沉井基础水闸三维有限元分析

罗志雄

（江西省水利科学研究院，江西南昌330029）

1 概况

水闸是水利工程中一种重要的水工建筑物，基础对于水闸的安全运行有着决定作用。对于土基上的水闸，常常会遇到疏松的砂土或软弱的的粘性土地基，需要采取一定的工程措施处理后作为水闸的持力层。深基础水闸地基常用处理方法为桩基础、沉井基础、深层搅拌桩等，马世荣通过对水闸基础类型与地基特性进行分析，确定当地基变形模量在40 MPa以下时，应考虑用钻孔灌注桩或沉井基础[1]。沉井基础由于其结构截面尺寸和刚度大，抗渗及耐久性好，承载力高，在复杂地形和地质条件下施工时，对附近建筑物的影响很小等优势下，近年来被广泛地应用于工程实践，且建筑物经处理后运行效果良好。

在计算分析深基础水闸结构问题上，传统计算方法将闸室和基础结构分开计算，计算过程进行简化处理，计算结果可能与实际情况存在较大差异，很难真实地反映结构受力特点。随着计算机的不断发展，三维有限元[2-6]计算方法应用愈加广泛，深基础水闸这种复杂的闸室结构计算成为可能，但主要集中在桩基础水闸结构分析上[7-9]，对于沉井基础研究较少[10]。该文以某矩形多孔沉井基础水闸为例，采用三维有限元软件ABAQUS对其进行数值模拟，分析闸室结构位移、应力变化情况，为今后沉井基础水闸工程设计和安全鉴定提供参考。

2 实例分析

2.1 工程概况

某水闸共3孔，闸总长109.0 m，总宽15.4 m，设计排涝流量为75 m3/s，闸底板高程27.0 m，沉井底高程为23.0 m，闸墩顶部高程33.5 m，工作桥高程38.6 m，启闭机采用QLSD-2×10 t。该闸采用钢筋混凝土沉井基础，尺寸为12 m×15.2 m×3.2 m（长×宽×高），沉井井壁厚0.4 m，每块沉井垂直水流方向设2道横隔板，净间距4.6 m，顺水流方向设2道纵隔板，净间距3.5 m，纵横隔板厚均为0.3 m。

2.2 模型建立

利用ABAQUS有限元软件对闸室结构进行有限元分析时，地基模型尺寸的合理选取，对分析结果有着一定影响[11]，该文模拟采用顺水流方向取36.0 m，垂直水流方向取47.4 m，深度取至高程14.0 m。

模型整体坐标系采用笛卡尔直角坐标系，Z轴与水流方向一致，指向下游为正；垂直方向为 Y轴，向上为正；X轴为垂直水流方向；坐标原点位于闸室底板靠近下游的顶点。ABAQUS里自由度编号1，2，3分别代表 X，Y，Z方向的位移，该文描述位移变化符号符合实际规定[12]。

在定义材料时，闸室混凝土结构均采用线弹性材料模拟，土体采用弹塑性材料模拟，采用Mohr-Coulomb屈服准则。具体结构及土体参数，见表1，各工况计算水位，见表2。

表1 结构及土体材料参数表

表2 各计算工况水位

在定义接触时，闸室底板作为主控接触面，土体作为从属接触面。模拟采用C3D8R单元，该单元是六面体减缩线性积分单元，其中单元总数为22 903个，结点总数为28 733个。

2.3 计算结果分析

按照上述计算模型和参数，分别对闸室结构的2种工况进行了空间有限元计算，从位移、结构应力角度分别对闸室进行分析并作出安全评价。

1）位移分析

闸室整体结构竖向位移（沉降）计算成果，闸室整体结构水平位移（顺水流方向）计算成果，见表3。

由表3可知：闸室整体结构最大沉降位移发生在校核工况下的，沿竖直方向整个结构发生向下的位移，最大沉降量为51.4 mm，最大沉降差为18.0 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。

由表3可知：闸室顺水流向水平位移的最大值发生在校核工况下，沿顺水流方向从上游向下游发生位移，最大值为Uxmax=41.7 mm，水平位移较小。

表3 闸室整体结构竖向位移（沉降）计算成果表

2）应力分析

闸室结构最大主拉应力计算成果，最大主压应力计算成果，见表4。

表4 闸室结构最大主拉应力计算成果表MPa

由表4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侧闸墩之间底板底层，最大值为0.64 MPa，最大主压应力主要分布在下游侧底板面层与闸墩交界处，最大值为1.65 MPa；闸墩的最大主拉应力主要分布在背水侧边墩与底板交界处，最大值为0.86 MPa，最大主压应力主要分布在下游临水侧边墩与底板交界处，最大值为3.24 MPa；沉井的最大主拉应力主要分布在上游侧底板底层角部，最大值为0.89 MPa，最大主压应力主要分布在下游侧纵井壁角部，最大值为1.89 MPa。闸室底板、闸墩及沉井等结构最大主拉应力均超过了混凝土的允许拉应力，故这些结构混凝土的抗拉强度不满足要求，需要进行配筋。

2.4 闸室结构承载力计算

依据表4的应力计算成果，对闸室结构承载能力复核计算，与实际情况进行比较，计算成果，见表5。

由表5可知经过配筋后：闸室底板、闸墩、沉井等结构承载能力均满足要求。

3 结论

1）有限元计算结果表明，该沉井基础水闸整体位移满足设计和规范要求。闸室底板的最大主拉应力主要分布在下游侧闸墩之间底板底层，最大值为0.64 MPa；闸墩的最大主拉应力主要分布在背水侧边墩与底板交界处，最大值为0.86 MPa；沉井的最大主拉应力主要分布在上游侧底板底层角部，最大值为0.89 MPa，均超过了混凝土的允许拉应力，需要进行配筋。

表5 闸室结构承载力计算成果表

2）经配筋复核计算，该水闸闸室底板、闸墩、沉井等结构承载能力均满足设计和规范要求。

3）利用三维有限元软件ABAQUS对沉井基础水闸进行分析，能了解水闸的整体沉降以及闸室结构的应力应变情况，更为直观反映水闸运行情况。建议在沉井基础水闸实际工程设计和安全鉴定中，更多地采用三维有限元进行数值模拟分析研究，作出合理的分析判断。