有限元软件水闸闸室稳定三维结构分析

陈锦桥

（广州市水电建设工程有限公司，广东 广州 510600）

1 案例分析

1.1 工程概况

某水闸工程总长18 m，共3孔，闸孔尺寸为6 m×4.8 m（宽×高），闸顶高程105 m，闸底板面高程100 m。闸体为钢筋混凝土结构，闸室为胸墙式，胸墙上游侧新增一道连系梁，闸身上游侧布置工作便桥，闸身下游侧布置交通桥，桥面宽为7 m。检修门1套，为叠梁式平面滑动钢闸门，配两台门机。用双主梁实腹式斜支臂弧形闸门，液压启闭机启闭。该闸室的闸墩、闸室底板混凝土强度等级采用C20，新接长底板、接长闸墩、新建胸墙混凝土强度等级采用C25，弹性模量E=28 GPa，泊松比p=0.167，容重r=25 kN/m2。具体力学参数见表1。

表1 混凝土参数表

闸址地层岩性为粉土和粉砂，饱和、稍密～中密、颗粒细，初判为液化土，液化深度8 m。具体物理力学指标见表2。

表2 闸基岩石物理力学指标表

1.2 计算模型

采用ABAQUS建立某水闸的整体有限元计算模型，应当考虑到闸墩和底板以及地基之间相互的作用，定义地基土体服从Mohr-Coulomb屈服准则，采用ABAQUS中Mohr-Coulomb模型，闸室的混凝土材料本构关系采用广义胡克定律。本次模型中地基尺寸选取范围是水闸上下游与左右两侧延长到闸室尺寸的2倍，继而对闸室进行有限元的网格划分。对闸室进行便捷约束，在整个闸室地基的底面加固定约束，其侧面加法向约束。

闸室与基础都采用8节点等参单元，划分后的空间有限元网格如图1所示。其中坐标系的0点设在模型左侧边墩墩头处，X轴沿顺河流方向指向下游为正，Y轴沿横河向指向左岸为正，Z轴沿铅直方向指向上方为正。闸室离散为8 920个单元，9 254个结点，土基离散为5 620个单元，6 204个结点，建模结果如图1所示。

图1 闸室地基整体三维有限元模型图

1.3 荷载计算

作用在闸室上的主要荷载有：闸室自重和永久设备自重、静水压力、扬压力、人群荷载、车荷载、动水压力及地震荷载等。根据《水工建筑物荷载设计规范》（DL5077-1997）[1]，对该水闸进行计算。闸室结构计算荷载及组合见表3。

表3 闸室结构计算荷载组合表

通过闸室结构计算水位情况的，完工后未通水时，闸室前后水位定为0；蓄水工况下闸前水位高程18.00 m，闸后水位高程17.80 m；蓄水地震工况下闸前水位高程20.00 m，闸后水位高程19.80 m。

2 计算结果分析

2.1 软基蓄水工况应力结果分析

在蓄水工况下闸室最大应力主要位于底板与中间桥墩、底板与边桥墩的连接处和两侧桥闸中部的底板底层，最大可达0.7 MPa，最大应力点出现在底板与中间桥墩的连接处。检修便桥的最大应力点可达0.5 MPa，出现在检修便桥与中间桥墩的连接处。闸室排架的最大应力点出现在工作桥大梁与中间桥墩的连接处附近，闸室工作桥栏杆最大应力点，出现在交通桥跨越的中间部位，如图2所示。

图2 蓄水工况闸室结构最大应力分布图

将ABAQUS软件与Tecplot软件连接可得，完建工况与蓄水工况闸室底板最大应力等值线图。从等值线图中可以看出，闸室底板在完建工况和蓄水工况的应力分布规律，即闸板主要应力分布在中间桥墩和边桥墩处，其余部分分布相对均匀，蓄水工况的闸室底板最大应力明显高于完建工况。这也与图2最大应力分布图相符合。

图3 蓄水工况与完建工况闸室底板最大应力等值线图

通过模拟计算分析结果表明，闸室在荷载的持续作用下，底板和中桥墩、边桥墩所受应力最大，根据《水工建筑物荷载设计规范》（DL 5077-1997），不会出现应力过大造成结构损坏的现象。但在进行闸室结构设计时，要重点考虑增大闸底排架柱钢筋配量，以增大结构体对压应力和拉应力的有效对抗。

考虑到该工程地基为软基，闸底底板的竖向应力会通过闸基单元传导给地基和土壤，应对闸底与地基的连接部位应力做重点考察，若底板与中桥墩、边桥墩及其连接处的竖向应力过大，则该区域的软基会最先被破坏，因此进行最大应力等值线描绘工作时，若发现闸室底板的部分区域竖向应力分布值异常，应该对相应区域的软基部分进行振冲或夯固。

2.2 软基地震工况位移情况分析

闸室位移方向可从沿着水流方向、垂直水流方向和竖直方向进行有限元模拟计算，由于该水闸工程地基为软基，在地震工况下更容易发生结构沉降（竖直方向上的位移）。地震工况和完建工况下的水闸闸室结构的有限元分析结果分布情况见图4。

图4 地震工况与完建工况闸室结构竖直方向位移图

可以看出在完建工况下闸室两侧的边桥墩与闸底连接处出现了竖直方向上的位移最大值，约为0.4 m。这是因为在完建工况下闸室里没有水，闸室两侧的边桥墩主要承受的荷载为边负载，因此边桥墩出现了向内的形变，由于该工程的边桥墩在设计时的尺寸因素，使得门槽受力在刚体变形协调的约束条件下两侧排架出现了较大的位移变化。

该水闸工程模型选取的地震等级为VI级，可以看出在循环剪切作用下，在闸室的边桥墩底部及水闸底板下的未加固地基2—4 m处，粉砂土组成的软基容易达到液化条件而迅速破坏。在闸室基底底部的5 m深处，碎石桩与软基接触部分最早发生液化，因此对软基基地的水闸工程进行设计和施工时，对闸底不同深度出现的液化区域可使用振冲加固法，进行砂砾石料的填充并夯实加固，夯实区域应从基底持续到非液化区域，并考虑在闸基基底软基区域，可能产生的液化带，设置排水管排水降压，或在排筋量上做一定程度的加强。

3 结语

水闸是一种具有挡水、泄水双重作用的低水头水工建筑物，通过闸门的启闭控制流量和调节水位，有时还担负着防潮水倒灌和汛期排泄洪水的功能，常与其他水工建筑物组成水利枢纽。运用ABAQUS有限元分析软件，结合工程实际，通过对闸室竖向应力计算分析，可知闸板主要应力情况，可以根据其所在地基土质的性质，采用不同的措施来提高地基的承载力。这种分析方法能为软基水工建筑除险加固提供一定的参考。部中南勘测设计研究院.DL 5077-1997水工建