農田水利中某種裝配式涵閘設計應用試驗研究

王福家

(遼寧省北票市水務局，遼寧 朝陽 122100)

隨著裝配式建筑的應用發展，農業水利工程也逐漸開展相關應用，作為提升農業生產效率的重要載體，裝配式涵閘廣泛應用在水渠灌溉中，極大提升了我國農田水利建設的工程標準[1- 3]。國內外已有較多學者通過模型試驗、工程設計介紹、數值分析等手段研究了裝配式涵閘在水利工程中的應用[4- 6]。裝配式涵閘由混凝土材料制作而成，研究針對裝配式涵閘的混凝土最佳配合比顯得尤為重要，因而基于實際工程案例分析，采用不同配合比，探討裝配式涵閘最佳混凝土配合比，對提升裝配式涵閘應用研究具有重要作用。

1 裝配式涵閘簡介及工程概況

農田水利工程中，涵閘常常作為灌區調控水位的重要水利設施，借助涵閘在洞口水位上的擋土作用，傳輸水資源。當前，為了解決灌區水資源分布不均的影響，很多農業水利工程中逐步采用裝配式涵閘，方便調控其中某條干渠的輸送效率，常見的裝配式涵閘如圖1所示。

圖1 常見的裝配式涵閘

本文為分析裝配式涵閘的設計使用，依據某農田水利的灌區改造為研究對象，該灌區主要分布在丘陵地帶，東西方向總長70km，農田灌溉面積超過1000km2，平均海拔為400m，水文觀測資料表明水力坡降維持在0.2%。年平均氣溫為18.5℃，水資源供給來自距離灌區12km的柳河，年徑流量超過5000萬m3。依據水文地質勘察，灌區內一級階地以砂土、黏土為主，分布面積占比為42%，含水層厚度達16m；二級階地以細砂土為主，下部含有強度較高的風化砂礫石，地下水位屬各階地中最深，達22m；三級階地以砂土層為主，厚度最厚達15m，基巖主要為砂礫石，部分區段強風化，地下水位為18～20m。該農田地區承壓水水位較深，無法直接作為補充水源，因此利用大氣降水循環使用，作為旱季水源補充。

作為當地農業發展不可或缺的產業園，該灌區重新設計水渠，并考慮引進裝配式涵閘作為水利調度設施，目前共有4條水渠投入使用，長度為60.5～81.5km，農業部門考慮重新修筑裝配式涵閘水渠，提升整個灌區灌溉效率與水資源利用程度。

2 裝配式涵閘結構分析

2.1 涵閘結構尺寸設計

為了因地制宜確定最佳結構設計尺寸，需要結合灌區地下水水位等工程參數，獲得最優化的尺寸參數。

(1)基本設計參數取值

上下游水位對涵閘結構穩定性具有舉足輕重的作用，調控最佳上下游水頭差，有助于提升涵閘穩定性，本文根據實際情況，上、下游水深分別為1.20m、0.95m。以水渠底部高程為涵閘底部接觸處，在下游設置50cm長的砌墻以降低涵閘沖刷侵蝕作用，延長涵閘使用壽命。

(2)閘基防滲長度

依據設計規范，需對涵閘設置防滲長度，具體長度取值計算如下：

l=η·ΔH

(1)

式中，l—閘基防滲長度；η—徑流系數，取6.0；ΔH—上下游水位差。

經計算，裝配式涵閘地基防滲長度為6.8m。

(3)結構尺寸

根據每條渠道灌溉農田面積超過500m2，設計水渠允許安全流量為0.35m3/s，涵管選擇φ80，結合閘基防滲長度，設計涵管長度為7m，而底板長度設置為2.5m。涵閘擋墻包括了閘門高度與閘門安全允許高度兩部門，因而擋墻高度設定為2.5m，且上下游翼墻高度取擋墻高度一半。各部分結構均有高強度混凝土澆筑形成，因而需要設置保護層，厚度取20cm。設計后的裝配式涵閘幾何形態如圖2所示。

