連接方式對高聚物防滲墻成槽桿穩定性影響

王穎麗，趙 鵬，潘艷輝，劉 超，王 瑾

（1.華北電力大學北京102206；2.鄭州安源工程技術有限公司，河南 鄭州 450016）

0 引言

高聚物超薄防滲墻技術是近年來發展起來的新型堤壩除險加固技術，具有對堤壩擾動小、施工便捷、經濟環保等特點，其原理為采用靜壓成槽裝備靜壓成槽、套孔搭接、同步提升注漿，形成連續的防滲墻體。目前對高聚物靜壓成槽設備中的成槽桿穩定性研究較少，成槽桿連接處是影響成槽桿穩定性的關鍵環節，若連接方式不當將會出現斷桿或彎桿現象，從而引發成槽垂直度難以保證、防滲墻搭接不嚴和深度受限等問題。

1 評價指標

在仿真分析中采用成槽桿的最大變形量和最大等效應力判斷其安全性，采用成槽桿的臨界壓力判斷其穩定性。

等效應力的計算公式如下：

式中：σ1，σ2，σ3分別指第一、二、三主應力，［σs］為材料需用屈服應力，σs為材料屈服極限，ns為安全系數。

式中：μ為一階模態載荷系數，F為壓力，F0為臨界壓力。

2 成槽桿有限元分析

為了對比插稍型、錐形螺紋和平螺紋三種連接方式對成槽桿力學特性的影響，建立了三種連接方式成槽桿的三維有限元計算模型。計算模型中，成槽桿的總長度均為7.50 m，每節長度為1.50 m，直徑為63.50 mm，材質為空心高強合金鋼。成槽桿的密度為7 850 kg/m3，彈性模量200 GPa，泊松比0.30。有限元模型中設定相同接觸方式、約束條件和荷載條件，單元類型為三維二十結點單元（Solid186）。接觸：摩擦接觸，摩擦系數f=0.20，過盈量設置為0.05 mm；約束條件：對成槽桿下端進行固定約束；載荷條件：成槽桿上端加載豎直方向壓力F=100 kN。

2.1 插稍型成槽桿

插稍型成槽桿的三維幾何模型圖（略），單元個數為12 624，結點個數為63 492。插稍型成槽桿的X、Y、Z三個方向變形云圖和等效應力云圖（略）。分析云圖可見，插稍型成槽桿的X 方向最大變形量為3.77×103mm，Y 方向最大變形量為0.68 mm，Z方向最大變形量為6 350 mm；插稍型成槽桿的最大等效應力為153.13 MPa。

在進行屈曲分析時，臨界壓力只需根據第一階模態的載荷系數值確定。Y方向施加荷載為100 kN，第一階模態的載荷系數值μ為0.67，臨界壓力可由下式計算：F0=μF（3）

因此，插稍型成槽桿的臨界壓力為67.08 kN。

2.2 錐形螺紋型成槽桿

錐形螺紋型成槽桿的三維幾何模型圖（略），單元個數為9 716，結點個數為62 376。錐形螺紋型成槽桿的X、Y、Z 三個不同方向變形云圖和等效應力云圖（略）。分析云圖可見，錐形螺紋型成槽桿的X方向最大變形量為4 040 mm，Y方向最大變形量為0.95 mm，Z方向最大變形量為2 310 mm；錐形螺紋型成槽桿的最大等效應力為52.13 MPa。

在進行屈曲分析時，臨界壓力只需根據第一階模態的載荷系數值確定。Y方向施加荷載為100 kN，第一階模態的載荷系數值μ為0.78，臨界壓力可由下式計算：F0=μF（4）

