高效防洪闸施工技术与结构优化研究

张 侃

(北京金河水务建设集团有限公司,北京 102299)

0 引 言

在水电工程施工中,往往受环境等因素的制约,加之施工条件不完备,施工技术多样,如果忽视安全管理,容易造成施工过程出现安全隐患。水工建筑物中,闸门负责关闭和调节孔口,是一种可活动式结构。新闸防洪控制工程是水利工程中的基础性工程,其建设周期长,投资大,建设难度大,因此必须依靠科学、合理的施工手段[1]。防洪工程中,防洪闸门是一种常见的基础设施,其主要功能是控水、防洪。防洪闸是一种可开可关的大型水闸,一般设于江河、水库、河道等水域的出水口。水位上涨时,控制门被关闭,防止洪水流向下游;水位降低时,开启洪水闸门,使水顺利流向下游[2]。防洪闸门的基本原理就是通过对水位高低进行控制,以实现对洪水的有效控制[3]。地震时,可能造成水闸的损坏,导致其无法正常运行,甚至产生结构性破坏,进而引发次生水灾等连锁反应[4]。

因此,本文采用有限元技术,通过模拟结构的动态响应,有效评估和优化加固设计。研究旨在提供详尽的结构分析,为改善抗震性能提供准确的工程解决方案,为防洪闸的安全提供更全面、更准确的保障措施。

1 高效防洪闸施工技术与结构优化设计

1.1 工程概况

面对不断变化的气候和地球环境,研究和发展高效防洪闸成为防洪工程领域的关键任务之一。本次研究选择北京市顺义区潮白河右堤与北减河相交处的某工程开敞式防洪闸为研究对象,防洪闸的主要作用是控制水位、防止洪水并调节水流,在上游河段发生20年一遇以上洪水时,会降下闸门,以避免河道内的水倒流至城北。为了确保城市的防洪安全,在河道水位低于20年一遇洪水位的情况下,必须打开防洪闸。以上布置不仅可以阻止河水倒流,还能保证城市的洪水不受阻碍地排放。

该开敞式防洪闸共有6个开孔,每个开孔宽6m,相邻两个闸墩之间设置伸缩缝,因此两个孔为一组,共3组。图1为开敞式防洪闸布置图。

图1 开敞式防洪闸布置图

图1中,闸室底板和门顶标高分别为27.00、32.00m。从底板最低处至启闭室的最高点为17.5m,上下游的墙顶均为33.30 m。上游平面与一条河流相连,在下游进行深1m的落水口后,与下游一条26.00m的河段相连接,该工程总长度108.5m。顺河方向的闸门底板宽12m,底板1.5m。该闸门为平板型,高5m,厚0.8m,闸室结构材质为C25。新闸紧靠开敞拦洪闸门南面,毗邻侧孔闸室,并联设置,满足上下游水面连通的要求,新闸单宽6m,采用平底板结构,上游最高水位29.5m,下游最高水位29.2m,通航最低水位28.65m,下游为28.2m,上下游水位相差0.3～1.3m。

通过区域地质数据分析,该地区下第三系红黏土和红绿泥相间的砂砾层,第四系松散堆积体主要为砂卵石、粉土和黏质土。场区10口井所揭露的地层都是近代冲积物,又有第四纪冲积物,主要分布在河道及洪泛区。经地质调查,该工程环境类型分为两类,当抗震设防烈度为VII度时,存在基础液化问题。为了应对该情况,工程采用换填砂砾料的地基处理方法。

1.2 基于静力有限元计算的闸室结构分析方法

闸室结构的静力有限元计算方法,用于分析和评估闸室在静态条件下的结构行为5-6]。研究根据防洪闸的结构特征,采用ADINA有限元技术,构建闸室结构三维水动力计算模型,并对其进行数值模拟。地基高度为闸室总高2倍,上下游延伸宽度为闸室宽度1倍,两边间距为闸室宽度1.5倍,有限元模型包含120 492个节点和94 310个六面体单元。考虑开闭机房等细节,对闸室的各部位进行划分。图2为闸室结构各混凝土构件。

