穿坝涵闸受力影响因素有限元分析研究

陈华根

(分宜县彰湖水库管理所，江西 分宜 336600)

1 工程背景

彰湖水库位于江西省分宜县的高岚乡彰湖村赣江水系袁河支流洋江河水干流上，坝址以上控制流域面积11.20 km2，引流面积15.83 km2，总库容1658万m3，设计灌溉面积0.13万hm2。是一座以灌溉为主，兼顾防洪、养殖等综合利用的中型水利枢纽工程。水库主坝于1959年10月动工兴建，为均质土坝，坝顶高程达128.1 m，最大坝高8.1 m。水库共建有副坝9座。坝顶高程都在129.6 m以下。水库在建成之后经历过多次除险加固和续建加固扩建。由于地方配套资金不到位，水库还有部分主体项目的除险加固未实施；其中，张建副坝的坝下灌溉涵管建成于1966年，为混凝土预制管，管径2.0 m，进口为斜拉闸门控制，灌溉任务20 hm2，在经过多年使用之后，涵管老化变形、破裂、漏水，因此在1997年被完全堵塞。2002年除险加固进行了拆除重建设计但未实施。该涵管进口段长期漏水，2019年汛期上游坝坡涵管顶部出现跌窝的险情。因此加固设计对涵管进行原址拆除重建。鉴于涵管顶部出现跌窝，因此采用开挖填筑的施工方式。基于此，此次研究采用有限元分析的方式，对涵管的受力影响因素进行分析，并据此提出相应的工程建议[1]。

2 有限元计算模型

2.1 计算分析方案

在穿越堤坝的涵管结构设计过程中，需要保证其具有足够的强度和稳定性，保证其后期的安全稳定运行。在这方面，涵管顶部的垂直土压力影响十分重要，而其影响因素又比较复杂，与填土性质和厚度，埋管材料、边界条件和地基条件均有密切关系。基于此，此次研究选择Midas/GTS有限元软件进行计算模型的构建，展开各种不同因素的影响分析，为工程设计和建设提供有益的借鉴和支持。Midas/GTS是将通用有限元分析方法和岩土结构的专业性相结合开发出来的一款适合岩土和隧道结构分析的有限元软件。其优势是可以进行全面的岩土领域计算分析，具有高效的前处理模块和专业化的单元库和本构模型，可以为用户提供15种通用本构模型，同时也支持用户自定义本构模型，十分适合岩土工程领域的结构、渗流、固结和稳定性分析。因此研究中选择Midas/GTS软件进行有限元计算模型的构建[2]。

2.2 有限元模型的构建

根据涵管施工的相关技术规定，其周围和上部的填土夯实度需要达到土体最大夯实度的95%。显然，在一般的施工条件下，涵管两侧及上部的填土并不会达到最大状态。虽然按照相关理论，填土属于典型的非线性压缩体，其变形模量与应力状态之间存在十分明显的关系。但是土体的塑像变形区与其他材料相比很小，其理论计算值和实测值相对比较接近，因此在计算过程中将涵管周边的填土体视为线弹性介质，同时将涵管视为置于弹性介质中的梁结构。然后沿着涵管的纵向垂直截取一定长度的涵管，将研究对象转化为平面应变问题进行处理。在网格剖分过程中，选择PLANE42平面4节点单元，整个模型划分为11 675 个网格单元，12 247个网格节点[3]。

2.3 计算参数

在几何模型的构建过程中，对模型的两侧边界施加水平位移约束，对模型的底部施加全位移约束，模型的表面为自由边界条件，不施加位移约束。在模拟计算过程中，假设填土的压缩变形在填土过程中完成，不考虑时间维度的土体固结变形影响，也就是每层填土都给上层填土施加一个自重荷载，同时引起相应的位移增量变形。在填筑到某一高度时，其下部土体的位移和应力场不再发生变化[4]。此次研究中涉及的材料主要是黏性回填土、大坝填筑土、粉质黏土基土和管涵混凝土材料，结合现场取样试验结果和相关研究成果，确定模型材料的物理力学参数，结果如表1所示。

