基于拉杆的农田灌溉工程U形渡槽设计优化研究

文 星

(巴音郭楞蒙古自治州水利水电勘测设计院，新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

农业是国民经济的基础性产业，是国民经济和社会发展的重要基础，直接关系到粮食安全和社会的稳定和谐。随着我国农业经济的不断发展，农田水利工程在在农业领域的作用不断凸显出来，因此国家和社会也对农田水利工程建设予以足够的关注和支持[1]。在这一背景下，中国的农田水利工程建设迎来了前所未有的发展机遇，并取得了显著的成绩[2]。小型水工建筑物设计的标准化以及施工的装配化对提高农田水利工程的设计、施工和质量水平具有重要作用和价值[3]。在这一背景下，农田水利工程建筑物实现标准化设计和装配化施工，对提高农田水利建设的质量和水平具有重要意义[4]。灌溉渠道在当前的农田水利建设占有相当比重且具有重要意义，对农业生产发挥着十分重要的作用。小型农田水利渠道中的流量一般较小，常用U型断面和梯形断面。基于此，文章利用数值模拟的方法，对典型U型断面渡槽进行研究，确定最佳断面形态。

1 有限元计算模型

1.1 模型的构建

研究中以泡田时间为1d，控制灌溉面积为20.0-33.3hm2的U型渡槽为例典型渡槽，建立有限元模型，对其结构进行设计和优化研究。其中，渡槽的长度取500cm，宽度为120cm，槽内净深为80cm，比降为1/1000。槽身为C30混凝土浇筑，渡槽壳体的顶部加厚为边梁，起到加固的作用，渡槽内的水体长度和宽度与渡槽规格一致。

利用大型商业有限元软件COMSOLMultiphysics进行有限元计算模型的构建和模拟计算[5]。模型以渡槽中线指向下游的方向为X轴正方向，以垂直于X轴指向左侧的方向为Y轴正方向，以竖直向上的方向为Z轴的正方向。利用六面体8节点三维实体单元进行模型的网格划分，为了保证模型计算的精度，沿槽身方向划分为10层网格，最大单元尺寸在40cm，最小单元尺寸在2cm，整个渡槽结构共划分为8764个计算单元，6456个计算节点。模型的网格剖分示意图如图1所示。

图1 有限元模型示意图

1.2 边界条件和计算参数

将混凝土材料视为均质线弹性材料，分别对四处支座设置全位移约束、YZ方向位移约束、Z向约束以及XZ方向位移约束。鉴于湿度对混凝土物理力学参数存在显著影响，研究中将渡槽混凝土材料的干燥弹性模量设定为24.2GPa，不同湿度条件下的弹性模量根据朱俊阁的研究成果以及渡槽用C30混凝土的试验数据进行计算[6]，计算公式为：E=24.20+130W。其中，E为弹性模量，W为混凝土的含水率。在湿度场模型中渡槽混凝土的扩散系数利用混凝土试块一维吸水试验的数据反演获取[7]。根据相关研究结果，混凝土材料的泊松比较少受湿度的影响，因此研究中取定值0.167。

1.3 求解过程

利用有限元软件中自带的Comsol Multiphysics 软件进行数值模拟计算，利用有限元法进行空间域的离散，利用有限差分法进行时间域的离散，计算中的最大步长为0.1d，最小步长为0.01d，总步长设定为10d[8]。

1.4 计算方案

参考渡槽设计规范以及相关研究成果，初步设计设置拉杆和不设置拉杆两种槽身断面。其中，设置拉杆的渡槽，每隔2.0m设置一根拉杆，渡槽的侧墙厚度和墙高的比一般为1/12至1/16，如果渡槽不设拉杆，一般需要适当增大侧墙厚度，以提升侧墙的稳定性。侧墙厚度设计为8cm，拉杆的规格为25cm×25cm；不设拉杆的渡槽槽身厚度设计为10cm。针对渡槽的使用情况，设置如下两种计算工况：工况1为无水工况，基本荷载主要是渡槽的槽身自重；工况2为满水工况，基本荷载主要是渡槽的槽身自重和水重。

2 计算结果与分析

2.1 位移计算结果与分析

利用上节构建的有限元模型，对不同工况，设计设置拉杆和不设置拉杆两种槽身断面条件下的位移进行模拟计算，并从计算结果中提取出水平位移和竖向位移的最大值，结果如表1所示。根据渡槽设计规范中关于单层排架结构的基础沉降量要要求，高压缩性土情况下不超过200mm，中低压缩性土条件下不超过120mm。由表中计算结果可知，各种断面结构和各种工况下的渡槽沉降量均<15mm，其中不设拉杆工况2条件下的沉降量最大为11.13mm。由此可见，各种计算方案下的渡槽地基沉降满足要求，并有较大的冗余量。此外，设置拉杆和不设拉杆相比，设置拉杆的渡槽竖向位移量相对较小，对控制渡槽变形更为有利。

从水平位移的计算结果来看，各种工况下的位移量比较接近，没有明显的变化，但是设置拉杆和不设拉杆相比，设置拉杆的渡槽水平位移量相对较小，对控制渡槽变形更为有利。

表1 渡槽位移最大值计算成果

2.2 应力计算结果分析

利用上节构建的有限元模型，对不同工况，设计设置拉杆和不设置拉杆两种槽身断面条件下的槽身和横梁的应力进行模拟计算，并从计算结果中提取出最大主拉应力和最大主压应力值，结果如表2所示。由表中的结果可知，渡槽采用设置拉杆断面结构时，槽身在工况1条件下的最大主拉应力和最大主拉应力值均相对较大，分别为0.56MPa和0.16MPa；横梁的受力情况类似，也是工况1条件下的最大主拉应力和最大主拉应力值均相对较大，分别为0.44MPa和1.01MPa。对于不设置拉杆的渡槽结构而言，应力变化情况类似，也是槽身在工况1条件下的最大主拉应力和最大主拉应力值均相对较大，分别为0.59MPa和0.18MPa；横梁的的最大主拉应力和最大主拉应力值分别为0.46MPa和1.22MPa。同时，上述应力值均

表2 槽身和横梁应力计算结果

2.3 经济性对比

根据有限元分析结果，设置拉杆对控制渡槽的位移和应力更为有利。为了进一步确定设计方案，对设置和不设置拉杆两种方案的造价进行比较，以便对两种不同的方案进行综合评价，以获取最佳断面设计。对6.0m长的渡槽按照当前的市场价格进行造价概算。结果显示， 带拉杆渡槽的价格为3587元，不带拉杆的渡槽单价为3624元。由此可见，在其他条件相同时，带拉杆渡槽的造价更低，具有较好的经济性。综合有限元计算结果和经济性评价，建议在工程设计中采用带拉杆的渡槽断面。

3 结 论

利用数值模拟计算的方法，研究了拉杆对U型断面渡槽位移、应力和经济性的影响，并获得如下主要结论：

1)设置拉杆和不设拉杆相比，设置拉杆的渡槽竖向和水平位移量相对较小，对控制渡槽变形更为有利。

2)设置拉杆和不设置拉杆相比，在其他条件相同的情况下，设置拉杆的渡槽应力值相对较小。

3)从渡槽的经济性来看，设置拉杆的渡槽造价更低。

4)综合研究成果，建议在农田水利工程渡槽设计中采用设置拉杆的渡槽断面。