中山河闸闸室结构安全稳定分析

姜露露

(扬州大学 水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225009)

由于中山河闸已建成运行多年，排架、闸墩等构件均出现一些病害，因此需要对中山河闸闸室结构安全性态进行分析研究，从而为维修加固中山河闸工程提供依据[1]。中山河闸所在地的地质状况较差，故利用钻孔灌注桩来提高地基承载力[2]。在计算结构时往往将桩基和闸室分开考虑，使得计算结果和实际状态有着一定的差距[3]，因此在用m法计算桩基内力和桩顶位移时，也有必要采用三维有限元方法对闸室结构整体位移和应力进行分析研究。

1　工程概况

中山河闸位于滨海县与响水县交界处的废黄河入海口，具有挡潮、泄洪、排涝、灌溉、通航、减淤和连接两岸交通的功能。中山河闸闸身总净宽60 m，每孔净宽10 m，共6孔，通航孔单独一联，泄洪孔每两孔一联，剩余一孔泄洪孔单独一联，布置于左岸，共4联。闸底板面标高为-2.5 m，底板厚1.5 m。由于边荷载较大，孔数较多，故设置空箱岸墙，岸墙底板面标高-2.5 m。因挡潮水位较高，为降低泄洪孔闸门高度，泄洪孔设置胸墙。由于地基土质较差，根据地质钻探报告确定闸身底板下采用直径为80 cm的钻孔灌注桩加固地基，桩底标高为-23.5 m。为保证建筑物的防渗安全，底板下采用地连墙[4]，沿底板四周直线布置。

2　桩基承载力计算

2.1　闸室结构

闸室结构计算简图见图1。

2.2　桩基荷载计算

(1)单桩荷载按《建筑桩基技术规范(JGJ 94—2008)》中公式计算：

(1)

(2)

式中：Ni为荷载效应标准组合偏心竖向力作用下第i基桩或复合基桩的竖向力，kN；P为荷载效应标准组合下作用于桩基的总垂直荷载, kN；My为荷载效应标准组合下作用于底板底面，绕通过桩群形心y主轴的力矩kN·m；xi为第i基桩或复合桩基至y轴的距离,m；Hi为荷载效应标准组合下作用于第i基桩或复合基桩的水平力, kN；H为荷载效应标准组合下作用于桩基底板底面的水平力, kN；n为桩基中的桩数。

底板下灌注桩完好，能承担底板传递的垂直荷载和水平荷载。以底板底面中心处为弯矩原点，荷载计算成果见表1。

图1　闸室结构简图(单位：长度cm；高程m)

计算工况水位/m上游水位下游水位总垂直荷载P/kN弯矩M/(kN·m)单桩竖向荷载N/kN泄洪孔设计1654181595815-5519027129校核1654421557011-15452626469通航孔设计165418　849131-10827225777校核165442　833050-13354625289

(2)桩基垂直承载力复核。灌注桩桩基允许垂直承载力按《建筑桩基技术规范(JGJ 94—2008)》中公式计算。

(3)

式中：Ra为单桩竖向承载力特征值；Qu k为单桩竖向极限承载力标准值；K为安全系数；u为桩身周长；qs i k为桩侧第i层土极限侧阻力标准值；qp k为极限端阻力标准值；li为桩周第i层土的厚度；Ap为桩端面积。桩周土极限摩阻力见表2。

表2　底板桩周土极限摩阻力表

经计算，底板钻孔灌注桩桩基允许垂直承载力为1096.99 kN，而单桩最大垂直荷载为442.34 kN，小于桩基允许承载力，底板下钻孔灌注桩垂直承载力满足要求。

(3)单桩水平承载力复核。水平承载力考虑底板对桩的嵌固作用，采用m法计算桩顶位移。计算成果见表3。

表3　桩基水平承载力计算成果表

经m法计算得出，直径为0.8 m的灌注桩单桩允许水平承载力为130 kN。而闸室桩基单桩最大水平荷载为122.12 kN。灌注桩桩顶不可恢复的水平位移值宜控制不超过5.0 mm[5]，而闸室桩基单桩桩顶最大位移为2.7 mm。故该闸室桩基单桩水平承载力及水平位移均满足要求。

3　闸室三维有限元分析

3.1　计算模型

本文利用三维有限元软件abaqus对中山河闸整体强度和稳定性进行分析研究。根据中山河闸工程的结构特征和受力特点，将地基、闸室、桩基等一起建模，考虑它们之间的相互作用。地基模型尺寸选取对计算结果有一定影响[6]，为了使计算结果更符合实际，根据萨布尼斯等的相关文献中对试验模型尺寸的要求，认为取地基单边尺寸为结构基础单边尺寸的1～ 5倍就可以反映地基对基础的作用[7]。本次计算中山河闸的地基在顺水流方向取49.5 m，垂直水流方向取206.4 m，深度取至高程-53.9 m。由于所取的地基模型范围比较大，因此地基的边界条件近似认为其与土体是固结的[8]。中山河闸三维有限元模型见图2。

