文筆洲交叉閘進水閘防滲穩定性有限元分析

鄒禮兵

（廣州市禺山水利工程勘測設計有限責任公司　廣東　廣州　511400）

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文筆洲交叉閘進水閘防滲穩定性有限元分析

鄒禮兵

（廣州市禺山水利工程勘測設計有限責任公司廣東廣州511400）

摘要水閘工程防滲穩定性，是衡量工程質量的主要指標之一，通過ABAQUS軟件，以粉砂地基上的文筆洲交叉閘進水閘工程為實例，對進水閘閘室應力、滲流穩定、地基防滲處理等進行了有限元模擬分析。經過實際施工驗證，采用有限元方法進行設計可靠度較高，而且具有良好的穩定性和安全性。

關鍵詞水閘工程；滲流計算；穩定性；有限元分析

1　工程概況

文筆洲交叉閘位于文筆洲水閘上游200m位置，屬于排澇為主的中型水利樞紐工程，在多年的使用過程中，文筆洲交叉閘受到水力沖刷等客觀因素影響，開始出現自然老化跡象，譬如混凝土結構沉降、斷裂、露筋等現象。為有效消除內澇和防洪減災，決定在原來工程的基礎上，分別在西閘、西南閘、南閘重新規劃建設5孔、2孔、3孔平面定輪鋼閘門，閘門設計的規格如表1所示。

按照上表規格標準重新規劃建設閘門，確定工程規模III等，其中主建筑3級、次要建筑4級、臨時建筑5級。為保證工程防滲穩定性，在工程施工之前，有必要明確特征水位情況和閘址地基的物理力學指標[1]。

1.1特征水位情況

考慮到工程防滲穩定性，與區域內水位有關，在此按照85國家高程，分別確定各閘的閘上水位和閘下水位情況，其中西閘、南閘、西南閘的閘上水位均為4.5m、閘下數位均為4.44m，而設計洪水情況如圖1所示。

1.2閘址地基物理力學指標

區域地質勘察資料顯示，文筆洲交叉閘閘址地基共11層，為素填土層①、淤泥質土層②1、粉質粘土層②2、粉砂層②3、中砂層②4、粗砂層②5、礫砂層②6、砂質粘性土層③、花崗巖層④1、花崗巖層④2、花崗巖層④3。以上各層的狀態、摩擦系數、壓縮系數、壓縮模量、承載力特征值等物理力學指標[2]，如表2所示。

除了上表的地基物理力學指標，筆者另外根據《中國地震動參數區劃圖》的標準，確定閘址場地土屬于軟弱土～中軟土，土質狀態呈輕微液化狀，其液化指數在0.04～1.54之間。

2　閘基防滲穩定性有限元計算與分析

本工程按照內河10年一遇暴雨凈流量24h內排干標準，以《陽江市漠西排澇防洪工程文筆洲交叉閘安全鑒定報告》、《防洪標準》、《水閘設計規范》、《堤防工程設計規范》等為依據，同時參照文筆洲交叉閘現狀地形圖和剖面圖，以及上文所提到的文筆洲交叉閘特征水位情況和閘址地基相關物理關鍵力學指標，對交叉閘工程進行有限元分析，計算出其防滲穩定性相關參數。本文選取南閘防滲穩定性有限元計算分析為例。

在水閘工程設計應用中，利用ABAQUS軟件，對水閘工程采用有限單元法進行動力分析比較普遍。本軟件針對水閘工程的抗滑穩定性有限元計算應用比較成熟，分析比較方便[3]。

2.1水閘工程抗滑穩定計算分析方法

水閘工程抗滑穩定計算的方法很多，文章主要采用有效應力法和瑞典條分法。水閘閘室地基穩定計算采用效應力法計算；對于水閘土條底面支撐力、重力以及作用在水閘底面孔隙水壓力等關鍵參數指標的優化計算則采用瑞典條分法，在計算過程，土條間力一般忽略不計算?；谒l工程閘室-地基內在滲流期穩定滲透流網的分析，則采用整個隔離土體(顆粒+孔隙水)為分析單元，其土條受力分析如圖2所示。

