中山河閘閘室結構安全穩定分析

姜露露

(揚州大學 水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009)

由于中山河閘已建成運行多年，排架、閘墩等構件均出現一些病害，因此需要對中山河閘閘室結構安全性態進行分析研究，從而為維修加固中山河閘工程提供依據[1]。中山河閘所在地的地質狀況較差，故利用鉆孔灌注樁來提高地基承載力[2]。在計算結構時往往將樁基和閘室分開考慮，使得計算結果和實際狀態有著一定的差距[3]，因此在用m法計算樁基內力和樁頂位移時，也有必要采用三維有限元方法對閘室結構整體位移和應力進行分析研究。

1　工程概況

中山河閘位于濱海縣與響水縣交界處的廢黃河入海口，具有擋潮、泄洪、排澇、灌溉、通航、減淤和連接兩岸交通的功能。中山河閘閘身總凈寬60 m，每孔凈寬10 m，共6孔，通航孔單獨一聯，泄洪孔每兩孔一聯，剩余一孔泄洪孔單獨一聯，布置于左岸，共4聯。閘底板面標高為-2.5 m，底板厚1.5 m。由于邊荷載較大，孔數較多，故設置空箱岸墻，岸墻底板面標高-2.5 m。因擋潮水位較高，為降低泄洪孔閘門高度，泄洪孔設置胸墻。由于地基土質較差，根據地質鉆探報告確定閘身底板下采用直徑為80 cm的鉆孔灌注樁加固地基，樁底標高為-23.5 m。為保證建筑物的防滲安全，底板下采用地連墻[4]，沿底板四周直線布置。

2　樁基承載力計算

2.1　閘室結構

閘室結構計算簡圖見圖1。

2.2　樁基荷載計算

(1)單樁荷載按《建筑樁基技術規范(JGJ 94—2008)》中公式計算：

(1)

(2)

式中：Ni為荷載效應標準組合偏心豎向力作用下第i基樁或復合基樁的豎向力，kN；P為荷載效應標準組合下作用于樁基的總垂直荷載, kN；My為荷載效應標準組合下作用于底板底面，繞通過樁群形心y主軸的力矩kN·m；xi為第i基樁或復合樁基至y軸的距離,m；Hi為荷載效應標準組合下作用于第i基樁或復合基樁的水平力, kN；H為荷載效應標準組合下作用于樁基底板底面的水平力, kN；n為樁基中的樁數。

底板下灌注樁完好，能承擔底板傳遞的垂直荷載和水平荷載。以底板底面中心處為彎矩原點，荷載計算成果見表1。

圖1　閘室結構簡圖(單位：長度cm；高程m)

計算工況水位/m上游水位下游水位總垂直荷載P/kN彎矩M/(kN·m)單樁豎向荷載N/kN泄洪孔設計1654181595815-5519027129校核1654421557011-15452626469通航孔設計165418　849131-10827225777校核165442　833050-13354625289

(2)樁基垂直承載力復核。灌注樁樁基允許垂直承載力按《建筑樁基技術規范(JGJ 94—2008)》中公式計算。

(3)

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值；Qu k為單樁豎向極限承載力標準值；K為安全系數；u為樁身周長；qs i k為樁側第i層土極限側阻力標準值；qp k為極限端阻力標準值；li為樁周第i層土的厚度；Ap為樁端面積。樁周土極限摩阻力見表2。

表2　底板樁周土極限摩阻力表

經計算，底板鉆孔灌注樁樁基允許垂直承載力為1096.99 kN，而單樁最大垂直荷載為442.34 kN，小于樁基允許承載力，底板下鉆孔灌注樁垂直承載力滿足要求。

(3)單樁水平承載力復核。水平承載力考慮底板對樁的嵌固作用，采用m法計算樁頂位移。計算成果見表3。

表3　樁基水平承載力計算成果表

經m法計算得出，直徑為0.8 m的灌注樁單樁允許水平承載力為130 kN。而閘室樁基單樁最大水平荷載為122.12 kN。灌注樁樁頂不可恢復的水平位移值宜控制不超過5.0 mm[5]，而閘室樁基單樁樁頂最大位移為2.7 mm。故該閘室樁基單樁水平承載力及水平位移均滿足要求。

3　閘室三維有限元分析

3.1　計算模型

本文利用三維有限元軟件abaqus對中山河閘整體強度和穩定性進行分析研究。根據中山河閘工程的結構特征和受力特點，將地基、閘室、樁基等一起建模，考慮它們之間的相互作用。地基模型尺寸選取對計算結果有一定影響[6]，為了使計算結果更符合實際，根據薩布尼斯等的相關文獻中對試驗模型尺寸的要求，認為取地基單邊尺寸為結構基礎單邊尺寸的1～ 5倍就可以反映地基對基礎的作用[7]。本次計算中山河閘的地基在順水流方向取49.5 m，垂直水流方向取206.4 m，深度取至高程-53.9 m。由于所取的地基模型范圍比較大，因此地基的邊界條件近似認為其與土體是固結的[8]。中山河閘三維有限元模型見圖2。

