曹凱敏,黃逸軍,邢永蘭

(湖州南太湖水利水電勘測設計院有限公司 浙南分公司,浙江 溫州 325000)

0 引 言

攔河閘作為一種重要的水利工程設施,廣泛應用于各地的河流治理和防洪工作中[1]。攔河閘在長期使用過程中,由于受到水流沖刷、潮汐漲落、腐蝕、疲勞等因素的影響,其結構性能逐漸下降,導致其在遭遇風浪、洪水等自然災害時出現(xiàn)損壞,引發(fā)安全事故[2-3]。因此,對于攔河閘的除險加固和閘室結構應力分析等問題的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

在研究攔河閘除險加固和閘室結構應力分析問題時,傳統(tǒng)的實驗方法受到諸多限制,難以得到準確的分析結果[4]。隨著計算機技術和數(shù)值計算方法的不斷發(fā)展,許多研究者開始運用數(shù)值計算方法和計算機輔助設計技術來進行閘室結構應力分析[5]。ANSYS軟件作為工程仿真軟件之一,在結構力學、流體力學、熱傳導等領域均有著廣泛的應用。其強大的計算和模擬能力,可以模擬各種工程問題,并幫助研究人員進行理論分析和驗證。因此,本文提出融合ANSYS的攔河閘除險加固工程閘室結構應力分析方法,以期為攔河閘除險加固工程提供更多參考。

1 攔河閘的除險加固、結構參數(shù)計算和閘室結構受力分析研究

1.1 攔河閘概況及除險加固方案

攔河閘作為河流治理和防洪的重要設施,在保障河流安全和運行中發(fā)揮著重要的作用,因此攔河閘的除險加固問題不容忽視[6-7]。目前,由于多年前的攔河閘設計標準和管理手段不夠完善,導致大量攔河閘存在安全隱患[8]。本文以樂清市海塘安瀾工程中的勝利長勝塘水閘為例,對其閘室構造尺寸、除險加固方法進行分析,從而為攔河閘的除險加固和閘室結構應力分析研究提供數(shù)據(jù)和理論參考。

經(jīng)過計算,水閘所需要應對的20年一遇洪水排澇流量達到18.2m3/s。水閘內側圍區(qū)常水位2m,閘前20年一遇內河水位3.34m,閘前50年一遇內河水位3.68m?，F(xiàn)狀涵閘結構僅使用C25預制樁基礎,規(guī)格為邊長250mm,梅花形布置,無法滿足承載力要求。作為本工程而言,開敞式和涵洞式在閘室部位已無明顯區(qū)別,主要根據(jù)水閘所處的位置以及上下游連接建筑物情況。

綜合分析結果,研究提出除險加固方案:水閘設計規(guī)模為1×3m,閘底板設計高程0m。上游護底段順水流方向長8m,上游防沖槽長5m;閘室及交通橋段順水流方向長11m,閘頂高程8.6m;下游消能防沖段順水流方向長31m,消力池長12m。

1.2 攔河閘的結構參數(shù)計算和力分析方法

閘室底板支撐著上方的設備并保持閘室內部的水平,使閘門開關更加順暢,閘門與閘室底板配合保證了閘門的密封性能[9-10]。閘室基樁因為不能考慮原閘室的頂推力,所以需要承受整體結構的全部水平力,樁基的位置分布決定了閘室結構的設計方向。研究進行閘室設計時,將閘室底板視作一個懸臂板,根據(jù)基樁位置和閘室整體結構,將底板劃分為3個板帶,見圖1。

圖1 閘室底板板帶劃分

由圖1可見,閘室底板沿水流方向被劃分成長度為2.245、3.965、4.790m的3段板帶。完整板帶包含32個基樁,其中板帶1包含14個基樁,板帶2包含10個基樁,板帶3包含8個基樁。3段板帶分別使用直徑為18、25、20mm的鋼筋。設計閘室底板使用C25混凝土進行現(xiàn)場澆筑。閘室底板中間具有分縫結構,順水流方向的剛度較大,可以不考慮順水流方向的受力。閘室底板基樁承受建筑的載荷重力,并將載荷分散到地下,減少底板的直接受力,同時基樁將閘室底板與地下土壤進行連接,當水位較高時,基樁可以避免閘室底板被水壓損毀[11]。因此,對基樁的垂直承載力進行計算,公式如下:

Ra=qpaAp+up∑qsiali

(1)

式中:Ra為垂直的荷載值;Ap為基樁的橫截面積;up為樁周外徑;li為土層厚度。

水閘地基使用直徑為600mm的灌注樁進行處理,上部使用砼結構。在閘室工作期間,灌注樁與底板之間的抗滑系數(shù)見表1。

表1 灌注樁摩擦系數(shù)

由表1可知,灌注樁建成后,設計洪水情況下的水平力為12 154.23kN,校核洪水情況下的偏心距、不均勻系數(shù)、抗滑穩(wěn)定性系數(shù)均低于設計洪水情況;在建成無水情況下,所受水平力極小,但垂直力達到45 101.04kN,高于有設計洪水和校核洪水情況的垂直力,導致灌注樁有-0.01的偏心距。在建成無水情況下,地基直接承受上方建筑載荷,所受直接應力達到131.20kPa。使用寬頂堰流公式對過流能力進行計算,公式如下:

(2)

式中:Q為水流流量,m3/s;B為閘孔的總寬度,m;δ為引水系數(shù)。

經(jīng)過計算后,得到過流能力為120m3/s,達到使用需求。消力池在開閘泄洪時可以減緩水流速度、分散水流能量,從而減少水流對周邊設施的沖擊和破壞,同時能夠對水中沉積物進行沉淀,達到治理河道的目的[12]。

而對于攔河閘而言,在豐水期需要能夠攔截上游洪水;平常期和枯水期需要能夠調節(jié)水位,以滿足下游城市、農(nóng)田用水需求,所以在平常期和枯水期需要開啟部分閘門[13]。因此,需要對消力池的深度進行計算,公式如下:

(3)

經(jīng)過對各時期的水流參數(shù)進行計算后,設置消力池深度為1.2m,池長度為16.8m。

滲流穩(wěn)定性影響河岸和閘基體的穩(wěn)定性,若兩岸繞滲穩(wěn)定性不足,可能導致河岸的土壤和砂石松散并被沖入河道內,引起河道淤積,河岸和閘基體在長期受力不均作用下出現(xiàn)安全隱患[14],因此需要對兩岸繞滲穩(wěn)定性進行計算。研究以減載孔外邊墻和臨、背河堤頂邊線提取交點,對上下游出入滲界面邊線作垂直截取斷面并展開。見圖2。

圖2 兩岸繞滲流網(wǎng)

由圖2可知,計算斷面以土壤類型為標準,分為堤身土、砂壤土、壤土、黏土等幾類,并對不同區(qū)域土壤進行編號。其中,沙壤土可直接分為3類,2號沙壤土和2-1號沙壤土屬于同一類;壤土因所含顆粒大小和礦物成分密度不均勻,故在后續(xù)計算中分為3類;在堤頂上游側邊界處,垂直于堤頂面設置高壓噴射灌漿截滲墻。計算斷面的各土層滲透系數(shù)見表2。

表2 土壤滲流系數(shù)

攔河閘在不同自然環(huán)境和工況下的受力情況有較大區(qū)別,一般是以關門擋水、無水情況為基本情況。為了提高攔河閘的穩(wěn)定性,還需取地震情況結合多年平均設置一種特殊情況。在進行計算時,一般會以閘室底板、閘門等作為單獨的部分來進行計算,這樣計算較為簡便,但在進行整體分析時,由于對連接部的忽略會導致結果和實際情況存在偏差[15]。計算機輔助軟件在進行復雜數(shù)據(jù)計算時較為簡便快捷,同時可以保證計算的準確性。鑒于此,研究使用ANSYS有限元分析軟件,對攔河閘受力進行建模分析,并對研究提出的攔河閘閘室除險加固方案的有效性進行分析。

