水闸安全评价中闸室的三维有限元复核分析

郭树华，王江

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200050）

1 引言

水闸安全评价是对水闸结构安全检查并进行安全类别评价，是水闸工程进行维修、改建的决策依据[1]。相对于新建水闸的工程设计，水闸安全评价工作针对性更强、目的更明确、研究深度更深、精度要求更高[2]。同时还是一个系统过程，里面涉及面广，内容比较复杂，包括土建、金结、量测、电气、机械设备等。在安全评价中，复核计算分析是必不可少的步骤，通过复核计算分析可知水闸防洪标准、抗震安全、金属结构安全性，并给出安全复核评价级别[3]。本文采用数值模拟方法对水闸闸室结构应力进行复核分析，为水闸安全评价复核计算提供新的方法。

2 工程概况及理论分析

2.1 工程概况

川东港闸下移工程于2010年1月开工建设，2010年10月完成水下工程验收，2013年2月完成土建施工及安装工程验收工程。该闸在发挥挡潮、防洪、排涝、蓄淡灌溉等方面发挥了巨大效益，为沿海大开发、服务地方经济发展提供重要保障。

川东闸闸身总净宽100m，每孔净宽10m，共10孔。通航孔单独一联，呈“U”字形结构布置于左岸，泄洪孔每两孔一联，每联呈“山”字形结构，剩余一孔泄洪孔单独一联，布置于右岸，共6联。闸身顺水流向长16.5m，垂直水流向长117.7m，闸底板面高程为-2.5m，底板厚1.5m。

2.2 理论分析

为了对川东港闸整体结构的受力状态进行全面了解，应采用三维有限元软件ABAQUS对其整体强度和稳定性进行研究分析。

根据川东港闸工程的结构特征和受力特点，将地基、闸室、闸墩等一起建模，考虑它们之间的相互作用。各种结构离散成四面体单元等参单元，单元之间通过有限个结点连接起来。所考虑的荷载按有关规范进行处理。

3 数值模拟计算

3.1 闸室复核分析计算模型

川东港闸基础顺水流方向长49.5m，垂向为353.1m，深度为高程-20.1m。为提高计算精度，对模型进行了相应的简化处理。根据地基模型的尺寸因素，对地基采用全约束。川东港闸三维有限元模型单元总数为57 051个，结点总数为102 535个。

3.2 材料性质和力学参数

川东港闸结构采用线弹性材料模拟，土体为弹性材料，由于土体自重产生的变形已基本完成，故计算中不计入土体自重引起的应变。本次复核计算的材料强度值应选取原设计强度等级与检测结果中的较小值。结构材料强度等级取C30，弹性模量3.0×104MPa，泊松比0.167，重度25.0kN/m3。地基土为重粉质砂壤土，压缩模量6.94MPa，泊松比0.3。

3.3 基本荷载和计算工况

基本荷载和计算工况如下：（1）固定荷载：闸室结构自重。（2）回填土荷载：根据SL 744—2016《水工建筑物荷载设计规范》，墙后水平土压力按主动土压力和垂直土重进行计算，其余按边荷载考虑。（3）水荷载：水荷载的加载工况如表1所示。

表1复核计算水位组合表

4 复核计算结果分析

按照上述计算模型和参数，分别对川东港闸闸室结构的各种工况进行了空间有限元计算，求出各种工况下站身结构在荷载作用下的各结点应力。

4.1 应力分析

根据计算结果分析，各工况下泄洪孔单联闸室底板的最大主拉应力主要分布在上、下游面层，最大值为2.43MPa，泄洪孔单联闸室底板的最大主压应力主要分布在上、下游底层，最大值为2.81MPa；泄洪孔双联闸室底板的最大主拉应力主要分布在上、下游面层，最大值为1.54MPa，泄洪孔双联闸室底板的最大主压应力主要分布在上、下游底层，最大值为2.06MPa；通航孔闸室底板的最大主拉应力主要分布在上、下游面层，最大值为2.14MPa，通航孔闸室底板的最大主压应力主要分布在上、下游底层，最大值为3.04MPa；边墩最大主拉应力为0.87MPa，最大主压应力为3.49MPa；中墩最大主拉应力为1.09MPa，最大主压应力为3.22MPa；缝墩最大主拉应力为1.15MPa，最大主压应力为3.53MPa。

根据规范要求，混凝土强度等级C30容许拉应力0.572MPa、容许压应力9.295MPa。

闸室底板底层、面层、闸墩的最大主拉应力均超过了混凝土的允许拉应力，故底板底层、面层、闸墩混凝土的抗拉强度均不满足要求，最大主压应力未超过混凝土的允许压应力，故混凝土的抗压强度满足要求。

4.2 闸室结构承载能力复核

闸室结构承载能力复核计算应考虑混凝土强度检测值，若该部位混凝土强度等级大于设计强度等级时，混凝土强度等级应用设计强度等级；若该部位混凝土强度等级小于设计强度等级时，混凝土强度等级应用检测的混凝土强度等级。计算时考虑碳化的影响，混凝土保护层厚度应用实测保护层厚度进行计算。闸室结构承载能力计算成果如表2～表3所示。

经过配筋后泄洪孔单联、泄洪孔双联以及通航孔闸室底板、闸墩、交通桥等结构承载能力均满足要求。

表2泄洪孔单联闸室结构承载力计算成果表

表3通航孔闸室结构承载力计算成果表

5 结语

本文通过三维有限元软件对川东闸复核分析计算，得出了以下结论：底板底层、面层、闸墩混凝土的抗拉强度均不满足要求，混凝土的抗压强度满足要求；泄洪孔单联、泄洪孔双联以及通航孔闸室底板、闸墩等结构承载能力均满足要求。

通过三维有限元软件进行复核分析计算，高精度，高效率，可应用于各种复杂的水闸结构型式，为以后的类似工程提供有益参考。