农田水利中某种装配式涵闸设计应用试验研究

王福家

(辽宁省北票市水务局，辽宁 朝阳 122100)

随着装配式建筑的应用发展，农业水利工程也逐渐开展相关应用，作为提升农业生产效率的重要载体，装配式涵闸广泛应用在水渠灌溉中，极大提升了我国农田水利建设的工程标准[1- 3]。国内外已有较多学者通过模型试验、工程设计介绍、数值分析等手段研究了装配式涵闸在水利工程中的应用[4- 6]。装配式涵闸由混凝土材料制作而成，研究针对装配式涵闸的混凝土最佳配合比显得尤为重要，因而基于实际工程案例分析，采用不同配合比，探讨装配式涵闸最佳混凝土配合比，对提升装配式涵闸应用研究具有重要作用。

1 装配式涵闸简介及工程概况

农田水利工程中，涵闸常常作为灌区调控水位的重要水利设施，借助涵闸在洞口水位上的挡土作用，传输水资源。当前，为了解决灌区水资源分布不均的影响，很多农业水利工程中逐步采用装配式涵闸，方便调控其中某条干渠的输送效率，常见的装配式涵闸如图1所示。

图1 常见的装配式涵闸

本文为分析装配式涵闸的设计使用，依据某农田水利的灌区改造为研究对象，该灌区主要分布在丘陵地带，东西方向总长70km，农田灌溉面积超过1000km2，平均海拔为400m，水文观测资料表明水力坡降维持在0.2%。年平均气温为18.5℃，水资源供给来自距离灌区12km的柳河，年径流量超过5000万m3。依据水文地质勘察，灌区内一级阶地以砂土、黏土为主，分布面积占比为42%，含水层厚度达16m；二级阶地以细砂土为主，下部含有强度较高的风化砂砾石，地下水位属各阶地中最深，达22m；三级阶地以砂土层为主，厚度最厚达15m，基岩主要为砂砾石，部分区段强风化，地下水位为18～20m。该农田地区承压水水位较深，无法直接作为补充水源，因此利用大气降水循环使用，作为旱季水源补充。

作为当地农业发展不可或缺的产业园，该灌区重新设计水渠，并考虑引进装配式涵闸作为水利调度设施，目前共有4条水渠投入使用，长度为60.5～81.5km，农业部门考虑重新修筑装配式涵闸水渠，提升整个灌区灌溉效率与水资源利用程度。

2 装配式涵闸结构分析

2.1 涵闸结构尺寸设计

为了因地制宜确定最佳结构设计尺寸，需要结合灌区地下水水位等工程参数，获得最优化的尺寸参数。

(1)基本设计参数取值

上下游水位对涵闸结构稳定性具有举足轻重的作用，调控最佳上下游水头差，有助于提升涵闸稳定性，本文根据实际情况，上、下游水深分别为1.20m、0.95m。以水渠底部高程为涵闸底部接触处，在下游设置50cm长的砌墙以降低涵闸冲刷侵蚀作用，延长涵闸使用寿命。

(2)闸基防渗长度

依据设计规范，需对涵闸设置防渗长度，具体长度取值计算如下：

l=η·ΔH

(1)

式中，l—闸基防渗长度；η—径流系数，取6.0；ΔH—上下游水位差。

经计算，装配式涵闸地基防渗长度为6.8m。

(3)结构尺寸

根据每条渠道灌溉农田面积超过500m2，设计水渠允许安全流量为0.35m3/s，涵管选择φ80，结合闸基防渗长度，设计涵管长度为7m，而底板长度设置为2.5m。涵闸挡墙包括了闸门高度与闸门安全允许高度两部门，因而挡墙高度设定为2.5m，且上下游翼墙高度取挡墙高度一半。各部分结构均有高强度混凝土浇筑形成，因而需要设置保护层，厚度取20cm。设计后的装配式涵闸几何形态如图2所示。

图2 设计后的装配式涵闸

2.2 涵闸结构稳定性分析

涵闸结构稳定性分析校核包括两个方面：功能稳定性、结构稳定性。功能稳定性是指装配式涵闸自身安全稳定性，主要验算涵闸的滑移安全系数与悬浮安全系数。

(1)功能稳定性

(2)

式中，Kc—滑移安全系数；f—摩擦系数；∑M—竖向力总和；∑W—水平向力总和；[Kc]—滑移安全系数允许值。

经计算，滑移安全系数为2.4，因而抗滑安全设计满足要求。

(3)

式中，Kv—悬浮安全系数；∑U—闸基压力。

(2)结构稳定性

结构稳定性主要考虑涵闸各部分结构应力变形是否满足设计要求，本文将利用ABAQUS有限元数值软件，通过建立数值模型，分析水渠在正常运营与无水工况下涵闸结构稳定性。

首先，建立涵闸自身的数值模型，并划分网格单元100822个，共有节点数21918个，采用六面体单元组成各个微变形体,如图3所示。水渠在正常运营工况下包括边界荷载有结构自重与回填土荷载，墙后填土压力主要为主动土压力；在无水工况下包括回填土载荷，且载荷为土自重。

图3 数值模型图

图4为两种工况下涵闸位移云图。从图4中可看出，无水工况下最大位移出现在闸室底部垫块区域，最大竖向位移(沉降量)为1.81×10-3m；最小沉降量出现在下游底板区域，为1.38×10-3m，涵闸主体结构区域沉降量均在1.7mm以上，两侧翼墙沉降量较小，分析原因是无水工况下并无水压力影响两侧翼墙挡土压力。在正常运营工况下最大沉降值为3.5×10-4m，最大沉降量集中在挡墙区域；最小沉降量位于下游底板区域，为1.3×10-4m，。对比两种工况下最大、最小沉降量出现区域，不论何种工况，下游底板总是沉降量最小；正常运营工况下最大沉降量仅为无水工况下的19%，且最大沉降结构部位也会有较显著差异。根据设计规范要求，闸基最大沉降量不可超过25mm，由此表明，该装配式涵闸在两种工况下沉降量均满足要求。

