高效防洪閘施工技術與結構優化研究

張 侃

(北京金河水務建設集團有限公司,北京 102299)

0 引 言

在水電工程施工中,往往受環境等因素的制約,加之施工條件不完備,施工技術多樣,如果忽視安全管理,容易造成施工過程出現安全隱患。水工建筑物中,閘門負責關閉和調節孔口,是一種可活動式結構。新閘防洪控制工程是水利工程中的基礎性工程,其建設周期長,投資大,建設難度大,因此必須依靠科學、合理的施工手段[1]。防洪工程中,防洪閘門是一種常見的基礎設施,其主要功能是控水、防洪。防洪閘是一種可開可關的大型水閘,一般設于江河、水庫、河道等水域的出水口。水位上漲時,控制門被關閉,防止洪水流向下游;水位降低時,開啟洪水閘門,使水順利流向下游[2]。防洪閘門的基本原理就是通過對水位高低進行控制,以實現對洪水的有效控制[3]。地震時,可能造成水閘的損壞,導致其無法正常運行,甚至產生結構性破壞,進而引發次生水災等連鎖反應[4]。

因此,本文采用有限元技術,通過模擬結構的動態響應,有效評估和優化加固設計。研究旨在提供詳盡的結構分析,為改善抗震性能提供準確的工程解決方案,為防洪閘的安全提供更全面、更準確的保障措施。

1 高效防洪閘施工技術與結構優化設計

1.1 工程概況

面對不斷變化的氣候和地球環境,研究和發展高效防洪閘成為防洪工程領域的關鍵任務之一。本次研究選擇北京市順義區潮白河右堤與北減河相交處的某工程開敞式防洪閘為研究對象,防洪閘的主要作用是控制水位、防止洪水并調節水流,在上游河段發生20年一遇以上洪水時,會降下閘門,以避免河道內的水倒流至城北。為了確保城市的防洪安全,在河道水位低于20年一遇洪水位的情況下,必須打開防洪閘。以上布置不僅可以阻止河水倒流,還能保證城市的洪水不受阻礙地排放。

該開敞式防洪閘共有6個開孔,每個開孔寬6m,相鄰兩個閘墩之間設置伸縮縫,因此兩個孔為一組,共3組。圖1為開敞式防洪閘布置圖。

圖1 開敞式防洪閘布置圖

圖1中,閘室底板和門頂標高分別為27.00、32.00m。從底板最低處至啟閉室的最高點為17.5m,上下游的墻頂均為33.30 m。上游平面與一條河流相連,在下游進行深1m的落水口后,與下游一條26.00m的河段相連接,該工程總長度108.5m。順河方向的閘門底板寬12m,底板1.5m。該閘門為平板型,高5m,厚0.8m,閘室結構材質為C25。新閘緊靠開敞攔洪閘門南面,毗鄰側孔閘室,并聯設置,滿足上下游水面連通的要求,新閘單寬6m,采用平底板結構,上游最高水位29.5m,下游最高水位29.2m,通航最低水位28.65m,下游為28.2m,上下游水位相差0.3～1.3m。

通過區域地質數據分析,該地區下第三系紅黏土和紅綠泥相間的砂礫層,第四系松散堆積體主要為砂卵石、粉土和黏質土。場區10口井所揭露的地層都是近代沖積物,又有第四紀沖積物,主要分布在河道及洪泛區。經地質調查,該工程環境類型分為兩類,當抗震設防烈度為VII度時,存在基礎液化問題。為了應對該情況,工程采用換填砂礫料的地基處理方法。

1.2 基于靜力有限元計算的閘室結構分析方法

閘室結構的靜力有限元計算方法,用于分析和評估閘室在靜態條件下的結構行為5-6]。研究根據防洪閘的結構特征,采用ADINA有限元技術,構建閘室結構三維水動力計算模型,并對其進行數值模擬。地基高度為閘室總高2倍,上下游延伸寬度為閘室寬度1倍,兩邊間距為閘室寬度1.5倍,有限元模型包含120 492個節點和94 310個六面體單元。考慮開閉機房等細節,對閘室的各部位進行劃分。圖2為閘室結構各混凝土構件。

