避免閘室底板被水壓損毀[11]。因此,對(duì)基樁的垂直承載力進(jìn)行計(jì)算,公式如下:

Ra=qpaAp+up∑qsiali

(1)

式中:Ra為垂直的荷載值;Ap為基樁的橫截面積;up為樁周外徑;li為土層厚度。

水閘地基使用直徑為600mm的灌注樁進(jìn)行處理,上部使用砼結(jié)構(gòu)。在閘室工作期間,灌注樁與底板之間的抗滑系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 灌注樁摩擦系數(shù)

由表1可知,灌注樁建成后,設(shè)計(jì)洪水情況下的水平力為12 154.23kN,校核洪水情況下的偏心距、不均勻系數(shù)、抗滑穩(wěn)定性系數(shù)均低于設(shè)計(jì)洪水情況;在建成無(wú)水情況下,所受水平力極小,但垂直力達(dá)到45 101.04kN,高于有設(shè)計(jì)洪水和校核洪水情況的垂直力,導(dǎo)致灌注樁有-0.01的偏心距。在建成無(wú)水情況下,地基直接承受上方建筑載荷,所受直接應(yīng)力達(dá)到131.20kPa。使用寬頂堰流公式對(duì)過(guò)流能力進(jìn)行計(jì)算,公式如下:

(2)

式中:Q為水流流量,m3/s;B為閘孔的總寬度,m;δ為引水系數(shù)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算后,得到過(guò)流能力為120m3/s,達(dá)到使用需求。消力池在開(kāi)閘泄洪時(shí)可以減緩水流速度、分散水流能量,從而減少水流對(duì)周邊設(shè)施的沖擊和破壞,同時(shí)能夠?qū)λ谐练e物進(jìn)行沉淀,達(dá)到治理河道的目的[12]。

而對(duì)于攔河閘而言,在豐水期需要能夠攔截上游洪水;平常期和枯水期需要能夠調(diào)節(jié)水位,以滿(mǎn)足下游城市、農(nóng)田用水需求,所以在平常期和枯水期需要開(kāi)啟部分閘門(mén)[13]。因此,需要對(duì)消力池的深度進(jìn)行計(jì)算,公式如下:

(3)

經(jīng)過(guò)對(duì)各時(shí)期的水流參數(shù)進(jìn)行計(jì)算后,設(shè)置消力池深度為1.2m,池長(zhǎng)度為16.8m。

滲流穩(wěn)定性影響河岸和閘基體的穩(wěn)定性,若兩岸繞滲穩(wěn)定性不足,可能導(dǎo)致河岸的土壤和砂石松散并被沖入河道內(nèi),引起河道淤積,河岸和閘基體在長(zhǎng)期受力不均作用下出現(xiàn)安全隱患[14],因此需要對(duì)兩岸繞滲穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。研究以減載孔外邊墻和臨、背河堤頂邊線(xiàn)提取交點(diǎn),對(duì)上下游出入滲界面邊線(xiàn)作垂直截取斷面并展開(kāi)。見(jiàn)圖2。

圖2 兩岸繞滲流網(wǎng)

由圖2可知,計(jì)算斷面以土壤類(lèi)型為標(biāo)準(zhǔn),分為堤身土、砂壤土、壤土、黏土等幾類(lèi),并對(duì)不同區(qū)域土壤進(jìn)行編號(hào)。其中,沙壤土可直接分為3類(lèi),2號(hào)沙壤土和2-1號(hào)沙壤土屬于同一類(lèi);壤土因所含顆粒大小和礦物成分密度不均勻,故在后續(xù)計(jì)算中分為3類(lèi);在堤頂上游側(cè)邊界處,垂直于堤頂面設(shè)置高壓噴射灌漿截滲墻。計(jì)算斷面的各土層滲透系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 土壤滲流系數(shù)

攔河閘在不同自然環(huán)境和工況下的受力情況有較大區(qū)別,一般是以關(guān)門(mén)擋水、無(wú)水情況為基本情況。為了提高攔河閘的穩(wěn)定性,還需取地震情況結(jié)合多年平均設(shè)置一種特殊情況。在進(jìn)行計(jì)算時(shí),一般會(huì)以閘室底板、閘門(mén)等作為單獨(dú)的部分來(lái)進(jìn)行計(jì)算,這樣計(jì)算較為簡(jiǎn)便,但在進(jìn)行整體分析時(shí),由于對(duì)連接部的忽略會(huì)導(dǎo)致結(jié)果和實(shí)際情況存在偏差[15]。計(jì)算機(jī)輔助軟件在進(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)較為簡(jiǎn)便快捷,同時(shí)可以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。鑒于此,研究使用ANSYS有限元分析軟件,對(duì)攔河閘受力進(jìn)行建模分析,并對(duì)研究提出的攔河閘閘室除險(xiǎn)加固方案的有效性進(jìn)行分析。