圖2 設計后的裝配式涵閘

2.2 涵閘結構穩定性分析

涵閘結構穩定性分析校核包括兩個方面：功能穩定性、結構穩定性。功能穩定性是指裝配式涵閘自身安全穩定性，主要驗算涵閘的滑移安全系數與懸浮安全系數。

(1)功能穩定性

(2)

式中，Kc—滑移安全系數；f—摩擦系數；∑M—豎向力總和；∑W—水平向力總和；[Kc]—滑移安全系數允許值。

經計算，滑移安全系數為2.4，因而抗滑安全設計滿足要求。

(3)

式中，Kv—懸浮安全系數；∑U—閘基壓力。

(2)結構穩定性

結構穩定性主要考慮涵閘各部分結構應力變形是否滿足設計要求，本文將利用ABAQUS有限元數值軟件，通過建立數值模型，分析水渠在正常運營與無水工況下涵閘結構穩定性。

首先，建立涵閘自身的數值模型，并劃分網格單元100822個，共有節點數21918個，采用六面體單元組成各個微變形體,如圖3所示。水渠在正常運營工況下包括邊界荷載有結構自重與回填土荷載，墻后填土壓力主要為主動土壓力；在無水工況下包括回填土載荷，且載荷為土自重。

圖3 數值模型圖

圖4為兩種工況下涵閘位移云圖。從圖4中可看出，無水工況下最大位移出現在閘室底部墊塊區域，最大豎向位移(沉降量)為1.81×10-3m；最小沉降量出現在下游底板區域，為1.38×10-3m，涵閘主體結構區域沉降量均在1.7mm以上，兩側翼墻沉降量較小，分析原因是無水工況下并無水壓力影響兩側翼墻擋土壓力。在正常運營工況下最大沉降值為3.5×10-4m，最大沉降量集中在擋墻區域；最小沉降量位于下游底板區域，為1.3×10-4m，。對比兩種工況下最大、最小沉降量出現區域，不論何種工況，下游底板總是沉降量最小；正常運營工況下最大沉降量僅為無水工況下的19%，且最大沉降結構部位也會有較顯著差異。根據設計規范要求，閘基最大沉降量不可超過25mm，由此表明，該裝配式涵閘在兩種工況下沉降量均滿足要求。

從圖4的水平向位移云圖可看出，兩種工況下水平向位移值均較低，最大水平向位移值出現在無水工況下，達0.24mm，正常運營工況下涵閘水平向位移相比減少了1～2個量級，最大位移僅有0.033mm，兩種工況下最大水平向位移均出現在迎水側擋墻頂端，閘室底板或頂板水平向位移較小，涵管水平向位移在兩種工況下近乎一致，只是無水工況下受結構自重荷載影響，會有一定的分層水平位移，由此可知涵閘結構穩定性較佳。

圖4 涵閘豎向與水平方向位移云圖(從左至右依次為豎向、水平向位移)

圖5為數值計算得到的裝配式涵閘應力分布云圖。從圖5中可看出，在無水工況下最大拉應力為0.66MPa，出現在涵閘墊塊結構區域處，其次上游擋墻拉應力亦較大，約為0.55MPa，類似其他底板、翼墻等區域拉應力值均較小，特別的，涵管最大拉應力為0.16MPa，由于拉應力對工程混凝土穩定性具有較大威脅，根據數值計算可知，在無水工況下各部分結構拉應力值均處于安全允許。正常運營工況下最大拉應力僅為無水工況下的42%，且涵閘各部分結構拉應力值顯著降低，以上游擋墻為例，雖然在正常運營工況下，上游擋墻拉應力為各部分結構中最大，但其值仍不到有無水工況下的50%，根據初步選擇的C30混凝土拉應力允許值，涵閘在正常運營工況下滿足設計要求。