因此，插稍型成槽桿的臨界壓力為77.51 kN。

2.3 平螺紋型成槽桿有限元析

平螺紋型成槽桿的三維幾何模型如圖1所示，單元個數為9 716，結點個數為62 376。平螺紋型成槽桿的X、Y、Z三個不同方向變形云圖和等效應力云見圖2。由圖2（a）-（c）可見，平螺紋型成槽桿的X方向最大變形量為4 410 mm，Y方向最大變形量為0.95 mm，Z方向最大變形量為2 310 mm；圖2（d）等效應力云圖顯示，平螺紋型成槽桿成槽桿的最大應力為52.04 MPa。

圖1 平螺紋型成槽桿三維模型圖

圖2 平螺紋型成槽桿變形云圖和等效應力云圖

在進行屈曲分析時，臨界壓力只需根據第一階模態的載荷系數值確定。Y方向施加荷載為100 kN，第一階模態的載荷系數值μ為0.78，臨界壓力可由下式計算：F0=μF（5）

因此，插稍型成槽桿的臨界壓力為77.51 kN。

3 不同連接方式對比分析

不同連接方式成槽桿的最大變形、最大等效應力、臨界荷載計算結果見表1。

表1 變形、等效應力、臨界荷載對比表

由X 方向最大變形值可見，插稍型成槽桿最大變形量最小，錐形螺紋成槽桿和平螺紋成槽桿最大變形量接近；由Y 方向最大變形值可見，插稍型最大變形量最小，錐形螺紋和平螺紋最大變形量較接近。由Z方向最大變形值可見，插稍型變形量最大，錐形螺紋和平螺紋最大變形量較接近。三種連接方式的成槽桿的最大變形值均為超過1 mm，變形量較小。

等效應力結果顯示，插稍型成槽桿的最大等效應力大于錐形螺紋和平螺紋成槽桿的最大等效應力，平螺紋型成槽桿的最大等效應力最小。因此，在同等情況下平螺紋型成槽桿安全性高于錐形螺紋和插稍型成槽桿，不易發生斷桿。

屈曲分析得出，在同等情況下插稍型成槽桿的臨界荷載最小，錐形螺紋和平螺紋型成槽桿的臨界荷載均高于插稍型，平螺紋型成槽桿的臨界平螺紋型成槽桿最大。因此，平螺紋型成槽桿穩定性強，不易發生失穩。從變形、等效應力及臨界荷載等因素分析，平螺紋型成槽桿安全及穩定性均優于插稍型成槽桿和錐形螺紋成槽桿，因此成槽桿應采用平螺紋方式連接。

4 工程應用

根據上節分析結果，試制了平螺紋型成槽桿，在黃河中下游段趙口閘堤防開展了高聚物柔性防滲墻修復加固技術的示范應用，以驗證成槽桿連接方式選取的正確性。

經示范工程驗證，空心設計63.50 mm 合金高強鋼材質的平螺紋型成槽桿具有穩定性好、可操作性強、受力好等優點。平螺紋型成槽桿連接緊密，成槽過程中未出現斷桿、彎桿、槽桿脫落等情況，保證了垂直成孔，防滲墻體連續性強。

5 結論

針對柔性高聚防滲墻裝備成槽桿的連接方式開展了數值模擬，建立了插稍型、錐形螺紋和平螺紋連接方式的成槽桿有限元計算模型，進行了不同連接方式成槽桿的靜力學及屈曲分析，采用最大等效應力、變形量和臨界壓力等因素判斷成槽桿的安全及穩定性。三種連接方式的成槽桿的最大變形值均未超過1 mm，變形量較??；插稍型成槽桿的最大等效應力大于錐形螺紋和平螺紋成槽桿的最大等效應力，平螺紋型成槽桿的最大等效應力最??；插稍型成槽桿的臨界荷載最小，平螺紋型成槽桿的臨界荷載最大。平螺紋型成槽桿安全及穩定性均優于插稍型成槽桿和錐形螺紋成槽桿，不易發生斷桿和失穩，成槽桿應采用平螺紋方式連接，該連接方式的成槽桿通過了實際工程的檢驗。研究結果為合理選取成槽桿的連接方式提供了理論基礎，具有一定的推廣應用價值。