表1　文筆洲交叉閘新建閘門規格

圖1　文筆洲交叉閘設計洪水過程線

表2　文筆洲交叉閘閘址地基物理力學指標

圖2中，水閘隔離土體（顆粒+孔隙水）整體單元重力主要分為三個部分進行計算：h1段位置處于浸潤線上部位置；h2段位于浸潤線和地下水位之間；h3段位于地下水位以下。根據水土微分方程等公式計算可得到抗滑穩定安全系數：

圖2　水閘隔離土體（顆粒+孔隙水）受力分析

表3　文筆洲交叉閘地基應力計算結果（kPa）

表4　抗滑穩定分析

圖3　正常蓄水期閘室結構最大主應力分布云圖（Pa）

圖4　閘底板應力云圖（Pa）

式（1.1）中，

h1～h3——各段土條高度；

c、φ——有效應力強度指標；

b——土條寬度；

γ——土體天然容重；

γ'——土體浮容重；

γw——水容重；

γsat——土體飽和容重。

按照以上的計算方法，計算出舊南閘地基應力，以推斷出進水閘的穩定性，計算結果如表3所示。

考慮到文筆洲交叉閘的地基巖土層，以淤泥質土為主，各閘地基應力的最小值，都在地基允許承載力之上，因此確認各閘均需要處理地基，以提高地基的防滲穩定性。

2.2總體布置

結合閘址條件、功能要求和工程規模等，進水閘新南閘總體布置方法如下：

南閘總體布置：南閘位于高排渠下游的進口位置，其中閘基礎、消力池、消力池坎、與西閘布置形式一樣，而開敞式閘室選用C30鋼筋混凝土平底，總寬度為25.2m，僅設置一個卷揚式啟閉裝置控制閘門，啟閉機高程16.65m。

水閘南閘設計成進水閘，南閘閘室位敞開式，閘門為平面定輪，卷揚機啟閉模式；閘室結構為三孔公用整體型底板，鋼筋混凝土澆筑的整體式框架結構，采用開敞式閘室、平面定輪閘門、卷揚機啟閉方式。

2.3進水閘閘基抗滑穩定的有限元計算

2.3.1閘室荷載分析

閘室荷載分析計算組合原則及內容如表4所示。

3　水閘閘室應力有限元計算分析

有限元計算依據《水工混凝土結構設計規范SL/191.2008》。

C30混凝土抗拉強度設計值：

C30混凝土抗壓強度設計值：

在正常蓄水期，通過對南閘閘室上部結構最大主應力N的ABAQUS分布云圖計算分析，如圖3所示。南閘進水閘室結構在各種荷載作用下，N=0.8MPa，云圖分析可以發現，最大主應力主要分布在水閘交通橋欄桿位置；拉應力值＜1.5MPa，由此得出結論：南閘閘室上部結構穩定，不會出現拉應力破壞。

3.1利用有限元計算抗滑穩定系數及應力比值系數

上一節利用ABAQUS有限元工具進行了閘底應力計算，可以算出應力比值η2。同時把最大閘底主應力Nmax增加到閘基滲流模型中，因為南閘長期處于運行狀態，因此，設計計算過程，只是利用有限元工具Autobank軟件分析計算出正常運行期和地震工況時的閘基的抗滑安全系數Fs2[4]。

