基于拉桿的農田灌溉工程U形渡槽設計優化研究

文 星

(巴音郭楞蒙古自治州水利水電勘測設計院，新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

農業是國民經濟的基礎性產業，是國民經濟和社會發展的重要基礎，直接關系到糧食安全和社會的穩定和諧。隨著我國農業經濟的不斷發展，農田水利工程在在農業領域的作用不斷凸顯出來，因此國家和社會也對農田水利工程建設予以足夠的關注和支持[1]。在這一背景下，中國的農田水利工程建設迎來了前所未有的發展機遇，并取得了顯著的成績[2]。小型水工建筑物設計的標準化以及施工的裝配化對提高農田水利工程的設計、施工和質量水平具有重要作用和價值[3]。在這一背景下，農田水利工程建筑物實現標準化設計和裝配化施工，對提高農田水利建設的質量和水平具有重要意義[4]。灌溉渠道在當前的農田水利建設占有相當比重且具有重要意義，對農業生產發揮著十分重要的作用。小型農田水利渠道中的流量一般較小，常用U型斷面和梯形斷面。基于此，文章利用數值模擬的方法，對典型U型斷面渡槽進行研究，確定最佳斷面形態。

1 有限元計算模型

1.1 模型的構建

研究中以泡田時間為1d，控制灌溉面積為20.0-33.3hm2的U型渡槽為例典型渡槽，建立有限元模型，對其結構進行設計和優化研究。其中，渡槽的長度取500cm，寬度為120cm，槽內凈深為80cm，比降為1/1000。槽身為C30混凝土澆筑，渡槽殼體的頂部加厚為邊梁，起到加固的作用，渡槽內的水體長度和寬度與渡槽規格一致。

利用大型商業有限元軟件COMSOLMultiphysics進行有限元計算模型的構建和模擬計算[5]。模型以渡槽中線指向下游的方向為X軸正方向，以垂直于X軸指向左側的方向為Y軸正方向，以豎直向上的方向為Z軸的正方向。利用六面體8節點三維實體單元進行模型的網格劃分，為了保證模型計算的精度，沿槽身方向劃分為10層網格，最大單元尺寸在40cm，最小單元尺寸在2cm，整個渡槽結構共劃分為8764個計算單元，6456個計算節點。模型的網格剖分示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

1.2 邊界條件和計算參數

將混凝土材料視為均質線彈性材料，分別對四處支座設置全位移約束、YZ方向位移約束、Z向約束以及XZ方向位移約束。鑒于濕度對混凝土物理力學參數存在顯著影響，研究中將渡槽混凝土材料的干燥彈性模量設定為24.2GPa，不同濕度條件下的彈性模量根據朱俊閣的研究成果以及渡槽用C30混凝土的試驗數據進行計算[6]，計算公式為：E=24.20+130W。其中，E為彈性模量，W為混凝土的含水率。在濕度場模型中渡槽混凝土的擴散系數利用混凝土試塊一維吸水試驗的數據反演獲取[7]。根據相關研究結果，混凝土材料的泊松比較少受濕度的影響，因此研究中取定值0.167。

1.3 求解過程

利用有限元軟件中自帶的Comsol Multiphysics 軟件進行數值模擬計算，利用有限元法進行空間域的離散，利用有限差分法進行時間域的離散，計算中的最大步長為0.1d，最小步長為0.01d，總步長設定為10d[8]。

1.4 計算方案

參考渡槽設計規范以及相關研究成果，初步設計設置拉桿和不設置拉桿兩種槽身斷面。其中，設置拉桿的渡槽，每隔2.0m設置一根拉桿，渡槽的側墻厚度和墻高的比一般為1/12至1/16，如果渡槽不設拉桿，一般需要適當增大側墻厚度，以提升側墻的穩定性。側墻厚度設計為8cm，拉桿的規格為25cm×25cm；不設拉桿的渡槽槽身厚度設計為10cm。針對渡槽的使用情況，設置如下兩種計算工況：工況1為無水工況，基本荷載主要是渡槽的槽身自重；工況2為滿水工況，基本荷載主要是渡槽的槽身自重和水重。

2 計算結果與分析

2.1 位移計算結果與分析

利用上節構建的有限元模型，對不同工況，設計設置拉桿和不設置拉桿兩種槽身斷面條件下的位移進行模擬計算，并從計算結果中提取出水平位移和豎向位移的最大值，結果如表1所示。根據渡槽設計規范中關于單層排架結構的基礎沉降量要要求，高壓縮性土情況下不超過200mm，中低壓縮性土條件下不超過120mm。由表中計算結果可知，各種斷面結構和各種工況下的渡槽沉降量均<15mm，其中不設拉桿工況2條件下的沉降量最大為11.13mm。由此可見，各種計算方案下的渡槽地基沉降滿足要求，并有較大的冗余量。此外，設置拉桿和不設拉桿相比，設置拉桿的渡槽豎向位移量相對較小，對控制渡槽變形更為有利。

從水平位移的計算結果來看，各種工況下的位移量比較接近，沒有明顯的變化，但是設置拉桿和不設拉桿相比，設置拉桿的渡槽水平位移量相對較小，對控制渡槽變形更為有利。

表1 渡槽位移最大值計算成果

2.2 應力計算結果分析

利用上節構建的有限元模型，對不同工況，設計設置拉桿和不設置拉桿兩種槽身斷面條件下的槽身和橫梁的應力進行模擬計算，并從計算結果中提取出最大主拉應力和最大主壓應力值，結果如表2所示。由表中的結果可知，渡槽采用設置拉桿斷面結構時，槽身在工況1條件下的最大主拉應力和最大主拉應力值均相對較大，分別為0.56MPa和0.16MPa；橫梁的受力情況類似，也是工況1條件下的最大主拉應力和最大主拉應力值均相對較大，分別為0.44MPa和1.01MPa。對于不設置拉桿的渡槽結構而言，應力變化情況類似，也是槽身在工況1條件下的最大主拉應力和最大主拉應力值均相對較大，分別為0.59MPa和0.18MPa；橫梁的的最大主拉應力和最大主拉應力值分別為0.46MPa和1.22MPa。同時，上述應力值均

表2 槽身和橫梁應力計算結果

2.3 經濟性對比

根據有限元分析結果，設置拉桿對控制渡槽的位移和應力更為有利。為了進一步確定設計方案，對設置和不設置拉桿兩種方案的造價進行比較，以便對兩種不同的方案進行綜合評價，以獲取最佳斷面設計。對6.0m長的渡槽按照當前的市場價格進行造價概算。結果顯示， 帶拉桿渡槽的價格為3587元，不帶拉桿的渡槽單價為3624元。由此可見，在其他條件相同時，帶拉桿渡槽的造價更低，具有較好的經濟性。綜合有限元計算結果和經濟性評價，建議在工程設計中采用帶拉桿的渡槽斷面。

3 結 論

利用數值模擬計算的方法，研究了拉桿對U型斷面渡槽位移、應力和經濟性的影響，并獲得如下主要結論：

1)設置拉桿和不設拉桿相比，設置拉桿的渡槽豎向和水平位移量相對較小，對控制渡槽變形更為有利。

2)設置拉桿和不設置拉桿相比，在其他條件相同的情況下，設置拉桿的渡槽應力值相對較小。

3)從渡槽的經濟性來看，設置拉桿的渡槽造價更低。

4)綜合研究成果，建議在農田水利工程渡槽設計中采用設置拉桿的渡槽斷面。