基于三維有限元的某閘壩閘墩和閘孔寬度比選計算

肖艷君

（湖南建工集團有限公司，湖南 長沙 410000）

閘壩結構屬于異形結構，通常由閘墩、牛腿、溢流堰、弧門、胸墻等結構組成。閘墩及牛腿受弧門推力的作用，受力狀態復雜，無法通過結構力學方法得到結構內力。《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008）[1]指出“對于異形結構，可由彈性理論分析方法求得的結構彈性拉應力確定鋼筋用量”。本文以某實際項目為例，利用BIM 技術建立閘壩結構幾何模型并劃分網格，導入有限元分析軟件完成結構的三維有限元分析，對閘墩厚度和閘孔寬度進行了比選分析計算，并采用應力圖形法，對結構的配筋計算進行評價，可為其他類似結構設計和計算提供參考。

1 計算條件

1.1 基本情況

某工程閘壩位于河床中央，左鄰廠房壩段，右靠船閘壩段，閘壩上游側頂部設有胸墻，溢流壩分縫設于閘墩處，溢流壩段共14 孔溢流閘孔，溢流堰采用WES 曲線堰，壩頂高程為83 m，最大壩高34 m，閘墩厚3.0 m，水庫正常蓄水位為78 m，設計、校核水位均為80.80 m，基巖為弱風化粉砂質板巖。閘壩設計斷面見圖1。

圖1 閘壩設計斷面圖

1.2 計算模型及參數

三維有限元計算網格劃分均采用8 結點6 面體單元，結點總數459 770，單元總數410 698，計算模型見圖2。

圖2 三維有限元計算模型圖

所有材料均采用線彈性材料，計算參數見表1。

表1 閘壩有限元計算材料參數表

1.3 比選方案

方案1：閘墩厚3.0 m，中孔凈寬14 m；方案2：閘墩厚3.0 m，中孔凈寬16 m；方案3：閘墩厚3.5 m，中孔凈寬14 m；方案4：閘墩厚3.5 m，中孔凈寬16 m。不同比選方案示意圖見圖3。

圖3 不同比選方案示意圖

2 計算結果及分析

2.1 應力分析

閘壩各部位方案1 的有限元計算結果見表2，圖4給出了正常蓄水工況（閘墩縱行最不利）和正常蓄水+一側擋水工況（閘墩橫向最不利）下閘壩的應力和位移云圖，由表2 和圖4 可知，堰體底板應力最大為正常蓄水+一側擋水工況，大小為0.45 MPa，最小為校核水位工況，原因是高水位工況下閘壩整體所受浮托力的增大，故底板拉應力最小；堰體表面應力最大為正常蓄水+一側擋水工況，檢修工況次之，大小為1.17 MPa；胸墻應力最大為正常蓄水+一側擋水工況，大小為2.05 MPa；邊墩應力最大為正常蓄水+一側擋水工況，大小為1.83 MPa，位于閘墩根部；中墩應力最大為正常蓄水+一側擋水工況，大小為1.35 MPa，主要是由于兩室水壓不平衡；邊墩牛腿和中墩牛腿應力相差不大，邊墩略大于中墩，牛腿應力最大為正常蓄水+一側擋水工況，大小為2.45 MPa，位于牛腿根部。位移方面，量級均為毫米級，變形量較小，均在合理范圍內。

表2 閘壩有限元應力計算結果（最大拉應力）

圖4 閘壩結構主拉應力云圖（單位：Pa）

2.2 方案比選

表3 和表4 分別給出了方案1～4 閘壩結構不同部位的最大拉應力和配筋量統計。由表3 可知，在相同閘墩厚度情況下，閘孔越寬，堰體底板、胸墻、閘墩和牛腿最大拉應力越大；在相同閘孔凈寬情況下，閘墩厚度越大，堰體底板、胸墻、閘墩和牛腿最大拉應力越小。另外，在閘墩變形方面，由于閘孔寬度較大，水頭較高，在正常擋水工況下，閘墩的水平變形最大，由于該閘壩為閘墩分縫，縫寬20 mm，故閘墩的水平變形允許值是10 mm，由表5 可知，方案1、方案2 和方案4 不滿足要求。綜合結構配筋計算結果，方案3，墩厚3.50 m，凈寬14 m，為最優方案，配筋量也較少。

表3 方案1～4 有限元應力計算結果表（最大拉應力）

表4 方案1～4 閘壩配筋統計表

表5 方案1～4 閘墩變形統計表

3 結 論

通過三維有限元分析，對某閘壩進行了閘墩和閘孔寬度比選分析計算，通過應力圖形法對結構進行配筋計算，得到結論如下：

1）在相同閘墩厚度情況下，閘孔越寬，堰體底板、胸墻、閘墩和牛腿最大拉應力和變形越大；

2）在相同閘孔凈寬情況下，閘墩厚度越大，堰體底板、胸墻、閘墩和牛腿最大拉應力和變形越小；

3）對于閘墩分縫情況，閘墩的水平變形不能超過10 mm，不宜選取過大的閘孔寬度。