拼接式农田灌排矩型渠结构的优化与数值模拟分析

孙景路，李欣欣，王正君，张 滨，常俊德

(1.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江省季节冻土区工程冻土重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080;3.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

拼接式农田灌排矩型渠结构的优化与数值模拟分析

孙景路1,2，李欣欣3，王正君3，张 滨1,2，常俊德1，2

(1.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江省季节冻土区工程冻土重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080;3.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

拼接式矩型渠是由左、右L型侧墙和现浇混凝土底板三个结构单元组成的一种新型的预制装配式输水渠。本文采用大型有限元分析软件ABAQUS建立了组合式矩型渠的模型，模拟和分析了原方案和优化后的L型渠在不同工况下的受力状态。结果表明：从承载力极限状态、结构的正常使用以及制造成本方面，优化后的结构都具有明显的优势。同时也证明了本工程优化后的方案具有应用的价值。该方案不仅解决工程占地较大的突出问题，还推动灌区续建配套与节水改造渠系工程建设取得实质性进展。

预制装配式输水渠；L型渠；数值模拟；有限元模型

近年来，我国加大以水利为重点的农业建设，小型渠道工程成为了农田水利基础设施建设的重点[1-3]。其中混凝土防渗渠道是现代节水农业采用的主要方式之一，也是提高渠系水利用系数的一个有效途径[4]。其优点是渠道渗漏少，能充分利用当地材料，便于管理，使用年限长等[5]。由于矩形断面具有断面形式简单，施工方便的特点，在中小型供、排水渠槽工程中被推广应用[6]。尤其对于东北地区田间防渗工程工期短的特点，装配式混凝土矩型渠更加适合[7]。

本次采用的拼接式矩型渠(L型)是一种新型的预制装配式输水渠，其由左、右L型侧墙和现浇混凝土底板三个结构单元组成。基础经处理后将左、右两L型侧墙按照设计渠宽定位安装好，左、右侧墙底板间的位置采用现浇混凝土的方式封底。针对拼接式矩型渠应用的基本条件，本次设计的计算内容包括过水能力验算、整体稳定分析和结构设计。图1为拼接式矩型渠一般断面结构示意图，渠底基础的处理根据渠道沿线的地质条件确定，对有冻胀防护要求的渠段按照渠系工程抗冻胀设计规范的要求进行专门设计。图2为L型渠典型断面图，预制混凝土L型渠参数见表1。

表1 预制混凝土L型渠参数表

图1 拼接式矩型渠一般断面结构图

根据对结构进行抗裂验算，得知在拼接式矩型渠侧壁与底板连接的拐角处不易满足抗裂要求。因为依据设计条件混凝土采用的是C50，所以对结构的优化只能通过改变拼接式矩型渠的断面尺寸实现。本文将此处截面优化为边长100 mm的倒角,优化后L型结构的断面见图3。

图2 L型渠典型断面图

图3 优化后的L渠断面(单位：mm)

1 L型渠的稳定分析

1.1 平面滑动稳定分析

结构在水平面上受力是对称的，没有引起结构水平稳定失稳的滑动力，因此结构在平面上无滑动破坏的风险。

1.2 抗倾覆稳定分析

由于拼接式矩型渠结构由两部分组成分别为L型预制混凝土构件和现浇混凝土底板，这样就存在一个问题就是两部分结构能否实现有效连接，形成整体矩形渠结构，现在分别分析两种情况下结构的倾覆稳定性。

(1) 通过预留钢筋、凿毛或使用粘合剂等处理措施后，两部分构件形成整体矩形结构，在本次设计的基础上渠外填土等高，水渠相当于一个盛水的容器，此时无倾覆力矩且基底应力均匀分布，只要配筋满足结构强度要求，结构不发生构造破坏，就不会发生倾覆失稳破坏。

(2)两种结构交接面无法形成完好连接，L型渠结构无法与底板协调受力，未能形成整体矩形渠结构。此时L型渠结构在土压力和水压力等水平力作用下有发生倾覆的失稳趋势，针对该种受力状况，取一侧L型预制构件为受力分析对象，进行抗倾覆稳定分析。

1.3 结构承载力分析

结构水平受力如图4所示。图中Pa为外侧回填土压力，Pw为渠内水压力，Fy为底板顶层钢筋的拉力，Pc为底板底层受压区混凝土及底层钢筋的压力，假定底板底层受压区混凝土及底层钢筋的压力的合力作用线与底层钢筋重合。

图4 L型渠稳定分析受力简图

L型渠结构分为侧墙和底板两个部分，侧墙横断面为L型，为工厂预制钢筋混凝土结构，按照底端固结的悬臂梁计算，底板为现浇钢筋混凝土结构，按照受弯构件计算，计算结果表明各L型渠在倾覆力矩的作用下是稳定的。

