基于三維有限元澡港南節制閘安全復核

張 興

（常州市城市防洪工程管理處,江蘇 常州 213000）

1 引言

水閘安全性對水閘的正常使用及水閘下游居民的安全影響較大。早期修建的水閘受制于當時的經濟、技術水平,水閘質量較為低下。在長期的使用過程中,水閘安全性產生了一定的變化。因此,針對這一類型水閘進行安全復核是十分必要的。目前,三維有限元數值模擬方法是水閘安全復核中常用的方法。通過建立三維模型,分析水閘的變形和應力情況,可直觀反映水閘的安全情況,計算速度快,結果可靠,在眾多工程中取得了良好的應用效果[1-4]。澡港南節制閘修建以后,在使用過程中出現了碳化等損毀現象,需要進行安全復核,為除險加固工程設計提供參考。

2 工程概況

澡港南節制閘閘室采用鋼筋混凝土整體塢式結構,底板厚1.3 m,底板底高程-1.3 m,底板頂面高程0.0 m。邊墩厚1.1 m,中墩厚為1.3 m。節制閘順水流方向總長123 m,閘室長17.0 m。節制閘內外河側消力池長均為15.0 m,深0.5 m。內外河側海漫段均采用漿砌塊石護底,長度均為30.0 m,在海漫的末端設頂寬為8 m 的拋石防沖槽。澡港南節制閘建成以來在常州市運北片地區的防洪、排澇和改善城市水環境等方面發揮了重要作用。

3 地質情況

工程場地勘察深度40.45 m 范圍內的土層依據土性特點從上到下依次分為：①1 層河底淤泥、①2 層填土、②1 層粉質粘土、③2 層砂質粉土、③3 層粉細砂、④層粉質粘土、⑥層粉質粘土。受澡港河河道切割影響,河床部位表層①2層、②1 層、③2 層變薄或缺失,并沉積了①2 層河底淤泥,下部地層分布較為穩定。

節制閘底板底高程-1.30 m,位于第③2 層砂質粉土底部。該層土呈稍密～中密狀,厚度僅0.5 m 左右,其下為③3 層粉細砂。泵站底板底高程-2.15 m,主要位于第③3 層粉細砂上。③3 層粉細砂具有厚度大、承載力高、壓縮性低等特點,是擬建節制閘和泵站良好的天然地基。節制閘上下游消力池、海漫段和防沖槽基礎等也主要位于第③2 層砂質粉土和③3層粉細砂上,該兩層土容易產生滲透變形,抗沖刷能力差,應采取必要的防沖、防滲等護底措施。

4 澡港河南樞紐節制閘三維有限元計算

為了分析澡港河南樞紐節制閘整體結構的安全情況,建立ABAQUS 三維有限元數值模擬模型,利用數值模擬分析結構安全。

有限元應力—應變關系表示為：

式中：［D］ 為彈性矩陣。

節點荷載和位移關系如下：

式中：［K］、、［R］分別為剛度矩陣,節點位移和節點荷載列陣。

4.1 澡港河南樞紐節制閘結構計算模型

數值模擬計算范圍如下：閘基在順水流、垂直水流方向取34.0 m、72.0 m,深度取至高程-20.0 m。

為了提高軟件計算速度和建模的簡便,在模型建立上進行了一定的簡化?？紤]到模型尺寸,采用全約束地基模型。該閘有限元模型見圖1。

圖1 水閘與地基整體有限元模型圖

節制閘計算參數見表1。

表1 結構材料計算參數表

4.2 基本荷載和計算工況

（一）固定荷載

①澡港河南樞紐節制閘結構自重；

②澡港河南樞紐節制閘上的豎向荷載。

（二）回填土荷載

墻后水平土壓力按主動土壓力和垂直土重進行計算,其余按邊荷載考慮。

（三）水荷載

水荷載的加載情況：各個工況下的水位以及對于各水位同時考慮相應的揚壓力。

（四）地震荷載

工程所在地地震動峰值加速度為0.05 g,處于地震烈度Ⅵ度區,建筑物的復核計算時不考慮地震工況。

4.3 計算結果分析

根據澡港河南樞紐節制閘數值模擬模型和計算參數,分別對澡港河南節制閘結構在不同工況下變形和應力進行計算,從位移、應力方面,對澡港河南節制閘結構進行安全分析及評價。

4.3.1 位移分析

不同工況下,澡港河南樞紐節制閘豎向位移計算成果見圖2、表2。

根據圖2、表2 中的計算結果可知。不同工況下水閘沉降差值均較小,其中工況5 條件下沉降差值最大,約為17.0mm。各工況下,澡港河南節制閘的最大、最小沉降值的比值約為1.40～1.51,處于相對較小的水平。工況1 條件下,澡港河南節制閘的沉降量最大,約為58.1mm,最大沉降量小于150.0mm,滿足相關規范要求。

圖2 節制閘豎向位移（沉降）云紋圖

4.3.2 應力分析

澡港河南樞紐節制閘數值模擬最大主拉應力分析結果見圖3、表3。

圖3 應力云紋圖

表3 各工況下水閘結構最大主拉應力成果表

從圖中可知,最大主拉應力主要分布于閘門頂部區域,根據監測數據可知不同工況下,澡港河南樞紐節制閘最大主拉應力約在2.19 MPa～2.59 MPa,均超過C20、C25 混凝土容許拉應力值,見表4,根據數值模擬結果可以得知：混凝土抗拉強度不滿足要求。

表4 混凝土容許拉應力與容許壓應力值表

4.3.3 結構配筋復核

配筋率是保證混凝土抗拉強度滿足要求的關鍵。根據表3 中的最大主拉應力計算成果對澡港河南樞紐節制閘配筋進行復核。當混凝土強度檢測成果超過原設計強度標準時,以原設計強度為標準進行復核。在進行混凝土結構配筋復核時,需要充分考慮混凝土碳化對混凝土保護層厚度的影響,在復核時使用實測混凝土保護層厚度。

由表5 可知,水閘底板閘墩等結構的最大拉應力在各工況下的配筋滿足強度要求。綜上可知：水閘地基的沉降量滿足規范要求,閘室整體穩定性較好,水閘底板、閘墩、工作橋的配筋滿足結構強度要求。

表5 水閘結構配筋計算成果表

5 結論

為了分析澡港南樞紐節制閘的安全性,為水閘除險加固工程設計提供參考。使用ABAQUS 軟件建立數值模擬模型。通過分析不同工況下的應力及變形成果可知：澡港南節制閘最大沉降差值為17.0 mm,最大、最小沉降值之比約為1.40～1.51,最大沉降量以及最大沉降差均滿足要求。但各工況下最大主拉應力為2.19 MPa～2.59 MPa,超出原設計采用的C20、C25 混凝土的抗拉強度允許值,澡港南節制閘混凝土抗拉強度不滿足要求。澡港河南樞紐節制閘需及時實施除險加固工程。