基于Ansys的装配式农田水渠最优尺寸研究

冯佳佳，程 博，曹 洋，刘晓静

(南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210000)

我国水资源分布极不平衡，小型农田水利工程是节约水资源工作的重要组成部分，对社会主义新农村建设具有重要的保障作用[1- 4]。洪晓林等[5]研究总结，自1993年国家科技委员会把“农田水利装配式建筑物技术”列为国家级科技成果重点推广计划以来，我国在农田水利装配式建筑物技术的研究和推广上做了大量工作，已经取得丰硕成绩。标准化构件和高度工厂化生产是装配式结构的重要特点之一[6- 9]，装配化的设计可提高渠道的生产和施工质量，在多地已有应用[10- 18]。但目前各地所采用的装配式农田水渠形状、尺寸各不相同，而且对于小型田间建筑物的研究不多，导致农田水利工程整体装配化率不高，因此完善装配式农田水利建筑物研究、尤其是小型田间建筑物更有利于发挥装配式技术的优势。

鉴于以上状况，本文以南京市浦口区2014年农田水利重点片区三合圩装配化示范区工程为背景，提出两种小型农田水渠的结构形式，在初选多种渠道厚度方案的基础上，使用有限元分析软件Ansys划分线弹性体六面等参单元，以渠道及地基部分为对象建立模型，基于模型模拟分析计算渠道位移与变形以及各部分应力，最终选出最优渠道厚度设计方案。

1 技术参数与工程实测资料

本研究区中(南京市三合圩装配化示范区)，各灌溉站设计流量均为0.22m3/s；根据示范区田间工程布局与田块划分，确定支渠设计流量为0.22m3/s；斗渠分两种，斗渠1的设计流量为0.055m3/s，斗渠2的设计流量为0.11m3/s。装配式渠道采用轻骨料、细石混凝土等混凝土材料，所采用的混凝土材料中基料为C25细石混凝土，抗渗等级为W4。计算中按C25混凝土取值，弹性模量E为2.8×104N/mm2，泊松比v为0.17，密度为2.5×10-9t/mm3。场区为粉质粘土，泊松比为v=0.25～0.35，弹性模量E为8～10N/mm2。计算中取为中间值，即E=9.0N/mm2，v=0.3，土的天然容重γ取18.5×10-6N/mm3。渠道安装前，地基均已完成沉降，因而在计算中不考虑地基的密度。

2 初拟结构形式与尺寸

斗渠采用U型截面，如图1所示。斗渠分节长度为500mm，分节间留10mm伸缩缝并采取防漏措施，渠身高400mm或500mm，结构总宽为708mm或880mm，总高为460mm或560mm。渠身为工厂整体预制，运输至现场后进行施工。

图1 U型斗渠结构示意图

支渠采用矩形截面，由底板、侧墙及横撑组成，底板与侧墙装配形成渠身，侧墙顶部由横撑约束侧向变形，如图2所示。支渠底板与侧板均为分节长度为1000mm，分节间留10mm伸缩缝并采取防漏措施，侧墙与底板错开安装。侧板高800mm，下部以榫头形式插入底板。各部件在工厂内分别预制，运输至现场装配后再进行施工。渠道型号与厚度尺寸见表1。

图2 矩形支渠渠结构示意图

渠道方案名称型号侧板厚/mm底板厚/mm底板宽/mm460mm高U型斗渠560mm高U型斗渠矩形支渠方案一U460×505060300方案二U460×404050290方案三U460×303040280方案四U560×606060300方案五U560×505050290方案六U560×404040280方案一R800×8080100850方案二R800×707090840方案三R800×606080830

3 荷载与工况分析

未通水时渠身受到自重作用以及两侧的土压力作用，通水时渠身还受到渠内水体的作用力，因此应针对是否通水分别进行荷载分析。此外，U型渠侧板顶部还受到压顶的自重作用，经过计算，压顶自重引起的内力与土压力引起的内力相互抵消，因此分析U型渠未通水工况时不考虑顶部压重，即按土方回填已完成，但尚未安装时的状态进行分析。按照运行期有水和完建期无水情况分类，对6种尺寸厚度的U型渠共需计算12种工况，对3种尺寸厚度的矩形渠共需计算6种工况，全部共计18种计算工况。

4 有限元计算

4.1 建立模型

对U型渠，取伸缩缝间490mm长的渠身结构与地基建立模型。对矩形支渠，取三段完整底板(顺水方向3000mm)及相应范围内的侧板与地基建立分析模型。两模型以渠道宽度方向为x轴，渠道长度方向为y轴，高度方向为z轴，原点取为渠道端部截面底板底面对称轴位置。地基深度取为渠道结构总高3倍范围，地基宽度取渠道底板宽度5倍范围。模型中，采用线弹性6面体等参单元模拟渠道结构与地基。渠向结构材料的弹性模量取E=2.8×104N/mm2，泊松比取v=0.17，密度ρ取2.5×10-9t/mm3。渠道周围土体按粉质粘土考虑，对侧板的作用力按主动土压力计算，主动土压力系数取k=0.376，土体天然容重取γ取18.5×10-6N/mm3。

