基于ANSYS有限元分析下某小型水闸安全稳定性研究

邓 波

(乌鲁木齐市水利勘测设计院(有限责任公司)一分院 ，新疆 乌鲁木齐 830049)

1 工程概况

西北某地区一小型水闸，承担近33.33 hm2农田水资源调度功能， 并且对流经该水闸的柳河调控汛期水位，降低河流漫堤风险。该小型水闸位于天然河流柳河下游区域，桩号起始为0+150，水闸属单宽小孔型，每个孔宽度为3.5 m，共设计有三个孔，闸门尺寸为3.5 m×3.9 m，设计负责连接闸室与上下游段的构件长为4.7 m，上、下游段长分别为18.5 m、25.4 m，闸顶高程为80.3 m，底板高程76.4 m，底板由混凝土浇筑设计制作，厚度为300 mm，调节流量为80 m3/s，水闸正常蓄水位设计高度为78.6 m。另外，水闸设计使用年限为100 a，最大峰值水位为79.8 m，闸顶上覆盖有人工填土，并修筑有宽3.8 m道路。水闸采用桩基础支撑，直径为1.8 m的闸墩，各闸墩之间修建有拉索应力桥，双向车道设计，留有安全区间0.9 m，另外安装有升降装置1台，负责水闸闸门的启闭，该升降装置为电动式，电脑控制精度较高，保证水闸开启角度准确，水闸剖面图如图1所示。

图1 水闸剖面图(单位：mm)

根据地质勘察资料表明，闸室底板基础所处基岩层为半风化灰岩，主要为中粗颗粒，粒径在4～6 mm，室内试验得知该类工程岩体强度较高，孔隙率在0.2%～3.0%，属致密性结构岩体，上覆土层为第四系风化堆积土层，厚度约有7.2 m厚，包括有粉质壤土、粉砂土，其中粉砂土层为地质年代较新土层，约为更新统，粉质壤土标准承载力为105 kPa，软化系数较高，设计修建时应考虑置换土层，增强土层密实性，现场标贯试验表明，均不会产生砂土液化。

2 研究方法

为建立合适的三维模型，首先需要考虑工程实际情况选择合适的模型单元体，前文已分析该小型水闸整体由钢筋混凝土浇筑形成，故采用SOLID 65单元作为基本模型单元体，实现三方向均具有变形能力模拟，该类单元体几何模型如图2所示。另外由于闸室底板所处基岩层，故而闸室地基的线弹性变形以及沉降大变形需要考虑另外一种模型单元，ANSYS工作平台中还有一种SOLID 165单元体，可实现固体结构弹塑性材质变形，因而闸室地基及闸门均采用该类单元体。

在上述分析基础上，将各部分结构单元体结合，以闸室结构整体单元开展稳定性分析[1]，且结合闸室所处地基接触面单元，以岩土体弹塑性D-P模型作为评判准则[2]，建立工程有限元模型，并划分出网格单元，为了获得最佳模拟标准，划分单元体网格时考虑水闸整体结构质量与划分后模型单元体基本接近，共划分出138 562个单元，节点数有159 367个，其中闸室包括底板结构划分单元体占比34.1%，节点数占比38.0%，闸室地基占比单元网格数65.9%，节点数62.0%，本工程实例几何模型及划分网格单元体后模型如图3所示。

图2 SOLID 65单元体几何示意图

图3 几何模型及划分网格单元体后模型图

几何模型计算前输入参数均选择理想状态下各部分结构材料物理特性参数，如表1所示，由于闸室地基岩土体物理力学参数均在地勘报告与室内岩土试验报告中，故而此处不列。

表1 结构材料物理特性参数

该水闸整体结构边界约束条件包括有闸室自重、上下游水体压力、倾覆力、孔隙水渗透压力、填土压力。闸室自重取闸室浇筑混凝土各部分面积及附属启闭机自重；上下游水体压力作为面力计算；倾覆力按照式(1)计算；孔隙水渗透压力与防渗设施有关，取决于防渗设备渗漏安全系数；在静力分析中，填土压力按照侧向土压力计算公式如式(1)所示：