图2　闸室与地基整体三维有限元模型

3.2　基本荷载和计算工况

本次建模考虑的荷载有固定荷载、边荷载和水荷载。固定荷载为闸室结构自重，边荷载为闸室两侧岸墙引起，水荷载的加载工况分设计、校核两种。

3.3　计算结果

按照上述计算模型和参数，分别对中山河闸闸室结构的各种工况进行了空间有限元计算。求出了各种工况下闸身结构在荷载作用下的各点位移、应力。由此可对闸室的稳定和强度安全性进行分析。

中山河闸闸室在各工况下的整体结构位移云图见图3～图6，位移计算结果见表4。

图4　校核工况闸室竖向位移分布图(m)

计算工况竖直最大位移/mm竖直位移最大沉降差/mm水平最大位移/mm桩顶水平位移/mm设计29151522410728校核29061529418611

图5　设计工况闸室水平位移分布图(m)

图6　校核工况闸室水平位移分布图(m)

由图3～图6可知，闸室整体结构最大竖向位移发生在设计工况下，沿铅直方向整个结构发生向下的位移，最大沉降量为29.15 mm，最大沉降差为15.29 mm。闸室整体结构最大水平位移发生在校核工况下，最大水平位移为4.186 mm，根据规范地基最大沉降量不宜超过150 mm，故地基沉降满足要求。

利用三维有限元模型对桩基的桩顶水平位移进行分析，桩基的桩顶最大水平位移为2.8 mm，灌注桩桩顶不可恢复的水平位移值宜控制不超过5 mm，故桩顶水平位移满足要求。

中山河闸闸室在各工况下的整体结构应力云图见图7～图10，闸室结构最大主应力计算成果见表5。

图7　设计工况闸室最大主拉应力分布图(Pa)

图8　校核工况闸室最大主拉应力分布图(Pa)

图9　设计工况闸室最大主压应力分布图(Pa)

图10　校核工况闸室最大主压应力分布(Pa)

表5　闸室结构最大主应力计算成果表 MPa

由计算结果的应力云图7～图10及表5可知：在各工况下闸室底板的最大主拉应力主要分布在下游面层，通航孔底板主拉应力最大值为1.40 MPa，泄水孔底板主拉应力最大值为1.03 MPa，最大主压应力主要分布在下游底层处，通航孔底板主压应力最大值为2.74 MPa，泄水孔底板主压应力最大值为1.45 MPa；边墩最大主拉应力为1.53 MPa，最大主压应力为2.32 MPa；中墩最大主拉应力为1.35 MPa，最大主压应力为1.45 MPa。闸室通航孔、泄水孔底板底层、面层、闸墩的最大主拉应力均超过了混凝土的允许拉应力，故底板底层、面层、闸墩混凝土的抗拉强度不满足要求，最大主压应力未超过混凝土的允许压应力，故混凝土的抗压强度满足要求。

综上所述，中山河闸闸室在各工况下的位移均满足要求，混凝土的抗压强度满足要求，混凝土的抗拉强度均不满足要求，但各构件经过配筋后均能满足工程设计对刚度和强度的要求。

4　结　论

本文利用abaqus有限元软件直观可靠的反应中山河闸闸室结构的应力场和位移场状况，并结合一般方法共同计算分析了桩基、闸室的结构承载力。分析结果表明：中山河闸的桩基承载力、闸室结构的强度均满足要求，这也为中山河闸工程的安全评价以及维修加固提供了科学依据。

参考文献：

[1]许文婷,曹邱林. 基于有限元的黄河北闸结构计算分析[J]. 水利与建筑工程学报,2010,8(5):127-128.

[2]王峰. 灌注桩加固地基的应用[J]. 山西建筑,2016,42(26):67-68.

[3]马永法,陈平龙,曹邱林. 桩基础水闸闸室结构分析研究[J]. 水利与建筑工程学报,2011,9(4):42-45.

[4]赵阳. 地下连续墙施工中存在的若干问题分析[J]. 科学技术创新,2014(15):165.

[5]中华人民共和国水利部.水闸设计规范：SL 265—2016[S] . 北京 : 中国水利水电出版社，2017.

[6]潘家铮. 水工建筑物的有限元分析[M]. 北京: 水利水电出版社，1991．

[7]Sabnis G M, Harris H G, White R N, et al. Structural modeling and experimental techniques[M]. New Jersey: Prentice-Hall, 1983.

[8]徐刚,邵琳玉,徐莉萍. 奔牛枢纽上闸首结构有限元分析[J]. 江苏水利,2016(4):5-9.