李學(xué)德，秦景洪,2，趙津磊，張孟穎，蔣文志

(1.江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

近年來，我國不斷推進(jìn)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。水閘工程多興建于河道、水庫、湖泊以及濱海地區(qū)，在供水、灌溉、排澇及防洪等方面發(fā)揮了重大作用。然而由于服役時間過長，加之在設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行管理過程中存在或多或少的問題，混凝土結(jié)構(gòu)老化損害嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了水閘的安全服役性能。根據(jù)《水閘安全鑒定管理辦法》(水建管〔2008〕214號)，需定期對水閘建筑物進(jìn)行安全鑒定，評定的“四類閘”則需要進(jìn)行拆除重建[1-3]?，F(xiàn)行水閘地基設(shè)計(jì)中多對閘室與基礎(chǔ)分開考慮，在計(jì)算閘室底板及地基基礎(chǔ)直接約束時，出現(xiàn)較大誤差，影響了閘室結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形計(jì)算結(jié)果。

隨著三維計(jì)算力學(xué)的發(fā)展，其實(shí)用性不斷提升，當(dāng)前流行的商用軟件主要有ANSYS、ABAQUS、ADINA、HYPERMESH等[4]。三維有限元仿真可以基于不同的材料性質(zhì)以及各種結(jié)構(gòu)造型來分析靜力、動力、彈性以及塑性等問題。水閘有限元計(jì)算時，一般運(yùn)用剛性連接，難以模擬結(jié)構(gòu)間的滑動情況，不符合實(shí)際工程情況。本文借助ANSYS軟件，結(jié)合實(shí)際工程，單獨(dú)建立閘室與地基有限元模型，不同材料結(jié)構(gòu)間采用ANSYS中接觸單元進(jìn)行連接仿真[5]。

1 工程概況

研究水閘位于江蘇省淮安市淮陰區(qū)，中運(yùn)河與淮沭新河交匯處，是分淮入沂綜合利用工程之一，為淮漣灌區(qū)和徐溜灌區(qū)引水渠首工程，經(jīng)專家組鑒定為四類閘，須對該閘進(jìn)行拆除重建。設(shè)計(jì)采用原規(guī)模拆除重建方案，新建水閘單孔凈寬8 m，共3孔，為整體式平底板胸墻式水閘結(jié)構(gòu)。閘室底板面高程為7.5 m，厚度為1.3 m；胸墻底高程為12.0 m；上游墩頂高程為18.0 m，下游墩頂高程為16.0 m。由于邊墩外側(cè)擋土高度較高，邊墩做成變截面形式，邊墩上部厚度為1.0 m，下部至根部漸加厚至1.5 m。閘室底板順?biāo)飨蜷L度16.0 m，垂直水流向總寬為29.0 m。由于新建水閘閘室基礎(chǔ)位于原有老閘的換填粗砂層之上，設(shè)計(jì)時考慮將該層粗砂全部挖除，采用10%的水泥土進(jìn)行置換回填。

2 有限元模型

2.1 ANSYS接觸單元

結(jié)構(gòu)與土體運(yùn)行中多產(chǎn)生滑動甚至脫離現(xiàn)象，閘室承載的變化將影響到接觸狀態(tài)，引發(fā)接觸面的應(yīng)力及變形變化，進(jìn)而引發(fā)整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場。本次仿真計(jì)算考慮閘室及土體間滑動接觸面，ANSYS軟件中可設(shè)置三維面面接觸單元對CONTACT174及TARGET170，采用標(biāo)準(zhǔn)接觸[6-7]。

2.2 計(jì)算參數(shù)及模型

(1)計(jì)算參數(shù)

閘室混凝土構(gòu)件力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 閘室混凝土構(gòu)件力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，地基土力學(xué)參數(shù)對計(jì)算結(jié)果影響較大。地基土參數(shù)取值依據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告，變形模量取值參照《土力學(xué)與巖土工程師》[8]。置換10%水泥土變形模量、黏聚力及內(nèi)摩擦角取值參照《地基處理手冊》[9]。各地基土力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 地基土力學(xué)參數(shù)表

(2)有限元模型

為反映閘室整體效應(yīng)，將整個閘室結(jié)構(gòu)和地基土作為整體進(jìn)行計(jì)算。建模時地基選取范圍為：垂直水流及順?biāo)鞣较蚍植佳由扉l室寬度及底板長度2倍，向下延伸深度取閘室高度1.5倍，為保障計(jì)算結(jié)果精確，模型做了一定的簡化。

混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，采取實(shí)體單元SOLID65模擬；地基土應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系設(shè)定理想彈塑性D—P模型，采取SOLID45單元進(jìn)行模擬[10-11]。有限元模型單元共計(jì)111 487，節(jié)點(diǎn)共計(jì)130 321。圖1為結(jié)構(gòu)有限元模型。