(1)

式中：P表征倾覆力，kN；P1、P2分别表征不同土层荷载，kN；γ0指容重，kN/m3；ha、hb分别指底板标高点处水头压力、底板深度,m；b、l分别指闸室尺寸,m。

由于不同计算工况下闸室边界约束荷载存在一定区别，故各工况下水闸稳定性具有较大差异，故而本文对该工程实例在完造期、运营期、洪水期三个工况下开展稳定性分析，完造期指约束荷载为固定自重荷载，运营期指水闸处于正常蓄水位，只有上游具有水位，下游无水位，洪水期按照10 a一遇洪水位开展分析。

3 结果与分析

3.1 位移分析

图4 水闸整体位移计算结果云图

图4为三种工况下水闸整体位移计算结果云图。从图中可看出，完造期水闸最大位移为50.760 mm，位于闸门迎水测，主要受到该工况下闸室结构自重影响，在闸室结构底板处从上游至下游，整体位移呈显著分层特性，上游迎水测底板处位移量值最大，在下游槽口末端位移量仅为33.640 mm；运营期水闸整体最大位移达到56.297 mm，同样位于闸门迎水测，最小位移量为25.224 mm，与完造期最小位移量相比较为接近；洪水期水闸整体位移最大为69.824 mm，位于闸室顶部两侧边墙区域，是三个工况中最大值，其最小位移为35.034 mm，近乎是前两工况下最小位移的1.4倍。

图5 水闸结构竖向位移云图

同理，图5为水闸整体结构竖向位移云图。从图中可看出，洪水期水闸最大沉降量为 69.920 mm，完造期、运营期两工况下最大沉降量分别为前者的72.5%、80.3%，出现这种差异主要是由于在完造期与运营期两工况下水位高度控制较好，水体压力对水闸边界约束相比洪水期较弱，而闸室沉降相比主要受到结构固体荷载与水体压力双影响，而其中水体压力在三个工况下，尤以洪水期水头压力显著增大，故而洪水期水闸沉降值最大。根据设计规范要求，水闸在天然地基上最大沉降量不可超过150 mm，三个工况下位移值表明沉降设计符合安全建设要求。

3.2 应力分析

图6为部分工况下水闸整体结构应力计算结果云图。从图中可看出，运营期工况下Y方向(与水流方向垂直)最大压应力为0.968 MPa，最大拉应力为0.263 MPa；而洪水期工况下Y方向最大压应力达1.462 MPa，最大拉应力为0.736 MPa,是运营期工况下的2.8倍，最大拉应力为闸室结构与闸门侧墩连接区域；另外根据计算表明，完造期工况下Y方向最大压应力为0.892 MPa，且闸室结构未出现拉应力区域。运营期闸室结构第三主应力最大拉应力为0.022 MPa，最大压应力为0.972 MPa，由该工况下最大拉应力分布亦可知受到迎水测水头压力影响，导致在闸门墩底部与闸室底板接触区域，出现较为拉应力集中，但受限于水头差影响，拉应力值仍然处于较小量值。洪水期工况下第三主应力分布中压应力分布愈加广泛，占水闸应力分布面积85%以上，最大压应力亦是应力特征参数中最高值，达到3.081 MPa，且完造期第三主应力最大拉应力仅有洪水期工况下的33.3%。从第一主应力特征参数分布来看，运营期最大拉应力为0.720 MPa，最大压应力为1.771 MPa，拉应力集中于闸墩处；洪水期最大拉、压应力分别为0.768 MPa、0.294 MPa，最大拉应力相比运营期工况增大了6.7%。完造期工况下不论是水平方向应力分布，亦或是第一主应力特征参数应力分布，该工况下最大压应力仍然为第三主应力分布中压应力最大值，最大拉应力为该工况中第一主应力特征参数中最大压应力值，达0.720 MPa。依据水闸建造所用材料C30混凝土抗拉强度设计值为1.430 MPa与抗压强度为30 MPa，该水闸整体结构各应力特征参数中最大拉应力值为0.768 MPa，最大压应力为3.081 MPa，其中洪水期水位为水闸结构最危险工况，但仍满足建筑材料强度要求。

