基于ANSYS的某水闸除险加固稳定性分析研究

葛万明，蒋晓君，尤维锋

（1.无锡市水利设计研究院有限公司，江苏 无锡 214023；2.无锡市太湖闸站工程管理处，江苏 无锡 214023；3.洛社镇水利农机服务站，江苏 无锡 214023）

1 引言

当前我国部分地区经济发展日益繁荣，水资源需求旺盛，造成部分运营周期较长、设计时间较久远的水利枢纽工程出现运营瘫痪，各种病险现象出现，极大影响了水资源调度[1,2]。针对病险水闸开展除险加固，提升水利枢纽工程运营效率，摆在许多水利工程师面前，已有较多相关学者或工程师已开展过病险水闸等水利工程的除险加固设计、危害排查、安全评价等内容[3-6]。利用数值计算手段，评估水闸除险加固设计安全稳定性，相比是较为关键的研究课题，本文将根据某病险水闸的除险加固设计，依据数值建模计算分析手段，分析评价除险加固设计方案在病险水闸中的适用性与科学性，提升我国对病险水闸的除险加固设计水平。

2 工程概况

某市A水闸枢纽工程为集农田灌溉、城市供民业用水、防洪等多种作用，调控城市内水位，保证河道水位处于安全警戒状态内，选址位于牙河与虎河汇流处下游12 km，在闸室上、下游分别建有机架桥与公路桥，满足通航与汽车行驶要求。根据原设计方案，该水闸顺水流方向总长为147.2 m，设计控制流量为1 200 m3/s，采用筏型基础，基础墩厚达0.8 m，共有4孔联排调水，每个孔室宽度为6.4 m，水闸底板采用钢筋混凝土浇筑，平面形态为多拐点折线，每段高程均控制在-3.652 m，每段底板净长为6.2 m。在水闸上游建有4%坡度的护底及7.5 m长的防冲槽，抵抗水流冲刷力，在底板下游建有15 m长消力池，上下游边坡架设4段翼墙，上、下游分别为直立型与圆弧型翼墙。根据地质勘察表明，闸室地基为第四系全新统堆积土层，厚度达21 m，从上至下主要包括淤泥质土层（厚4.2 m）、弱透水性粉质粘土（厚6.2 m）、中密结构粉砂土（厚5.2 m）、黄色黏土（厚2.2 m）、全风化砂土（厚3.1 m）。地下水来源为河流地下水与大气降水，根据水质监测表明地下水质中含有Na、K等碱性元素，对底板混凝土具有一定侵蚀作用。

该水闸枢纽工程由于建设时间比较久远，运营周期较长，已经出现部分闸室坡面混凝土表皮脱落，沉降变形较大，达到1.12 m，已超出安全使用规范内了。闸室顶面公路桥横梁各处均出现一定大小的裂缝，超过35 cm长裂缝有70条，底板部分区域混凝土钢筋出露，受锈蚀较严重，闸室建筑物受损较严重，两侧翼墙同样出现较多空隙，夹杂泥沙层较多，威胁墙体稳定性。以上出现的种种水闸危险信号，均表明对该水利工程进行除险加固很有必要。

3 水闸除险加固方案设计

笔者将简要介绍该病险水闸在闸室底板、翼墙等建筑除险加固研究方案。闸室加固方案采用拆除全部闸墩，保留闸室底板，以原底板地基为建设基础，灌注混凝土砂浆，强化地基承载力，使原闸底板高程达到-3.178 m，重新修筑闸墩，闸墩厚度控制在1.2 m，保证闸室安全稳定性，原底板的存在一方面可以减少混凝土浇筑成本，另一方面在浇筑时起到防护底板突涌作用。

由于不拆除原底板，需要重新修筑底板结构形式，采用1.5孔1联，设计宽度达到16.8 m，配筋量达到成本最优化，沉降变形控制较好，故而底板结构为1.5孔1联。

上游翼墙全部拆除，但保留翼墙混凝土底板，并对翼墙底板地基高压注浆，增强地基承载力，重新设计上游翼墙，翼墙高度设计为8.35 m，材料选用C30混凝土。下游翼墙亦是拆除原砂浆墙体，保留底板，重新修筑翼墙，保证翼墙高程达5.485 m，且各翼墙区段内改为3段，墙顶平台设置砂浆砌石，保证当下游调控水位500 m3/s～1 100 m3/s流量时，下游河道水位不会漫过翼墙顶。上下游翼墙均采用重力式翼墙对称式分布设置，转角均为90°。

