有限元软件计算下的某穿堤涵闸基础变形分析

王福家

(辽宁省北票市水务局，辽宁 朝阳 122100)

作为重要的输水渠道，涵闸常常用来调控水位及调度峰、谷值水位，常用的涵闸不仅在河堤等建筑物中使用，在农田水利中亦会使用。涵闸包括了闸室、涵管及其他挡墙或翼墙，主要为钢筋混凝土浇筑形成各部分结构，因而，涵闸常常被研究其稳定性与混凝土材料配合比[1- 3]。国内外已有较多学者或水利工程师们利用数值模拟、模型试验以及室内试验设计等手段，开展涵闸稳定性研究[4- 5]，较多工程针对于软土地基沉陷、水工建筑物渗流、闸基处理等方面，极大丰富了涵闸科学研究成果[6- 9]。而在目前我国较多地区涵闸穿越河堤工程，这对河堤渗流场以及涵闸稳定性均是一定的考验，基于有限元软件，并结合现场实测数据，分析涵闸稳定性，为此类工程设计处理提供重要的参考价值。

1 工程概况

某泵站为某地区应急排险提供水资源调度，该地区排涝标准设计为10年一遇暴雨，泵站水利建筑物还包括附属的调度厂房、涵闸、消力池、输水渠道。其中泵站所属涵闸设备穿越堤防工程，埋设有涵洞管道，共有3孔，每孔高为2.5m，涵洞底部高程为2.6m，根据功能类型不同，可将该涵闸分为涵洞区、出水区、闸室区、进水区4个部分，如图1所示。穿越堤防工程区段长度为32.8m，设置有4节箱涵，每节箱涵长度为7.5m，并覆盖止水薄膜，进水区底板坡度为0.1%，高程低于闸室底板0.3m。穿堤闸室段采用C30混凝土浇筑形成，闸基配备0.4×0.4m的灌注桩，垫层铺设20cm厚的C20混凝土，桩间距设定为1.8～2.2m，桩长均超过15m，顺水流方向施工布置，保证闸基稳定性。

根据水文地质资料表明，堤坝高程为12.8m，修筑有3～4.5m宽的乡道，坝基位于半风化的花岗岩基上，涵基位于人工填土上，厚度约有2.8m后，下部为淤泥质土，厚度超过15m，土层处于流塑状态，压缩模量经室内试验测定为2.45MPa，再下部还包括有可塑性质的粉质黏土层，厚度约为1.4m，其余松散土层主要为砂砾石，厚度约有4m。由于淤泥质土渗透性较好，对堤身稳定性以及穿堤涵闸的渗透性均是一定的考验。根据工程地质表明，地下水位位于15m，且下卧土层包括有软弱土层，因而闸基竖直方向上沉降量势必需要着重考虑，沉降量过大可能会造成涵闸闸室或涵管结构发生倾覆、滑移。

2 穿堤涵闸稳定性分析

2.1 计算模型及参数

本工程穿堤涵闸数值模拟计算借助MIDAS软件，采用实体单元建模，岩土层选择线性变形单元体，变形模量及力学参数均由室内试验得到，土体在压缩过程中变形模量持续处于动态变化中，因而采用线弹性理论来解释土体变形是可行的[10- 11]。

图1 涵闸几何形态

涵管及涵闸其他部分结构，以梁单元体作为变形基本体，六面体单元设置，模型边界荷载约束以实际荷载输入，共获得单元体个数220622个，41830个节点，闸室垫板及其他混凝土材料制作物均选用梁单元体，涵管表面设置为四个自由度变形。由于闸基为复合地基，因而灌注桩以实际长度倒置的梁单元体为变形量。结合各部分结构体，获得整体模型图，如图2所示。

涵闸各部分物理力学参数为：涵管弹性模量为25000MPa，密度为2.5g/cm3；止水缝弹性模量为10kPa，灌注桩的弹性模量为5000MPa，密度为2.5g/cm3；土体主要包括了人工筑填土、淤泥土、砂土，弹性模量依次为9.5、5.2、25MPa，密度选择1.6～1.8g/cm3；基岩弹性模量为80MPa，密度为2.2g/cm3；所有材料泊松比依次可设定为0.25～0.35。涵管及处理后复合闸基，施加边界载荷参数后的数值模型如图3所示。

图2 数值模型图

图3 施加边界载荷参数后的灌注桩数值模型

2.2 计算结果分析

图4为该穿堤涵闸未进行地基处理前沉降变形云图。从图4中可看出，自流涵闸部位沉降量最大，可达到60cm，集中在自流涵闸顶部区域，各层土体分层沉降，最下层土体沉降量最小，仅有2.7cm；而压力涵闸由于压力流控制作用，在上顶端部土体中形成的沉降量并无自流涵闸显著，最大沉降量为44.2cm，其余各层土体分布与自流涵闸一致。从地基未处理后最终人工回填土土变形云图可看出，土体沉降集中在涵管与涵闸室中间部位，两端回填土体并无显著沉降值，控制稳定。从沉降量云图趋势来看，涵闸中间为最高，尤以涵管基底部位，沉降量相比两侧回填土高了50cm以上，根据规范设计要求，涵闸各部分结构沉降差过大，将导致涵管发生变形弯曲，影响输水效率。

图4 地基未处理前沉降变形云图

为此，有必要对涵闸地基进行人工处理，减弱沉降量对涵闸运营影响。以灌注桩作为重要载体，增强复合地基承载力，提升自流涵闸与压力流涵闸承载力特征值分别达到350.6kPa和421.3kPa，后对复合地基下涵闸沉降量变形结果开展分析。

