基于ADINA的水閘滲流和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

葉建光， 李 曼， 顧伊娜

( 江蘇省淮沭新河管理處， 江蘇 淮安 223001 )

0 引 言

水閘是一種具有擋水、引水、防洪、分洪等功能的水工建筑物。我國(guó)興建水閘的歷史可以追溯到公元前500年，在世界范圍內(nèi)，水閘也有著悠久的歷史。我國(guó)自新中國(guó)成立后，修建了大量的各種類型的水閘，積累了豐富的水閘設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)。隨著水利行業(yè)不斷發(fā)展，特別是近年來對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視程度的提高，人們對(duì)水閘的設(shè)計(jì)方案提出了更高的要求，希望能達(dá)到生態(tài)環(huán)保、資源節(jié)約、功能多樣等多種目的，需要與水閘周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，并能形成一定的人文景觀，且要求結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐久、外觀美觀實(shí)用。因此，滿足上述要求的水閘設(shè)計(jì)與研究已成為目前水利工程一個(gè)熱點(diǎn)方向。水閘作為擋水建筑物，其穩(wěn)定與水有著密不可分的關(guān)系，在水的作用下，會(huì)出現(xiàn)滲流穩(wěn)定方面和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定方面的問題，影響水閘功能的正常發(fā)揮，甚至?xí)?dǎo)致閘壩事故的發(fā)生[1-6]。因此，如何科學(xué)準(zhǔn)確地進(jìn)行水閘滲流和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定方面的計(jì)算對(duì)水閘的設(shè)計(jì)就顯得至關(guān)重要了。本文以淮陰閘為例，采用ADINA有限元軟件建立了水閘的三維有限元模型，并對(duì)不同工況下的滲流穩(wěn)定和水閘結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了模擬分析，旨在為該水閘的除險(xiǎn)加固提供參考。

1 三維有限元模型的建立

1.1 基本概況

淮陰閘地處淮安市淮陰區(qū)王家營(yíng)街道楊莊，在中運(yùn)河與淮沭新河交匯處，淮陰閘是“分淮入沂、淮水北調(diào)”淮陰樞紐主體工程之一，建成于1959年10月。閘總寬345.4 m，共30孔，每孔凈寬10 m，閘室總長(zhǎng)107 m，閘孔凈高8.4 m，閘底板高程6.10 m(廢黃河基準(zhǔn)，下同)，胸墻底高程14.50 m，閘頂高程17.00 m，設(shè)計(jì)流量3000 m3/s，校核流量4000 m3/s，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇洪水。該閘工程規(guī)模為大(2)型，1995年加固按基本地震烈度7度設(shè)防，承擔(dān)排洪、灌溉、發(fā)電、調(diào)節(jié)航運(yùn)水位作用，在淮河洪水時(shí)泄3000～4000 m3/s入新沂河，以提高淮河下游的防洪能力，一般年份和桃汛期泄400～500 m3/s預(yù)降洪澤湖水位可保護(hù)淮沭河灘地0.47萬hm2農(nóng)作物免遭水害，為3個(gè)市11個(gè)縣(區(qū))工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活提供水源，為該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了積極作用。工程區(qū)地勢(shì)低洼，地貌屬于黃泛沖積平原，根據(jù)勘查結(jié)果，15 m深度范圍內(nèi)無液化層。

1.2 模型的建立

由于該閘的規(guī)模較大，閘底板為分離式底板結(jié)構(gòu)，且地基土變化較小，因此本次取水閘中間一個(gè)具有典型代表性的孔段建立三維有限元數(shù)值模型。模型上下游范圍自上游混凝土鋪蓋至下游消力池前端，垂直方向上自閘室底板向下延伸至弱透水層。模型采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)取模型下游右岸最底端，水閘軸線自左向右為X軸正向，自上向下順?biāo)鞣较驗(yàn)閅軸正向，豎直向上為Z軸正向。模型底部及四周為不透水邊界。水閘地基底部側(cè)邊為Z=0、X=0或Y=0，水閘軸線方向?yàn)閅=0。為保證數(shù)值模擬計(jì)算的精度，本次計(jì)算采用空間八節(jié)點(diǎn)六面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模型的單元?jiǎng)澐郑矂澐止?jié)點(diǎn)21512個(gè)，單元18140個(gè)。計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

1.3 計(jì)算參數(shù)及工況

根據(jù)水閘及所在位置的地層巖性，將水閘和地基共劃分為6種材料，其中地基土按非線性材料，水閘結(jié)構(gòu)按彈性材料。材料參數(shù)如表1所示，水閘及地基材料劃分如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型材料劃分

在本次計(jì)算時(shí)，荷載僅考慮結(jié)構(gòu)自重和水荷載，水的重度按9.8 kN/m3選取。根據(jù)水閘設(shè)計(jì)和運(yùn)行工況，共分為2種工況，分別為校核水位和設(shè)計(jì)水位，如表2所示。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 滲流穩(wěn)定分析

通過對(duì)水閘進(jìn)行整體滲流穩(wěn)定分析，得到了校核和設(shè)計(jì)水位下的總水頭云圖和壓力水頭云圖，如圖3和圖4所示。

圖3 總水頭云圖

圖4 壓力水頭云圖

表1 各材料計(jì)算參數(shù)