圖2 閘室整體結構有限元模型

開放式防洪閘門的主要作用是防止河道內的河水倒流和滯蓄,因此研究將數值模擬計算劃分為4種工況。工況1為正常蓄水位時,閘前與閘后水深分別為29.50、29.20m;工況2為設計水位,閘前與閘后水深分別為29.602、29.40m;工況3為校核水位,閘前與閘后水深分別為31.106、30.90m;工況4為反向擋水位,閘前與閘后水深分別為29.50、31.784m。在進行有限元數值模擬時,對混凝土采用線彈性本構模型[7],同時為了更好地反映鋼筋在混凝土中的功能,提出將等效的彈性模量作為混凝土的彈性模量。在線彈性過程中,鋼筋和混凝土是協調變形的。等效彈性模量原則如下:

式中:Ec為素混凝土彈性模量,GPa;Es為鋼筋彈性模量,GPa;As、A分別為鋼筋和混凝土的橫截面積,m2。

靜水壓力主要作用于閘室結構的前部和后部、底板的頂面、閘墩的側面和鋼閘的前后。閘室內部及閘墩兩側的靜水壓均呈三角形分布,且隨著深度的增加而增大,方向垂向作用面。閘門上壁所受的靜水壓是隨著深度增加而增加的階梯形,且方向垂向作用面。靜水壓的計算公式如下:

q=γwhw

(2)

式中:γw為水的容重,kN/m3;hw為水的深度,m。

在計算中,采用最不利荷載方式,將河道內的泥沙視為渾水,不再單獨計算淤沙壓力。閘基滲流屬于有壓滲流,在研究閘基滲流時一般作為平面問題考慮,使用改進阻力系數法進行計算[8-10]。在水閘設計中,風荷載的確定涉及結構的抗風能力,研究根據相關規定確定[11-12]。在風荷載的計算中,穩定風壓是指建筑物表面上靜態風力作用的壓力分布,研究將該系數的取值定為1.3,基本風壓w0取值0.4kN/m2[13-14]。風載荷的計算如下:

wk=βzμsμzw0

(3)

式中:βz為高度處風荷載引起的振動系數;μz為高度修正系數;μs為結構形狀系數。

1.3 防洪閘的施工及閘室結構優化設計

使用閘室與地基構成的整體三維有限元模型,分析閘室底板的動力響應量。在動力響應研究中,通常會考慮地震加載、結構的固有振動頻率、阻尼特性等幾個方面。研究通過引入無質量基礎,在充分考慮閘門前后水體對閘室結構動力響應的基礎上,利用結構振動特性分析法,分析閘室結構的振動特性。在進行水工建筑物的動力分析時,混凝土材料的彈性模量通常需要根據具體的工程情況來確定。對于混凝土而言,在不同的應力、應變和載荷頻率下,其彈性模量可能會有所變化。由于閘墩為偏心受壓構件,所以從安全性的角度來看,閘墩在最不利狀態下應按純彎構件考慮。圖3為單位長度閘墩截面的配筋簡圖。

圖3 單位長度閘墩截面的配筋簡圖

在圖3中,在正常工作條件下,閘室在啟閉室的排架立柱上出現顯著的壓應力區。其中,最大值出現在啟閉機房至閘墩連接處,達到44.28MPa,遠遠超過設計時所考慮的C25混凝土抗壓強度,因此不能滿足抗震要求,需進行相應抗震加固處理措施。閘室上方啟閉室排架立柱在地震作用下,在各轉角附近產生較大的拉應力與壓應力區,這是由振型分解反應譜方法得到。在地震作用下,這些部位會產生貫穿裂紋,對啟閉室的安全性造成威脅。

因此,研究以這一地區為研究對象,采取相應的加固措施。在不改動既有結構形式的前提下,考慮閘室上部啟閉機房的特性以及為增加其結構整體剛度,研究提出3種抗震加固方案,并以多種方式與消能減震裝置結合,以提高結構的耗能能力,進而提升結構整體的抗震能力。

方案一的具體措施是在防洪閘室上部結構中,特別是在二層排架立柱的跨中點進行加固。方案二包括在防洪閘室上部結構,尤其是在啟閉機房一層排架立柱中的跨中點。方案三計劃加固防洪閘室上部結構,利用有限元分析評估結構強度,增加支撐系統的穩定性,采用抗震設計標準以及采取抗洪材料和防護措施。研究采用時程分析法,比較不同加固方案在純動荷載下閘室結構動力反應。

2 試驗結果分析

在面對Ⅷ級地震時,動力計算方法顯示閘室上方啟閉機排架柱轉角部位承受的應力超出抗震安全要求。為了解決該問題,首先對啟閉機房制定多種不同的抗震加固方案,然后利用時程分析法,評估加固后的閘室結構在地震條件下的抗震性能。本次工程計算所采用的材料參數見表1。

