施亞運(yùn)

（長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司, 湖北武漢430010）

0 引言

目前，對(duì)大中型通用水閘整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是傳統(tǒng)的計(jì)算和處理方法，即獨(dú)立計(jì)算水閘閘室的底板、閘墩、橋墩、交通橋等構(gòu)件，沒有充分考慮部件之間的互相影響，且難以清楚反映水閘閘室整體結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力、變形等情況。大型水閘結(jié)構(gòu)的合理計(jì)算和處理方法是有限元法，它不僅可以綜合處理大型水閘閘室各構(gòu)件之間的相互作用，還可以處理閘室與主體基礎(chǔ)之間的相互作用，準(zhǔn)確、直接地反映大型水閘整體結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況[1，2]。洪湖東分塊蓄洪工程項(xiàng)目計(jì)算研究時(shí)，主要考慮不同閘室各構(gòu)件之間的相互作用，將不同閘室中閘室底板、閘墩、閘門、排架、交通工作橋和地基作為一個(gè)整體，利用有限元軟件建模進(jìn)行整體計(jì)算分析。建立水閘結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型，分析不同工況下水閘整個(gè)結(jié)構(gòu)及地基的應(yīng)力和應(yīng)變的分布及變化，為水閘主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了堅(jiān)實(shí)、科學(xué)的理論依據(jù)，并對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供支撐。

1 工程概況

洪湖東分塊蓄洪工程主要工程項(xiàng)目包括新建腰口隔堤，長25.949 km；新建套口進(jìn)洪閘，設(shè)計(jì)進(jìn)洪流量8 000 m3/s；新建補(bǔ)元退洪閘，設(shè)計(jì)退洪流量2 000 m3/s；還建腰口泵站和高潭口二站；新建內(nèi)荊河和南套溝節(jié)制閘，設(shè)計(jì)流量分別為460 m3/s和80 m3/s；新建新灘口泵站保護(hù)工程，修建堤防1.2 km，分洪節(jié)制閘1 座，設(shè)計(jì)流量256 m3/s；東荊河堤加固工程，長42.236 km；洪湖主隔堤加固工程，長12.509 km；水系恢復(fù)工程需要新挖和疏挖渠道102.67 km，新建和改造小型排灌泵站17 座，新建和改建小型涵閘31 座等；長江干堤內(nèi)護(hù)坡73.19 km。

套口進(jìn)洪閘的主要任務(wù)是分洪、擋洪。設(shè)計(jì)分洪流量為8 000 m3/s，閘前分洪水位和堤防設(shè)計(jì)水位為30.54 m。工程進(jìn)洪閘為Ⅰ等工程，規(guī)模為大（Ⅰ）型，主要建筑物閘室、岸墻為1 級(jí)建筑物，兩岸連接堤段為長江干堤的一部分，為2 級(jí)建筑物，次要建筑物上下游消能設(shè)施、兩岸翼墻等為3級(jí)建筑物，其它臨時(shí)建筑物為4 級(jí)建筑物。根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[3]，工程區(qū)的地震基本烈度為Ⅵ度。按《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4]中的規(guī)定，該工程不進(jìn)行抗震計(jì)算，但采取適當(dāng)?shù)目拐鸫胧?/p>

閘室為整體開敞式結(jié)構(gòu)，兩孔一聯(lián)，孔口凈寬12.00 m，共設(shè)44 孔。閘底板高程為25.80 m，閘頂高程33.50 m。閘底板順流向長22.00 m，厚2.00 m，前后端均設(shè)有齒槽，槽深1.00 m。中墩厚1.50 m，縫墩厚1.00 m。閘頂設(shè)交通橋，布置在閘門上游側(cè)，橋面寬8.00 m，按汽-20 荷載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。啟閉機(jī)平臺(tái)高程40.70 m，啟閉機(jī)房凈高3.50 m。

圖1 計(jì)算模型

2 計(jì)算模型

該工程項(xiàng)目計(jì)算模型在搭建時(shí)選擇笛卡爾直角坐標(biāo)系，定義X軸方向?yàn)檠厮鞣较?，指向下游為正；定義Y軸方向?yàn)榇怪彼鞣较?，指向左岸為正（平面坐?biāo)系選擇大壩坐標(biāo)系）；定義Z軸方向?yàn)樨Q直方向，指向向上為正（高程為1956年黃海高程）。

