高陂水利枢纽船闸闸室应力特性分析

张亚彬

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635)

1 研究现状

船闸闸室结构设计有解析法和有限元方法，解析法因方法简单在大部分整体式闸室结构计算中占主要地位。解析法以平面应变问题计算结构内力，对于闸墙按固定于底板上的悬臂梁计算，对于底板简化为地基梁进行计算[1]。在解析法的计算过程中，简化了闸室结构与岩基间的共同作用，且结构均处于平面体系中，对于厚度较薄且布置有输水廊道和出水口的闸室底板，解析法无法考虑其三维受力特性，不符合闸室实际的结构形式和受力特点[2]。

有限元法将闸室结构和地基连在一起，组成结构与岩体共同作用的有限元模型。作用于闸室上的荷载先划分到单元重心，然后按照虚功相等原理转换为节点荷载，将单元刚度矩阵组集为闸室的整体刚度矩阵，单元荷载矩阵组集为闸室的整体节点荷载列阵，考虑位移边界的约束条件后，求解闸室的整体平衡方程。有限元法可以反映各部分的共同作用和相互影响，可以求解船闸结构的静力平衡问题，也可以考虑结构的不规则外形和复杂荷载的影响，能够更真实反映闸室的受力特性[2]。

2 工程概况

韩江高陂水利枢纽工程位于广东省梅州市大埔县高陂镇上游约5 km处，是以防洪、供水为主，兼顾发电和航运等综合利用的大型水利工程。工程船闸闸室为3级建筑物。船闸运用情况按上游最高通航水位38.9 m，下游最低通航水位24.00 m考虑[3]。

船闸闸室尺寸为200 m×18 m(长×宽)，口门宽为 16 m，闸室底板高程为19.35 m，闸室底板内设10 m×3 m(宽×高)输水廊道，廊道中间设置一道3.2 m×0.8 m(长×宽)导流墩。闸室墙顶高程为41.4 m。闸室设有横向结构缝，间距为20 m[4]。闸室结构见图1。

图1 船闸闸室结构剖面示意(单位：高程m,尺寸mm)

3 有限元计算成果

计算程序采用有限元分析软件Ansys。有限元模型采用solid95单元，划分六面体计算网格[5]。主要研究船闸闸室运行条件下遭遇地震，在自重、静水压力、扬压力、土压力及地震作用下的应力分布情况[6]。

船闸闸室在进行有限元分析时，选取一个结构分段20 m，考虑地基作用，建立有限元模型。模型底端约束X、Y、Z方向的位移，基岩侧面约束法向位移，根据止水铜片位置和填土情况施加自重、扬压力、静水压力、土压力和地震作用力等。

有限元模型整体坐标系规定如下：闸室轴线方向为X方向，垂直闸室轴线为Y方向，竖直为Z方向[7]。闸室有限元模型见图2。模型计算信息见表1。

图2 闸室有限元模型示意

表1 上闸首有限元模型信息

3.1 计算工况及计算参数

考虑在校核洪水和运行情况下，均非闸室最危险工况，故本文以地震工况分析船闸闸室应力分布规律。船闸地震工况：水位组合按上游最高通航水位 38.9 m，下游最低通航水位24.00 m考虑[3]。

船闸结构和地基结构均采用线弹性材料，材料计算参数根据规范和工程实际情况选取。混凝土材料、地基及船闸周围填土参数见表2～3。

表2 材料计算参数

表3 回填土计算参数

3.2 计算成果及分析

船闸运行期遭遇地震，闸室内高水位工况时，闸室底板、闸室边墙内侧和输水廊道内壁的荷载为高水头产生的静水压力及地震动水压力，闸室边墙外侧承受低水头产生的静水压力及地震动水压力。在这些荷载共同作用下，闸室第一主应力云图示意见图3。按照图4所示截取剖面，分析第一主应力(拉应力)在闸室横断面上的分布情况，第一主应力等值线示意见图5～6。

图3 闸室第一主应力云示意

图4 剖面截取位置示意

图5 闸室1-1剖面第一主应力云示意

图6 闸室2-2剖面第一主应力云示意

根据图5～6所示，闸室横断面主拉应力对称分布，最大主拉应力主要出现在输水廊道上部及边墙内侧边角处，呈U型分布。在闸室内外水位差作用下，闸室边墙内侧底部为负弯矩，拉应力较大，约为3.45 MPa。此处拉应力数值沿闸室轴线方向分布均匀，两端与中间相差仅约0.2 MPa。

输水廊道在充水压力作用下，拉应力主要分布在输水廊道上方，主拉应力在1-1断面和2-2断面上的分布差异较大。在1-1断面上，由于结构缝处闸室处于无约束状态，且布置有止水铜片，靠近结构缝处闸室上部底板在X方向存在水位差，上部底板拉应力主要由X方向荷载产生。在2-2断面上，各方向荷载均为挤压作用，仅导流墩由于充水压力在连接处受拉。在1-1断面上，导流墩与上部底板连接处、充水廊道折角上方拉应力较大，分别为4.3 MPa和3.2 MPa；在2-2断面上，拉应力较小，约1.0 MPa左右。此外在闸室输水廊道下部折角处，出现局部的应力集中现象，但拉应力数值较小，约为1.3 MPa。

通过分析，闸室底板较薄，输水廊道尺寸较大，输水廊道上部区域与闸室边墙内角连通形成较大范围的拉应力区。由于输水廊道采用分散式出口，在靠近结构缝周围闸室底板沿水流方向和垂直水流方向均存在水位差，局部拉应力较大。在结构设计中，对以上区域加强配筋，以防止混凝土结构出现破坏。

4 结语

整体式闸室底板与边墙刚性连接，对闸室底板受力产生不利影响，底板内将产生附加应力，底板上部区域易于边墙内角产生连通的拉应力区域。布置输水廊道后，不仅削弱混凝土受力，且由于水压作用，拉应力范围和数值均将变大，因此，不宜布置较大尺寸的输水廊道或者在输水廊道周围及闸室边墙折角加强配筋，以保证结构安全。输水廊道出水口与结构缝之间不宜距离过近，避免沿水流方向的水位差使底板产生拉应力。

布置输水廊道后，船闸闸室三维特性明显，应用三维有限元法对多方向、多种类荷载作用下的结构应力反应进行分析十分必要。