Autobank軟件在水閘安全鑒定中的應用

任伯鋒，李洪斌，唐 帥

（山東省水利勘測設計院，山東 濟南250014）

韓莊節制閘位于山東省微山縣韓莊鎮，是南四湖洪水經韓莊運河南下的關鍵性控制工程。1960年建成17孔老閘，1980年在老閘兩側各擴建7孔新閘，新老閘共31孔。新閘共14孔，于1977年3月開工，1980年4月建成，由山東省南四湖流域工程指揮部設計，韓莊閘擴建會戰指揮部施工，2002年進行除險加固，2004年加固完成。

1 閘室穩定復核

1.1 基本資料

韓莊節制閘閘室為開敞式寬頂堰，共31孔，單孔凈寬12m，閘室總寬435.6m。老閘室順水流向長18.5m，墩厚1.5m。采用分離式底板，底板頂高程30.30m，墩下大底板厚2m，墩間小底板厚1m。新閘室順水流向長27m，墩厚1.5m。也采用分離式底板，底板頂高程28.50m，墩下大底板厚1.8m，墩間小底板厚1.0m。根據其結構特點，進行荷載計算、基底應力及抗滑穩定安全系數計算。

根據地質報告，閘室基礎主要位于泥巖、細砂巖、石英砂巖、礫巖上。泥巖、細砂巖、石英砂巖、礫巖的地基承載力特征值分別為270kPa、310kPa、1500kPa和270kPa。基礎底面混凝土與基巖之間的抗剪斷強度值建議采用f′=0.40，c′=0.03MPa，閘基混凝土與基巖面的抗剪強度建議值f=0.30。本次復核閘基彈性模量取2.79×107kPa，泊松比取0.15。

1.2 計算原則

閘室為分離式底板，老閘單聯寬20.9m，新閘單聯寬20.6m，取中間一塊墩下大底板為計算單元，分別計算正常蓄水位情況、設計洪水位情況、校核洪水位情況和地震情況的閘室穩定和地基應力。閘室抗滑穩定按下式進行計算：

式中：kc為抗滑穩定安全系數；f為基礎底面與地基土之間的摩擦系數；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載，kN；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN。

基底壓應力按下式進行計算：

抗浮穩定按下式計算：

式中：Kf為閘室抗浮穩定安全系數；為作用在閘室上的全部向下的鉛直力之和，kN；為作用在閘室基底面向上的揚壓力，kN。

1.3 荷載組合及計算工況

根據《水閘設計規范》（SL265-2016），作用在水閘上的荷載可分為基本荷載和特殊荷載兩類。根據規劃資料，結合該閘實際運用情況，本次復核計算工況及荷載組合見表1。

表1 閘室穩定計算荷載組合

主要計算荷載包括如下方面：1）自重：包括閘室底板、閘墩、工作橋、檢修橋、公路橋、啟閉機房、工作閘門和啟閉機等的自重。2）水重：上、下游段底板以上的水重。3）靜水壓力：分別計算不同工況下的靜水壓力。4）揚壓力：分別計算各種工況作用下的揚壓力。5）風壓力：風壓采用基本風壓。6）波浪壓力：波列累計頻率P取1%，設計風速取汛期多年平均最大風速的1.5倍。7）地震力：擬靜力法計算，設計烈度提高為7度，地震加速度代表值取0.1g。

采用有限元軟件Autobank建立水閘穩定計算二維模型，各工況下老閘、新閘穩定計算成果見表2、表3。

表2 老閘閘室穩定計算成果表

1.4 閘室穩定計算成果

由表2和表3可知：在以上五種計算工況下，閘室最大基底應力小于地基允許承載力，閘室基底均未出現拉應力，滿足規范要求；閘室抗滑穩定安全系數、抗浮穩定安全系數均大于允許值，滿足規范要求。

表3 新閘閘室穩定計算成果表

2 閘室結構復核

老閘底板為素混凝土結構，室順水流向長18.5m，墩厚1.5m，采用分離式底板，底板頂高程30.09m，墩下大底板厚2.4m，墩間小底板厚1.3m；新閘底板為鋼筋混凝土結構，室順水流向長27.0m，墩厚1.5m，也采用分離式底板，底板頂高程28.29m，墩下大底板厚1.8m，墩間小底板厚1m。根據水閘結構特點，對閘室邊聯和中聯大底板進行結構強度復核。

2.1 計算工況及荷載組合

計算荷載考慮結構自重、水重、土壓力、靜水壓力、揚壓力、地震等荷載，對正常蓄水位情況、校核洪水位情況及地震情況的閘室底板及閘墩結構進行結構復核。采用Autobank有限元軟件中彈性地基梁法計算閘底板及閘墩內力，計算中取垂直水流方向的單寬梁為計算單元，基巖定義為線彈性材料；在地基周圍施加水平位移和豎直位移約束，根據不同工況施加荷載。

2.2 結構計算

各工況下的彎矩計算結果見表4、表5。

表5 新閘閘室結構復核成果表

由表4～5可知：老閘邊聯底板在地震情況和校核洪水位情況下，混凝土抗拉強度不滿足規范要求，邊墩在正常蓄水位、校核洪水位和地震情況下混凝土抗拉強度均不滿足要求，中墩在地震情況下混凝土抗拉強度不滿足要求。

表4 老閘閘室結構復核成果表

新閘邊聯和中聯均不滿足最小配筋率要求，其中，邊聯底板在正常蓄水位、校核洪水位和地震情況下受拉承載力均不滿足要求；邊墩在正常蓄水位和地震情況下受拉承載力不滿足要求。

3 結論

本文采用有限元軟件Autobank建立水閘閘室計算模型，將水閘閘室和地基作為一個整體進行結構計算。分別對正常蓄水情況、地震情況和校核洪水位情況下閘室混凝土結構的抗拉強度和受拉承載力進行計算，并與原設計混凝土抗拉強度和受拉承載力進行比較，進而得出原閘的結構安全復核結論。相對傳統的計算方法，具有計算精度高、效率高、結果直觀和適用性強等優點，為類似工程安全鑒定結構復核計算提供參考。