表1 閘室結構混凝土材料參數

為了對方案一防洪閘結構的加固抗震效果進行分析,將未加固方案與方案一特征點A處的位移時程以及特征點B處應力時程進行對比,結果見圖4。

圖4 未加固方案與方案一特征點A處的位移時程以及特征點B處應力時程

由圖4(a)與圖4(b)可知,與未加固方案相比,在特征A處橫河流向最大位移增加12.06%,順河流向位移增加11.19%。這主要是由于在不改變一層結構剛度情況下,增大了啟閉室二層結構剛度,提高了啟閉室的整體動力響應。由圖4(c)與圖4(d)可知,加固后,特征點B的第一主應力增加32.431%,第三主應力增加11.202%。其主要原因是加固引起的“鞭梢效應”,導致整體動態響應增加。可能是由于加固結構剛度增加,在地震時導致局部應力集中。

圖5為未加固方案與方案二特征點A處的位移時程以及特征點B處應力時程的對比結果。

圖5 未加固方案與方案二特征點A處的位移時程以及特征點B處應力時程

由圖5(a)和圖5(b)可知,與未加固方案相比,特征點A的橫向位移最大減少37.33%,順河流方向的最大位移減少38.01%。這主要是由于啟閉機房一層結構剛度得到提高,而啟閉室結構在地震作用下的位移反應明顯減小。由圖5(c)與圖5(d)可知,與未加固方案相比,節點B處第一主應力下降71.63%,第三主應力最大下降66.78%。這是由于啟閉機房一層結構在地震荷載下的受力性能得到明顯改善,從而大大降低啟閉室的受力。

圖6為未加固方案與方案三特征點A處的位移時程以及特征點B處應力時程的對比結果。

圖6 未加固方案與方案三特征點A處的位移時程以及特征點B處應力時程

由圖6(a)與圖6(b)可知,與未加固方案相比,特征點A的橫向位移最大減少49.87%,順河道的最大變形量減少46.12%。與加固方案一相比,方案三在提高啟閉室二層結構質量的同時,也使一、二層結構的剛度得到提高,從而大大降低啟閉室結構在地震荷載下的位移反應。由圖6(c)與圖6(d)可知,與未加固方案相比,特征點B的第一主應力下降70.96%,第三主應力下降71.50%。這是由于啟閉機房一、二層結構剛度得到提高,從而大大降低啟閉室結構在地震作用下的應力反應。

圖7為不同方案的位移與應力結果對比情況。

圖7 不同方案的位移與應力結果對比

由圖7(a)與圖7(b)可知,橫河方向特征點A的最大位移在方案一增加12.06%,方案二減小37.33%,方案三減小49.90%;順河方向特征點A的最大位移在方案一增加11.20%,在方案二和方案三中分別減小38.011%和46.121%。這些變化分析有助于評估抗震加固方案對結構動態響應的影響,為選擇最佳方案提供指導。方案二中,在特征點A的位置,橫、順兩個方向的位移分別減小20.01%和13.07%。以特征點B處第一主應力最大值為例,與未加固方案相比,方案一提高32.43%,而方案二、方案三分別減少71.63%、70.96%。在特征點B的最大主應力下,方案一提高11.20%,方案二、方案三分別減少66.78%和71.50%。與方案二相比,方案三的第一、第三主應力分別下降5.78%和14.16%。

綜上可知,方案一提高了啟閉機房二層結構的剛度和質量,但未調整一層結構剛度,導致地震時整體動力響應增加。相比之下,方案二和方案三通過強化啟閉機室一層結構剛度,顯著減小了整體動力響應,表明結構剛度調整的重要性。但方案三相較于方案二的效果較差,且經濟成本更高。

3 結 論

為了提高某開敞式防洪閘工程的防洪閘抗震加固性能,本文提出了基于ADINA有限元軟件,建立了三維有限元計算模型,同時提出了3種不同的防洪閘結構抗震加固方案,并對其進行了比較。結果表明,與未加固方案相比,方案二的特征點A橫向位移最大減少37.33%,順河流方向的最大位移減少38.01%;方案二的節點B處第一主應力下降71.63%,第三主應力最大下降66.78%。相較于方案一和方案三,方案二能夠明顯減小啟閉機房結構的整體動力響應,并能更好地節省經濟成本,因此將方案二作為本次防洪閘的結構加固方案。