南閘上部結構閘底板的應力云圖如圖4（a）、（b）所示。

ABAQUS有限元分析南閘基底允許應力比值η2安全可靠，如表5所示。

表5　η2計算分析結果

表6　南閘進水閘地基抗滑穩定安全系數Fs2

表7　文筆洲交叉閘閘基設計內容

圖5　加固地基防滲自動剖分后的空間有限元網格

圖6　閘底防滲加固處理樁基布置

文筆洲交叉閘重建設計，邊墻與防洪堤的銜接，尤其與墻厚筑堤回填土的接觸位置，容易出現滲透破壞現象，因此，需要嚴格控制閘側的防滲長度，以《水閘設計規范》的相關規定為基準，文筆洲交叉閘的上下游水位差，以及允許滲徑系數，同是決定閘側有效防滲長度的重點參數，現場勘察發現交叉閘在雙向水頭影響作用下，當水位差越大，則防滲布置的難度就越大，設計計算過程，需要緊扣泄水和常水位的雙重工況，確定各閘的滲流穩定性，具體的閘側滲流穩定計算工況水位為：

滲徑系數4、滲徑長度13m、實際防滲長度30m；擋水工況時的上游水位4.5m、下游水位2.75m，水位差1.75m、滲徑系數4、滲徑長度7m、實際防滲長度33m。

根據泄水和常水位的雙重工況，利用Autobank建立二維有限元計算分析模型，計算出進水閘（南閘）地基抗滑穩定安全系數Fs2值，表6給出了具體計算方法及參數。

3.2粉砂閘基防滲有限元設計分析

閘基防滲的重點部位，主要有閘底板、下游端齒墻、下游側護坦，期間需要確定地基有效深度和分段阻力，文筆洲交叉閘地基有效深度，根據地下輪廓線水平和垂直投影長度確定，但有效深度大于地基深度時，以地基實際深度為準。在設計過程中，還需要考慮潮位的影響。

由公式計算分析，南閘閘基設計內容如表7所示。

水閘沉降計算有限元分析，如圖5所示，采用四面體C3D4劃分粉砂地基單元。對加固地基防滲進行網格空間自動剖分。

根據閘室底板應力計算情況，充分考慮地震荷載加載組合情況，利用ABAQUS對單樁地基分級加載分析，得出對加固地基防滲設計施加的荷載為80kPa、250kPa。在防滲設計過程，需要確定地基樁數、邊距、樁距等基本參數以后，需要定制好布樁原則。布樁方式要合理，布樁方式如圖6所示。

布樁原則主要有：

（1）力確保樁基中各樁受力恒定均勻，作用在板式承臺上荷載的合力作用點，應與群樁橫截面的重心相重合或接近；

（2）樁基在承受水平荷載和彎矩較大方向有較大的抵抗矩，以增強樁基的抗彎能力，樁底深入到液化層以下。

在實際施工過程中，文筆洲交叉閘在后端5.675m的范圍內，以梅花的形狀，共布設5排水孔。經現場試驗，西閘有效深度15.342m、實際深度10.9m；南閘有效深度15.342m、實際深度10.9m；西南閘有效深度14.342m、實際深度10.9m，可判斷西閘、南閘、西南閘的閘基滲流穩定性有限元設計符合規范標準。

4　結束語

對文筆洲交叉閘閘底結構利用有限元軟件ABAQUS建立了三維有限元計算，分析了水閘在完建期和正常運行期下的閘室應力分布情況，并通過有限元計算出抗滑穩定系數及應力比值系數，依照防滲穩定性有限元分析，提出防滲加固處理的方法和分析模型。根據實際工程具體的施工情況，驗證了采用有限元計算成果進行設計的安全性和可靠性。陜西水利

參考文獻：

[1]高安仕,鐘恒昌,秦峰.淺析水閘防滲與排水體系設計[J].治淮,2013,(6):40.42.

[2]陳俊昂,李少權.西河水閘重建工程閘基防滲設計[J].廣東水利水電,2010,(12):17.19.

[3]岑威鈞,等.姜唐湖閘基滲流特性和優選滲控方案研究[J].水電能源科學, 2005(01)：83.85.

[4]顧再仁,姚志堅,羅穗紅.泄水閘閘基抗滑穩定分析有限元計算[J].人民珠江,2000(2): 19.22.

（責任編輯：唐紅云）

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