1.4 钢筋拉拔强度验算

结构底板与地基间的摩擦力可以减少L型渠输水过程中对底板横断面产生的拉拔力，是有利的，验算钢筋抗拉拔破坏时忽略基底摩擦力，此时验算结果是偏于安全的。两侧无填土渠内满水工况下底板钢筋所受到的拉拔力是最大的，通过对各型号L型渠钢筋拉拔验算结果可知在水压力产生的水平拉力下，预制L型立墙与现浇底板间的锚固钢筋不会被拉出。

1.5 造价分析

对渠系结构优化后与原设计进行比较分析，基于原填方渠道设计提供的渠道长度，如原设计长度为扣除交叉建筑物的长度，则比较工况一致；如未扣除，优化后的方案从造价方面考虑则优势更高。渠系结构优化(采用L型渠)后，不仅大幅度降低了项目总投资，还大面积节省工程占地，带来良好的经济效益和生态效益。

2 工况及建筑等级

2.1 工况

工况1：不考虑冻胀力，渠内满水。

工况2：考虑冻胀力，地基土的冻深为2 m。

工况3：考虑冰压力，冰厚0.3 m。

工况4：考虑渠外侧填土压力，渠内满水。

2.2 建筑等级

水工建筑物等级为4级。

3 拼接式矩型渠的数值模拟分析

为了更真实地模拟结构的实际受力状态，考虑到在具体使用时，整个结构为由两个相对而立的L型侧墙部分与一个位于二者中间的现浇底板共同组成，由此形成一个完整的“拼接式矩型渠”，所以在建模时将现浇底板也纳入到结构分析当中。L型侧墙部分采用的是C50混凝土，现浇底板部分采用的是C25混凝土。抗冻性能不低于F300[8-10]。

3.1 数值模拟分析方案

本文建立了三种分析方案以便更好地分析不同工况下L型侧墙与现浇底板之间的相互作用。

(1)方案一：L型侧墙断面尺寸采用优化方案，受力钢筋的保护层厚度为25 mm；现浇底板上下布置两层各15根Φ10钢筋。预制的L型侧墙与现浇底板之间仅由上下两层各15根Φ16钢筋连接。为模拟现浇混凝土底板浇筑不良的情况，在L型侧墙与现浇底板之间设置摩擦接触。

(2)方案二： L型侧墙断面尺寸采用优化方案。结构的钢筋布置方案同方案一。但在预制L型渠底部与现浇底板之间留有20 mm缝隙，用以模拟混凝土底板浇筑不佳的情况。

(3)方案三： L型侧墙断面尺寸采用优化方案。结构的钢筋布置方案同方案一。但预制L型侧墙底部与现浇底板之间的混凝土及钢筋整体连接，用以模拟现浇混凝土底板浇筑良好的情况。

3.2 建立有限元模型

3.2.1 几何模型

模型的结构部分宽度取一个完整的“拼接式矩型渠”，其长度取2 m；土体的部分取长为2 m，宽为2倍结构部分宽度，高为6倍结构部分宽度作为分析计算单元，几何模型见图5。

图5 拼接式矩型渠几何模型

3.2.2 有限元模型

(1)L型渠。L型渠共有7200个单元。长度方向的网格尺寸长度取100 mm。

优化方案断面的宽度方向网格尺寸在不同位置处分别取15 mm、40 mm、50 mm；高度方向网格尺寸在不同位置处分别取15 mm、50 mm、130 mm。

(2)现浇底板。现浇底板共有7000个单元。长度方向的网格尺寸长度取100 mm。

优化方案断面的宽度方向网格尺寸在不同位置处分别取60 mm、180 mm；高度方向网格尺寸取15 mm。

(3)地基土。地基土优化方案共有27 300个单元。长度方向的网格尺寸分别取100 mm; 高度方向的网格尺寸最小取200 mm，最大取2000 mm；与L型渠和现浇底板接触部分的宽度方向网格尺寸参照L型渠和现浇底板的尺寸长度。

优化方案断面的L型渠两侧部分的地基土的宽度方向网格尺寸最小取160 mm，最大取800 mm。

(4)钢筋。网格尺寸长度取100 mm。

整体的有限元模型见图6。

图6 拼接式矩型渠有限元模型

3.2.3 荷载及约束条件

L型侧墙所受荷载包括自重载荷、渠内水压力、渠两侧土的冻胀力。土体所受荷载包括自重载荷、顶部所受土压力。本文仅对工况1、工况2和工况4进行数值模拟分析。模型外部约束均为面的法向位移约束。