工程項(xiàng)目計(jì)算在搭建空間三維有限元網(wǎng)格模型時(shí)，地基模型尺寸大小選取對(duì)計(jì)算結(jié)果和計(jì)算需要的資源具有一定影響，為了使模擬結(jié)果接近實(shí)際情況，同時(shí)又不占用較大的計(jì)算資源，此次模型地基尺寸選取范圍是整個(gè)閘室上下游兩側(cè)各延長30 m，地基深度取30 m。有限元模型網(wǎng)格剖分主要使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分與掃掠網(wǎng)格剖分，采用C3D8R 六面體減縮線性積分單元，能夠較精確地反應(yīng)閘室與地基的位移變化。

此次工程項(xiàng)目計(jì)算分析整個(gè)水閘閘室結(jié)構(gòu)，搭建啟閉機(jī)房、閘室底板、閘墩、交通橋和局部閘址地基之間的整體三維有限元網(wǎng)格模型。根據(jù)工程地基地質(zhì)條件，閘址區(qū)閘基土自上而下分3 層，即粉質(zhì)壤土層、粉細(xì)砂夾粉質(zhì)壤土和下部的粉細(xì)砂層，定義局部閘址地基材料本構(gòu)關(guān)系采用莫爾-庫倫彈塑性模型，而樁相對(duì)于土體剛度大、變形小，因此樁體材料本構(gòu)關(guān)系運(yùn)用廣義Hooke 定律，采用線彈性材料進(jìn)行模擬。為方便建模，將直徑60 cm 圓形樁等效為53 cm×53 cm 方形樁。閘室的混凝土材料本構(gòu)關(guān)系運(yùn)用廣義Hooke 定律，采用線彈性材料進(jìn)行模擬。并在閘址地基與閘室底板底面之間設(shè)置一對(duì)硬接觸對(duì)，選擇底板底面作為主控接觸面，閘址地基頂面作為從屬接觸面，取硬接觸對(duì)間的摩擦系數(shù)f=0.3。同時(shí)在有限元計(jì)算模型中對(duì)閘址基礎(chǔ)底面施加全部約束，各個(gè)側(cè)面施加水平法向鏈桿約束。計(jì)算模型如圖1。

3 主要計(jì)算參數(shù)

該工程水閘閘室底板采用C20（三）混凝土，閘墩采用C20（二）混凝土，啟閉機(jī)房樓板采用C30（二）混凝土。按SL 191-2016《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]中的規(guī)定，閘室物理力學(xué)指標(biāo)見表1。閘址區(qū)閘基土自上而下分3 層，即粉質(zhì)壤土層厚約2.4 m、粉細(xì)砂夾粉質(zhì)壤土層厚約15.0 m、下部粉細(xì)砂層厚約12.0 m。閘底板座落在粉質(zhì)壤土層上。閘址區(qū)閘基物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表1 閘室物理力學(xué)參數(shù)

表2 閘址區(qū)閘基物理力學(xué)指標(biāo)

4 荷載及荷載組合

4.1 設(shè)計(jì)荷載

1）建筑物自重。鋼筋混凝土容重取G=ρVg，ρ=2 500 kg/m3。

2）靜水壓力。作用于結(jié)構(gòu)物表面的靜水壓力強(qiáng)度P=γh，γ=10 kN/m3。

3）土壓力。按靜止土壓力考慮。

4）揚(yáng)壓力。按滲徑系數(shù)法計(jì)算揚(yáng)壓力，水位按以下方式確定：

設(shè)計(jì)擋洪工況，上游30.54 m，下游無水；校核擋洪工況，上游31.36 m，下游無水；分洪工況，外江30.54 m，內(nèi)湖低于29.00 m，進(jìn)洪流量為8 000 m3/s；施工工況，上游無水，下游無水。

5）人行荷載。平臺(tái)板上按人行荷載5 kN/m2考慮。

6）車道荷載。交通橋上按均布荷載10.5 kN/m2考慮。

7）其它依照規(guī)范取值。

4.2 荷載組合

泄水閘計(jì)算荷載組合見表3。

表3 泄水閘計(jì)算荷載組合表

5 計(jì)算結(jié)果及分析

5.1 應(yīng)變分析

天然地基情況下水閘整體式底板的最大沉降量可以達(dá)到20～30 cm，根據(jù)SL 265-2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，天然土質(zhì)地基上水閘地基最大沉降量不宜超過15 cm，相鄰部位的最大沉降差不宜超過5 cm。根據(jù)閘室地基沉降和地基地質(zhì)情況，雖然地基應(yīng)力小于地基允許承載力，但地基沉降量大于水閘規(guī)范要求，因此需要進(jìn)行地基處理，減小閘基沉降量。土基上常用的地基處理方法有墊層法、強(qiáng)力夯實(shí)法、振動(dòng)水沖法、樁基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)、深層水泥攪拌樁和高壓噴射法等[7，8]。