4 基于ANSYS下除险加固方案复核分析

为确保该病危水闸除险加固方案科学合理，需对设计方案开展进一步复核分析，依据设计方案，利用ANSYS数值建模计算，研究水闸的渗流、翼墙及闸室应力三个方面稳定性。

4.1 渗流稳定性校核分析

水闸等水利工程渗流稳定性很大程度取决于闸室底板渗透压承受能力，故而笔者以闸室底板原型参数建立数值模型（图1），该模型中包括了下覆基底土层与上覆混凝土结构。

图1 闸室底板数值模型

以底板正、反向挡水两种工况开展分析，当底板正向挡水时，闸室上下游水位分别为3.523 m、0.925 m；当底板反向挡水时，闸室上下游水位分别为-2.476 m、1.525 m。图2为两种工况下底板渗透压力云图。从图2可看出，不论是正向挡水亦或是反向挡水，渗透压力最大值区域总集中在直接接触水流的方向上，另一方面，正向挡水下闸室底板渗透压力最大值为80.6 kPa，反向挡水工况下最大渗透压力仅有前者的75%，且从两个工况下各自的最小渗透压力来看，正向挡水工况下渗透压力整体高于反向挡水。以A～F特征点分别计算渗透坡度，在正向挡水工况下，闸室上游A～B渗透坡度为0.043 3，闸室区段C～D渗透坡度为0.031 5，闸室下游E～F渗透坡度为0.045 7，由此可见，闸室虽承担水位调控，但其渗透坡度低于上下游渗透坡度。相比正向挡水工况下，反向挡水渗透坡度显著增大，A～B、C～D、E～F三个区段内渗透坡度分别为0.067 1、0.046 2、0.066 5。依据文献[7]知，闸室渗透坡降允许值为0.15～0.25，表明两种工况下闸室渗流稳定性均处于安全运营范围。

图2 底板渗透压力云图

4.2 翼墙稳定性校核分析

闸室翼墙包括上、下游翼墙，笔者将以多种荷载工况条件下分别计算上、下游翼墙基底压力，进而评价翼墙除险加固后稳定性。

根据水闸所处地质环境与工程效益，所采用的多种荷载工况如表1所示，根据地基承载力与基底压力计算公式（式1～3），计算出各个工况下底板基底压力Pc及抗滑稳定安全系数Kc（表2）[8]。

表1 多种荷载工况参数表

表2 基底压力Pc抗滑稳定安全系数Kc计算结果表

式中，f、φ0表示摩擦系数，取0.3；ΣH表示闸室底板水平向载荷，kN；C0表示土体粘聚力，kPa。

式中，J表示地基承载力，kPa；[J]表示标准承载力，kPa；mB、mD表示承载力修正系数，m；γs、γP表示土容重，kN/m3；B、D表示基础尺寸，m。

从表2计算结果可知，所有荷载组合工况条件下基底压力与抗滑稳定安全系数均满足设计规范[7]要求；对比不同荷载工况，翼墙前后水位差恒定条件下（ΔH不变），随着前后水位增长，抗滑稳定安全系数亦在增长，基底压力最大值增长，基底压力最小值减小。笔者认为，水闸上游翼墙加固后，在初始状态下内部应力会局部出现应力集中，导致基底压力出现随着水位增长而持续增长现象。耦合地震动因素工况下（荷载组合7与8），相比未考虑地震动荷载组合下，抗滑稳定安全系数均减小了30.4%、17.1%，表明地震荷载会削弱上游翼墙抗滑稳定性。