图5 地基处理后涵闸沉降计算结果云图

图5为地基处理后涵闸沉降计算结果云图。从图5中可看出，地基最终回填土后最大沉降量相比减少了18.3%，达到49.1cm，且最大沉降量并未集中在涵闸底板周围，而是位于涵闸右侧挡墙填土区域，这极大降低了涵管及闸室倾覆破坏性，另外两侧回填土层沉降量亦降低至1.7cm。从自流涵与压力涵两者沉降量来看，压力涵闸最大沉降量为14.6cm，与周边结构部位沉降差最大为7.3cm，自流涵闸最大沉降为19.5cm，最大沉降差达7.6cm，两者最大沉降差较为接近一致，表明两者变形具有一定协同性。笔者划分出压力涵各区段涵管伸缩缝沉降值，其中4#区段沉降值最大，达到13.35cm，1#区段沉降值最小，仅为6.05cm，从沉降值分布来看，中间区段沉降值显著较高，两端沉降量较小，分析此是由于复合地基处理后，承载力得到增强，但由于应力分布较为不均，造成局部涵管区段沉降量较高。根据实测资料表明，位移传感器监测显示最大沉降差为7.9cm，与本文数值模型计算最大沉降差较为接近。

表1为闸室底板水平向位移值。从表中数据可看出，各区段伸缩缝上端最大位移达到8.5mm，处于张开状态，下端最大位移达到8.8mm，亦处于拉伸状态，各区段上端部伸缩缝处于收缩状态仅有3#与4#，平均收缩位移为2.35mm，下端部处于平均收缩位移为2.05mm。由此表明，各区段伸缩缝以张开为主，收缩位移占比区段较少。

表1 闸室底板水平向位移值 单位：mm

图6为压力涵底板高程曲线图。从图中可看出，压力涵闸底板整体高程成“V”字形，在纵向距离为30m处时，底板高程最低，达2.612m。压力涵底板高程曲线与沉降量分布云图曲线有所类似，均是闸室中间段达到最低(沉降量最高)。

图6 压力涵底板高程曲线图

图7为土层沉降分层总和法与有限元法计算结果对比，其中土层分层总和法主要通过压缩模量与割线模量分别来计算。从图中曲线趋势可看出，不论是分层总和法亦或是有限元法，沉降曲线趋势基本一致，均呈“V”型。对比压缩模量与割线模量计算结果可发现，采用压缩模量分层总和法计算结果显著比割线模量计算结果要偏大2倍，压力涵区段上压缩模量计算结果最大沉降量为83.64cm，而采用割线模量计算所得到的最大沉降为41.8cm。综上分析，割线模量计算结果与有限元结果较为接近，两者之间沉降差值最大不超过1cm，沉降变化规律基本一致，因而割线模量的分层总和法更接近工程实际。

图7 土层沉降分层总和法与有限元法计算结果对比

3 沉降对涵闸结构影响分析

3.1 计算模型及结果

为研究该穿堤涵闸受沉降量影响，以置换土层做为复合地基处理形式，分析涵管各区域内土压力分布，模量取值为250MPa，划分出该穿堤涵闸自流涵管网格图，如图8(a)所示。图8(b)为土压力计算结果。从图8中可看出，平均土压力达到370kPa，其中土压力389.9kPa分布占比最高，超过50%，最大土压力为445.6kPa，集中在顶板两端区域，沉降差平均值为13.5cm。

图8 网格图和土压力计算云图

3.2 沉降对涵闸结构影响

沉降对涵闸结构影响，首当其冲即是涵管，因而本文将涵管顶板进行材料力学基本支座简化，其中两端为铰接，具有2个自由度，上下段为固定端，仅1个自由度，简化后配筋模型如图9所示。

图9 简化后配筋模型图

按照式(1)～(4)计算出自排涵闸在纵向沉降量影响下最大均布荷载，达254kPa，而上部设计荷载值包括土压力与活动载荷，共212.5kPa，故而自排涵闸在结构设计上是满足要求的。另一方面由于土压力系数取值为1.5，此时纵向裂缝宽度为0.552mm，涵管受力为368.5kPa，此时已无法满足设计要求。因而，涵管沉降变形主要是由于闸基沉降作用，而非闸室本身沉降影响，从土压力系数取值1.75时，沉降差超过15cm，纵向裂缝宽度超过0.67mm，表明涵管顶板沉降受复合地基沉降影响较显著。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，α—构件显著系数；η—钢筋变形不均匀系数；σs—屈服荷载；Es—压缩模量；cs—钢筋保护层至底边距离；ρre—配筋率；di—第i根钢筋直径；As、Ap—钢筋截面积；Ate—混凝土截面积；dep—钢筋等效直径；ni—钢筋根数；vi—混凝土与钢筋间连接系数。

4 结语

依据某农田水利灌区工程，引入装配式涵闸，利用有限元计算软件，建立数值模型，分析了涵闸各部分沉降量，获得了以下几点结论与认识：

(1)自排涵闸在纵向沉降量影响下最大均布荷载，达254kPa，满足沉降量影响范围要求；当垂直土压力系数取值超过1.5时，纵向裂缝宽度为0.552mm，涵管受力为368.5kPa，无法满足安全设计要求。

(2)未进行地基处理前自排涵与压力涵最大沉降量分别可达到60cm和44.2cm，沉降差最大可达50cm，无法满足安全设计要求；经地基处理后最终回填土后最大沉降量相比减少了18.3%，达到49.1cm；压力涵中间区段沉降值显著较高，两端沉降量较小，且各区段伸缩缝以张开为主。

(3)土层沉降计算分层总和法与有限元法结果趋势基本一致，均呈“V”型，但采用割线模量计算结果更接近有限元法，两者沉降差值最大不超过1cm。