基于ANSYS有限元分析法的松軟地基節制分水閘整體結構穩定性分析

陳立峰，陸繼東，李玥璿

(1.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務中心，山東 濟南 250100；2.山東省濟寧市水利事業發展中心洙趙新河分中心，山東 濟寧 272000)

和重力壩穩定依靠兩岸拱端穩定的機制不同的是，重力壩所以靠的是自身的穩定，所以拱壩對于地址以及地形的相關條件要求都比較高，也需要更加良好的穩定性[1-2]。所引入的分析項目是山東李家岸灌區，總灌溉面積為0.82×104hm2.近幾年來政府部門連續改造了該灌區的水利條件，不管是主要的建筑物還是改造的工程，所確定的級別都為4級。工程改造的段位分水口到干渠-支渠分水閘段。修建的渠系建筑物數量共計為10座，其中農橋有3座，節水閥有5座。在灌區的分水閘長，地基土液化程度較高。存在著比較嚴重的液化情況，導致工程施工當中可能會出現沉降變形情況。

1 工程基本情況分析

1.1 該工程的分水閘情況

所選擇的工程為山東李家岸灌區節制分水閘的分段是K4+200，分水閘設置在右岸。包含了下游和上游的扭面段以及閘室段。所設定的分水閘閘底板的高度為90.5 m。確定了具體的引流量為0.7 m3/s。閘室所采用的結構維整體式開敞的鋼筋砼結構。閘室段長和寬度分別為1.8 m與0.8 m。在下游側設置不帶胸墻的平面鑄鐵閘門，閘底板包含現澆砼板構成，是由C20/F200構成，長寬為0.5 m和1.7 m。地板下需要放置厚度為0.7 m的砂礫石作為墊層。閘墩的結構維重力式擋土墻結構，襯砌材料所采用的是C20現澆砼。閘墩頂寬度為0.20 m，底部寬度為0.9 m，墻的高度為2.0 m，閘墩下設置的厚度為0.7 m砂礫石墊層。

1.2 閘區內部的工程地質條件分析

所納入研究范圍的這個地區的地層巖土包含了粉土質砂、粘土以及粉土等。按照現有的相關標準，納入錘擊數法復判，在渠系的建筑物地基上，有一些土的液化等級比較高。實際工程設計中，建筑物的基礎工程開展，適合采用消除或者是減弱地基液化的影響。如果采用加密方法消除地震液化影響，應當確定合適的埋置深入，讓基礎土層的整體性和剛度得到增強，通過改善上部結構剛性與對稱性等措施減少液化涂層帶來的不利影響。

2 建立模型和工況的具體計算

2.1 構建有限元計算模型

采用有限元計算模型，需要借助于ANSYS軟件來完成計算和分析，以評價閘室地基整體結構的穩定性情況。地基采用彈塑性模型，閘室所采用的為彈性模式。依據的相關破壞準則是D-P準則，以現有的閘室和地基條件，構建起專門的有限元計算模型。如圖1所示。對離散元網格數量進行計算，得到的數據為5 537，有4 081個網格節點。模型實際構件中，可以適當簡化處理，就關鍵部位而言，需要開展網格加密，設定上游以及下游的水位。地基的邊界確定為周圍的20 m。

圖1 分水閘有限元計算分析模型

模型構建，按照實際計算以及擬建設壩體的具體要求，三維大壩數值的模擬范圍所選取的是：前直向是從建基向下延伸240 m，從壩頂向上延伸的長度為120 m。順河向從大壩向上游延伸，長度為360 m。按照開挖的具體地質情況，構建起的三維有限元模型，對影響到穩定性的主要地質構造情況進行了模擬。同時在地質構造模擬的過程中薄層實體單元完成繼續的模擬。

2.2 相關工況計算結果

分水閘穩定性的工況分析過程中，能夠分為三種不同的情況，具體為：施工完建設階段，對載荷內容進行計算，其中包含自重和土壓力；第二種屬于正常蓄水位，從安全視角分析計算正常蓄水位相關數據，所選擇的為閘前水位，要做到和閘門頂齊平的狀態。對于荷載內容的計算，為水重+閘門推力+自重+揚壓力之和。第三種工況屬于洪水地震工況校核。

3 基于有限元模型的水閘地基整體結構穩

定性分析

3.1 閘室沉降位移穩定性分析

實際計算當中需要應用公式計算流速水頭，采用h表示，計算公式如下：

(1)