3.2.4 接触设置

方案一中L型渠、现浇底板、地基土三者之间的接触采用面对面的摩擦接触，摩擦系数为0.3。

方案二中L型渠、现浇底板分别与地基土之间的接触都采用面对面的摩擦接触，摩擦系数为0.3。

方案三中L型渠与现浇底板共同组成的整体与地基土之间的接触都采用面对面的摩擦接触，摩擦系数为0.3。

4 计算结果

4.1 混凝土第一主应力

混凝土第一主应力在不同方案的云图，如图7所示。

图7 方案一、方案二及方案三混凝土部分第一主应力云图

4.2 钢筋轴向应力

钢筋轴向应力在不同方案的云图，如图8所示。

4.3 应力-应变状态

基于最不利的荷载工况考虑，本文只给出工况二时结构的应力、应变沿三种路径的结果。路径1、2、3的位置及方向见图9，应力变化见表2、表3。

图8 方案一、方案二及方案三混凝土部分钢筋轴向应力云图

图9 路径1、2、3的位置及方向示意图

表2 各方案混凝土与钢筋的最大应力 MPa

表3 各方案L型侧墙及底板的最大应力 MPa

5 结 论

对应于给定的三种工况，在三种数值模拟结构分析方案中，以第二种方案所模拟的L型侧墙与现浇底板之间的连接为最弱，完全忽略了预制L型侧墙与现浇底板之间混凝土的粘结作用，结构的两个组成部分仅依靠上下两层分布的30根Ф16钢筋连接。因此，从承载力极限状态角度考虑可以认为优化后的结构是满足结构使用功能要求的。

原方案结构的断面尺寸不满足《水工混凝土结构设计规范》(SL 191—2008)的抗裂要求，为此对断面尺寸进行了优化，即将原方案中L型渠侧板与底板交接处的圆弧倒角改为三角形倒角。优化后的结构横截面面积与原方案基本相等。

(1)在工况一、工况四情况下，对应于三种数值模拟的结构分析方案，混凝土及钢筋的最大拉(压)应力都远小于相应强度设计值。说明此类工况下结构不会出现裂缝。

(2)在工况二情况下，对应于三种数值模拟的结构分析方案，混凝土最大拉应力都略高于其强度设计值，最大拉应力主要出现在L型侧墙侧板外及底板下方、现浇底板下方等区域附近。L型侧墙底板底部、现浇底板底部最大拉应力高于其对应的混凝土强度设计值，表明此处会出现裂缝，裂缝深度约25 mm。该裂缝并没有贯穿整个底板，不影响拼接式矩型渠的正常使用。钢筋的最大应力均未超过其设计强度，钢筋应力最大值集中出现在L型侧墙底板与现浇底板的连接处，其中以结构分析方案二的钢筋应力值(绝对值)为最大，等于179.4 MPa，表明钢筋在此工况下没有出现塑性变形。

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[2] 尹自令. 浅谈现浇混凝土矩形渠道在梁河的应用与推广[C]//云南省水利学会 2014 年度学术交流会论文集, 2014.

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[9] 中华人民共和国水利部.灌溉与排水渠系 建筑物设计规范:SL 482—2011[S]．北京：中国水利水电出版社，2011．

[10] 中华人民共和国水利部.节水灌溉技 术规范:SL/T 50363—2006[S]．北京：中国水利水电出版社，2006．

Optimization and numerical simulation analysis of the moment type drainage structure of spliced farmland

SUN Jinglu1,LI Xinxin2,WANG Zhengjun2,ZHANG Bin1,CHANG Junde1

(1.HeilongjiangProvinceHydraulicResearchInstitute,Harbin150080,China;2.HeilongjiangSeasonalFrozenSoilRegionEngineeringFrozenSoilKeyLaboratory,Harbin150080，China;3.InstituteofHydraulicandElectricEngineering,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)

The splicing type rectangular channel is composed of three structural units, namely, the left and right L side walls and the cast-in-situ concrete floor, which is a novel prefabricated assembling water conveyance canal,this paper adopts the large finite element analysis software ABAQUS to establish a combined rectangular channel model, simulation and analysis of stress state, L Channel original scheme and optimized in different conditions. The results showed that: from the aspect of the ultimate bearing capacity of state. The normal use of the structure and manufacturing cost, the optimized structure has obvious advantages. It also proved that the optimized scheme has engineering application value. This scheme not only solve the outstanding problems in the project covers an area of large, but also to promote substantive progress in rebuilding and water-saving irrigation system construction.

fabricated aqueduct;L canal;numerical simulation;finite element model

TU375

A

2096-0506(2017)11-0006-07

水利部“948”计划项目(201316)

孙景路(1974-)，男，黑龙江富锦人，高级工程师，主要研究方向为工程冻土和寒区水工技术研究，E-mail：sunjinglu74@163.com。

王正君(1971-)，男，黑龙江宾县人，教授，主要研究方向为建筑材料及结构检测，E-mail：wzjsir@163.com。