非對稱工況下雙線船閘施工仿真預測分析

陸建新 王其標

(1.南通市航道管理處，江蘇 南通 226006； 2.中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032)

非對稱工況下雙線船閘施工仿真預測分析

陸建新1王其標2

(1.南通市航道管理處，江蘇 南通 226006； 2.中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032)

使用有限元分析軟件，依托海安船閘建立了非對稱工況下雙線船閘有限元計算模型，預測分析了回填工況及極端運行工況下船閘的受力性能，并與現場實測結果進行了對比，結果表明：依據前期監測數據調整后的仿真分析模型可以較好地為后續施工提供依據，從而降低施工風險，提高施工質量。

雙線船閘，預測分析，非對稱，有限元

0 引言

許多船閘在施工期會出現結構裂縫，有的裂縫甚至向深層發展，威脅到建筑物安全使用[1,2]。雙線船閘結構處于一側為另一線船閘，一側為土體的特殊狀態，屬于非對稱工況，較之一般的單線船閘結構受力更為復雜。通過對船閘回填工況的仿真模擬，可以預先發現在施工中可能會出現的問題，從而可以采取預防措施，避免其對工程造成不利影響；同時根據模擬成果，也可以驗證施工設計的合理性[3,4]。目前對雙線船閘施工的研究均未考慮非對稱性的影響，本文依托海安雙線船閘工程，依據前期監測數據調整后的仿真分析模型對回填和極端運行工況進行了分析，分析了船閘結構的受力和變形特性，研究結果表明采用仿真模擬方法對船閘回填過程中的應力及沉降進行預測是可行的。

1 工程概況

海安船閘位于南通市海安縣境內，為雙線船閘，兩閘中心距為60.0 m。上游引航道接入新通揚運河與通榆河交匯處，下游引航道接入老通揚運河道，下通如海運河。航道全線按三級標準雙線航道整治，海安船閘采用雙線230.0 m×23.0 m×4.0 m，為Ⅲ級通航建筑物。

海安船閘上、下閘首采用整體剛度大、抗震性能好的鋼筋混凝土塢式結構。上、下閘首寬度為53.8 m，長度為28.5 m；輸水廊道進口斷面尺寸為3.5 m×3.0 m，出口段2.5 m×3.0 m；廊道的進口段和出口段均延伸至門庫，閥門設置在廊道的進口段。

2 計算模型與計算條件

2.1 有限元模型

考慮了閘首和基礎土體等結構，建立了船閘—地基系統的三維有限元整體仿真模型，模型采用實體單元分析，模型邊界約束條件為：地基上下游截面邊界順河方向水平位移為零，地基左右側截面邊界處橫河方向的水平位移為零，底部截面邊界處豎向位移為零[5]。

表1 土層參數表

2.2 材料參數

地基土共分為7層，計算參數如表1所示。船閘結構混凝土彈性模量E=30 GPa，泊松比v=0.167，重度γ=24 kN/m3。

2.3 分析斷面選取

船閘沉降和應力分析斷面的選取如圖1所示，以東閘首作為分析對象。沉降分析斷面設置在每個閘首的底板底部順河向中心線，同時在橫河方向三等分線上設置分析斷面。應力分析斷面設置在每個閘首的底板底部順河向中心線。在分析斷面坐標系的選取上，將船閘中心線定為X軸，將閘首與閘室分界面定為Y軸。

3 結果分析

3.1 回填預測分析

土方回填時填土應盡量采用同類土填筑，并宜控制土的含水率在最優含水量范圍內。本工程根據地質報告，①-1粉質粘土層，①-3粉土層適宜用作回填土。粉質粘土最優含水量(重量比)：12%～15%，粉土最優含水量(重量比)：16%～22%。在實際回填過程中，針對海安雙線船閘船首與閘室的沉降進行了監測。對閘首的中板和邊板角點以及閘室的角點都進行了監測，本節將數值分析選取的斷面經過實際監測的角點，數值分析得到的不同斷面在回填工況下的沉降如圖2所示，現場監測數據以及本文模擬結果如表2所示。

表2 回填工況下沉降值對比匯總表 mm

從圖2及表2沉降分布情況可以看出模擬值與實測結果基本一致，仿真模擬方法可以對船閘回填過程中的應力及沉降進行有效預測，達到指導施工的目的。

3.2 極端工況預測分析

當一側船閘需要大修，另一側船閘在最高水位下運行時，對于船閘結構而言，其整體受力是最為不利的，本文將這種情況定義為極端運行工況。本節對海安船閘極端運行(假定西側船閘水位為0 m，東側船閘水位達到最高8 m)情況下船閘結構的沉降及應力進行了預測分析。閘首和閘室的應力及沉降情況見圖3，圖4。

從沉降和應力對比圖可以看出，在極端運行工況下閘首和閘室均產生附加沉降和應力，表現為中板沉降和應力大于邊板，且由閘首與閘室鄰近面向兩側逐漸減弱。其中應力分布情況較沉降復雜，其分布形式主要取決于上部船閘結構的分布形態。

4 結語

本文采用有限元方法，分析了海安雙線船閘在回填和極端運行工況下閘首和閘室的應力分布規律及變形特性，得到以下結論：

1)回填工況模擬值與實測結果基本一致，表明仿真模擬方法可以對船閘回填過程中的應力及沉降進行有效預測，達到指導施工的目的。

2)極端預測分析表明，船閘的附加沉降和應力的產生均存在空間的非對稱性，表現為中板沉降和應力大于邊板，且由閘首與閘室鄰近面向兩側逐漸減弱。

3)依據前期監測數據調整后的仿真分析模型可以較好地為后續施工提供指導，降低施工風險，提高施工質量。

[1] 朱 平,王海濱,劉宏新.船閘工程閘室側墻裂縫分析與處理[J].水運工程,2006(8):116-119.

[2] 曹周紅.不同施工過程對塢式船閘結構影響的仿真模擬研究[D].長沙:長沙理工大學,2005.

[3] 陳勝宏,陳尚法,楊啟貴.三峽工程船閘邊坡的反饋分析[J].巖石力學與工程學報，2001,20(5):619-625.

[4] 李建林,哈秋舲.三峽工程永久船閘邊坡合理坡角研究[J].葛洲壩水電工程學院學報，1994,16(2):7-13.

[5] 蘇 超,李勁松,崔瀟菡.三維有限元法在大型船閘閘首設計中的應用[J].水運工程，2014(5):112-116.

Analysis of the construction technology of lock heads under asymmetric working condition

Lu Jianxin1Wang Qibiao2

(1.NantongChannelManagement,Nantong226006,China;2.SHCCDesign&ScienceResearchInstitute,Shanghai200032,China)

This article uses finite element analysis software to establish the finite element calculation model of double lock under asymmetric conditions relying on Hai’an lock, the characteristics of stress distribution and deformation of lock head and lock chamber under backfill and extreme operating conditions was analyzed, and were compared with the measured results. Results show that using the modify model which based on the early stage of the monitoring data, we can better guide the subsequent construction, reduce the risk of construction and increase the construction quality.

double lock, forecast analysis, asymmetric, the finite element

2015-08-29

陸建新(1963- )，男，高級工程師； 王其標(1987- )，男，工程師

1009-6825(2015)31-0100-03

U615

A