4.2 应力分析计算结果

4.2.1 位移与变形

将各工况下两种装配式渠道的沉降位移与变形、结构主应力的有限元计算结果最大值汇总见表2、3。其中，沉降位移即渠道底板底面的竖向位移中负号表示位移方向向下；竖向变形为侧板顶面与底板底面的竖向位移差，正值表示渠身竖向拉长，负值表示渠向竖向压缩；横向变形为侧板顶面的横向位移，正值表示渠道侧板发生向外的弯曲变形，呈“张开”趋势，负值表示渠道侧板发生向内变形，呈“闭合”趋势。

表2 各工况U型斗渠的沉降位移与变形

表3 各计工况矩形支渠的沉降位移与变形

由表2、3中计算结果可见：各工况渠道均发生了方向向下的沉降位移，水体自重较大，运行期工况渠身结构发了较为明显的沉降位移。但完建期渠身结构的沉降位移不明显。由于水压的影响，运行期渠道结构的沉降位移明显大于完建期。

对于U型渠而言，随着侧板与底板厚度的减小，结构自重减小，沉降位移也相应减小。渠道侧板方向倾斜，因而在土压力与水压力作用下不仅发生横向变形，也发生了较明显的竖向变形，其中土压力在侧板上存在竖直向上的荷载分量，导致渠身结构在竖直方向上被拉长。完建期工况仅受土压力作用时，引起的竖向变形可完全抵消自重产生的竖向压缩变形，使得渠身表现出竖向被拉长的变形形态。随着侧板与底板厚度的减小，结构自重引起的竖向压缩变形越小，该效应也越明显。因而当侧板、底板厚度取值过小时，需注意回填土时对渠身造成损坏，甚至渠道被“挤出”。

对于矩形渠而言，随侧板厚度的减小，结构自重也减小，其沉降位移逐渐减小。刚度随侧板厚度的减小而减小，其横向变形逐步增大。在运行期水重的作用下，渠道沉降位移大于完建期的数值。运行期工况，侧板的相对向内变形更大，这是因为水重作用下底板发生了弯曲变形，使得侧板发生了向内的转动。该转动变形抵消了水压引起的侧板的向外的变形。

4.2.2 结构应力

(1)U型渠结构应力

总体来看，随侧板及底板厚度的减小，渠道结构最大拉主应力与最大压主应力均呈增大趋势。由于水压力的影响，运行期渠道结构的主应力明显大于完建期主应力。460mm高斗渠最大拉主应力为0.909N/mm2，最大压主应力为1.172N/mm2，均发生于工况1-6；560mm高斗渠最大拉主应力为1.253N/mm2，最大压主应力为1.309N/mm2，均发生于1-12工况。渠道安全级别为III级，以C25混凝土的抗拉强度设计值1.27N/mm2考虑，结构拉应力应不大于1.10N/mm2。表4计算结果显示，初设方案中所有结构尺寸均安全。因此，460mm高斗渠侧板厚最低可取30mm；560mm高斗渠侧板最低可取50mm。

表4 各工况U型渠最大主拉应力

(2)矩形渠结构应力

U型渠为整体式装配式结构，但矩形渠是有底板、侧墙、横撑以及锁扣等构件组合而成的装配式结构，因此在有限元计算的基础上分别对各部分构件的应力进行归纳总结，将各工况下应力计算值汇总见表5、6。

表5 矩形支渠各部位拉应力最大值单位：N/mm2

表6 矩形支渠各部位压应力最大值单位：N/mm2

可以看出：底板底面受拉，顶面受压，完建期工况底板跨中区域应力大，两端应力小，运行期工况相对比较均匀，随底板厚度的减小，底板内应力越来越大。

侧板大部分区域内应力水平不高，由于有限元模型难以直接考虑螺栓作用，横撑安装处发生了应力集中，侧板应力被高估。导致计算结果侧板内应力水平较高，工况3到6拉主应力部分超出了C25混凝土的强度设计值。完建期工况拉主应力随板厚减小而增大，但运行期工况相反。随板厚的减小，压主应力变大。横撑拉主应力最大值较大，各工况最大拉主应力均超出了C25混凝土的抗拉强度设计值。完建期工况，横撑应力随板厚的减小而增大，运行期工况变化不明显。拉应力主要出现在与侧板连接处的外端，且拉应力水平较高。这是由于有限元计算中忽略了螺栓，简化为横撑与侧板直接连接，造成了应力集中位置的变化。实际结构中，应按螺栓受力重新分析横撑两端的受力状态，并校核承载力是否满足要求。

