文 星

(巴音郭楞蒙古自治州水利水電勘測設(shè)計(jì)院，新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)，直接關(guān)系到糧食安全和社會的穩(wěn)定和諧。隨著我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，農(nóng)田水利工程在在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的作用不斷凸顯出來，因此國家和社會也對農(nóng)田水利工程建設(shè)予以足夠的關(guān)注和支持[1]。在這一背景下，中國的農(nóng)田水利工程建設(shè)迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，并取得了顯著的成績[2]。小型水工建筑物設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化以及施工的裝配化對提高農(nóng)田水利工程的設(shè)計(jì)、施工和質(zhì)量水平具有重要作用和價值[3]。在這一背景下，農(nóng)田水利工程建筑物實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和裝配化施工，對提高農(nóng)田水利建設(shè)的質(zhì)量和水平具有重要意義[4]。灌溉渠道在當(dāng)前的農(nóng)田水利建設(shè)占有相當(dāng)比重且具有重要意義，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮著十分重要的作用。小型農(nóng)田水利渠道中的流量一般較小，常用U型斷面和梯形斷面。基于此，文章利用數(shù)值模擬的方法，對典型U型斷面渡槽進(jìn)行研究，確定最佳斷面形態(tài)。

1 有限元計(jì)算模型

1.1 模型的構(gòu)建

研究中以泡田時間為1d，控制灌溉面積為20.0-33.3hm2的U型渡槽為例典型渡槽，建立有限元模型，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究。其中，渡槽的長度取500cm，寬度為120cm，槽內(nèi)凈深為80cm，比降為1/1000。槽身為C30混凝土澆筑，渡槽殼體的頂部加厚為邊梁，起到加固的作用，渡槽內(nèi)的水體長度和寬度與渡槽規(guī)格一致。

利用大型商業(yè)有限元軟件COMSOLMultiphysics進(jìn)行有限元計(jì)算模型的構(gòu)建和模擬計(jì)算[5]。模型以渡槽中線指向下游的方向?yàn)閄軸正方向，以垂直于X軸指向左側(cè)的方向?yàn)閅軸正方向，以豎直向上的方向?yàn)閆軸的正方向。利用六面體8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分，為了保證模型計(jì)算的精度，沿槽身方向劃分為10層網(wǎng)格，最大單元尺寸在40cm，最小單元尺寸在2cm，整個渡槽結(jié)構(gòu)共劃分為8764個計(jì)算單元，6456個計(jì)算節(jié)點(diǎn)。模型的網(wǎng)格剖分示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

1.2 邊界條件和計(jì)算參數(shù)

將混凝土材料視為均質(zhì)線彈性材料，分別對四處支座設(shè)置全位移約束、YZ方向位移約束、Z向約束以及XZ方向位移約束。鑒于濕度對混凝土物理力學(xué)參數(shù)存在顯著影響，研究中將渡槽混凝土材料的干燥彈性模量設(shè)定為24.2GPa，不同濕度條件下的彈性模量根據(jù)朱俊閣的研究成果以及渡槽用C30混凝土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算[6]，計(jì)算公式為：E=24.20+130W。其中，E為彈性模量，W為混凝土的含水率。在濕度場模型中渡槽混凝土的擴(kuò)散系數(shù)利用混凝土試塊一維吸水試驗(yàn)的數(shù)據(jù)反演獲取[7]。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，混凝土材料的泊松比較少受濕度的影響，因此研究中取定值0.167。

1.3 求解過程

利用有限元軟件中自帶的Comsol Multiphysics 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，利用有限元法進(jìn)行空間域的離散，利用有限差分法進(jìn)行時間域的離散，計(jì)算中的最大步長為0.1d，最小步長為0.01d，總步長設(shè)定為10d[8]。