图2 闸室整体结构有限元模型

开放式防洪闸门的主要作用是防止河道内的河水倒流和滞蓄,因此研究将数值模拟计算划分为4种工况。工况1为正常蓄水位时,闸前与闸后水深分别为29.50、29.20m;工况2为设计水位,闸前与闸后水深分别为29.602、29.40m;工况3为校核水位,闸前与闸后水深分别为31.106、30.90m;工况4为反向挡水位,闸前与闸后水深分别为29.50、31.784m。在进行有限元数值模拟时,对混凝土采用线弹性本构模型[7],同时为了更好地反映钢筋在混凝土中的功能,提出将等效的弹性模量作为混凝土的弹性模量。在线弹性过程中,钢筋和混凝土是协调变形的。等效弹性模量原则如下:

式中:Ec为素混凝土弹性模量,GPa;Es为钢筋弹性模量,GPa;As、A分别为钢筋和混凝土的横截面积,m2。

静水压力主要作用于闸室结构的前部和后部、底板的顶面、闸墩的侧面和钢闸的前后。闸室内部及闸墩两侧的静水压均呈三角形分布,且随着深度的增加而增大,方向垂向作用面。闸门上壁所受的静水压是随着深度增加而增加的阶梯形,且方向垂向作用面。静水压的计算公式如下:

q=γwhw

(2)

式中:γw为水的容重,kN/m3;hw为水的深度,m。

在计算中,采用最不利荷载方式,将河道内的泥沙视为浑水,不再单独计算淤沙压力。闸基渗流属于有压渗流,在研究闸基渗流时一般作为平面问题考虑,使用改进阻力系数法进行计算[8-10]。在水闸设计中,风荷载的确定涉及结构的抗风能力,研究根据相关规定确定[11-12]。在风荷载的计算中,稳定风压是指建筑物表面上静态风力作用的压力分布,研究将该系数的取值定为1.3,基本风压w0取值0.4kN/m2[13-14]。风载荷的计算如下:

wk=βzμsμzw0

(3)

式中:βz为高度处风荷载引起的振动系数;μz为高度修正系数;μs为结构形状系数。

1.3 防洪闸的施工及闸室结构优化设计

使用闸室与地基构成的整体三维有限元模型,分析闸室底板的动力响应量。在动力响应研究中,通常会考虑地震加载、结构的固有振动频率、阻尼特性等几个方面。研究通过引入无质量基础,在充分考虑闸门前后水体对闸室结构动力响应的基础上,利用结构振动特性分析法,分析闸室结构的振动特性。在进行水工建筑物的动力分析时,混凝土材料的弹性模量通常需要根据具体的工程情况来确定。对于混凝土而言,在不同的应力、应变和载荷频率下,其弹性模量可能会有所变化。由于闸墩为偏心受压构件,所以从安全性的角度来看,闸墩在最不利状态下应按纯弯构件考虑。图3为单位长度闸墩截面的配筋简图。

图3 单位长度闸墩截面的配筋简图

在图3中,在正常工作条件下,闸室在启闭室的排架立柱上出现显著的压应力区。其中,最大值出现在启闭机房至闸墩连接处,达到44.28MPa,远远超过设计时所考虑的C25混凝土抗压强度,因此不能满足抗震要求,需进行相应抗震加固处理措施。闸室上方启闭室排架立柱在地震作用下,在各转角附近产生较大的拉应力与压应力区,这是由振型分解反应谱方法得到。在地震作用下,这些部位会产生贯穿裂纹,对启闭室的安全性造成威胁。

因此,研究以这一地区为研究对象,采取相应的加固措施。在不改动既有结构形式的前提下,考虑闸室上部启闭机房的特性以及为增加其结构整体刚度,研究提出3种抗震加固方案,并以多种方式与消能减震装置结合,以提高结构的耗能能力,进而提升结构整体的抗震能力。

方案一的具体措施是在防洪闸室上部结构中,特别是在二层排架立柱的跨中点进行加固。方案二包括在防洪闸室上部结构,尤其是在启闭机房一层排架立柱中的跨中点。方案三计划加固防洪闸室上部结构,利用有限元分析评估结构强度,增加支撑系统的稳定性,采用抗震设计标准以及采取抗洪材料和防护措施。研究采用时程分析法,比较不同加固方案在纯动荷载下闸室结构动力反应。

2 试验结果分析

在面对Ⅷ级地震时,动力计算方法显示闸室上方启闭机排架柱转角部位承受的应力超出抗震安全要求。为了解决该问题,首先对启闭机房制定多种不同的抗震加固方案,然后利用时程分析法,评估加固后的闸室结构在地震条件下的抗震性能。本次工程计算所采用的材料参数见表1。

