水閘滲流穩定及應力應變分析

劉文超 中國市政工程華北設計研究總院有限公司

1.工程概況

2.建立三維有限元模型

2.1 有限元模型的選取與坐標系建立

因本案例水閘采用的是分離式底板，且閘基土層的劃分變化不是很大，故選用其中一個穩定斷面來進行論述，選用三維非線性有限元模擬方法深入分析了中孔段。上游54m混凝土防滲鋪蓋下部至下游消力池前端為計算范疇，考慮到項目所在位置隸屬于黃河沖積扇平原地貌單元，本研究在分析滲流穩定性的基礎上，主要考察其穩定性性質，便于模擬。

2.2 材料參數及計算工況的選取

2.2.1 材料參數

本篇文章依據研究方向對壩體材料及壩基材料進行了材料性能指標計算解析。將4層閘基滲流模擬為非線性材料，依據有限元、分洪閘、地基材料的物理性能指標，將分洪閘閘門閘墩作為彈性材料處理。

2.2.2 荷載及計算工況

在計算中考慮的荷載為自重和水力荷載。其中水的容重取9.8KN/m3。其總體思想是首要進行滲流研究，并對滲流結果進行處理，以節點荷載加水壓荷載的方式，在ADINA的穩定計算模塊中對閘壩各節點進行應力、應變研究，地基部分自重造成的位移不計在內。在這一基礎上，對本案例分洪閘門進行了滲流與穩定性計算，主要研究了分洪水位下的滲流與應力變形。最終，與力學法的計算結果進行了比較，其總體結果與力學法的計算結果相同。

2.3 三維模型網格的劃分

根據對滲流邊界條件的概念，判定本模型的地基底面和外圍為不透水層。從應力應變分析邊界條件概念的角度來分析，模型地基底面滲流約束為z=0，x=0或y=0，閘軸向y=0。該模型具有精度高、算法簡單等優勢。在有限元滲流分析中，構建優良的三維模型是核心，這也為后期邊界條件和荷載的運用確立了基礎，滲流應力及變形分析是水閘滲流穩定分析的基礎。

3.閘室滲流穩定分析

3.1 段阻力系數計算

進、出口段：

式中：ξ0指代阻力系數；S指代入土深度（m)；T為地基透水層深度（m)；

內部垂直段：

老馬說：“這個就不好說了，根據各人的體質不同而定，人體一旦沒了腎，體內不能維持體液電解質平衡和排泄代謝產物，而導致高血鉀、代謝性酸中毒及急性尿毒癥綜合征，數小時至數天內都有可能死亡?！?/p>

式中：ξy指代內部垂直段的阻力系數。

3.2 進出口段修正后的水頭損失值計算

式中：h0′為進出口段修正后的水頭損失值（m)；h0為進出口段水頭損失值（m)；β′為阻力修正系數，當計算的β′＞1.0時，采用β′=1.0；S′為底板埋深與板樁入土深度之和（m)；T′為板樁另一側地基透水層深度（m)。

3.3 滲透坡降計算

出口坡降計算公式：

水平坡降計算公式：

圖1 分洪水位下最大主應力云圖（單位：Pa）

圖2 分洪水位下最小主應力云圖（單位：Pa）

圖3 分洪水位下 Z 方向主應力云圖（單位：Pa）

式中：J為出口段滲流坡降值；Jx為水平段滲流坡降值；ΔH為水平段水頭損失值（m)。

4.水閘的應力變形及成果分析

4.1 水閘的應力變形分析

該方案的應力應變分析，是在滲流穩定性分析的基礎上，需在節點處增加滲流力且在每一水位處增加水荷載，再對閘室P1中段縱斷面進行應力應變分析。

4.2 水閘應力變形成果分析

（1）第一主應力。分洪水位只相差0.5m就可以到達閘門頂的現有高程。當水位較低時，閘門P1段的上游位置最高值拉應力達到了0.16MPa；閘室地基底部出現了最大壓應力。在Y方向的應力分布中可以看出其閘門附近存在較大的拉壓應力，而z方向的壓應力分布呈越往下越大的趨勢。

（2）第三主應力。從圖中可以看出，第三主應力與第一主應力分布上面較為相似，地基底部同樣分布最大壓應力，達到了0.49 MPa。

（3）垂直應力。豎直方向的應力主要分布在閘門和底板相銜接的范圍內，最大拉應力為0.11 MPa；地基最底層的壓應力與第三主應力相同。

（4）Y向位移。當水位較低時，向Y方向的滲流發生移位較明顯，最大移位值0.12mm，分布于閘門背水面范圍內。此外應力變形分析中還發現閘門底板接觸部分存在不同程度的位移情況，位移走向趨勢與順水流方向一致。

（5）Z方向位移。垂直向上的最大位移數值為0.01 mm，主要分布于閘門中下部；垂直向下的最大位移數值為0.08 mm，分布位置為閘室底板和基礎的交叉處。應力應變結果如表1所示。

表1 應力應變結果

5.結束語

鑒于水閘形式的多樣化，從有限元建模到模擬計算都是一個復雜的過程。文中的研究受到時間和研究條件的局限，所做工作十分有限，有眾多問題仍待更進一步探究。本文通過工程實例，對某閘門在分洪水位下的位移、應力分布及其變化特征進行了討論，并對位移、應力的變化趨勢進行了分析。有限元分析表明，閘室P1段縱斷面底板與胸墻底部的連接處存在較大的拉壓應力。滲流力在Y方向發生位移對水閘的穩定性造成的影響最大，而上游水位的變化對其干擾并不大。通過上游54m的鋪蓋能夠滿足本案例水閘滲流穩定的要求，并且其滲透坡度經分析表明較為合理。因此綜合本案例的實際情況與筆者本人施工經驗，建議采用上游防滲鋪蓋的方式，再加上與灌注樁相結合的方案，可以滿足該水閘滲流穩定，又使應力應變滿足要求。