覆盖层上水闸闸室结构与地基相互作用有限元分析

管玲玉

（华东勘测设计研究院，浙江 杭州 311122）

摘要：本文以跃进河挡潮闸为例，研究比较了水闸结构设计理论和三维水闸结构设计方法。运用有限元结构软件ANSYS，选取相联的七孔闸门建立三维有限元模型，分析结构和地基覆盖层在完建期闸室结构的应力、应变分布和变化规律。同时将有限元计算结果与等效静力法做比较，根据位移和应力的情况找出一些规律，为水闸设计提供依据。

关键词：稳定，水闸，有限元

一、工程概况

跃进河挡潮闸位于胶州湾畔，闸孔规模为7孔10.0m（净宽）×3.9m（高），闸室前缘总宽度为96.6m，水闸顺水流方向的总长度为124.0m，计算最大过闸流量546m³/s，为典型的软土地基。根据地质勘探资料和土力学实验得到6层覆盖层的有关参数：

河床覆盖层物理力学参数

表1  

二、弹性地基梁法计算应力

设计洪水工况H^上=2.8m，H^下=2.7m，根据《水闸设计规范》计算闸室稳定结果见下表：

水闸闸室稳定计算成果表

表2  

以上计算结果表明闸室整体稳定系数均不满足规范值，需进行基础处理。本工程采用灌注桩+粉喷桩联合地基，灌注桩桩径1m，间距3m×2.6m；粉喷桩桩径0.5m，框格式布置。计算结果统计表格如下：

计算结果

表3                           

合成位移<5mm，满足《水闸设计规范》要求。

三、基础沉降量计算

1、计算原则

在进行地基沉降计算时，先要确定地基的沉降深度(即压缩层的界定)，对天然沉积的土层，土体本身已在自重作用下压缩稳定，所以地基中的初始应力δZ随深度的分布即为土的自重应力分布。而地基土的压缩变形是由外界压力(沉降计算压力)在地基中引起的附加应力δS产生的，在理论上附加应力可深达无穷远。但目前在水利工程中通常按竖向附加应力δZ与自重应力δS之比确定地基沉降计算深度，对一般性粘土取δZ=0.2δS，对软粘土取δZ=0.1δS。

2、计算方法

软土地基在荷载作用下，地基总沉降量包括：瞬时沉降量(Sd)、主固结沉降(Sc)和次固结沉降(Ss)。总沉降量(S)可按下式计算：

次固结沉降是土骨架在持续荷载作用下蠕变所产生的沉降，该沉降量采用经验估算。瞬时沉降、主固结沉降、次固结沉降三者较难截然分开，本次设计中，将主固结沉降量计算结果用ms修正后作为最终总沉降量S。根据类似工程经验，本工程软土沉降经验系数按ms=1.5考虑。

3、计算结果

图1 填土—时间—沉降曲线

从图中可以看出，沉降量小于150mm，满足水闸安全和正常使用的要求。

三、有限元计算

1、有限元模型

模型选取水闸及一定范围地基：左右岸方向延伸100米，上下游方向延伸80米，由底板处向下延伸40米，将该模型按照整体剖分有限元网格。坐标原点取在上游最左端。

2、材料参数

混凝土和基岩采用线弹性材料，覆盖层采用理想的弹塑性材料。主体采用C30混凝土，弹性模量E=3.0×MPa；泊松比μ=0.167；容重γ=25.0KN/。

3、网格划分

由于闸体和桩的尺寸相差过大，综合考虑精度和计算时间的要求，我们使用普通的六面体8节点单元，并包含小部分退化单元，并将模型中桩的单元尺寸为600mm，其余部分为700mm。模型最终包含有245580个节点，228382个单元。

4、接触建立

闸门与墩之间由铰螺栓连接，从简化模型和减小计算量的角度考虑，使用ANSYS中的BONDED接触设置。

5、荷载与工况

施加9.8m²/s的重力加速度模拟土层及闸墩的结构自重，施加10KN/m的均布竖向荷载模拟地面荷载。上游水推力按作用在闸墩上的等效节点力施加，上下游水压力以面力形式作用在水闸上，扬压力以面力形式作用在底板上。由于模型模拟的范围足够大，在边界约束中假定不存在水平位移，模型最底端基岩采用三向固结约束，模型周边均采用水平连杆方式连接。