表1 模型材料物理力学参数

3 计算结果与分析

3.1 地基刚度

在模拟计算过程中，保持开挖沟槽的坡度为0.7、底宽为6 m不变，设置地基刚度为大坝基土弹性模量的1倍、2倍、3倍、4倍、5倍，利用上节构建的有限元模型对涵管顶土压力进行计算。根据计算结果，绘制出如图1所示的不同地基刚度条件下，涵管顶土压力变化曲线。由图可以看出，在不同地基刚度条件下，涵管的顶土存在比较显著的应力集中现象，且呈现出中间偏大，向两侧逐渐减小的变化特点[5]。并且分布并不十分均匀。从同一部位不同地基刚度的计算结果来看，当地基刚度值较小时，涵管顶土压力随着地基刚度的增大而显著减小。但是，当地基刚度大于坝基图弹性模量的3倍时，顶土压力的变化并不明显。由此可见，增加地基刚度有利于减小涵管顶土压力，但是效果会随着地基刚度的增加而明显减弱。

图1 顶土压力变化曲线

3.2 沟槽宽度

在模拟计算过程中，保持开挖沟槽的坡度为0.7地基弹性模量不变，设置4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m、10 m、11 m、12 m等9种不同的沟槽底宽，利用构建的有限元模型对不同沟槽底宽条件下的涵管顶土压力进行计算。根据计算结果，绘制出如图2所示的涵管顶土压力随沟槽底宽的变化曲线。由图可知，沟槽宽度是涵管顶土压力的重要影响因素，随着沟槽宽度的增大，顶土压力值也呈现出不断增大的变化特点，且表现为近似线性关系。由此可见，沟槽的宽度越大，其附加应力值也就越大，并造成涵管顶土压力系数的不断增大[6-8]。

图2 顶土压力随沟宽变化曲线

3.3 沟槽坡度

保持沟底宽6 m和地基弹性模量不变，设置0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1等9种不同的沟槽坡度，利用构建的有限元模型对不同沟槽坡度条件下的涵管顶土压力进行计算。根据计算结果，绘制出如图3所示的涵管顶土压力随沟槽坡度的变化曲线。由图可知，涵管的顶土压力随着沟槽坡度的增大而减小并逐渐趋于稳定，当沟槽的坡度<0.7时，涵管的顶土压力随着坡度的增大而迅速减小，当沟槽的坡度>0.7时，随着沟槽坡度的增大涵管的顶土压力减小比较缓慢。由于在底宽不变的情况下，增大坡度会显著增加开挖工程量。因此，最佳坡度应该以0.7左右为宜。

图3 顶土压力随沟槽坡度变化曲线

3.4 加固区刚度

在涵管工程施工过程中，涵管下部加固区的刚度也会对涵管受力情况产生显著影响。基于此，研究中保持原始设计参数不变，设置0 MPa、50 MPa、100 MPa、150 MPa、200 MPa、250 MPa、300 MPa、350 MPa、400 MPa等9种不同的加固区刚度值，利用构建的有限元模型对涵管顶土压力值进行模拟计算，根据计算结果，绘制出如图4所示的顶土压力随加固区刚度的变化曲线。由图可知，随着加固区刚度的增大，顶土压力呈现出迅速增大并逐渐趋于稳定的变化特点。具体来看，当加固区刚度<200 MPa时，顶土压力的增加比较迅速，当加固区刚度>200 MPa时，顶土压力值逐步趋于稳定。

图4 顶土压力随加固区刚度变化曲线

4 结 论

此次研究以具体工程为背景，利用Midas/GTS软件构建有限元模型，研究坝下涵管施工中顶部垂直土压力的影响。结果显示，管涵顶土压力随着地基刚度和沟槽坡度的增大而减小，随着沟槽宽度和加固区刚度的增大而增大。根据研究结果，建议在管涵工程施工中将垂直土压力作为设计中考虑的重点；选择沟埋式施工方式时应尽量减小沟槽的宽度和坡度；此外，在工程设计中需要掌握好加固区刚度，必要时可以对涵管两侧的地基进行必要的处理。