2 基于ANSYS的攔河閘閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析方法驗(yàn)證

ANSYS可以模擬機(jī)械結(jié)構(gòu)與流體之間的相互作用,軟件中的可視化功能可以圖形方式展現(xiàn)仿真結(jié)果,使結(jié)果展示更為直觀,數(shù)據(jù)互動(dòng)性便捷,在進(jìn)行有限元分析時(shí)具有一定優(yōu)勢(shì)。使用ANSYS對(duì)攔河閘進(jìn)行建模,共建立80 166個(gè)實(shí)體單元,其中包含13 746個(gè)SOLID65單元,代表閘室底板和閘墩;66 420個(gè)SOLID185單元,代表地基;共有90 774個(gè)節(jié)點(diǎn)。以三方向?yàn)榛据S,水流方向?yàn)閆軸,向上游為正方向;垂直水平面向上為Y軸;X軸同時(shí)垂直于Z軸與Y軸。地基深度設(shè)置為閘墩的2倍高度;地基長(zhǎng)寬為閘墩高度和閘室底板寬度的2倍。因地基體積過(guò)大,在進(jìn)行建模分析時(shí)會(huì)影響整體圖像展現(xiàn),所以以縮小尺寸,對(duì)地基底部施加全約束,地基周?chē)┘臃ㄏ蚣s束。攔河閘閘室結(jié)構(gòu)模型的網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

圖3 攔河閘閘室結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分

由圖3(a)可知,模型的網(wǎng)格線(xiàn)在攔水閘閘室底板和閘墩部分較為密集,對(duì)相應(yīng)的X軸、Z軸延伸方向的網(wǎng)格線(xiàn)也一并收攏變得密集。由圖3(b)可知,在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí),將攔水閘閘室底板和閘墩部分劃為一類(lèi),將地基劃為一類(lèi)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置3種工況,見(jiàn)表3。

表3 載荷情況

由表3可知,完建期的攔河閘只受自重載荷,因無(wú)上下游蓄水,所以不受到水重載荷、靜水壓力載荷、揚(yáng)壓力載荷;正常蓄水位和校核水位工況受到靜水壓力、水重、揚(yáng)壓力、自重載荷。

單元材料參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表4。由表4可知,設(shè)置閘室密度略小于地基的同時(shí),彈性模量遠(yuǎn)大于地基。在使用研究方法進(jìn)行除險(xiǎn)加固后,使用ANSYS進(jìn)行閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。

表4 單元材料參數(shù)

工況1(完建期)的分析結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知,工況1(完建期)的位移情況呈兩側(cè)對(duì)稱(chēng),中部閘墩頂部發(fā)生位移最嚴(yán)重;在僅受自重時(shí),閘室底板與閘墩連接處的應(yīng)力分布較為集中。

圖4 工況1(完建期)分析結(jié)果

工況2(正常蓄水位)的分析結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知,工況2(正常蓄水位)的位移情況呈兩側(cè)對(duì)稱(chēng),中間閘墩頂部發(fā)生位移最嚴(yán)重;在受設(shè)計(jì)洪水作用時(shí),閘墩與閘室底板連接處的應(yīng)力分布較為集中。

圖5 工況2(正常蓄水位)分析結(jié)果

工況3(校核水位)的分析結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可知,工況3(校核水位)的位移情況呈兩側(cè)對(duì)稱(chēng),中間閘墩頂部發(fā)生位移最嚴(yán)重;在受校核洪水作用時(shí),閘墩與閘室底板連接處的應(yīng)力分布較為集中。

圖6 工況3(校核水位)分析結(jié)果

對(duì)使用研究方法進(jìn)行除險(xiǎn)加固后的攔水閘,進(jìn)行3個(gè)工況下的位移、應(yīng)力測(cè)量,結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知,工況1(完建期)的σ1最小應(yīng)力絕對(duì)值最小,僅為0.281 3MPa;工況2(正常蓄水位)的最小位移絕對(duì)值最大,達(dá)到5.978 0mm;工況3(校核水位)的σ3最大應(yīng)力最大,達(dá)到0.006 9MPa。

表5 位移及應(yīng)力結(jié)果

對(duì)比分析可知,攔河閘閘室的位移情況和應(yīng)力分析結(jié)果與實(shí)際情況相符,表明研究所提的攔河閘除險(xiǎn)加固工程中的閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析方法具有較優(yōu)秀的準(zhǔn)確度,所提的除險(xiǎn)加固方案也有效。

3 結(jié) 論

攔河閘的整體穩(wěn)定性和耐用度與閘室結(jié)構(gòu)的受力情況息息相關(guān),因此對(duì)閘室結(jié)構(gòu)的受力分析具有十分重要的意義。本文以海塘安瀾工程中的勝利長(zhǎng)勝塘水閘為例,對(duì)其工作情況進(jìn)行分析,并根據(jù)對(duì)過(guò)流能力、繞滲流情況的計(jì)算,提出了除險(xiǎn)加固方案,最后利用ANSYS軟件對(duì)攔河閘閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析。結(jié)果顯示,ANSYS軟件在研究建立的分析環(huán)境下,能有效對(duì)攔河閘閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析。研究結(jié)果為攔河閘除險(xiǎn)加固工程提供了新的參考,為閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析提供了新的手段。