表1 闸室结构混凝土材料参数

为了对方案一防洪闸结构的加固抗震效果进行分析,将未加固方案与方案一特征点A处的位移时程以及特征点B处应力时程进行对比,结果见图4。

图4 未加固方案与方案一特征点A处的位移时程以及特征点B处应力时程

由图4(a)与图4(b)可知,与未加固方案相比,在特征A处横河流向最大位移增加12.06%,顺河流向位移增加11.19%。这主要是由于在不改变一层结构刚度情况下,增大了启闭室二层结构刚度,提高了启闭室的整体动力响应。由图4(c)与图4(d)可知,加固后,特征点B的第一主应力增加32.431%,第三主应力增加11.202%。其主要原因是加固引起的“鞭梢效应”,导致整体动态响应增加。可能是由于加固结构刚度增加,在地震时导致局部应力集中。

图5为未加固方案与方案二特征点A处的位移时程以及特征点B处应力时程的对比结果。

图5 未加固方案与方案二特征点A处的位移时程以及特征点B处应力时程

由图5(a)和图5(b)可知,与未加固方案相比,特征点A的横向位移最大减少37.33%,顺河流方向的最大位移减少38.01%。这主要是由于启闭机房一层结构刚度得到提高,而启闭室结构在地震作用下的位移反应明显减小。由图5(c)与图5(d)可知,与未加固方案相比,节点B处第一主应力下降71.63%,第三主应力最大下降66.78%。这是由于启闭机房一层结构在地震荷载下的受力性能得到明显改善,从而大大降低启闭室的受力。

图6为未加固方案与方案三特征点A处的位移时程以及特征点B处应力时程的对比结果。

图6 未加固方案与方案三特征点A处的位移时程以及特征点B处应力时程

由图6(a)与图6(b)可知,与未加固方案相比,特征点A的横向位移最大减少49.87%,顺河道的最大变形量减少46.12%。与加固方案一相比,方案三在提高启闭室二层结构质量的同时,也使一、二层结构的刚度得到提高,从而大大降低启闭室结构在地震荷载下的位移反应。由图6(c)与图6(d)可知,与未加固方案相比,特征点B的第一主应力下降70.96%,第三主应力下降71.50%。这是由于启闭机房一、二层结构刚度得到提高,从而大大降低启闭室结构在地震作用下的应力反应。

图7为不同方案的位移与应力结果对比情况。

图7 不同方案的位移与应力结果对比

由图7(a)与图7(b)可知,横河方向特征点A的最大位移在方案一增加12.06%,方案二减小37.33%,方案三减小49.90%;顺河方向特征点A的最大位移在方案一增加11.20%,在方案二和方案三中分别减小38.011%和46.121%。这些变化分析有助于评估抗震加固方案对结构动态响应的影响,为选择最佳方案提供指导。方案二中,在特征点A的位置,横、顺两个方向的位移分别减小20.01%和13.07%。以特征点B处第一主应力最大值为例,与未加固方案相比,方案一提高32.43%,而方案二、方案三分别减少71.63%、70.96%。在特征点B的最大主应力下,方案一提高11.20%,方案二、方案三分别减少66.78%和71.50%。与方案二相比,方案三的第一、第三主应力分别下降5.78%和14.16%。

综上可知,方案一提高了启闭机房二层结构的刚度和质量,但未调整一层结构刚度,导致地震时整体动力响应增加。相比之下,方案二和方案三通过强化启闭机室一层结构刚度,显著减小了整体动力响应,表明结构刚度调整的重要性。但方案三相较于方案二的效果较差,且经济成本更高。

3 结 论

为了提高某开敞式防洪闸工程的防洪闸抗震加固性能,本文提出了基于ADINA有限元软件,建立了三维有限元计算模型,同时提出了3种不同的防洪闸结构抗震加固方案,并对其进行了比较。结果表明,与未加固方案相比,方案二的特征点A横向位移最大减少37.33%,顺河流方向的最大位移减少38.01%;方案二的节点B处第一主应力下降71.63%,第三主应力最大下降66.78%。相较于方案一和方案三,方案二能够明显减小启闭机房结构的整体动力响应,并能更好地节省经济成本,因此将方案二作为本次防洪闸的结构加固方案。