田间装配式涵闸洞首结构强度与稳定性分析

杨明会

(朝阳市喀左县水利局，辽宁 喀左县 122300)

2011年，扬州大学针对我国灌区的实际需求，研究开发了一种新型装配式田间涵闸，这种涵闸具有设计方便、构件定型化以及便于施工等诸多优点。扬州大学的设计专利仅从外观、构件型式、挡土墙与底板承插方式等方面进行设计和规定，并未就涵闸洞首插槽式挡土墙结构强度与稳定性进行研究分析。因此，为了促进该专利迅速转化为生产力，本次研究拟就田间涵闸洞首进行受力特征进行有限元模拟分析，以确定设计本身能否满足使用要求。

1 工程概况

辽宁省喀喇沁左翼蒙古族自治县(以下简称喀左县)隶属于辽宁省朝阳市，位于北纬40°47′12″～41°33′53″，东经119°24′54″～120°23′24″之间，地处辽宁省西部朝阳市南部、大凌河上游的丘陵地区[1]。喀左县位于水资源严重不足的辽西半干旱地区，灌区灌溉管理就显得尤为重要[2]。喀左县境内有大小河流百余条，主干河为大凌河，从建昌县流入，自南向北注入朝阳县，蜿蜒境内78.55km，主要支流有榆河、蒿桑河、渗津河、牤牛河、芍药河[3]。得益于地表水方面得天独厚的条件，建国之初到20世纪末期，喀左县进行了长达数十年的灌区建设，目前，仍在运行的大小灌区有13个，为促进当地的农业发展和农民增收起到了重要作用。

为了进一步提高灌区的农田灌溉技术水平，喀左县自2016年开始，投入专项资金加大灌区技术改造工作。在这一背景下，平房子灌区拟在斗渠建设田间装配式涵闸，结合扬州大学的专利设计和工程实际，设计出如图1所示的涵闸洞首结构。该型涵闸的首孔直径为80cm，设计流量为0.5m3/s。洞首的挡土墙最大高度为1.50m，长度为1.60m，挡土墙的插槽长为0.80m，宽度为0.20m，底板厚度为0.20m，墙后的回填土为无黏性粉质土。挡土墙采用C25号混凝土预制，然后运抵工程现场进行组装，挡土墙插入底板的深度暂定为12cm。涵闸设计时的校核水位为闸前1.00m，闸下0.90m，并将该水位作为结构稳定性分析的设计水位。

图1 田间涵闸洞首结构示意图

2 有限元模型的构建

在本次研究中，根据装配式小型水工建筑物的通用结构特点，以直径80cm田间装配式涵洞的洞首为例，采用三维有限元软件ABAQUS以完工无水和校核水位运行两种不同的工况，对上述涵闸洞首的整体强度进行模拟计算，同时利用该软件对地基的竖向和横向位移进行复核，以判断上述设计是否满足工程要求[4]。

2.1 模型的构建

考虑到涵闸地基尺寸的范围特点，在模型构建中采取全约束[5]。模型的坐标系按下述要求选取：顺水指向下游的方向为x轴正方向；垂直水流指向左方的方向为y轴的正方向；垂直指向上方的方向为z轴的正方向。在模型范围确定之后，按照有限元软件的要求，对洞首结构进行有限元网格剖分，同时在洞口、挡板和底板部位进行适当加密，最终获得6872个计算单元，9813个计算节点，计算模型图如图2所示。

图2 计算模型示意图

2.2 材料的性质和力学参数

本次灌区技术改造中的涵闸建设采用的建筑材料是C25号混凝土，其材料的性质和力学参数的取值见表1。

表1 材料计算参数表

2.3 基本荷载

本次研究分为完工无水期和正常运行期两种基本工况。完工无水期的基本荷载包括固定荷载以及回填土荷载。其中，固定荷载主要是涵闸的结构自重，回填土荷载则依据DL 5077—1997《水工建筑物荷载设计规范》确定，挡土墙和翼墙之后的水平土压力则按照主动压力以及垂直土自重进行计算[6]。

在正常运行工况下的固定荷载主要是结构自重；水平水压力、水重以及扬压力；挡土墙和翼墙之后的水平土压力则按照主动压力以及垂直土自重进行计算。

3 计算结果分析

按照上述构建的基于ABAQUS三维有限元模型，对涵闸洞首在完工无水和正常运行两种不同工况下进行有限元计算分析，计算结构在各荷载综合作用下的位移和应力，并据此判断洞首的稳定和强度安全性进行评价分析。