2 基于ANSYS的攔河閘閘室結構應力分析方法驗證

ANSYS可以模擬機械結構與流體之間的相互作用,軟件中的可視化功能可以圖形方式展現(xiàn)仿真結果,使結果展示更為直觀,數(shù)據(jù)互動性便捷,在進行有限元分析時具有一定優(yōu)勢。使用ANSYS對攔河閘進行建模,共建立80 166個實體單元,其中包含13 746個SOLID65單元,代表閘室底板和閘墩;66 420個SOLID185單元,代表地基;共有90 774個節(jié)點。以三方向為基本軸,水流方向為Z軸,向上游為正方向;垂直水平面向上為Y軸;X軸同時垂直于Z軸與Y軸。地基深度設置為閘墩的2倍高度;地基長寬為閘墩高度和閘室底板寬度的2倍。因地基體積過大,在進行建模分析時會影響整體圖像展現(xiàn),所以以縮小尺寸,對地基底部施加全約束,地基周圍施加法向約束。攔河閘閘室結構模型的網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 攔河閘閘室結構模型網(wǎng)格劃分

由圖3(a)可知,模型的網(wǎng)格線在攔水閘閘室底板和閘墩部分較為密集,對相應的X軸、Z軸延伸方向的網(wǎng)格線也一并收攏變得密集。由圖3(b)可知,在進行有限元網(wǎng)格劃分時,將攔水閘閘室底板和閘墩部分劃為一類,將地基劃為一類。實驗設置3種工況,見表3。

表3 載荷情況

由表3可知,完建期的攔河閘只受自重載荷,因無上下游蓄水,所以不受到水重載荷、靜水壓力載荷、揚壓力載荷;正常蓄水位和校核水位工況受到靜水壓力、水重、揚壓力、自重載荷。

單元材料參數(shù)設置見表4。由表4可知,設置閘室密度略小于地基的同時,彈性模量遠大于地基。在使用研究方法進行除險加固后,使用ANSYS進行閘室結構應力分析。

表4 單元材料參數(shù)

工況1(完建期)的分析結果見圖4。由圖4可知,工況1(完建期)的位移情況呈兩側對稱,中部閘墩頂部發(fā)生位移最嚴重;在僅受自重時,閘室底板與閘墩連接處的應力分布較為集中。

圖4 工況1(完建期)分析結果

工況2(正常蓄水位)的分析結果見圖5。由圖5可知,工況2(正常蓄水位)的位移情況呈兩側對稱,中間閘墩頂部發(fā)生位移最嚴重;在受設計洪水作用時,閘墩與閘室底板連接處的應力分布較為集中。

圖5 工況2(正常蓄水位)分析結果

工況3(校核水位)的分析結果見圖6。由圖6可知,工況3(校核水位)的位移情況呈兩側對稱,中間閘墩頂部發(fā)生位移最嚴重;在受校核洪水作用時,閘墩與閘室底板連接處的應力分布較為集中。

圖6 工況3(校核水位)分析結果

對使用研究方法進行除險加固后的攔水閘,進行3個工況下的位移、應力測量,結果見表5。由表5可知,工況1(完建期)的σ1最小應力絕對值最小,僅為0.281 3MPa;工況2(正常蓄水位)的最小位移絕對值最大,達到5.978 0mm;工況3(校核水位)的σ3最大應力最大,達到0.006 9MPa。

表5 位移及應力結果

對比分析可知,攔河閘閘室的位移情況和應力分析結果與實際情況相符,表明研究所提的攔河閘除險加固工程中的閘室結構應力分析方法具有較優(yōu)秀的準確度,所提的除險加固方案也有效。

3 結 論

攔河閘的整體穩(wěn)定性和耐用度與閘室結構的受力情況息息相關,因此對閘室結構的受力分析具有十分重要的意義。本文以海塘安瀾工程中的勝利長勝塘水閘為例,對其工作情況進行分析,并根據(jù)對過流能力、繞滲流情況的計算,提出了除險加固方案,最后利用ANSYS軟件對攔河閘閘室結構進行應力分析。結果顯示,ANSYS軟件在研究建立的分析環(huán)境下,能有效對攔河閘閘室結構進行應力分析。研究結果為攔河閘除險加固工程提供了新的參考,為閘室結構應力分析提供了新的手段。