一种新型装配式涵闸在农田水利工程规划设计中的应用探讨

仲崇刚

（博乐市水利管理站小营盘水管所，新疆 博乐 833400）

农田水利工程是发展现代化农业的基础，做好农田水利工程建筑物的设计工作对于充分、高效地发挥其功能具有重要意义。装配式建筑物具有工期短、质量可靠、环保高效等特点，在农田水利工程中发挥着越来越重要的作用；涵闸是农田水利取水、输水以及灌区工程中最常见的建筑物形式之一，其数量多、规模小、结构简单，实行装配式安装能够大大提高其在工程中的施工和安装效率，节约工程成本。因此，设计一种安全、可靠、简易的装配式涵闸对于农田水利工程的发展具有重要的现实意义[1～5]。

装配式建筑物集设计标准化、生产工厂化以及施工装配化等一系列特点，从而带来低成本、高效率的优点[6]；冯佳佳等以Ansys分析软件为基础，对农田水利渠道的最佳尺寸进行了对比分析[7]；杨明会以辽宁省某灌区田间涵闸为例,对装配式涵闸洞首结构的强度和稳定性进行了初步分析[8]；孙国梅则对涵闸混凝土的最佳配合比问题进行了分析，并得出最佳配比为：粉煤灰：硅粉：发泡剂=20∶9∶1的泡沫混凝土[9]。

本文在总结前人研究理论和经验的前提下，提出了一种新型装配式涵闸，并对其稳定可靠性进行探讨。

1 涵闸结构设计

1.1 拆分原则

为达到装配式构件预制、运输以及安装等综合要求，装配式涵闸拆分原则应遵循如下原则：（1）平面形状。要注意平面长宽比、宽高比的合理性，局部突出或者凹入的尺寸应该严格控制，质量、刚度等参数需尽量分布均匀，形状尽可能要保持简单、规则、对称。（2）竖向布置。各构件要保证竖向的规则和均匀，承受竖向力的构件其截面尺寸、刚度应从上往下逐渐加大并保持对称。（3）构件划分。需考虑构件整体受力合理性和连接的简易性，少规格、多组合，配筋种类取消而直径取大并保证对称配筋[10]。

1.2 构件拆分

根据上述划分原则，对常用涵闸的基本组成部分进行划分，在满足运输要求和安装简便的前提下，将涵闸拆分为8个构件：底板、翼墙、上游挡墙、平台、闸门、下游挡墙、涵管以及涵管垫块，各构件及涵闸的形状见图1。从图中可以看到，各构件基本满足对称、均匀、规则等特性。

图1 各拆分构件示意图

1.3 连接方式

装配式建筑物的连接方式关系着建筑物的耐久性、稳定性和止水效果等特性，一般而言，装配式建筑物的连接方式主要分为两类，一类是干连接，主要包括螺栓连接、焊接、企口连接、预应力连接、机械套筒连接等等；另外一类则是湿连接，主要包括浆锚连接、灌浆拼装以及桦式连接。从经济性、安全性、操作性等综合考虑，对文中所涉及的构件设计采取以桦式接头和螺栓连接为主，并在适当位置辅以橡胶垫止水，减少构件之间的刚性接触。各主要构件设计的连接方式见表1。

表1 构件连接方式选择

2 结构及稳定性分析

2.1 尺寸确定

以控制600亩灌溉面积为例，设计过水流量为0.4 m3/s，上游水深为1.0 m，下游水深为0.9 m，闸底高程取实际应用时的渠底高程，渗径系数取6.0，则防渗长度为6.0 m；圆管涵直接为80 mm，考虑到机械下田等多种因素，将圆管涵长度设计为6.0 m，综合考虑冲刷影响，将上下游底板的长度统一设置为2.4 m；闸门高度设计为1.3 m，安全提升高度为1.1 m，则挡墙高度为1.3+1.1=2.4 m；翼墙前端高度为0.6 m，与挡墙接触侧高度为2.4 m，混凝土标号为C30。该新型水闸的三视图见图2。

图2 装配式涵闸整体尺寸构造示意

2.2 位移分析

采用Abaqus三维数值分析软件，对涵闸在完工无水和正常运行两种状态下的位移特性进行分析，主要包括竖向沉降和横向位移分析，其结果见图3。从图中可以对比看到：在完工无水即静荷载作用下，涵闸的最大沉降位移位于涵管垫块处，最大横向水平位移位于底板下游端；在正常运行期间下，最大沉降位移的位置发生改变，位于上游挡墙端，最大横向水平位移也发生在下游底板端。

图3 位移分析结果

为了进一步分析两种工况下位移量的大小，对其进行了统计见表2。从表中数据可以看到：完建期的竖向位移明显大于正常使用状况下的竖向位移，而完建期的水平位移则是小于正常使用工况；完建期工况下，竖向最大位移为1.82 mm，最小值为1.38 mm，沉降差为0.44 mm，水平最大位移为0.25 mm；正常使用工况下，竖向最大位移值为仅为0.34 mm，最小值为0.13 mm，沉降差为0.21 mm，而水平最大位移值为0.34 mm；农田水利涵闸设计中，地基最大沉降量允许值为30 mm以内，最大沉降差不超过20 mm，可见文中设计的装配式涵闸整体稳定性较好，满足相关规范要求。

表2 不同工况位移分析

2.3 应力分析

对两种工况下的应力情况进行分析，见图4。从图中可以看到：在完建期工况下，最大拉应力发生在垫块处，最大主压应力发生在管涵处；在正常使用工况下，最大拉应力和最大主压应力也发生在垫块和管涵处，可见工况的改变并不会改变最大应力的位置，仅会对应力值大小产生影响。

图4 应力分析结果

同理，对两种工况下的应力值进行统计分析，见表3。从表中可以看到：完建和正常使用工况下的最大拉应力分别为0.66 MPa和0.25 MPa，管涵处的最大主压应力值分别为1.11 MPa和0.48 MPa；C30混凝土最大允许拉应力为0.572 MPa，最大允许主压应力为9.295 MPa，因此两种工况的最大应力值均在设计混凝土强度允许值范围类，满足规范要求。

表3 不同工况应力分析

2.4 整体稳定性分析

装配式涵闸主要受到土压力、水压力、扬压力、重力等作用，因此，对正常使用工况下的垂直力和水平力进行分析，见表4。利用表中数据，分别计算闸室基底的抗滑稳定系数Kc和抗浮稳定安全系数Kf：

式中：f表示滑动摩擦系数，取值为0.4；∑G表示垂直方向应力，kN；∑P表示水平方向应力，kN；[Kc]表示抗滑稳定安全系数，取值为1.2；∑U表示扬压力，kN。

经校核计算得到：Kc=1.2，Kf=6.3≥1.1，可见，本装配式涵闸的抗滑稳定性和抗浮稳定性均满足设计规范要求。

表4 正常运行期荷载计算

3 结论

以工程实际运用为目的，设计一种新型的装配式涵闸并对其进行了不同况下的应用分析，得到如下结论：

（1）完建期工况下，涵闸的最大沉降位移位于涵管垫块处，在正常运行期间时位于上游挡墙端，两种工况下的最大横向水平位移均发生在下游底板端，最大位移值均满足规范要求。

（2）两种工况下，最大拉应力和最大主压应力均发生在垫块和管涵处，但在设计混凝土标号C30下，均满足强度要求。

（3）正常使用时，抗滑稳定系数Kc和抗浮稳定安全系数Kf分别为1.2和6.3，满足设计规范要求。

（4）根据分析结果认为本文设计的装配式涵闸具有良好的结构稳定性，值得在农田水利工程中推广运用。