基于三维有限元的某闸坝闸墩和闸孔宽度比选计算

肖艳君

（湖南建工集团有限公司，湖南 长沙 410000）

闸坝结构属于异形结构，通常由闸墩、牛腿、溢流堰、弧门、胸墙等结构组成。闸墩及牛腿受弧门推力的作用，受力状态复杂，无法通过结构力学方法得到结构内力。《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008）[1]指出“对于异形结构，可由弹性理论分析方法求得的结构弹性拉应力确定钢筋用量”。本文以某实际项目为例，利用BIM 技术建立闸坝结构几何模型并划分网格，导入有限元分析软件完成结构的三维有限元分析，对闸墩厚度和闸孔宽度进行了比选分析计算，并采用应力图形法，对结构的配筋计算进行评价，可为其他类似结构设计和计算提供参考。

1 计算条件

1.1 基本情况

某工程闸坝位于河床中央，左邻厂房坝段，右靠船闸坝段，闸坝上游侧顶部设有胸墙，溢流坝分缝设于闸墩处，溢流坝段共14 孔溢流闸孔，溢流堰采用WES 曲线堰，坝顶高程为83 m，最大坝高34 m，闸墩厚3.0 m，水库正常蓄水位为78 m，设计、校核水位均为80.80 m，基岩为弱风化粉砂质板岩。闸坝设计断面见图1。

图1 闸坝设计断面图

1.2 计算模型及参数

三维有限元计算网格划分均采用8 结点6 面体单元，结点总数459 770，单元总数410 698，计算模型见图2。

图2 三维有限元计算模型图

所有材料均采用线弹性材料，计算参数见表1。

表1 闸坝有限元计算材料参数表

1.3 比选方案

方案1：闸墩厚3.0 m，中孔净宽14 m；方案2：闸墩厚3.0 m，中孔净宽16 m；方案3：闸墩厚3.5 m，中孔净宽14 m；方案4：闸墩厚3.5 m，中孔净宽16 m。不同比选方案示意图见图3。

图3 不同比选方案示意图

2 计算结果及分析

2.1 应力分析

闸坝各部位方案1 的有限元计算结果见表2，图4给出了正常蓄水工况（闸墩纵行最不利）和正常蓄水+一侧挡水工况（闸墩横向最不利）下闸坝的应力和位移云图，由表2 和图4 可知，堰体底板应力最大为正常蓄水+一侧挡水工况，大小为0.45 MPa，最小为校核水位工况，原因是高水位工况下闸坝整体所受浮托力的增大，故底板拉应力最小；堰体表面应力最大为正常蓄水+一侧挡水工况，检修工况次之，大小为1.17 MPa；胸墙应力最大为正常蓄水+一侧挡水工况，大小为2.05 MPa；边墩应力最大为正常蓄水+一侧挡水工况，大小为1.83 MPa，位于闸墩根部；中墩应力最大为正常蓄水+一侧挡水工况，大小为1.35 MPa，主要是由于两室水压不平衡；边墩牛腿和中墩牛腿应力相差不大，边墩略大于中墩，牛腿应力最大为正常蓄水+一侧挡水工况，大小为2.45 MPa，位于牛腿根部。位移方面，量级均为毫米级，变形量较小，均在合理范围内。

表2 闸坝有限元应力计算结果（最大拉应力）

图4 闸坝结构主拉应力云图（单位：Pa）

2.2 方案比选

表3 和表4 分别给出了方案1～4 闸坝结构不同部位的最大拉应力和配筋量统计。由表3 可知，在相同闸墩厚度情况下，闸孔越宽，堰体底板、胸墙、闸墩和牛腿最大拉应力越大；在相同闸孔净宽情况下，闸墩厚度越大，堰体底板、胸墙、闸墩和牛腿最大拉应力越小。另外，在闸墩变形方面，由于闸孔宽度较大，水头较高，在正常挡水工况下，闸墩的水平变形最大，由于该闸坝为闸墩分缝，缝宽20 mm，故闸墩的水平变形允许值是10 mm，由表5 可知，方案1、方案2 和方案4 不满足要求。综合结构配筋计算结果，方案3，墩厚3.50 m，净宽14 m，为最优方案，配筋量也较少。

表3 方案1～4 有限元应力计算结果表（最大拉应力）

表4 方案1～4 闸坝配筋统计表

表5 方案1～4 闸墩变形统计表

3 结 论

通过三维有限元分析，对某闸坝进行了闸墩和闸孔宽度比选分析计算，通过应力图形法对结构进行配筋计算，得到结论如下：

1）在相同闸墩厚度情况下，闸孔越宽，堰体底板、胸墙、闸墩和牛腿最大拉应力和变形越大；

2）在相同闸孔净宽情况下，闸墩厚度越大，堰体底板、胸墙、闸墩和牛腿最大拉应力和变形越小；

3）对于闸墩分缝情况，闸墩的水平变形不能超过10 mm，不宜选取过大的闸孔宽度。