陳立峰，陸繼東，李玥璿

(1.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250100；2.山東省濟(jì)寧市水利事業(yè)發(fā)展中心洙趙新河分中心，山東 濟(jì)寧 272000)

和重力壩穩(wěn)定依靠兩岸拱端穩(wěn)定的機(jī)制不同的是，重力壩所以靠的是自身的穩(wěn)定，所以拱壩對于地址以及地形的相關(guān)條件要求都比較高，也需要更加良好的穩(wěn)定性[1-2]。所引入的分析項(xiàng)目是山東李家岸灌區(qū)，總灌溉面積為0.82×104hm2.近幾年來政府部門連續(xù)改造了該灌區(qū)的水利條件，不管是主要的建筑物還是改造的工程，所確定的級別都為4級。工程改造的段位分水口到干渠-支渠分水閘段。修建的渠系建筑物數(shù)量共計(jì)為10座，其中農(nóng)橋有3座，節(jié)水閥有5座。在灌區(qū)的分水閘長，地基土液化程度較高。存在著比較嚴(yán)重的液化情況，導(dǎo)致工程施工當(dāng)中可能會(huì)出現(xiàn)沉降變形情況。

1 工程基本情況分析

1.1 該工程的分水閘情況

所選擇的工程為山東李家岸灌區(qū)節(jié)制分水閘的分段是K4+200，分水閘設(shè)置在右岸。包含了下游和上游的扭面段以及閘室段。所設(shè)定的分水閘閘底板的高度為90.5 m。確定了具體的引流量為0.7 m3/s。閘室所采用的結(jié)構(gòu)維整體式開敞的鋼筋砼結(jié)構(gòu)。閘室段長和寬度分別為1.8 m與0.8 m。在下游側(cè)設(shè)置不帶胸墻的平面鑄鐵閘門，閘底板包含現(xiàn)澆砼板構(gòu)成，是由C20/F200構(gòu)成，長寬為0.5 m和1.7 m。地板下需要放置厚度為0.7 m的砂礫石作為墊層。閘墩的結(jié)構(gòu)維重力式擋土墻結(jié)構(gòu)，襯砌材料所采用的是C20現(xiàn)澆砼。閘墩頂寬度為0.20 m，底部寬度為0.9 m，墻的高度為2.0 m，閘墩下設(shè)置的厚度為0.7 m砂礫石墊層。

1.2 閘區(qū)內(nèi)部的工程地質(zhì)條件分析

所納入研究范圍的這個(gè)地區(qū)的地層巖土包含了粉土質(zhì)砂、粘土以及粉土等。按照現(xiàn)有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，納入錘擊數(shù)法復(fù)判，在渠系的建筑物地基上，有一些土的液化等級比較高。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，建筑物的基礎(chǔ)工程開展，適合采用消除或者是減弱地基液化的影響。如果采用加密方法消除地震液化影響，應(yīng)當(dāng)確定合適的埋置深入，讓基礎(chǔ)土層的整體性和剛度得到增強(qiáng)，通過改善上部結(jié)構(gòu)剛性與對稱性等措施減少液化涂層帶來的不利影響。

2 建立模型和工況的具體計(jì)算

2.1 構(gòu)建有限元計(jì)算模型

采用有限元計(jì)算模型，需要借助于ANSYS軟件來完成計(jì)算和分析，以評價(jià)閘室地基整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性情況。地基采用彈塑性模型，閘室所采用的為彈性模式。依據(jù)的相關(guān)破壞準(zhǔn)則是D-P準(zhǔn)則，以現(xiàn)有的閘室和地基條件，構(gòu)建起專門的有限元計(jì)算模型。如圖1所示。對離散元網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，得到的數(shù)據(jù)為5 537，有4 081個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。模型實(shí)際構(gòu)件中，可以適當(dāng)簡化處理，就關(guān)鍵部位而言，需要開展網(wǎng)格加密，設(shè)定上游以及下游的水位。地基的邊界確定為周圍的20 m。

