基于三维有限元澡港南节制闸安全复核

张 兴

（常州市城市防洪工程管理处,江苏 常州 213000）

1 引言

水闸安全性对水闸的正常使用及水闸下游居民的安全影响较大。早期修建的水闸受制于当时的经济、技术水平,水闸质量较为低下。在长期的使用过程中,水闸安全性产生了一定的变化。因此,针对这一类型水闸进行安全复核是十分必要的。目前,三维有限元数值模拟方法是水闸安全复核中常用的方法。通过建立三维模型,分析水闸的变形和应力情况,可直观反映水闸的安全情况,计算速度快,结果可靠,在众多工程中取得了良好的应用效果[1-4]。澡港南节制闸修建以后,在使用过程中出现了碳化等损毁现象,需要进行安全复核,为除险加固工程设计提供参考。

2 工程概况

澡港南节制闸闸室采用钢筋混凝土整体坞式结构,底板厚1.3 m,底板底高程-1.3 m,底板顶面高程0.0 m。边墩厚1.1 m,中墩厚为1.3 m。节制闸顺水流方向总长123 m,闸室长17.0 m。节制闸内外河侧消力池长均为15.0 m,深0.5 m。内外河侧海漫段均采用浆砌块石护底,长度均为30.0 m,在海漫的末端设顶宽为8 m 的抛石防冲槽。澡港南节制闸建成以来在常州市运北片地区的防洪、排涝和改善城市水环境等方面发挥了重要作用。

3 地质情况

工程场地勘察深度40.45 m 范围内的土层依据土性特点从上到下依次分为：①1 层河底淤泥、①2 层填土、②1 层粉质粘土、③2 层砂质粉土、③3 层粉细砂、④层粉质粘土、⑥层粉质粘土。受澡港河河道切割影响,河床部位表层①2层、②1 层、③2 层变薄或缺失,并沉积了①2 层河底淤泥,下部地层分布较为稳定。

节制闸底板底高程-1.30 m,位于第③2 层砂质粉土底部。该层土呈稍密～中密状,厚度仅0.5 m 左右,其下为③3 层粉细砂。泵站底板底高程-2.15 m,主要位于第③3 层粉细砂上。③3 层粉细砂具有厚度大、承载力高、压缩性低等特点,是拟建节制闸和泵站良好的天然地基。节制闸上下游消力池、海漫段和防冲槽基础等也主要位于第③2 层砂质粉土和③3层粉细砂上,该两层土容易产生渗透变形,抗冲刷能力差,应采取必要的防冲、防渗等护底措施。

4 澡港河南枢纽节制闸三维有限元计算

为了分析澡港河南枢纽节制闸整体结构的安全情况,建立ABAQUS 三维有限元数值模拟模型,利用数值模拟分析结构安全。

有限元应力—应变关系表示为：

式中：［D］ 为弹性矩阵。

节点荷载和位移关系如下：

式中：［K］、、［R］分别为刚度矩阵,节点位移和节点荷载列阵。

4.1 澡港河南枢纽节制闸结构计算模型

数值模拟计算范围如下：闸基在顺水流、垂直水流方向取34.0 m、72.0 m,深度取至高程-20.0 m。

为了提高软件计算速度和建模的简便,在模型建立上进行了一定的简化。考虑到模型尺寸,采用全约束地基模型。该闸有限元模型见图1。

图1 水闸与地基整体有限元模型图

节制闸计算参数见表1。

表1 结构材料计算参数表

4.2 基本荷载和计算工况

（一）固定荷载

①澡港河南枢纽节制闸结构自重；

②澡港河南枢纽节制闸上的竖向荷载。

（二）回填土荷载

墙后水平土压力按主动土压力和垂直土重进行计算,其余按边荷载考虑。

（三）水荷载

水荷载的加载情况：各个工况下的水位以及对于各水位同时考虑相应的扬压力。

（四）地震荷载

工程所在地地震动峰值加速度为0.05 g,处于地震烈度Ⅵ度区,建筑物的复核计算时不考虑地震工况。

4.3 计算结果分析

根据澡港河南枢纽节制闸数值模拟模型和计算参数,分别对澡港河南节制闸结构在不同工况下变形和应力进行计算,从位移、应力方面,对澡港河南节制闸结构进行安全分析及评价。

4.3.1 位移分析

不同工况下,澡港河南枢纽节制闸竖向位移计算成果见图2、表2。

根据图2、表2 中的计算结果可知。不同工况下水闸沉降差值均较小,其中工况5 条件下沉降差值最大,约为17.0mm。各工况下,澡港河南节制闸的最大、最小沉降值的比值约为1.40～1.51,处于相对较小的水平。工况1 条件下,澡港河南节制闸的沉降量最大,约为58.1mm,最大沉降量小于150.0mm,满足相关规范要求。

图2 节制闸竖向位移（沉降）云纹图

4.3.2 应力分析

澡港河南枢纽节制闸数值模拟最大主拉应力分析结果见图3、表3。

图3 应力云纹图

表3 各工况下水闸结构最大主拉应力成果表

从图中可知,最大主拉应力主要分布于闸门顶部区域,根据监测数据可知不同工况下,澡港河南枢纽节制闸最大主拉应力约在2.19 MPa～2.59 MPa,均超过C20、C25 混凝土容许拉应力值,见表4,根据数值模拟结果可以得知：混凝土抗拉强度不满足要求。

表4 混凝土容许拉应力与容许压应力值表

4.3.3 结构配筋复核

配筋率是保证混凝土抗拉强度满足要求的关键。根据表3 中的最大主拉应力计算成果对澡港河南枢纽节制闸配筋进行复核。当混凝土强度检测成果超过原设计强度标准时,以原设计强度为标准进行复核。在进行混凝土结构配筋复核时,需要充分考虑混凝土碳化对混凝土保护层厚度的影响,在复核时使用实测混凝土保护层厚度。

由表5 可知,水闸底板闸墩等结构的最大拉应力在各工况下的配筋满足强度要求。综上可知：水闸地基的沉降量满足规范要求,闸室整体稳定性较好,水闸底板、闸墩、工作桥的配筋满足结构强度要求。

表5 水闸结构配筋计算成果表

5 结论

为了分析澡港南枢纽节制闸的安全性,为水闸除险加固工程设计提供参考。使用ABAQUS 软件建立数值模拟模型。通过分析不同工况下的应力及变形成果可知：澡港南节制闸最大沉降差值为17.0 mm,最大、最小沉降值之比约为1.40～1.51,最大沉降量以及最大沉降差均满足要求。但各工况下最大主拉应力为2.19 MPa～2.59 MPa,超出原设计采用的C20、C25 混凝土的抗拉强度允许值,澡港南节制闸混凝土抗拉强度不满足要求。澡港河南枢纽节制闸需及时实施除险加固工程。