圖1 有限元模型

2.3 計(jì)算工況

對該水閘進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，主要承受結(jié)構(gòu)自重，外部荷載及邊荷載作用。邊荷載對底板應(yīng)力影響較大，數(shù)值模擬中基于地基屬性以及可壓縮層厚度來模擬邊荷載。地基底面施加全約束，四個側(cè)面分別施加垂直于該截面方向的位移約束。通過數(shù)值仿真計(jì)算，分析不同工況下閘室豎向位移及應(yīng)力情況。

3 計(jì)算結(jié)果

按照上述的計(jì)算參數(shù)及模型，對3種工況進(jìn)行計(jì)算，求解出水閘閘室結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果見圖2～4。

圖2 完建期豎向位移分布云圖及第一主應(yīng)力分布云圖

3.1 豎向位移分析

完建期工況沒有上下游水荷載作用，水閘結(jié)構(gòu)自重和向下固定荷載是引起閘室豎向移動的主要因素。閘室豎向位移整體分布，豎向變形較大的部位為上游段中墩頂部及之間的部分區(qū)域，最大值出現(xiàn)在中墩頂部，最小值出現(xiàn)在閘室邊墩下游段外側(cè)，數(shù)值分別為1.45 cm及1.23 cm，不均勻沉降為2.2 mm。

由表4可以看出，完建期閘室豎向最大位移為1.45 cm，設(shè)計(jì)水位期為1.81 cm，校核水位期為1.95 cm，3種工況下豎向位移相差不大，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)豎向移動的主要因素。上下游水位差較大，上游段底板受到較大水重，在中墩上游段及之間的底板處出現(xiàn)較大豎向位移。

圖3 設(shè)計(jì)水位期豎向位移分布云圖及第一主應(yīng)力分布云圖

表3 計(jì)算工況

表4 不同工況下閘室Z向位移及最大主應(yīng)力值

3.2 應(yīng)力分析

完建期工況水閘僅受到自重及上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的載荷作用，閘墩呈現(xiàn)受壓狀態(tài)。閘底板靠近邊墩處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，越靠近現(xiàn)象越明顯，出現(xiàn)0.67 MPa拉應(yīng)力，但未超過C25混凝土抗拉強(qiáng)度值。

設(shè)計(jì)水位期工況受到上下游水荷載作用。閘底板承受豎向水重，底板上部承受了壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值為0.81 MPa，最大壓應(yīng)力值為0.8 MPa。閘墩在上游水推力作用下承受壓應(yīng)力作用。閘門在水平向水壓力作用下，門槽處壓應(yīng)力達(dá)到0.42 MPa，拉應(yīng)力單元點(diǎn)存在1.43 MPa，其余區(qū)域均小于0.7 MPa。邊墩內(nèi)側(cè)與閘底板銜接處承受較大的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值為1.21 MPa，這是因?yàn)殚l墩承受閘門傳遞的水平向水壓力與側(cè)向土壓力相互作用造成，但該處拉應(yīng)力小于C25混凝土抗拉強(qiáng)度值。校核水位期與設(shè)計(jì)水位期應(yīng)力分布趨勢相似，應(yīng)力值略有增大。

3.3 完建期閘室基底應(yīng)力

由于完建期閘室地基應(yīng)力較大，設(shè)計(jì)中往往需要根據(jù)完建期地基應(yīng)力情況，考慮是否需要進(jìn)行基礎(chǔ)處理。完建期地基應(yīng)力分布見圖5。

圖5 完建期基地應(yīng)力分布圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果知，完建情況下水閘閘室基底應(yīng)力均為受壓，不存在拉應(yīng)力；閘底板在閘室中墩、邊墩、齒墻附近出現(xiàn)應(yīng)力集中分布現(xiàn)象，底板其它部位分布較為均勻，其中閘室基底最大壓應(yīng)力為66.5 kPa，靠近邊墩上游齒墻附近，主要原因是由于閘底板要承受不平衡剪力和閘墩及閘室上部結(jié)構(gòu)的重力。除靠近邊墩上游齒墻附近部位，閘室基底最大壓應(yīng)力為47.2 kPa、最小壓應(yīng)力為28.0 kPa，可求得不均勻系數(shù)為1.69，閘室穩(wěn)定性較好。

4 結(jié) 語

(1)借助ANSYS軟件，將水閘底板、閘墩和地基作為一個整體，建立水閘整體有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。結(jié)果表明閘室變形呈現(xiàn)出中部大，周邊小的特點(diǎn)；閘墩靠近底板處有應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

(2)對水閘結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時，地基模擬較為粗糙，土層分層較為明確，各層參數(shù)隨著深度變化而改變，滲流性能也會變化，此時應(yīng)在模型中引入滲流場，考慮滲流對閘室結(jié)構(gòu)的影響，該問題還有待進(jìn)一步研究。