圖1 分水閘有限元計(jì)算分析模型

模型構(gòu)建，按照實(shí)際計(jì)算以及擬建設(shè)壩體的具體要求，三維大壩數(shù)值的模擬范圍所選取的是：前直向是從建基向下延伸240 m，從壩頂向上延伸的長度為120 m。順河向從大壩向上游延伸，長度為360 m。按照開挖的具體地質(zhì)情況，構(gòu)建起的三維有限元模型，對影響到穩(wěn)定性的主要地質(zhì)構(gòu)造情況進(jìn)行了模擬。同時(shí)在地質(zhì)構(gòu)造模擬的過程中薄層實(shí)體單元完成繼續(xù)的模擬。

2.2 相關(guān)工況計(jì)算結(jié)果

分水閘穩(wěn)定性的工況分析過程中，能夠分為三種不同的情況，具體為：施工完建設(shè)階段，對載荷內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算，其中包含自重和土壓力；第二種屬于正常蓄水位，從安全視角分析計(jì)算正常蓄水位相關(guān)數(shù)據(jù)，所選擇的為閘前水位，要做到和閘門頂齊平的狀態(tài)。對于荷載內(nèi)容的計(jì)算，為水重+閘門推力+自重+揚(yáng)壓力之和。第三種工況屬于洪水地震工況校核。

3 基于有限元模型的水閘地基整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)

定性分析

3.1 閘室沉降位移穩(wěn)定性分析

實(shí)際計(jì)算當(dāng)中需要應(yīng)用公式計(jì)算流速水頭，采用h表示，計(jì)算公式如下：

(1)

公式當(dāng)中位能水頭用y表示，壓能水頭用pyw表示，水壓強(qiáng)用p表示，yw表示水的容重。土體本體結(jié)構(gòu)關(guān)系使用到的是理想彈性-塑性模型，屈服準(zhǔn)則為Mohr-coulomb準(zhǔn)則和抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則，塑性流動(dòng)使用到的是相關(guān)聯(lián)法則。

(1)對完建期分析。通過計(jì)算有限元模型，得到x、y、z軸的具體數(shù)據(jù)。在完建期，所得到的與閘室結(jié)構(gòu)相關(guān)的沉降位移數(shù)值，最大值為0.87.閘室地基從整體上看，變形的沉降值是處于比較均勻的狀態(tài)。因?yàn)槟軌虻玫絰軸上的相關(guān)數(shù)據(jù)，也能得到閘室結(jié)構(gòu)兩端的位移極值。主要是因?yàn)殚l室的結(jié)構(gòu)，必須要足夠?qū)ΨQ，閘室結(jié)構(gòu)也不會(huì)出現(xiàn)破壞作用。第三種工況所得到的x、y、z周位移量分別為0.02/0.71/0.35，雖然第一種工況的位移比較大，但是還是在允許范圍當(dāng)中的。

(2)運(yùn)行情況要足夠正常。當(dāng)處于鄭航蓄水階段，對閘室的沉降情況進(jìn)行分析?？梢园l(fā)現(xiàn)處于垂直水流上，閘室的結(jié)構(gòu)處于比較均勻的整體沉降狀態(tài)，并未明顯破壞掉閘室的整體結(jié)構(gòu)。但是在水流方向，閘室的整體沉降卻出現(xiàn)了一定的差異。與后段相比，前段的沉降情況更加明顯。Z軸方向上，位移的值應(yīng)當(dāng)在3.0和3.3之間。確保位移的范圍是介于安全范圍當(dāng)中的，水流作用是此種情況出現(xiàn)的主要原因，借助于水流的推動(dòng)，閘室結(jié)構(gòu)會(huì)往z軸出現(xiàn)傾斜。在下游閘墩頂部出現(xiàn)最大位移，上游閘基基地端部出現(xiàn)最小位移。圖2為正常運(yùn)行過程中，閘室沉降的位移情況。

