馬 飛 馬兆會 李永春

（德州市水利勘察設計研究院 山東德州 253014)

1 工程概況

孟家攔河閘位于德州樂陵市孔鎮(zhèn)孟家村東馬頰河干流234+032里程處。該閘為鋼筋混凝土開敞式，共7孔，閘室總長77.8m，基礎為小底板。直升式平板鋼閘門，閘門尺寸為10 m×6m，工程等別為Ⅲ等，建筑物級別為3級。設計防洪流量856m3/s，相應閘上、下游水位分別為12.03、11.86m（黃海，下同)，排澇流量556m3/s，相應閘上、下游水位分別為 10.37、10.26m，設計蓄水量655萬m3，最大蓄水量930萬 m3，相應閘上、游水位分別為 9.56、10.26m，年調節(jié)水量2800萬m3。孟家閘自建成后已運行40余年，擔負著防洪排澇以及沿河農田灌溉的任務，為周邊地區(qū)人們的生、生活提供了安全保障，同時也緩解了水資源緊缺的矛盾，為當?shù)氐霓r業(yè)發(fā)展提供了保證。根據SL214—98《水閘安全鑒定規(guī)定》及相關規(guī)范要求，2000年 8月山東省水利工程質量檢測中心站對該閘進行安全鑒定，評定該閘為三類病險水閘。其中閘室存在的主要問題包括：（1)混凝土碳化嚴重；（2)機架橋主梁豎向裂縫對結構安全極為不利；（3)水閘右岸滲流測試自電曲線相對異常值達 81mv，系嚴重滲流的反映，已產生滲透變形，對閘室及邊坡穩(wěn)定已構成嚴重威脅。

2 計算工況、荷載及其組合

孟家閘順水流方向設置2cm厚的永久縫，計算單元為寬5.3m，長14m的長方形底板。本次分析只考慮非常運用期，即上游最高擋水位10.26m，下游無水的最不利工況。

荷載計算包括完建期的底板自重、閘墩、閘門、交通橋、排架、機架橋、啟閉機，還包括最高擋水位時的水平水壓力、上游水重、揚壓力、浪壓力、風荷載。

3 閘室穩(wěn)定三維有限元分析

3.1 有限元模型的建立

ANSYS有限元分析軟件有著分析功能強大、操作方式簡單、計算結果精確的特點。它可以模擬當前工程中涉及的很多內容。同時，可以從多角度體現(xiàn)模型狀態(tài)的三維可視建模方式能更加直觀的顯示工程情況。本文就是利用ANSYS軟件為計算分析平臺，將這種方法用于對病險水閘閘室穩(wěn)定性進行分析及應用。對于一個復雜的三維立體結構閘室來說，本文采用自底向上的方法創(chuàng)建幾何模型。

通過ANSYS有限元軟件中的“靜力分析”模塊，分析閘室在非常運用期工況下的穩(wěn)定性。將材料按彈性介質進行處理，采用八結點六面體實體solid45、solid65 單元模擬閘室結構。

取閘底板頂點為坐標原點，豎直向上為Y軸的正向，順水流方向為Z軸的正向，垂直水流流向并指向左岸為X的正向。計算時取單孔一聯(lián)閘室結構, 按閘底板分縫建立單孔一聯(lián)有限元模型,即將閘底板、閘墩、交通橋、機架橋、啟閉機房以及地基建成整體三維模型。邊界條件為位移約束條件，約束全部加在土體上。下部邊界固定Y方向位移，順水流向兩側邊界固定X方向位移，垂直河流向兩側邊界固定Z方向位移。

為正確反映出閘室各構件的實際工作狀態(tài)?？紤]各部件的受力特點，將閘門面板選為實體單元solid45，閘墩和閘底板選為實體單元solid65。分析閘室受力后的應力、應變情況，建模時略去次要結構部分，只考慮了閘底板、閘墩、閘門等主要構件。

垂直荷載加載在8個閘墩上，閘門主要受力為迎水面的靜水壓力和閘門自重。水壓力沿水深方向成三角形分布。閘門密度ρ=7850kg/m3，彈性模量取Es=2.06×1011N/m2，泊松比μ=0.3。閘墩、閘底板密度ρ=2400kg/m3，彈性模量取Es= 2.85×1 09N/m2，泊松比μ=0.3，采用混凝土本構模型。劃分網格單元邊長為1，自由劃分。求解時采用靜力求解，大位移開啟，求解步控制最大為 100、最小為 1。建立有限元模型如圖1所示。

圖1 三維有限元模型圖

3.2 閘室穩(wěn)定靜力分析結果

（1)整個閘室結構的最大位移為0.856mm，X方向最大位移為 0.04mm，分布在閘門與閘墩的上部交接處；Y方向最大位移為0.00125mm，分布在整個閘底板上；Z方向最大位移為0.00182mm，分布在閘底板及閘底板與閘墩、閘門三者的交界處。

（2)X方向最大拉應力為 110.6kPa，位于閘門與閘墩的上部交接處，最大壓應力為98.3kPa，位于閘門的中上部；Y方向最大拉應力為 60.4kPa，位于閘墩上部，最大壓應力為194.2kPa，位于閘門及閘墩的下部；Z方向最大拉應力為 69.8kPa，位于閘門中部，最大壓應力為56.2kPa，位于閘墩的底部。

4 結論

通過本文有限元模擬的結果可以得出：有限元分析能夠較好地模擬閘室穩(wěn)定性，較可靠地反映實際工程情況，同時也驗證了有限元模型的準確性，可用來作更深一步的分析。通過以上研究，可以得出以下幾點結論：

（1)基底壓力的最大值與最小值之比不大于規(guī)定的容許值。該閘為3級建筑物，沿閘室底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值特殊組合時為1.10，模擬結果為2.37，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)定的容許值。閘室底板、閘墩等部位結構強度均滿足規(guī)范要求。

（2)從計算結果可以看出，ANSYS有限元分析比傳統(tǒng)的計算方法更加直觀、簡潔地反應工程實際情況。同時，靜力分析能夠較好地反映水閘在最高擋水位工況下的受力、彈性變形等情況。

（3)通過以上計算結果，說明本文采用的簡化模型及邊界條件合理可行，對今后實際工程的進一步優(yōu)化、分析提供了一定的思路和方向。

1 滿廣生.水閘設計及閘室結構的有限元分析[D].合肥∶合肥工業(yè)大學出版社, 2003.

2 劉斌.水閘閘室穩(wěn)定計算分析[J].中國水運,2010,10（8)：179-180.

3 任江龍.泄洪閘抗滑穩(wěn)定三維有限元分析[J].科技創(chuàng)新導報，2008(32)：113-114.