5 装配式渠道方案优选

5.1 U型装配式渠道分析与优选

完建期侧板呈“闭合”变形趋势，运行期侧板呈“张开”变形趋势。随板厚的减小，侧板横向变形增大。渠道竖向被拉长，板厚较小时更为明显，甚至还会出现被“挤出”的位移趋势。主应力主要分布于侧板中下部，底板内应力也较大。最大应力出现于侧板与底板交界处，以及底板对称轴处顶面与底面。侧板与底板交界处有应力集中现象，但程度不剧烈。

通过Ansys模拟计算的不同工况下各个设计方案的位移、变形和结构应力结果可以看出：仅从强度角度出发，460mm高斗渠侧板厚度最低可优化至30mm，560mm高斗渠侧板厚度最低可优化至50mm。若通过掺入纤维可将混凝土抗拉强度设计值提高至1.45N/mm2以上，560mm高斗渠侧板可优化为40mm。

综合以上对于U型装配式渠道有限元分析，并结合渠道防渗要求，研究区斗渠1和农渠最终选取具有一定安全富余的方案1中的设计尺寸，即：渠道净深400mm(不含压顶)，总深460mm，口宽600mm，渠底弧面半径0.3m，圆弧中心角134°，断面形状为“低脚杯”型。渠道断面侧壁厚50mm，底板厚度60mm，单节长度为0.495m。农渠和斗渠1采用U型断面，输水能力Q为0.059m3/s，大于斗渠1的设计流量0.055m3/s，渠道断面满足灌区需求，此时平均流速为0.40m/s。斗渠2最终选取具有一定安全富余的方案5中的设计尺寸，即：渠道净深500mm(不含压顶)，总深560mm，口宽700mm，渠底弧面半径0.35m，圆弧中心角134°，断面形状为“低脚杯”型。渠道断面侧壁厚50mm，底板厚度50mm，单节长度为0.495m。

5.2 矩形装配式渠道分析与优选

完建期与运行期，矩形支渠均呈“闭合”变形趋势，随板厚的减小，侧板横向变形增大。底板应力较小，不会发生强度破坏，其厚度可减至80mm，但应满足其他构造要求。侧板大部分区域应力水平较低，但锁扣端“榫头”根部的拉应力较大，将导致强度破坏。可以在锁扣部分通过添加纤维或该部分采用高强度的混凝土等措施将混凝土强度设计值提高，80mm厚侧板可不发生破坏。若侧板两端均以横撑代替锁扣，应可避免侧板强度破坏，按现有计算结果推算侧板厚可减至60mm。侧板变形与锁扣间发生挤压，导致锁扣发生明显应力集中，会导致锁扣两侧破坏。若必须采用锁扣，建议改变锁扣形式，仅保留其顶部，而去除其两侧部分。横撑应力较小，可满足使用要求，但实际工程中，需要验算是否足够承担人群荷载，或考虑其他使用状态。螺栓受力不大，设计时除考虑螺栓强度外，还应考虑是否会引起周围混凝土材料的破坏。

综合装配式矩形渠的有限元分析，最终研究区内装配式矩形渠选择方案1中的尺寸。即：渠内净尺寸(宽×深)为600mm×800mm，侧板厚度为80mm，底板厚度为100mm，底板宽度为850mm。顺水流方向单节长度为990mm，每两节预制渠道之间要设一道横撑，横撑中间边墙和边墙之间分缝处采用锁扣连接，保证两节渠道边墙的整体性。根据计算：对于支渠，采用矩形断面，宽为0.6m，高为0.8m，则输水能力Q为0.237m3/s，大于设计流量0.22m3/s。渠道断面尺寸满足灌区设计需求，此时的渠道平均流速为0.52m3/s。

6 结论与建议

采用有限元软件对结构进行优化设计时，主要优化对象是结构形式以及结构尺寸厚度。本文对装配式矩形渠和装配式U型渠进行了厚度上的优化设计，装配式渠道尺寸在满足设计规范的前提下，与常规农田水利渠道设计相比，经过有限元结构计算的装配式渠道更加经济、更能够适应预制、运输以及安装的过程，达到一个最优的结构尺寸。

在研究过程中，笔者认为在以下方面还需进一步深入研究和改进：

(1)由于复合材料可以有效降低构件重量、提高防渗性能，而且安装过程不易产生构件破损，所以今后的研究和设计中还可以研发其他多种复合材料，并通过实验确定配比和相关力学参数后应用到渠道设计中来，使渠道满足强度和防渗要求的同时减小厚度取值。

(2)由于装配化率的提高有助于进一步发挥装配化的优势，所以应对于农田水利工程中其他具备装配化和序列化的渠系建筑物亟待进行装配化设计，克服小型田间建筑物面广量大给施工带来的不便。