表3～4为下游翼墙荷载工况组合与计算结果。从计算结果可知，下游翼墙各工况中最大基底压力为255.61 kPa；联系荷载组合与上覆填土可知，随着上覆填土愈厚，抗滑稳定安全系数愈大，基底压力愈小，此意味着上覆填土能加强下游翼墙稳定安全性能；相比上游翼墙，同等荷载工况下，下游翼墙基底压力高43.6%，表明下游翼墙设计时地基灌浆孔设计应更均匀，增强地基承载力。

表3 下游翼墙荷载工况组合

表4 下游翼墙计算结果

4.3 闸室应力分析

闸室稳定性主要考虑闸室结构应力分布，笔者结合数值模拟手段与工程实际参数，计算分析闸室地应力与整体结构应力，评价除险加固方案的合理性。

根据闸室所处工况，以闸室初始应力为0计算，在确保地基地应力处于平衡条件下，即沉降值低于10-5时[9]，所得地应力为计算结果，图3为不同工况下闸室基底地应力数值计算结果。从图中可看出，最大地应力出现在完建工况下，达158.21 kPa，耦合地震工况下，地应力均匀系数增长了17.3 %，但仍低于2，满足设计要求；抗滑稳定安全系数随着闸室上下游水位的降低，但整体水平均超过3。

图3 闸室基底地应力计算结果

根据闸室所处工况，以闸室结构外参数为依托，划分数值模型单元，计算获得闸室结构整体应力分布云图（图4）。闸室整体均处于受压状态，仅在局部排架及底板区域出现拉应力，最大拉应力位于底板边缘，笔者分析闸室底板出现拉应力主要由于在闸墩区域会出现局部应力集中，造成底板变形，出现拉应力，而排架柱作为支撑结构，受到水位调控机器及其他荷载影响，导致排架柱底在局部中心地带出现拉应力分布，但数值较小，最大拉应力仅有2.74 MPa，与排架柱及底板混凝土材质抗拉强度相比，均在允许范围内。

图4 闸室结构应力分布云图

图5 闸墩、排架柱上下游最大压应力曲线

图5为7个闸墩与上、下游排架柱最大压应力变化关系。7个闸墩最大压应力分布较为均匀，最大压应力平均值为7.173 MPa，最大压应力出现在闸墩4，达7.207 MPa；上游排架柱内部压应力显著低于下游，唯排架柱4两者相比接近，笔者分析是由于排架柱4作为中间排架，为并排双架组合形式，截面面积较大，上下游过流断面影响较小，故而两者基底压力接近一致；上、下游7个排架柱平均最大压应力分别为4.293 MPa、5.489 MPa；依据设计选用的混凝土材料抗压强度为11.9 MPa，表明上下游闸墩与排架柱均处于安全状态，闸室处于正常运营。

5 结论

依据某水闸除险加固设计方案，利用ANSYS建模与理论计算模型，开展水闸的渗流、翼墙及闸室应力稳定性分析，获得了以下几点结论与认识：

（1）结合工程实际与经济效益，采用拆除全部闸墩，保留闸室底板；以1.5孔1联重新修筑底板结构；拆除上、下游全部翼墙，以原有底板地基重新设计建设对称分布重力式翼墙。

（2）获得了闸室在正、反向挡水工况下渗透压力最大值区域总集中在挡水方向上，且正向挡水工况下渗透压力整体高于反向挡水，反向挡水工况下最大渗透压力仅有正向挡水的75%；闸室反向挡水渗透坡度高于正向挡水工况，但两个工况下渗透坡降均低于允许值0.15～0.25。

（3）获得了所有荷载组合工况条件下上、下游翼墙基底压力与抗滑稳定安全系数均满足设计规范要求；地震动荷载工况下，翼墙抗滑稳定系数显著降低；同等荷载工况下，下游翼墙基底压力低上游翼墙7 %。

（4）获得了闸室最大地应力为158.21 kPa，地应力均匀系数低于2，抗滑稳定安全系数超过3，均满足水闸设计要求；闸室结构整体处于受压状态，7个闸墩及上、下游排架柱最大压应力分别为7.207 MPa、4.653 MPa、6.869 MPa，仅局部排架及底板区域出现拉应力，最大拉应力仅有2.74 MPa，处于材料抗拉强度允许范围内。