閘址地基為粉質(zhì)壤土，厚度較小且分布不均勻，經(jīng)綜合考慮，可選擇深層水泥攪拌樁、鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力管樁3 種方案比較。鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力管樁方案，由于樁體剛度遠(yuǎn)大于樁間土剛度，樁體和樁間土變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致絕大部分上部荷載由樁體承擔(dān)，設(shè)計(jì)中一般不考慮樁間土承擔(dān)荷載，因此底板可能與建基面之間脫空，容易形成滲漏通道；而水泥攪拌樁方案，處理后的地基為復(fù)合地基，樁與樁間土變形協(xié)調(diào)，不存在脫空問題，處理后的復(fù)合地基既能滿足地基沉降要求，又能進(jìn)一步提高底板與地基間的摩擦力。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，3 種方案中，地基處理造價(jià)水泥攪拌樁最低、鉆孔灌注樁最高，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁居中。經(jīng)綜合考慮，地基處理推薦采用水泥攪拌樁法。

水泥攪拌樁直徑初步采用60 cm，水泥摻量為15%，樁間套接15 cm。初步選取攪拌樁長為10 m，攪拌樁采取格柵式布置，格柵間距取7.00 m 左右。水閘閘基攪拌樁分塊與上部兩孔一聯(lián)結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，分塊尺寸為22.0 m×27.5 m（順?biāo)飨颉翙M流向），每個(gè)分塊內(nèi)順?biāo)飨虿贾?排，排間距7.00 m；橫流向布置5 排，其中在閘墩對(duì)應(yīng)位置各布置1 排，底板下布置2 排，排間距分別為6.25 m 和7.00 m，每個(gè)格柵中間還布置4 根攪拌樁，以增加地基的均勻性，每個(gè)閘室總共布置攪拌樁540 根。上述格柵式布置后，泄水閘攪拌樁置換率約20%。采用水泥攪拌樁處理后，再次進(jìn)行模擬計(jì)算，總沉降量約為5.5 cm，滿足水閘對(duì)沉降的控制要求。Z方向應(yīng)變?nèi)鐖D2。

圖2 設(shè)計(jì)工況Z 方向應(yīng)變圖

5.2 應(yīng)力分析

閘室基底應(yīng)力小于經(jīng)過修正的地基允許承載力，應(yīng)力不均勻系數(shù)亦滿足規(guī)范要求。但閘底板頂部和齒墻等局部拉應(yīng)力較大，因此需加強(qiáng)底板配筋，增加底板的剛度。利用已計(jì)算結(jié)果配置適當(dāng)鋼筋，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和裂縫均可滿足要求，Y方向應(yīng)力如圖3。閘室基底應(yīng)力計(jì)算成果見表4。

圖3 設(shè)計(jì)工況Y 方向應(yīng)力圖

6 結(jié)論

此次研究利用三維有限元數(shù)值模擬的方法對(duì)洪湖東分塊蓄洪工程套口進(jìn)洪閘進(jìn)行模擬計(jì)算，得出：

表4 閘室基底應(yīng)力計(jì)算成果表

1）從應(yīng)變計(jì)算結(jié)果分析，水閘閘室的位移主要表現(xiàn)為沉降位移，雖然地基應(yīng)力小于地基允許承載力，但地基沉降量大于水閘規(guī)范要求，因此需要進(jìn)行地基處理。采用水泥攪拌樁處理后再次進(jìn)行模擬計(jì)算，總沉降量約為5.5 cm，滿足水閘對(duì)沉降的控制要求。

2）從應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析，在各種工況下，閘室的局部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，閘底板頂部、底板與閘墩結(jié)合部位和齒墻等局部拉應(yīng)力較大，因此需加強(qiáng)底板配筋，增加底板的剛度。

3）目前此項(xiàng)目閘室結(jié)構(gòu)已施工完成且狀況良好,底板及閘墩等部位表面基本無裂縫，沉降量也滿足規(guī)范要求。