從涵閘各部分結構壓應力表現來看，正常運營工況下壓應力最大值出現在涵管區域，這主要是由于涵管作為傳輸水資源的渠道，受上覆填土及水壓力影響顯著，其最大值達0.49MPa，而其他上、下游擋墻或翼墻的壓力值均僅有0.15～0.25MPa。無水工況下最大壓應力值相比增長了124%，但量值依然較低，僅有1.1MPa，同樣是出現在涵管區域，上下游擋墻、翼墻以及底板墊塊等區域壓應力均有一定程度增大，幅度均為91%以上。相比混凝土材料壓應力允許值，涵閘各部分結構壓應力均穩定安全。

圖5 涵閘應力分布云圖(從左至右依次為拉應力、壓應力)

3 裝配式涵閘混凝土材料分析

裝配式涵閘原材料為混凝土，而設計最佳配合比有助于提升涵閘穩定性與工程使用成本，本文將選擇粉煤灰三個不同摻量：10%、14%、18%；硅粉摻量：3%、5%、7%；陶片碎屑：600g、630g、660g。試驗材料選擇普通砂，且含沙量為35%。根據材料配比，制作成不同對照組混凝土試樣，研究養護5d、10d、28d后的抗壓強度以及容重值，以此反映最佳混凝土試樣配合比。

圖6為5d、10d、28d后不同配合比下混凝土試樣抗壓強度曲線。K值表示三次平行試驗試樣抗壓強度之和。從圖6中可看出，硅粉與粉煤灰在摻量分別增長2%與4%情況下，即粉煤灰10%含量與14%含量、硅粉3%含量與5%含量，養護5d后的抗壓強度K值一致，直至粉煤灰摻量增長至18%或硅粉含量增長7%，強度發生變化。陶片碎屑含量從600g增長至630g，K值增長了0.1。養護10d后粉煤灰抗壓強度K值最大值仍然出現在中間配比14%摻量；而陶片碎屑抗壓強度K值隨含量增大逐漸降低；硅粉摻量抗壓強度K值維持在較高水平，以含量7%為最高。養護28d后，硅粉抗壓強度K值最高水平為含量5%；陶片碎屑抗壓強度K值仍然是逐漸下降，但下降斜率相比養護10d時的要低；粉煤灰含量同樣是呈中間配比值為抗壓強度K值最大。

圖7(a)為容重K′值變化曲線。從圖中可看出，隨著陶片碎屑含量增大，容重K′值呈線性增大，容重K′值愈低，更利于裝配式涵閘移動改造。硅粉不同含量配合比中，7%摻量時的容重K′值最低；粉煤灰的含量為14%時容重K′值最低。圖7(b)為養護28d后各參數的抗壓強度與容重極差值曲線，從圖中可看出，影響抗壓

圖6 不同配合比下混凝土試樣抗壓強度曲線(橫坐標1、2、3分別表示三種不同含量配合比)

圖7 容重K值與極差值曲線

強度K′值主要為陶片碎屑，粉煤灰為次要因素；影響容重K′值主要為陶片碎屑，硅粉為次要影響因素。結合上述分析，本文最終確定粉煤灰含量14%、硅粉含量7%、陶片碎屑含量600g為最佳配合比。

4 結論

依據某農田水利灌區工程引入裝配式涵閘水利設施，分析了裝配式涵閘結構穩定性與混凝土材料配合比，主要獲得了以下幾點認識與結論。

(1)研究了裝配式涵閘主要結構尺寸，并校核了涵閘抗滑移安全系數與懸浮安全系數，均表明結構設計符合規范要求。

(2)基于ABAQUS數值軟件建立有限元模型，分析了涵閘在兩種工況下各部分結構應力與變形，最大沉降量僅為1.81mm，最大水平位移為0.24mm，最大拉應力與最大壓應力均滿足材料安全允許值要求。

(3)通過研究不同配比的硅粉、粉煤灰、陶片碎屑，獲得了涵閘原材料混凝土最佳配合比為粉煤灰含量14%、硅粉含量7%、陶片碎屑含量600g。