高陂水利樞紐船閘閘室應力特性分析

張亞彬

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510635)

1 研究現(xiàn)狀

船閘閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計有解析法和有限元方法，解析法因方法簡單在大部分整體式閘室結(jié)構(gòu)計算中占主要地位。解析法以平面應變問題計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，對于閘墻按固定于底板上的懸臂梁計算，對于底板簡化為地基梁進行計算[1]。在解析法的計算過程中，簡化了閘室結(jié)構(gòu)與巖基間的共同作用，且結(jié)構(gòu)均處于平面體系中，對于厚度較薄且布置有輸水廊道和出水口的閘室底板，解析法無法考慮其三維受力特性，不符合閘室實際的結(jié)構(gòu)形式和受力特點[2]。

有限元法將閘室結(jié)構(gòu)和地基連在一起，組成結(jié)構(gòu)與巖體共同作用的有限元模型。作用于閘室上的荷載先劃分到單元重心，然后按照虛功相等原理轉(zhuǎn)換為節(jié)點荷載，將單元剛度矩陣組集為閘室的整體剛度矩陣，單元荷載矩陣組集為閘室的整體節(jié)點荷載列陣，考慮位移邊界的約束條件后，求解閘室的整體平衡方程。有限元法可以反映各部分的共同作用和相互影響，可以求解船閘結(jié)構(gòu)的靜力平衡問題，也可以考慮結(jié)構(gòu)的不規(guī)則外形和復雜荷載的影響，能夠更真實反映閘室的受力特性[2]。

2 工程概況

韓江高陂水利樞紐工程位于廣東省梅州市大埔縣高陂鎮(zhèn)上游約5 km處，是以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電和航運等綜合利用的大型水利工程。工程船閘閘室為3級建筑物。船閘運用情況按上游最高通航水位38.9 m，下游最低通航水位24.00 m考慮[3]。

船閘閘室尺寸為200 m×18 m(長×寬)，口門寬為 16 m，閘室底板高程為19.35 m，閘室底板內(nèi)設(shè)10 m×3 m(寬×高)輸水廊道，廊道中間設(shè)置一道3.2 m×0.8 m(長×寬)導流墩。閘室墻頂高程為41.4 m。閘室設(shè)有橫向結(jié)構(gòu)縫，間距為20 m[4]。閘室結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 船閘閘室結(jié)構(gòu)剖面示意(單位：高程m,尺寸mm)

3 有限元計算成果

計算程序采用有限元分析軟件Ansys。有限元模型采用solid95單元，劃分六面體計算網(wǎng)格[5]。主要研究船閘閘室運行條件下遭遇地震，在自重、靜水壓力、揚壓力、土壓力及地震作用下的應力分布情況[6]。

船閘閘室在進行有限元分析時，選取一個結(jié)構(gòu)分段20 m，考慮地基作用，建立有限元模型。模型底端約束X、Y、Z方向的位移，基巖側(cè)面約束法向位移，根據(jù)止水銅片位置和填土情況施加自重、揚壓力、靜水壓力、土壓力和地震作用力等。

有限元模型整體坐標系規(guī)定如下：閘室軸線方向為X方向，垂直閘室軸線為Y方向，豎直為Z方向[7]。閘室有限元模型見圖2。模型計算信息見表1。

圖2 閘室有限元模型示意

表1 上閘首有限元模型信息

3.1 計算工況及計算參數(shù)

考慮在校核洪水和運行情況下，均非閘室最危險工況，故本文以地震工況分析船閘閘室應力分布規(guī)律。船閘地震工況：水位組合按上游最高通航水位 38.9 m，下游最低通航水位24.00 m考慮[3]。

船閘結(jié)構(gòu)和地基結(jié)構(gòu)均采用線彈性材料，材料計算參數(shù)根據(jù)規(guī)范和工程實際情況選取。混凝土材料、地基及船閘周圍填土參數(shù)見表2～3。

表2 材料計算參數(shù)

表3 回填土計算參數(shù)

3.2 計算成果及分析

船閘運行期遭遇地震，閘室內(nèi)高水位工況時，閘室底板、閘室邊墻內(nèi)側(cè)和輸水廊道內(nèi)壁的荷載為高水頭產(chǎn)生的靜水壓力及地震動水壓力，閘室邊墻外側(cè)承受低水頭產(chǎn)生的靜水壓力及地震動水壓力。在這些荷載共同作用下，閘室第一主應力云圖示意見圖3。按照圖4所示截取剖面，分析第一主應力(拉應力)在閘室橫斷面上的分布情況，第一主應力等值線示意見圖5～6。

圖3 閘室第一主應力云示意

圖4 剖面截取位置示意

圖5 閘室1-1剖面第一主應力云示意

圖6 閘室2-2剖面第一主應力云示意

根據(jù)圖5～6所示，閘室橫斷面主拉應力對稱分布，最大主拉應力主要出現(xiàn)在輸水廊道上部及邊墻內(nèi)側(cè)邊角處，呈U型分布。在閘室內(nèi)外水位差作用下，閘室邊墻內(nèi)側(cè)底部為負彎矩，拉應力較大，約為3.45 MPa。此處拉應力數(shù)值沿閘室軸線方向分布均勻，兩端與中間相差僅約0.2 MPa。

輸水廊道在充水壓力作用下，拉應力主要分布在輸水廊道上方，主拉應力在1-1斷面和2-2斷面上的分布差異較大。在1-1斷面上，由于結(jié)構(gòu)縫處閘室處于無約束狀態(tài)，且布置有止水銅片，靠近結(jié)構(gòu)縫處閘室上部底板在X方向存在水位差，上部底板拉應力主要由X方向荷載產(chǎn)生。在2-2斷面上，各方向荷載均為擠壓作用，僅導流墩由于充水壓力在連接處受拉。在1-1斷面上，導流墩與上部底板連接處、充水廊道折角上方拉應力較大，分別為4.3 MPa和3.2 MPa；在2-2斷面上，拉應力較小，約1.0 MPa左右。此外在閘室輸水廊道下部折角處，出現(xiàn)局部的應力集中現(xiàn)象，但拉應力數(shù)值較小，約為1.3 MPa。

通過分析，閘室底板較薄，輸水廊道尺寸較大，輸水廊道上部區(qū)域與閘室邊墻內(nèi)角連通形成較大范圍的拉應力區(qū)。由于輸水廊道采用分散式出口，在靠近結(jié)構(gòu)縫周圍閘室底板沿水流方向和垂直水流方向均存在水位差，局部拉應力較大。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對以上區(qū)域加強配筋，以防止混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞。

4 結(jié)語

整體式閘室底板與邊墻剛性連接，對閘室底板受力產(chǎn)生不利影響，底板內(nèi)將產(chǎn)生附加應力，底板上部區(qū)域易于邊墻內(nèi)角產(chǎn)生連通的拉應力區(qū)域。布置輸水廊道后，不僅削弱混凝土受力，且由于水壓作用，拉應力范圍和數(shù)值均將變大，因此，不宜布置較大尺寸的輸水廊道或者在輸水廊道周圍及閘室邊墻折角加強配筋，以保證結(jié)構(gòu)安全。輸水廊道出水口與結(jié)構(gòu)縫之間不宜距離過近，避免沿水流方向的水位差使底板產(chǎn)生拉應力。

布置輸水廊道后，船閘閘室三維特性明顯，應用三維有限元法對多方向、多種類荷載作用下的結(jié)構(gòu)應力反應進行分析十分必要。