基于ANSYS的孟家闸闸室稳定有限元分析

马 飞 马兆会 李永春

（德州市水利勘察设计研究院 山东德州 253014)

1 工程概况

孟家拦河闸位于德州乐陵市孔镇孟家村东马颊河干流234+032里程处。该闸为钢筋混凝土开敞式，共7孔，闸室总长77.8m，基础为小底板。直升式平板钢闸门，闸门尺寸为10 m×6m，工程等别为Ⅲ等，建筑物级别为3级。设计防洪流量856m3/s，相应闸上、下游水位分别为12.03、11.86m（黄海，下同)，排涝流量556m3/s，相应闸上、下游水位分别为 10.37、10.26m，设计蓄水量655万m3，最大蓄水量930万 m3，相应闸上、游水位分别为 9.56、10.26m，年调节水量2800万m3。孟家闸自建成后已运行40余年，担负着防洪排涝以及沿河农田灌溉的任务，为周边地区人们的生、生活提供了安全保障，同时也缓解了水资源紧缺的矛盾，为当地的农业发展提供了保证。根据SL214—98《水闸安全鉴定规定》及相关规范要求，2000年 8月山东省水利工程质量检测中心站对该闸进行安全鉴定，评定该闸为三类病险水闸。其中闸室存在的主要问题包括：（1)混凝土碳化严重；（2)机架桥主梁竖向裂缝对结构安全极为不利；（3)水闸右岸渗流测试自电曲线相对异常值达 81mv，系严重渗流的反映，已产生渗透变形，对闸室及边坡稳定已构成严重威胁。

2 计算工况、荷载及其组合

孟家闸顺水流方向设置2cm厚的永久缝，计算单元为宽5.3m，长14m的长方形底板。本次分析只考虑非常运用期，即上游最高挡水位10.26m，下游无水的最不利工况。

荷载计算包括完建期的底板自重、闸墩、闸门、交通桥、排架、机架桥、启闭机，还包括最高挡水位时的水平水压力、上游水重、扬压力、浪压力、风荷载。

3 闸室稳定三维有限元分析

3.1 有限元模型的建立

ANSYS有限元分析软件有着分析功能强大、操作方式简单、计算结果精确的特点。它可以模拟当前工程中涉及的很多内容。同时，可以从多角度体现模型状态的三维可视建模方式能更加直观的显示工程情况。本文就是利用ANSYS软件为计算分析平台，将这种方法用于对病险水闸闸室稳定性进行分析及应用。对于一个复杂的三维立体结构闸室来说，本文采用自底向上的方法创建几何模型。

通过ANSYS有限元软件中的“静力分析”模块，分析闸室在非常运用期工况下的稳定性。将材料按弹性介质进行处理，采用八结点六面体实体solid45、solid65 单元模拟闸室结构。

取闸底板顶点为坐标原点，竖直向上为Y轴的正向，顺水流方向为Z轴的正向，垂直水流流向并指向左岸为X的正向。计算时取单孔一联闸室结构, 按闸底板分缝建立单孔一联有限元模型,即将闸底板、闸墩、交通桥、机架桥、启闭机房以及地基建成整体三维模型。边界条件为位移约束条件，约束全部加在土体上。下部边界固定Y方向位移，顺水流向两侧边界固定X方向位移，垂直河流向两侧边界固定Z方向位移。

为正确反映出闸室各构件的实际工作状态。考虑各部件的受力特点，将闸门面板选为实体单元solid45，闸墩和闸底板选为实体单元solid65。分析闸室受力后的应力、应变情况，建模时略去次要结构部分，只考虑了闸底板、闸墩、闸门等主要构件。

垂直荷载加载在8个闸墩上，闸门主要受力为迎水面的静水压力和闸门自重。水压力沿水深方向成三角形分布。闸门密度ρ=7850kg/m3，弹性模量取Es=2.06×1011N/m2，泊松比μ=0.3。闸墩、闸底板密度ρ=2400kg/m3，弹性模量取Es= 2.85×1 09N/m2，泊松比μ=0.3，采用混凝土本构模型。划分网格单元边长为1，自由划分。求解时采用静力求解，大位移开启，求解步控制最大为 100、最小为 1。建立有限元模型如图1所示。

图1 三维有限元模型图

3.2 闸室稳定静力分析结果

（1)整个闸室结构的最大位移为0.856mm，X方向最大位移为 0.04mm，分布在闸门与闸墩的上部交接处；Y方向最大位移为0.00125mm，分布在整个闸底板上；Z方向最大位移为0.00182mm，分布在闸底板及闸底板与闸墩、闸门三者的交界处。

（2)X方向最大拉应力为 110.6kPa，位于闸门与闸墩的上部交接处，最大压应力为98.3kPa，位于闸门的中上部；Y方向最大拉应力为 60.4kPa，位于闸墩上部，最大压应力为194.2kPa，位于闸门及闸墩的下部；Z方向最大拉应力为 69.8kPa，位于闸门中部，最大压应力为56.2kPa，位于闸墩的底部。

4 结论

通过本文有限元模拟的结果可以得出：有限元分析能够较好地模拟闸室稳定性，较可靠地反映实际工程情况，同时也验证了有限元模型的准确性，可用来作更深一步的分析。通过以上研究，可以得出以下几点结论：

（1)基底压力的最大值与最小值之比不大于规定的容许值。该闸为3级建筑物，沿闸室底面抗滑稳定安全系数的允许值特殊组合时为1.10，模拟结果为2.37，抗滑稳定安全系数大于规定的容许值。闸室底板、闸墩等部位结构强度均满足规范要求。

（2)从计算结果可以看出，ANSYS有限元分析比传统的计算方法更加直观、简洁地反应工程实际情况。同时，静力分析能够较好地反映水闸在最高挡水位工况下的受力、弹性变形等情况。

（3)通过以上计算结果，说明本文采用的简化模型及边界条件合理可行，对今后实际工程的进一步优化、分析提供了一定的思路和方向。

1 满广生.水闸设计及闸室结构的有限元分析[D].合肥∶合肥工业大学出版社, 2003.

2 刘斌.水闸闸室稳定计算分析[J].中国水运,2010,10（8)：179-180.

3 任江龙.泄洪闸抗滑稳定三维有限元分析[J].科技创新导报，2008(32)：113-114.