从图4的水平向位移云图可看出，两种工况下水平向位移值均较低，最大水平向位移值出现在无水工况下，达0.24mm，正常运营工况下涵闸水平向位移相比减少了1～2个量级，最大位移仅有0.033mm，两种工况下最大水平向位移均出现在迎水侧挡墙顶端，闸室底板或顶板水平向位移较小，涵管水平向位移在两种工况下近乎一致，只是无水工况下受结构自重荷载影响，会有一定的分层水平位移，由此可知涵闸结构稳定性较佳。

图4 涵闸竖向与水平方向位移云图(从左至右依次为竖向、水平向位移)

图5为数值计算得到的装配式涵闸应力分布云图。从图5中可看出，在无水工况下最大拉应力为0.66MPa，出现在涵闸垫块结构区域处，其次上游挡墙拉应力亦较大，约为0.55MPa，类似其他底板、翼墙等区域拉应力值均较小，特别的，涵管最大拉应力为0.16MPa，由于拉应力对工程混凝土稳定性具有较大威胁，根据数值计算可知，在无水工况下各部分结构拉应力值均处于安全允许。正常运营工况下最大拉应力仅为无水工况下的42%，且涵闸各部分结构拉应力值显著降低，以上游挡墙为例，虽然在正常运营工况下，上游挡墙拉应力为各部分结构中最大，但其值仍不到有无水工况下的50%，根据初步选择的C30混凝土拉应力允许值，涵闸在正常运营工况下满足设计要求。

从涵闸各部分结构压应力表现来看，正常运营工况下压应力最大值出现在涵管区域，这主要是由于涵管作为传输水资源的渠道，受上覆填土及水压力影响显著，其最大值达0.49MPa，而其他上、下游挡墙或翼墙的压力值均仅有0.15～0.25MPa。无水工况下最大压应力值相比增长了124%，但量值依然较低，仅有1.1MPa，同样是出现在涵管区域，上下游挡墙、翼墙以及底板垫块等区域压应力均有一定程度增大，幅度均为91%以上。相比混凝土材料压应力允许值，涵闸各部分结构压应力均稳定安全。

图5 涵闸应力分布云图(从左至右依次为拉应力、压应力)

3 装配式涵闸混凝土材料分析

装配式涵闸原材料为混凝土，而设计最佳配合比有助于提升涵闸稳定性与工程使用成本，本文将选择粉煤灰三个不同掺量：10%、14%、18%；硅粉掺量：3%、5%、7%；陶片碎屑：600g、630g、660g。试验材料选择普通砂，且含沙量为35%。根据材料配比，制作成不同对照组混凝土试样，研究养护5d、10d、28d后的抗压强度以及容重值，以此反映最佳混凝土试样配合比。

图6为5d、10d、28d后不同配合比下混凝土试样抗压强度曲线。K值表示三次平行试验试样抗压强度之和。从图6中可看出，硅粉与粉煤灰在掺量分别增长2%与4%情况下，即粉煤灰10%含量与14%含量、硅粉3%含量与5%含量，养护5d后的抗压强度K值一致，直至粉煤灰掺量增长至18%或硅粉含量增长7%，强度发生变化。陶片碎屑含量从600g增长至630g，K值增长了0.1。养护10d后粉煤灰抗压强度K值最大值仍然出现在中间配比14%掺量；而陶片碎屑抗压强度K值随含量增大逐渐降低；硅粉掺量抗压强度K值维持在较高水平，以含量7%为最高。养护28d后，硅粉抗压强度K值最高水平为含量5%；陶片碎屑抗压强度K值仍然是逐渐下降，但下降斜率相比养护10d时的要低；粉煤灰含量同样是呈中间配比值为抗压强度K值最大。

图7(a)为容重K′值变化曲线。从图中可看出，随着陶片碎屑含量增大，容重K′值呈线性增大，容重K′值愈低，更利于装配式涵闸移动改造。硅粉不同含量配合比中，7%掺量时的容重K′值最低；粉煤灰的含量为14%时容重K′值最低。图7(b)为养护28d后各参数的抗压强度与容重极差值曲线，从图中可看出，影响抗压

图6 不同配合比下混凝土试样抗压强度曲线(横坐标1、2、3分别表示三种不同含量配合比)

图7 容重K值与极差值曲线

强度K′值主要为陶片碎屑，粉煤灰为次要因素；影响容重K′值主要为陶片碎屑，硅粉为次要影响因素。结合上述分析，本文最终确定粉煤灰含量14%、硅粉含量7%、陶片碎屑含量600g为最佳配合比。

4 结论

依据某农田水利灌区工程引入装配式涵闸水利设施，分析了装配式涵闸结构稳定性与混凝土材料配合比，主要获得了以下几点认识与结论。

(1)研究了装配式涵闸主要结构尺寸，并校核了涵闸抗滑移安全系数与悬浮安全系数，均表明结构设计符合规范要求。

(2)基于ABAQUS数值软件建立有限元模型，分析了涵闸在两种工况下各部分结构应力与变形，最大沉降量仅为1.81mm，最大水平位移为0.24mm，最大拉应力与最大压应力均满足材料安全允许值要求。

(3)通过研究不同配比的硅粉、粉煤灰、陶片碎屑，获得了涵闸原材料混凝土最佳配合比为粉煤灰含量14%、硅粉含量7%、陶片碎屑含量600g。