圖2 正常運(yùn)行中閘室沉降位移的變化情況

3.2 閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布結(jié)果分析

按照計(jì)算得到的實(shí)際數(shù)據(jù)，能夠發(fā)現(xiàn)，在不同工況下，閘室的不同方向應(yīng)力機(jī)制也是存在著比較大的差異。根據(jù)表格當(dāng)中的數(shù)據(jù)，我們可以發(fā)現(xiàn)壓應(yīng)力主要分布在y軸和z軸，結(jié)構(gòu)應(yīng)力的具體分布整體均勻程度較好。在正常蓄水情況下，閘室結(jié)構(gòu)由于受到水壓力影響，閘室下游偏向了出現(xiàn)，慢慢增加。導(dǎo)致出現(xiàn)偏心受壓的數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)局部的拉應(yīng)力也會(huì)增加，也可以得到受拉區(qū)的最大拉應(yīng)力，這低于1 MPa的。

結(jié)合工況所存在的具體差異，我們能夠得到最大應(yīng)力值的差別性。結(jié)合數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在第三種工況下，也就是校核洪水和地震的環(huán)境下，所得到的應(yīng)力值是最大的。閘室強(qiáng)度在確定時(shí)就需要按照第三種工況來考慮，確定工況之前還要分布工況3的應(yīng)力分布情況。一般在閘墩以及底板結(jié)合的地方，應(yīng)力集中情況比較明顯。應(yīng)力集中和地基、閘墩的距離間呈現(xiàn)出的反比例關(guān)系。距離越近所得到的ay數(shù)值會(huì)越大。閘室結(jié)構(gòu)受到的整體應(yīng)力，主要還是壓應(yīng)力。在閘室相對較小的區(qū)域當(dāng)中產(chǎn)生，地基基本上都是在受壓區(qū)范圍內(nèi)的。基于安全的視角我們能夠發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，混凝土的閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)著重提升受拉區(qū)混凝土的標(biāo)號，還要重新設(shè)置密度和強(qiáng)度，改善閘室結(jié)構(gòu)受拉區(qū)受力情況[3]。

表1 閘室結(jié)構(gòu)不同方向的應(yīng)力分布情況

3.3 閘機(jī)底板主應(yīng)力分布實(shí)際情況分析

因?yàn)樗绍浲翆邮情l室結(jié)構(gòu)的主要涂層，所以存在著比較大的地震液化可能性。承載力會(huì)對整個(gè)閘室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[4]。順著水流的方向我們可以選擇六個(gè)不同的界面，在三種不同工況下確定底板主應(yīng)力分布情況，還要計(jì)算不同界面的應(yīng)力大小。結(jié)合計(jì)算得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)整體地基應(yīng)力分布相對均勻。按照水流方向主應(yīng)力，可以得到連續(xù)性的發(fā)展。只有在閘墩附近才會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中情況。整體數(shù)值比較小，導(dǎo)致地基穩(wěn)定性受到不良影響。這一結(jié)果在某種程度上也反映出了，需要選擇合適地基處理方案的有效價(jià)值。

就截面z的情況來看，得出的正應(yīng)力數(shù)值。在界面z為10.0時(shí)，最大值為-0.008，最小為-0.321。截面z為17.0時(shí)，得到的最大應(yīng)力值為-0.007，最小的應(yīng)力值為-0.281。

4 結(jié)語

通過研究可以發(fā)現(xiàn)對于松軟地基渠系建筑物的穩(wěn)定性而言，和建筑物地基整體的結(jié)構(gòu)之間存在著密切的相關(guān)性。在工程設(shè)計(jì)當(dāng)中需要結(jié)合實(shí)際情況來確保在沉降變形當(dāng)中各種荷載作用的均勻性。本次研究中就結(jié)合了實(shí)際的例子開展分析，研究發(fā)現(xiàn)只有閘室混凝土結(jié)構(gòu)小范圍會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，需要對整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行判定。