水闸除险加固工程结构应力分析

曹凯敏,黄逸军,邢永兰

(湖州南太湖水利水电勘测设计院有限公司 浙南分公司,浙江 温州 325000)

0 引 言

拦河闸作为一种重要的水利工程设施,广泛应用于各地的河流治理和防洪工作中[1]。拦河闸在长期使用过程中,由于受到水流冲刷、潮汐涨落、腐蚀、疲劳等因素的影响,其结构性能逐渐下降,导致其在遭遇风浪、洪水等自然灾害时出现损坏,引发安全事故[2-3]。因此,对于拦河闸的除险加固和闸室结构应力分析等问题的研究具有重要的现实意义。

在研究拦河闸除险加固和闸室结构应力分析问题时,传统的实验方法受到诸多限制,难以得到准确的分析结果[4]。随着计算机技术和数值计算方法的不断发展,许多研究者开始运用数值计算方法和计算机辅助设计技术来进行闸室结构应力分析[5]。ANSYS软件作为工程仿真软件之一,在结构力学、流体力学、热传导等领域均有着广泛的应用。其强大的计算和模拟能力,可以模拟各种工程问题,并帮助研究人员进行理论分析和验证。因此,本文提出融合ANSYS的拦河闸除险加固工程闸室结构应力分析方法,以期为拦河闸除险加固工程提供更多参考。

1 拦河闸的除险加固、结构参数计算和闸室结构受力分析研究

1.1 拦河闸概况及除险加固方案

拦河闸作为河流治理和防洪的重要设施,在保障河流安全和运行中发挥着重要的作用,因此拦河闸的除险加固问题不容忽视[6-7]。目前,由于多年前的拦河闸设计标准和管理手段不够完善,导致大量拦河闸存在安全隐患[8]。本文以乐清市海塘安澜工程中的胜利长胜塘水闸为例,对其闸室构造尺寸、除险加固方法进行分析,从而为拦河闸的除险加固和闸室结构应力分析研究提供数据和理论参考。

经过计算,水闸所需要应对的20年一遇洪水排涝流量达到18.2m3/s。水闸内侧围区常水位2m,闸前20年一遇内河水位3.34m,闸前50年一遇内河水位3.68m。现状涵闸结构仅使用C25预制桩基础,规格为边长250mm,梅花形布置,无法满足承载力要求。作为本工程而言,开敞式和涵洞式在闸室部位已无明显区别,主要根据水闸所处的位置以及上下游连接建筑物情况。

综合分析结果,研究提出除险加固方案:水闸设计规模为1×3m,闸底板设计高程0m。上游护底段顺水流方向长8m,上游防冲槽长5m;闸室及交通桥段顺水流方向长11m,闸顶高程8.6m;下游消能防冲段顺水流方向长31m,消力池长12m。

1.2 拦河闸的结构参数计算和力分析方法

闸室底板支撑着上方的设备并保持闸室内部的水平,使闸门开关更加顺畅,闸门与闸室底板配合保证了闸门的密封性能[9-10]。闸室基桩因为不能考虑原闸室的顶推力,所以需要承受整体结构的全部水平力,桩基的位置分布决定了闸室结构的设计方向。研究进行闸室设计时,将闸室底板视作一个悬臂板,根据基桩位置和闸室整体结构,将底板划分为3个板带,见图1。

图1 闸室底板板带划分

由图1可见,闸室底板沿水流方向被划分成长度为2.245、3.965、4.790m的3段板带。完整板带包含32个基桩,其中板带1包含14个基桩,板带2包含10个基桩,板带3包含8个基桩。3段板带分别使用直径为18、25、20mm的钢筋。设计闸室底板使用C25混凝土进行现场浇筑。闸室底板中间具有分缝结构,顺水流方向的刚度较大,可以不考虑顺水流方向的受力。闸室底板基桩承受建筑的载荷重力,并将载荷分散到地下,减少底板的直接受力,同时基桩将闸室底板与地下土壤进行连接,当水位较高时,基桩可以避免闸室底板被水压损毁[11]。因此,对基桩的垂直承载力进行计算,公式如下:

Ra=qpaAp+up∑qsiali

(1)

式中:Ra为垂直的荷载值;Ap为基桩的横截面积;up为桩周外径;li为土层厚度。

水闸地基使用直径为600mm的灌注桩进行处理,上部使用砼结构。在闸室工作期间,灌注桩与底板之间的抗滑系数见表1。

表1 灌注桩摩擦系数

由表1可知,灌注桩建成后,设计洪水情况下的水平力为12 154.23kN,校核洪水情况下的偏心距、不均匀系数、抗滑稳定性系数均低于设计洪水情况;在建成无水情况下,所受水平力极小,但垂直力达到45 101.04kN,高于有设计洪水和校核洪水情况的垂直力,导致灌注桩有-0.01的偏心距。在建成无水情况下,地基直接承受上方建筑载荷,所受直接应力达到131.20kPa。使用宽顶堰流公式对过流能力进行计算,公式如下:

(2)

式中:Q为水流流量,m3/s;B为闸孔的总宽度,m;δ为引水系数。

经过计算后,得到过流能力为120m3/s,达到使用需求。消力池在开闸泄洪时可以减缓水流速度、分散水流能量,从而减少水流对周边设施的冲击和破坏,同时能够对水中沉积物进行沉淀,达到治理河道的目的[12]。

而对于拦河闸而言,在丰水期需要能够拦截上游洪水;平常期和枯水期需要能够调节水位,以满足下游城市、农田用水需求,所以在平常期和枯水期需要开启部分闸门[13]。因此,需要对消力池的深度进行计算,公式如下:

(3)