图6 水闸结构应力计算结果云图

3.3 闸室与地基稳定性验算

闸室与地基是水闸能否安全运营的一个最重要结构，而闸室与地基又是一个有机整体，闸室负责传递荷载，地基承担水闸全部荷载，因而有必要对闸室与地基传递能力进行分析，本文将引入闸室与地基抗滑稳定安全系数作为衡量参数，如式(2)、式(3)所示[3]：

(2)

(3)

式中：K为抗滑稳定安全系数；f为摩擦系数；∑W为水平荷载和，N；∑M为竖向荷载和，N；φ0为摩擦角，rad；δ0为黏结力,Pa;A为接触面积，m2。

按照上式，分别计算了完造期、运营期、洪水期三个工况下抗滑安全系数，分别为∞、11.45、42.78，而三工况下抗滑安全系数临界值均为1.2，由此表明，三个工况下闸室与地基传递并不存在滑移倾覆威胁，均处于安全设计合理区间内。

3.4 配筋验算

该水闸作为水工建筑，采用钢筋混凝土材料，势必对其结构强度具有较大提升，故而需对该水闸整体结构配筋开展验算分析，根据前文有限元计算结果表明，洪水期为该小型水闸的最不利工况。

图7为典型钢筋混凝土中钢筋各应力分布几何示意图。根据材料力学强度设计理论有计算公式如式(4)～式(7)所示：

图7 钢筋应力分布几何示意图

(4)

η1fcbx=fyAs

(5)

(6)

(7)

式中:K为承载力安全系数；M为结构弯矩值，N·m；Mu为弯矩安全设计值，N·m；fy、fc分别为材料抗拉强度设计值与抗压强度设计值，N/m2；b为宽度，m；x为压应力区域高度，m；h0为高度，m；As为钢筋截面积，m2；η1为混凝土强度系数；φ为相对高度；ρ为配筋率。

上述即为理论上配筋验算过程，但在ANSYS有限元工程计算平台内，可内嵌GUI开展配筋计算，以工况三为例，选取5个控制截面，如图8所示，计算获得该5个截面配筋参数值，如表2所示。

图8 截面选取示意图

依据结构设计规范要求，重要水工结构中的承重结构最小配筋率为0.15%，而本次配筋计算中该小型水闸闸室中配筋率最小值为0.30%，配筋面积最大值为2153.79 mm2，闸墩结构最小配筋率为0.28%，最大配筋面积为2605.48 mm2，故而各部分结构均能满足设计要求，安全稳定性较高。

表2 截面配筋参数

4 结 论

(1)获得了三种工况下水闸整体位移最大值出现在洪水期，位于闸室顶部两侧边墙，达69.824 mm；从水闸整体沉降分析表明，水闸最大沉降量为69.920 mm，满足水闸结构设计沉降要求。

(2)获得了三种工况下各应力特征参数分布与最大拉、压应力值，运营期水闸第一主应力、第三主应力特征参数的最大拉应力、最大压应力值分别是三工况中拉应力、压应力最高值，分别为0.768 MPa、3.081 MPa，满足C30混凝土强度设计要求。

(3)引入抗滑稳定安全系数衡量闸室与地基之间传递安全性，获得完造期、运营期、洪水期三个工况下抗滑安全系数，分别为∞、11.45、42.78，均处于安全设计合理区间内。

(4)针对洪水期工况开展配筋验算，闸室与闸墩结构最小配筋率分别为0.30%、0.28%，均满足承重结构最小配筋率大于0.15%要求，安全稳定性较高。