公式當中位能水頭用y表示，壓能水頭用pyw表示，水壓強用p表示，yw表示水的容重。土體本體結構關系使用到的是理想彈性-塑性模型，屈服準則為Mohr-coulomb準則和抗拉強度準則，塑性流動使用到的是相關聯法則。

(1)對完建期分析。通過計算有限元模型，得到x、y、z軸的具體數據。在完建期，所得到的與閘室結構相關的沉降位移數值，最大值為0.87.閘室地基從整體上看，變形的沉降值是處于比較均勻的狀態。因為能夠得到x軸上的相關數據，也能得到閘室結構兩端的位移極值。主要是因為閘室的結構，必須要足夠對稱，閘室結構也不會出現破壞作用。第三種工況所得到的x、y、z周位移量分別為0.02/0.71/0.35，雖然第一種工況的位移比較大，但是還是在允許范圍當中的。

(2)運行情況要足夠正常。當處于鄭航蓄水階段，對閘室的沉降情況進行分析。可以發現處于垂直水流上，閘室的結構處于比較均勻的整體沉降狀態，并未明顯破壞掉閘室的整體結構。但是在水流方向，閘室的整體沉降卻出現了一定的差異。與后段相比，前段的沉降情況更加明顯。Z軸方向上，位移的值應當在3.0和3.3之間。確保位移的范圍是介于安全范圍當中的，水流作用是此種情況出現的主要原因，借助于水流的推動，閘室結構會往z軸出現傾斜。在下游閘墩頂部出現最大位移，上游閘基基地端部出現最小位移。圖2為正常運行過程中，閘室沉降的位移情況。

圖2 正常運行中閘室沉降位移的變化情況

3.2 閘室結構應力分布結果分析

按照計算得到的實際數據，能夠發現，在不同工況下，閘室的不同方向應力機制也是存在著比較大的差異。根據表格當中的數據，我們可以發現壓應力主要分布在y軸和z軸，結構應力的具體分布整體均勻程度較好。在正常蓄水情況下，閘室結構由于受到水壓力影響，閘室下游偏向了出現，慢慢增加。導致出現偏心受壓的數據。結構局部的拉應力也會增加，也可以得到受拉區的最大拉應力，這低于1 MPa的。

結合工況所存在的具體差異，我們能夠得到最大應力值的差別性。結合數據可以發現，在第三種工況下，也就是校核洪水和地震的環境下，所得到的應力值是最大的。閘室強度在確定時就需要按照第三種工況來考慮，確定工況之前還要分布工況3的應力分布情況。一般在閘墩以及底板結合的地方，應力集中情況比較明顯。應力集中和地基、閘墩的距離間呈現出的反比例關系。距離越近所得到的ay數值會越大。閘室結構受到的整體應力，主要還是壓應力。在閘室相對較小的區域當中產生，地基基本上都是在受壓區范圍內的。基于安全的視角我們能夠發現，在實際設計中，混凝土的閘室結構應當著重提升受拉區混凝土的標號，還要重新設置密度和強度，改善閘室結構受拉區受力情況[3]。

表1 閘室結構不同方向的應力分布情況

3.3 閘機底板主應力分布實際情況分析

因為松軟土層是閘室結構的主要涂層，所以存在著比較大的地震液化可能性。承載力會對整個閘室結構穩定性產生不利影響[4]。順著水流的方向我們可以選擇六個不同的界面，在三種不同工況下確定底板主應力分布情況，還要計算不同界面的應力大小。結合計算得到的相關數據，可以發現整體地基應力分布相對均勻。按照水流方向主應力，可以得到連續性的發展。只有在閘墩附近才會出現應力集中情況。整體數值比較小，導致地基穩定性受到不良影響。這一結果在某種程度上也反映出了，需要選擇合適地基處理方案的有效價值。

就截面z的情況來看，得出的正應力數值。在界面z為10.0時，最大值為-0.008，最小為-0.321。截面z為17.0時，得到的最大應力值為-0.007，最小的應力值為-0.281。

4 結語

通過研究可以發現對于松軟地基渠系建筑物的穩定性而言，和建筑物地基整體的結構之間存在著密切的相關性。在工程設計當中需要結合實際情況來確保在沉降變形當中各種荷載作用的均勻性。本次研究中就結合了實際的例子開展分析，研究發現只有閘室混凝土結構小范圍會出現拉應力，需要對整體的結構穩定性進行判定。