1.4 計(jì)算方案

參考渡槽設(shè)計(jì)規(guī)范以及相關(guān)研究成果，初步設(shè)計(jì)設(shè)置拉桿和不設(shè)置拉桿兩種槽身斷面。其中，設(shè)置拉桿的渡槽，每隔2.0m設(shè)置一根拉桿，渡槽的側(cè)墻厚度和墻高的比一般為1/12至1/16，如果渡槽不設(shè)拉桿，一般需要適當(dāng)增大側(cè)墻厚度，以提升側(cè)墻的穩(wěn)定性。側(cè)墻厚度設(shè)計(jì)為8cm，拉桿的規(guī)格為25cm×25cm；不設(shè)拉桿的渡槽槽身厚度設(shè)計(jì)為10cm。針對渡槽的使用情況，設(shè)置如下兩種計(jì)算工況：工況1為無水工況，基本荷載主要是渡槽的槽身自重；工況2為滿水工況，基本荷載主要是渡槽的槽身自重和水重。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 位移計(jì)算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，對不同工況，設(shè)計(jì)設(shè)置拉桿和不設(shè)置拉桿兩種槽身斷面條件下的位移進(jìn)行模擬計(jì)算，并從計(jì)算結(jié)果中提取出水平位移和豎向位移的最大值，結(jié)果如表1所示。根據(jù)渡槽設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于單層排架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)沉降量要要求，高壓縮性土情況下不超過200mm，中低壓縮性土條件下不超過120mm。由表中計(jì)算結(jié)果可知，各種斷面結(jié)構(gòu)和各種工況下的渡槽沉降量均<15mm，其中不設(shè)拉桿工況2條件下的沉降量最大為11.13mm。由此可見，各種計(jì)算方案下的渡槽地基沉降滿足要求，并有較大的冗余量。此外，設(shè)置拉桿和不設(shè)拉桿相比，設(shè)置拉桿的渡槽豎向位移量相對較小，對控制渡槽變形更為有利。

從水平位移的計(jì)算結(jié)果來看，各種工況下的位移量比較接近，沒有明顯的變化，但是設(shè)置拉桿和不設(shè)拉桿相比，設(shè)置拉桿的渡槽水平位移量相對較小，對控制渡槽變形更為有利。

表1 渡槽位移最大值計(jì)算成果

2.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，對不同工況，設(shè)計(jì)設(shè)置拉桿和不設(shè)置拉桿兩種槽身斷面條件下的槽身和橫梁的應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，并從計(jì)算結(jié)果中提取出最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力值，結(jié)果如表2所示。由表中的結(jié)果可知，渡槽采用設(shè)置拉桿斷面結(jié)構(gòu)時，槽身在工況1條件下的最大主拉應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力值均相對較大，分別為0.56MPa和0.16MPa；橫梁的受力情況類似，也是工況1條件下的最大主拉應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力值均相對較大，分別為0.44MPa和1.01MPa。對于不設(shè)置拉桿的渡槽結(jié)構(gòu)而言，應(yīng)力變化情況類似，也是槽身在工況1條件下的最大主拉應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力值均相對較大，分別為0.59MPa和0.18MPa；橫梁的的最大主拉應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力值分別為0.46MPa和1.22MPa。同時，上述應(yīng)力值均

表2 槽身和橫梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2.3 經(jīng)濟(jì)性對比

根據(jù)有限元分析結(jié)果，設(shè)置拉桿對控制渡槽的位移和應(yīng)力更為有利。為了進(jìn)一步確定設(shè)計(jì)方案，對設(shè)置和不設(shè)置拉桿兩種方案的造價進(jìn)行比較，以便對兩種不同的方案進(jìn)行綜合評價，以獲取最佳斷面設(shè)計(jì)。對6.0m長的渡槽按照當(dāng)前的市場價格進(jìn)行造價概算。結(jié)果顯示， 帶拉桿渡槽的價格為3587元，不帶拉桿的渡槽單價為3624元。由此可見，在其他條件相同時，帶拉桿渡槽的造價更低，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。綜合有限元計(jì)算結(jié)果和經(jīng)濟(jì)性評價，建議在工程設(shè)計(jì)中采用帶拉桿的渡槽斷面。

3 結(jié) 論

利用數(shù)值模擬計(jì)算的方法，研究了拉桿對U型斷面渡槽位移、應(yīng)力和經(jīng)濟(jì)性的影響，并獲得如下主要結(jié)論：

1)設(shè)置拉桿和不設(shè)拉桿相比，設(shè)置拉桿的渡槽豎向和水平位移量相對較小，對控制渡槽變形更為有利。

2)設(shè)置拉桿和不設(shè)置拉桿相比，在其他條件相同的情況下，設(shè)置拉桿的渡槽應(yīng)力值相對較小。

3)從渡槽的經(jīng)濟(jì)性來看，設(shè)置拉桿的渡槽造價更低。

4)綜合研究成果，建議在農(nóng)田水利工程渡槽設(shè)計(jì)中采用設(shè)置拉桿的渡槽斷面。