表2 計(jì)算工況

由圖3和圖4可以看出：在滲流分析時(shí)，首先設(shè)置初始水頭即位置水頭，模型的初始水頭比Z向的最大值稍大一點(diǎn)，總水頭等于壓力水頭和位置水頭兩者的和，因此，可以看出在校核水位和設(shè)計(jì)水位下，水閘的滲流特點(diǎn)基本一致，均在閘室底板處閘門附近發(fā)生集中滲流，且滲透坡降較大，總水頭在Y軸正方向呈遞減的趨勢(shì)，在Z軸方向上呈曲線等值線分布，即在高程方向上，隨高程的增加，壓力水頭逐漸減小。隨著水位的降低，滲流的等值線向上游擴(kuò)展，滲流坡降逐漸減小。在各計(jì)算工況下，滲透坡降在允許的范圍內(nèi)，滿足要求。各計(jì)算工況時(shí)的滲透坡降如表3所示。

表3 各計(jì)算工況時(shí)的滲透坡降

2.2 應(yīng)力應(yīng)變分析

在水閘整體滲流穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)上，選取閘室中間縱斷面進(jìn)行水閘結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分析，得到了校核和設(shè)計(jì)水位下的Y方向位移云圖、Z向位移云圖、最大主應(yīng)力云圖、最小主應(yīng)力云圖和Z向主應(yīng)力云圖，如圖5～9所示。

圖5 Y向位移云圖

圖6 Z向位移云圖

圖7 最大主應(yīng)力云圖

圖8 最小主應(yīng)力云圖

圖9 Z向應(yīng)力云圖

由圖5～9可以看出：

Y向(順?biāo)鞣较?位移：在水荷載的作用下，校核和設(shè)計(jì)水位時(shí)水閘和胸墻在Y方向位移均較大，校核水位時(shí)最大位移為0.58 mm，設(shè)計(jì)水位時(shí)最大位移為0.41 mm，最大位移均位于閘門背水面，此外，在水滲透壓力的作用下，校核和設(shè)計(jì)水位時(shí)閘門與底板接觸部位也呈現(xiàn)出大小不等總體較小的順?biāo)魑灰啤?/p>

Z向(豎直方向)位移：在水荷載的作用下，Z向向上的最大位移均位于胸墻下部的閘門處，校核水位時(shí)最大位移約為0.07 mm，設(shè)計(jì)水位時(shí)最大位移約為0.05 mm，Z向向下的最大位移均位于閘底板與地基土接觸部位，校核水位時(shí)最大位移約為0.31 mm，設(shè)計(jì)水位時(shí)最大位移約為0.27 mm，另外還可以看出，受材料影響，校核和設(shè)計(jì)水位時(shí)Z向位移均隨高程的不同具有明顯的梯度變化。

最大主應(yīng)力：在水荷載的作用下，校核和設(shè)計(jì)水位時(shí)最大主拉應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在閘底板與閘門的接觸部位，校核水位作用下最大拉應(yīng)力0.80 MPa，設(shè)計(jì)水位作用下最大拉應(yīng)力0.55 MPa，最大的主壓應(yīng)力則位于消力池處地基最下部，Y向(順?biāo)鞣较?在閘門附近均會(huì)產(chǎn)生較大的拉壓應(yīng)力，其中閘門與底板接觸部位拉應(yīng)力最大，Z向自閘底板向下壓應(yīng)力逐漸變大，自閘底板往上壓應(yīng)力則逐漸變小，其中也是閘門與底板接觸部位達(dá)到最大。

最小主應(yīng)力：在水荷載的作用下，最小主應(yīng)力的分布規(guī)律與最大主應(yīng)力接近，其最大拉應(yīng)力值位于閘門上游迎水面與底板接觸部位，校核水位時(shí)最大拉應(yīng)力0.11 MPa，設(shè)計(jì)水位時(shí)最大拉應(yīng)力0.07 MPa，其最大壓應(yīng)力則位于閘門下游與底板接觸部位，校核水位時(shí)最大壓應(yīng)力為0.82 MPa，設(shè)計(jì)水位時(shí)最大壓應(yīng)力為0.60 MPa。

Z方向應(yīng)力：Z方向應(yīng)力的分布規(guī)律也與最大主應(yīng)力接近，拉應(yīng)力最大值位于閘門上游迎水面與底板接觸部位，校核水位時(shí)最大拉應(yīng)力0.79 MPa，設(shè)計(jì)水位時(shí)最大拉應(yīng)力0.54 MPa，最大壓應(yīng)力位于閘門下游與底板接觸部位，校核水位時(shí)最大壓應(yīng)力為0.81 MPa，設(shè)計(jì)水位時(shí)最大壓應(yīng)力為0.58 MPa。應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 各工況時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

綜上所示，在2種工況下水閘的應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律相似，且均在允許的范圍內(nèi)，在閘底板與閘門的接觸部位以及胸墻底部會(huì)出現(xiàn)較大的拉壓應(yīng)力。因此，需要在這些部位采取合理配筋等手段，減少應(yīng)力對(duì)水閘結(jié)構(gòu)的不利影響。

3 結(jié) 論

通過采用ADINA三維有限元軟件對(duì)淮陰閘典型中孔進(jìn)行數(shù)值模擬分析，在校核水位和設(shè)計(jì)水位下，水閘的滲流特點(diǎn)基本一致，均在閘室底板處閘門附近發(fā)生集中滲流，滲透坡降在允許的范圍內(nèi)，滿足要求；在兩種工況下水閘的應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律相似，且均在允許的范圍內(nèi)，在閘底板與閘門的接觸部位以及胸墻底部會(huì)出現(xiàn)較大的拉壓應(yīng)力。因此，需要在這些部位采取合理配筋等手段，減少應(yīng)力對(duì)水閘結(jié)構(gòu)的不利影響。