圖2　閘室與地基整體三維有限元模型

3.2　基本荷載和計算工況

本次建模考慮的荷載有固定荷載、邊荷載和水荷載。固定荷載為閘室結構自重，邊荷載為閘室兩側岸墻引起，水荷載的加載工況分設計、校核兩種。

3.3　計算結果

按照上述計算模型和參數，分別對中山河閘閘室結構的各種工況進行了空間有限元計算。求出了各種工況下閘身結構在荷載作用下的各點位移、應力。由此可對閘室的穩定和強度安全性進行分析。

中山河閘閘室在各工況下的整體結構位移云圖見圖3～圖6，位移計算結果見表4。

圖4　校核工況閘室豎向位移分布圖(m)

計算工況豎直最大位移/mm豎直位移最大沉降差/mm水平最大位移/mm樁頂水平位移/mm設計29151522410728校核29061529418611

圖5　設計工況閘室水平位移分布圖(m)

圖6　校核工況閘室水平位移分布圖(m)

由圖3～圖6可知，閘室整體結構最大豎向位移發生在設計工況下，沿鉛直方向整個結構發生向下的位移，最大沉降量為29.15 mm，最大沉降差為15.29 mm。閘室整體結構最大水平位移發生在校核工況下，最大水平位移為4.186 mm，根據規范地基最大沉降量不宜超過150 mm，故地基沉降滿足要求。

利用三維有限元模型對樁基的樁頂水平位移進行分析，樁基的樁頂最大水平位移為2.8 mm，灌注樁樁頂不可恢復的水平位移值宜控制不超過5 mm，故樁頂水平位移滿足要求。

中山河閘閘室在各工況下的整體結構應力云圖見圖7～圖10，閘室結構最大主應力計算成果見表5。

圖7　設計工況閘室最大主拉應力分布圖(Pa)

圖8　校核工況閘室最大主拉應力分布圖(Pa)

圖9　設計工況閘室最大主壓應力分布圖(Pa)

圖10　校核工況閘室最大主壓應力分布(Pa)

表5　閘室結構最大主應力計算成果表 MPa

由計算結果的應力云圖7～圖10及表5可知：在各工況下閘室底板的最大主拉應力主要分布在下游面層，通航孔底板主拉應力最大值為1.40 MPa，泄水孔底板主拉應力最大值為1.03 MPa，最大主壓應力主要分布在下游底層處，通航孔底板主壓應力最大值為2.74 MPa，泄水孔底板主壓應力最大值為1.45 MPa；邊墩最大主拉應力為1.53 MPa，最大主壓應力為2.32 MPa；中墩最大主拉應力為1.35 MPa，最大主壓應力為1.45 MPa。閘室通航孔、泄水孔底板底層、面層、閘墩的最大主拉應力均超過了混凝土的允許拉應力，故底板底層、面層、閘墩混凝土的抗拉強度不滿足要求，最大主壓應力未超過混凝土的允許壓應力，故混凝土的抗壓強度滿足要求。

綜上所述，中山河閘閘室在各工況下的位移均滿足要求，混凝土的抗壓強度滿足要求，混凝土的抗拉強度均不滿足要求，但各構件經過配筋后均能滿足工程設計對剛度和強度的要求。

4　結　論

本文利用abaqus有限元軟件直觀可靠的反應中山河閘閘室結構的應力場和位移場狀況，并結合一般方法共同計算分析了樁基、閘室的結構承載力。分析結果表明：中山河閘的樁基承載力、閘室結構的強度均滿足要求，這也為中山河閘工程的安全評價以及維修加固提供了科學依據。

參考文獻：

[1]許文婷,曹邱林. 基于有限元的黃河北閘結構計算分析[J]. 水利與建筑工程學報,2010,8(5):127-128.

[2]王峰. 灌注樁加固地基的應用[J]. 山西建筑,2016,42(26):67-68.

[3]馬永法,陳平龍,曹邱林. 樁基礎水閘閘室結構分析研究[J]. 水利與建筑工程學報,2011,9(4):42-45.

[4]趙陽. 地下連續墻施工中存在的若干問題分析[J]. 科學技術創新,2014(15):165.

[5]中華人民共和國水利部.水閘設計規范：SL 265—2016[S] . 北京 : 中國水利水電出版社，2017.

[6]潘家錚. 水工建筑物的有限元分析[M]. 北京: 水利水電出版社，1991．

[7]Sabnis G M, Harris H G, White R N, et al. Structural modeling and experimental techniques[M]. New Jersey: Prentice-Hall, 1983.

[8]徐剛,邵琳玉,徐莉萍. 奔牛樞紐上閘首結構有限元分析[J]. 江蘇水利,2016(4):5-9.