6、计算结果及分析

（1）位移成果分析

图1  y向位移图

图2  x向位移图

图3  z向位移图

由上图可见：X方向的位移0~20mm，最大位移发生在两侧闸墩的顶部，两边墩分别向外侧方向移动，最大移动位移约为75mm，地基表面由于受到闸室结构下沉所产生的拉力影响，左（右）岸地基表面有向右（左）岸移动的趋势。

由于上游水位大于下游水位，闸室结构向下游发生偏移，Y方向位移范围约为0~5mm。Y方向上闸室最大位移发生在上下游闸墩末端顶部。Y方向位移从闸墩顶部到闸基处逐渐减小，闸基底部末端上游位移值小于下游。闸室结构对覆盖层深度影响最大范围约三倍闸高上（下）游覆盖层有向下（上）游移动的趋势。

由于闸室结构的不对称，上游的沉降量略大于下游，闸室整体沉降值约22mm；Z向闸室结构的最大位移发生在闸墩下游顶部。离闸基中间位置越远，Z向沉降量越小，深度越深，沉降越小。

（2）应力成果分析

图4 覆盖层、闸墩、桩基应力图

计算显示，闸基底Y方向上基本为压应力，压应力分布比较均匀，应力值约0.11MPa，在闸底板与覆盖层接触的角部、闸墩与闸底板接触的角部均出现了较大的应力集中现象，约1.05MPa，由于闸室自重和水荷载、扬压力作用，下游角部的压应力大为上游角部的压应力。在闸基的上表面，由于闸墩作用，上表面受拉力作用，中间位置出现了较小拉应力，大约为0.64MPa。在地基不均匀沉降和闸墩共同作用下，闸底板下表面受压，并在闸墩与底板交接处出现应力集中，大约为0.6MPa。

闸底板在X方向由于地基的不均匀沉降，在闸室的地面出现了一定的拉应力，约0.5MPa；在Y方向上，闸底板受压应力较均匀，约0.5MPa，闸室底板下表面出现压应力集中，约1.4MPa，闸室底板的上表面出现拉应力集中，最大值约2.3MPa；在Z方向上基本为压应力，而且压应力的分布比较均匀，约1.5MPa。

最大位移和位置

表4                        

最大正应力和主应力

表5                      

四、小结

水闸是中小型水电工程中常用的一种挡水结构，本文以跃进河挡潮闸为基本的计算结构，使用弹性地基梁法计算了闸墩与地基内力和应力分布情况，运用E-P曲线法计算沉降；同时利用ANSYS数值模拟分析软件，分析了闸室结构在完建期的位移和应力分布情况。

（1）闸室结构的位移分析表明：闸室结构略向上游倾斜，上游端X向沉陷值要大于下游端，闸室的Y向位移均较小。

（2）闸基的应力分布都比较均匀，只是在角部出现了应力集中现象。上游角部的压应力要大于下游角部压应力。

（3）弹性地基梁法在计算底板应力时，当H/2L<0.2时，假设为“文克尔”型地基，此时覆盖层厚对底板应力影响明显；当H/2L>2.0时，假设为“半无限大弹性体”型地基，覆盖层厚对于闸底板应力影响已很小。而通过此次有限元分析，得到的结论是覆盖层厚对于底板应力的影响范围主要集中在H/2L<0.5时；而当H/2L>0. 5时，厚度对应力的影响已很小，可见有限元分析所得的覆盖层主要影响范围较之传统的弹性地基梁法认为的范围要小，即传统的弹性地基梁法考虑得偏于保守。

参考文献：

[1] 贾冬，厚覆盖层上的水闸三维有限元静力分析和动力响应分析研究，中国水利水电出版社，2005

[2] 张世儒，水闸[M]，水利出版社，1980年，1-29。

[3] 傅作新等，水闸底板的整体分析[J]，水利学报，1986年第5期，21-24。

[4] 傅作新，水闸底板的内力分析[J]，华东水利学院学报，1981年第一期，32-36。