3.1 位移分析

对模型各节点的水平和竖向位移进行计算，得到如图3—6所示的整体结构位移云图。对两种不同工况下的洞首竖向和水平位移最大值进行统计，结果见表2—3。

图3 完工无水工况下水平位移云图

图4 正常运行工况下水平位移云图

图5 完工无水工况下竖向位移云图

图6 正常运行工况下竖向位移云图

表3 洞首水平位移计算结果 单位：mm

由位移云图和表中的数据可知，在完工无水工况下，竖向位移的最大值出现在底板的上游部位，并且整个洞首结构都发生竖向位移，也就是下沉，最大沉降量为2.65mm，最小沉降量则出现在底板的下游端，最小沉降量为1.63mm，沉降差为1.02mm。在正常使用工况下，竖向位移的最大值出现在底板的上游部位，并且整个洞首结构都发生竖向位移，也就是下沉，最大沉降量为2.81mm，最小沉降量则出现在底板的下游端，最小沉降量为1.72mm，沉降差为1.09mm。根据SL 265—2001《水闸设计规范》的相关要求，水闸地基的沉降量不宜超过150mm，最大沉降差不宜超过50mm[7]。由此可见，地基沉降满足设计要求。

在完工无水工况下，涵闸洞首结构的水平位移量较小，最大值为0.82mm，并且位移方向均为上游向下游位移；在正常运行工况下，涵闸洞首结构的水平位移量较小，最大值为0.57mm，并且位移方向均为上游向下游位移。由此可见，涵闸洞首的结构水平位移较小，满足设计要求。

3.2 应力计算结果分析

利用构建的模型，对涵闸洞首整体结构在完工无水和正常运行两种不同工况下的最大主拉应力和最大主压应力值进行计算，得到如图7—10所示的应力云图，两种不同工况下，底板、挡土墙和翼墙等不同部位的结构应力计算成果见表4。

图7 完工无水工况下最大主拉应力云图

图8 完工无水工况下最大主压应力云图

表4不同部位的结构应力计算成果单位：MPa

图9 正常使用工况下最大主拉应力云图

图10 正常使用工况下最大主压应力云图

结合应力云图和表4中的计算结果可知，在完工无水工况下，涵闸洞首底板的最大主拉应力最大值为0.225MPa，主要分布于底板上游段中部的面层；最大主压应力的最大值为0.354MPa，仍主要分布于底板上游段中部的面层。挡土墙的最大主拉应力最大值为0.058MPa，主要分布于挡土墙的底部；最大主压应力的最大值为0.127MPa，仍主要分布于挡土墙的底部。翼墙的最大主拉应力和最大主压应力值分别是0.417MPa和0.511MPa，均主要分布于翼墙和底板的连接处。

在完工无水工况下，涵闸洞首底板的最大主拉应力最大值为0.228MPa，主要分布于底板上游段中部的面层；最大主压应力的最大值为0.357MPa，仍主要分布于底板上游段中部的面层。挡土墙的最大主拉应力最大值为0.052MPa，主要分布于挡土墙的底部；最大主压应力的最大值为0.109MPa，仍主要分布于挡土墙的底部。翼墙的最大主拉应力和最大主压应力值分别是0.416MPa和0.508MPa，均主要分布于翼墙和底板的连接处。

根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》，C25号混凝土的拉应力容许值为0.57MPa，压应力容许值为8.33MPa[8]。结合上述计算结果，涵闸洞首各个部位的最大主拉应力和最大主压应力值均为超过上述限制，因此，在完工无水和正常运行两种工况下，涵闸洞首的底板、翼墙和挡土墙混凝土承受的抗拉和抗压强度均满足要求。

4 结语

本次研究以辽宁省喀左县平房子灌区田间涵闸为例，利用ABAQUS三维有限元模型对田间装配式涵闸洞首结构强度和稳定性展开研究，结论显示，在完工无水和正常运行两种不同工况下，涵闸洞首结构的竖向位移和水平位移量较小，涵闸洞首的底板、翼墙和挡土墙混凝土承受的抗拉和抗压强度均满足要求。工程完工后一年的运行实践也证明，田间涵闸渠首结构设计合理，完全满足设计要求。