经过对各时期的水流参数进行计算后,设置消力池深度为1.2m,池长度为16.8m。

渗流稳定性影响河岸和闸基体的稳定性,若两岸绕渗稳定性不足,可能导致河岸的土壤和砂石松散并被冲入河道内,引起河道淤积,河岸和闸基体在长期受力不均作用下出现安全隐患[14],因此需要对两岸绕渗稳定性进行计算。研究以减载孔外边墙和临、背河堤顶边线提取交点,对上下游出入渗界面边线作垂直截取断面并展开。见图2。

图2 两岸绕渗流网

由图2可知,计算断面以土壤类型为标准,分为堤身土、砂壤土、壤土、黏土等几类,并对不同区域土壤进行编号。其中,沙壤土可直接分为3类,2号沙壤土和2-1号沙壤土属于同一类;壤土因所含颗粒大小和矿物成分密度不均匀,故在后续计算中分为3类;在堤顶上游侧边界处,垂直于堤顶面设置高压喷射灌浆截渗墙。计算断面的各土层渗透系数见表2。

表2 土壤渗流系数

拦河闸在不同自然环境和工况下的受力情况有较大区别,一般是以关门挡水、无水情况为基本情况。为了提高拦河闸的稳定性,还需取地震情况结合多年平均设置一种特殊情况。在进行计算时,一般会以闸室底板、闸门等作为单独的部分来进行计算,这样计算较为简便,但在进行整体分析时,由于对连接部的忽略会导致结果和实际情况存在偏差[15]。计算机辅助软件在进行复杂数据计算时较为简便快捷,同时可以保证计算的准确性。鉴于此,研究使用ANSYS有限元分析软件,对拦河闸受力进行建模分析,并对研究提出的拦河闸闸室除险加固方案的有效性进行分析。

2 基于ANSYS的拦河闸闸室结构应力分析方法验证

ANSYS可以模拟机械结构与流体之间的相互作用,软件中的可视化功能可以图形方式展现仿真结果,使结果展示更为直观,数据互动性便捷,在进行有限元分析时具有一定优势。使用ANSYS对拦河闸进行建模,共建立80 166个实体单元,其中包含13 746个SOLID65单元,代表闸室底板和闸墩;66 420个SOLID185单元,代表地基;共有90 774个节点。以三方向为基本轴,水流方向为Z轴,向上游为正方向;垂直水平面向上为Y轴;X轴同时垂直于Z轴与Y轴。地基深度设置为闸墩的2倍高度;地基长宽为闸墩高度和闸室底板宽度的2倍。因地基体积过大,在进行建模分析时会影响整体图像展现,所以以缩小尺寸,对地基底部施加全约束,地基周围施加法向约束。拦河闸闸室结构模型的网格划分见图3。

图3 拦河闸闸室结构模型网格划分

由图3(a)可知,模型的网格线在拦水闸闸室底板和闸墩部分较为密集,对相应的X轴、Z轴延伸方向的网格线也一并收拢变得密集。由图3(b)可知,在进行有限元网格划分时,将拦水闸闸室底板和闸墩部分划为一类,将地基划为一类。实验设置3种工况,见表3。

表3 载荷情况

由表3可知,完建期的拦河闸只受自重载荷,因无上下游蓄水,所以不受到水重载荷、静水压力载荷、扬压力载荷;正常蓄水位和校核水位工况受到静水压力、水重、扬压力、自重载荷。

单元材料参数设置见表4。由表4可知,设置闸室密度略小于地基的同时,弹性模量远大于地基。在使用研究方法进行除险加固后,使用ANSYS进行闸室结构应力分析。

表4 单元材料参数

工况1(完建期)的分析结果见图4。由图4可知,工况1(完建期)的位移情况呈两侧对称,中部闸墩顶部发生位移最严重;在仅受自重时,闸室底板与闸墩连接处的应力分布较为集中。

图4 工况1(完建期)分析结果

工况2(正常蓄水位)的分析结果见图5。由图5可知,工况2(正常蓄水位)的位移情况呈两侧对称,中间闸墩顶部发生位移最严重;在受设计洪水作用时,闸墩与闸室底板连接处的应力分布较为集中。

图5 工况2(正常蓄水位)分析结果

工况3(校核水位)的分析结果见图6。由图6可知,工况3(校核水位)的位移情况呈两侧对称,中间闸墩顶部发生位移最严重;在受校核洪水作用时,闸墩与闸室底板连接处的应力分布较为集中。

图6 工况3(校核水位)分析结果

对使用研究方法进行除险加固后的拦水闸,进行3个工况下的位移、应力测量,结果见表5。由表5可知,工况1(完建期)的σ1最小应力绝对值最小,仅为0.281 3MPa;工况2(正常蓄水位)的最小位移绝对值最大,达到5.978 0mm;工况3(校核水位)的σ3最大应力最大,达到0.006 9MPa。

表5 位移及应力结果

对比分析可知,拦河闸闸室的位移情况和应力分析结果与实际情况相符,表明研究所提的拦河闸除险加固工程中的闸室结构应力分析方法具有较优秀的准确度,所提的除险加固方案也有效。

3 结 论

拦河闸的整体稳定性和耐用度与闸室结构的受力情况息息相关,因此对闸室结构的受力分析具有十分重要的意义。本文以海塘安澜工程中的胜利长胜塘水闸为例,对其工作情况进行分析,并根据对过流能力、绕渗流情况的计算,提出了除险加固方案,最后利用ANSYS软件对拦河闸闸室结构进行应力分析。结果显示,ANSYS软件在研究建立的分析环境下,能有效对拦河闸闸室结构进行应力分析。研究结果为拦河闸除险加固工程提供了新的参考,为闸室结构应力分析提供了新的手段。