Autobank软件在水闸安全鉴定中的应用

任伯锋，李洪斌，唐 帅

（山东省水利勘测设计院，山东 济南250014）

韩庄节制闸位于山东省微山县韩庄镇，是南四湖洪水经韩庄运河南下的关键性控制工程。1960年建成17孔老闸，1980年在老闸两侧各扩建7孔新闸，新老闸共31孔。新闸共14孔，于1977年3月开工，1980年4月建成，由山东省南四湖流域工程指挥部设计，韩庄闸扩建会战指挥部施工，2002年进行除险加固，2004年加固完成。

1 闸室稳定复核

1.1 基本资料

韩庄节制闸闸室为开敞式宽顶堰，共31孔，单孔净宽12m，闸室总宽435.6m。老闸室顺水流向长18.5m，墩厚1.5m。采用分离式底板，底板顶高程30.30m，墩下大底板厚2m，墩间小底板厚1m。新闸室顺水流向长27m，墩厚1.5m。也采用分离式底板，底板顶高程28.50m，墩下大底板厚1.8m，墩间小底板厚1.0m。根据其结构特点，进行荷载计算、基底应力及抗滑稳定安全系数计算。

根据地质报告，闸室基础主要位于泥岩、细砂岩、石英砂岩、砾岩上。泥岩、细砂岩、石英砂岩、砾岩的地基承载力特征值分别为270kPa、310kPa、1500kPa和270kPa。基础底面混凝土与基岩之间的抗剪断强度值建议采用f′=0.40，c′=0.03MPa，闸基混凝土与基岩面的抗剪强度建议值f=0.30。本次复核闸基弹性模量取2.79×107kPa，泊松比取0.15。

1.2 计算原则

闸室为分离式底板，老闸单联宽20.9m，新闸单联宽20.6m，取中间一块墩下大底板为计算单元，分别计算正常蓄水位情况、设计洪水位情况、校核洪水位情况和地震情况的闸室稳定和地基应力。闸室抗滑稳定按下式进行计算：

式中：kc为抗滑稳定安全系数；f为基础底面与地基土之间的摩擦系数；∑G为作用在闸室上的全部竖向荷载，kN；∑H为作用在闸室上的全部水平向荷载，kN。

基底压应力按下式进行计算：

抗浮稳定按下式计算：

式中：Kf为闸室抗浮稳定安全系数；为作用在闸室上的全部向下的铅直力之和，kN；为作用在闸室基底面向上的扬压力，kN。

1.3 荷载组合及计算工况

根据《水闸设计规范》（SL265-2016），作用在水闸上的荷载可分为基本荷载和特殊荷载两类。根据规划资料，结合该闸实际运用情况，本次复核计算工况及荷载组合见表1。

表1 闸室稳定计算荷载组合

主要计算荷载包括如下方面：1）自重：包括闸室底板、闸墩、工作桥、检修桥、公路桥、启闭机房、工作闸门和启闭机等的自重。2）水重：上、下游段底板以上的水重。3）静水压力：分别计算不同工况下的静水压力。4）扬压力：分别计算各种工况作用下的扬压力。5）风压力：风压采用基本风压。6）波浪压力：波列累计频率P取1%，设计风速取汛期多年平均最大风速的1.5倍。7）地震力：拟静力法计算，设计烈度提高为7度，地震加速度代表值取0.1g。

采用有限元软件Autobank建立水闸稳定计算二维模型，各工况下老闸、新闸稳定计算成果见表2、表3。

表2 老闸闸室稳定计算成果表

1.4 闸室稳定计算成果

由表2和表3可知：在以上五种计算工况下，闸室最大基底应力小于地基允许承载力，闸室基底均未出现拉应力，满足规范要求；闸室抗滑稳定安全系数、抗浮稳定安全系数均大于允许值，满足规范要求。

表3 新闸闸室稳定计算成果表

2 闸室结构复核

老闸底板为素混凝土结构，室顺水流向长18.5m，墩厚1.5m，采用分离式底板，底板顶高程30.09m，墩下大底板厚2.4m，墩间小底板厚1.3m；新闸底板为钢筋混凝土结构，室顺水流向长27.0m，墩厚1.5m，也采用分离式底板，底板顶高程28.29m，墩下大底板厚1.8m，墩间小底板厚1m。根据水闸结构特点，对闸室边联和中联大底板进行结构强度复核。

2.1 计算工况及荷载组合

计算荷载考虑结构自重、水重、土压力、静水压力、扬压力、地震等荷载，对正常蓄水位情况、校核洪水位情况及地震情况的闸室底板及闸墩结构进行结构复核。采用Autobank有限元软件中弹性地基梁法计算闸底板及闸墩内力，计算中取垂直水流方向的单宽梁为计算单元，基岩定义为线弹性材料；在地基周围施加水平位移和竖直位移约束，根据不同工况施加荷载。

2.2 结构计算

各工况下的弯矩计算结果见表4、表5。

表5 新闸闸室结构复核成果表

由表4～5可知：老闸边联底板在地震情况和校核洪水位情况下，混凝土抗拉强度不满足规范要求，边墩在正常蓄水位、校核洪水位和地震情况下混凝土抗拉强度均不满足要求，中墩在地震情况下混凝土抗拉强度不满足要求。

表4 老闸闸室结构复核成果表

新闸边联和中联均不满足最小配筋率要求，其中，边联底板在正常蓄水位、校核洪水位和地震情况下受拉承载力均不满足要求；边墩在正常蓄水位和地震情况下受拉承载力不满足要求。

3 结论

本文采用有限元软件Autobank建立水闸闸室计算模型，将水闸闸室和地基作为一个整体进行结构计算。分别对正常蓄水情况、地震情况和校核洪水位情况下闸室混凝土结构的抗拉强度和受拉承载力进行计算，并与原设计混凝土抗拉强度和受拉承载力进行比较，进而得出原闸的结构安全复核结论。相对传统的计算方法，具有计算精度高、效率高、结果直观和适用性强等优点，为类似工程安全鉴定结构复核计算提供参考。