基于ANSYS有限元分析法的松软地基节制分水闸整体结构稳定性分析

陈立峰，陆继东，李玥璿

(1.山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心，山东 济南 250100；2.山东省济宁市水利事业发展中心洙赵新河分中心，山东 济宁 272000)

和重力坝稳定依靠两岸拱端稳定的机制不同的是，重力坝所以靠的是自身的稳定，所以拱坝对于地址以及地形的相关条件要求都比较高，也需要更加良好的稳定性[1-2]。所引入的分析项目是山东李家岸灌区，总灌溉面积为0.82×104hm2.近几年来政府部门连续改造了该灌区的水利条件，不管是主要的建筑物还是改造的工程，所确定的级别都为4级。工程改造的段位分水口到干渠-支渠分水闸段。修建的渠系建筑物数量共计为10座，其中农桥有3座，节水阀有5座。在灌区的分水闸长，地基土液化程度较高。存在着比较严重的液化情况，导致工程施工当中可能会出现沉降变形情况。

1 工程基本情况分析

1.1 该工程的分水闸情况

所选择的工程为山东李家岸灌区节制分水闸的分段是K4+200，分水闸设置在右岸。包含了下游和上游的扭面段以及闸室段。所设定的分水闸闸底板的高度为90.5 m。确定了具体的引流量为0.7 m3/s。闸室所采用的结构维整体式开敞的钢筋砼结构。闸室段长和宽度分别为1.8 m与0.8 m。在下游侧设置不带胸墙的平面铸铁闸门，闸底板包含现浇砼板构成，是由C20/F200构成，长宽为0.5 m和1.7 m。地板下需要放置厚度为0.7 m的砂砾石作为垫层。闸墩的结构维重力式挡土墙结构，衬砌材料所采用的是C20现浇砼。闸墩顶宽度为0.20 m，底部宽度为0.9 m，墙的高度为2.0 m，闸墩下设置的厚度为0.7 m砂砾石垫层。

1.2 闸区内部的工程地质条件分析

所纳入研究范围的这个地区的地层岩土包含了粉土质砂、粘土以及粉土等。按照现有的相关标准，纳入锤击数法复判，在渠系的建筑物地基上，有一些土的液化等级比较高。实际工程设计中，建筑物的基础工程开展，适合采用消除或者是减弱地基液化的影响。如果采用加密方法消除地震液化影响，应当确定合适的埋置深入，让基础土层的整体性和刚度得到增强，通过改善上部结构刚性与对称性等措施减少液化涂层带来的不利影响。

2 建立模型和工况的具体计算

2.1 构建有限元计算模型

采用有限元计算模型，需要借助于ANSYS软件来完成计算和分析，以评价闸室地基整体结构的稳定性情况。地基采用弹塑性模型，闸室所采用的为弹性模式。依据的相关破坏准则是D-P准则，以现有的闸室和地基条件，构建起专门的有限元计算模型。如图1所示。对离散元网格数量进行计算，得到的数据为5 537，有4 081个网格节点。模型实际构件中，可以适当简化处理，就关键部位而言，需要开展网格加密，设定上游以及下游的水位。地基的边界确定为周围的20 m。

图1 分水闸有限元计算分析模型

模型构建，按照实际计算以及拟建设坝体的具体要求，三维大坝数值的模拟范围所选取的是：前直向是从建基向下延伸240 m，从坝顶向上延伸的长度为120 m。顺河向从大坝向上游延伸，长度为360 m。按照开挖的具体地质情况，构建起的三维有限元模型，对影响到稳定性的主要地质构造情况进行了模拟。同时在地质构造模拟的过程中薄层实体单元完成继续的模拟。

2.2 相关工况计算结果

分水闸稳定性的工况分析过程中，能够分为三种不同的情况，具体为：施工完建设阶段，对载荷内容进行计算，其中包含自重和土压力；第二种属于正常蓄水位，从安全视角分析计算正常蓄水位相关数据，所选择的为闸前水位，要做到和闸门顶齐平的状态。对于荷载内容的计算，为水重+闸门推力+自重+扬压力之和。第三种工况属于洪水地震工况校核。

3 基于有限元模型的水闸地基整体结构稳

定性分析

3.1 闸室沉降位移稳定性分析

实际计算当中需要应用公式计算流速水头，采用h表示，计算公式如下：

(1)

公式当中位能水头用y表示，压能水头用pyw表示，水压强用p表示，yw表示水的容重。土体本体结构关系使用到的是理想弹性-塑性模型，屈服准则为Mohr-coulomb准则和抗拉强度准则，塑性流动使用到的是相关联法则。

(1)对完建期分析。通过计算有限元模型，得到x、y、z轴的具体数据。在完建期，所得到的与闸室结构相关的沉降位移数值，最大值为0.87.闸室地基从整体上看，变形的沉降值是处于比较均匀的状态。因为能够得到x轴上的相关数据，也能得到闸室结构两端的位移极值。主要是因为闸室的结构，必须要足够对称，闸室结构也不会出现破坏作用。第三种工况所得到的x、y、z周位移量分别为0.02/0.71/0.35，虽然第一种工况的位移比较大，但是还是在允许范围当中的。

(2)运行情况要足够正常。当处于郑航蓄水阶段，对闸室的沉降情况进行分析。可以发现处于垂直水流上，闸室的结构处于比较均匀的整体沉降状态，并未明显破坏掉闸室的整体结构。但是在水流方向，闸室的整体沉降却出现了一定的差异。与后段相比，前段的沉降情况更加明显。Z轴方向上，位移的值应当在3.0和3.3之间。确保位移的范围是介于安全范围当中的，水流作用是此种情况出现的主要原因，借助于水流的推动，闸室结构会往z轴出现倾斜。在下游闸墩顶部出现最大位移，上游闸基基地端部出现最小位移。图2为正常运行过程中，闸室沉降的位移情况。

图2 正常运行中闸室沉降位移的变化情况

3.2 闸室结构应力分布结果分析

按照计算得到的实际数据，能够发现，在不同工况下，闸室的不同方向应力机制也是存在着比较大的差异。根据表格当中的数据，我们可以发现压应力主要分布在y轴和z轴，结构应力的具体分布整体均匀程度较好。在正常蓄水情况下，闸室结构由于受到水压力影响，闸室下游偏向了出现，慢慢增加。导致出现偏心受压的数据。结构局部的拉应力也会增加，也可以得到受拉区的最大拉应力，这低于1 MPa的。

结合工况所存在的具体差异，我们能够得到最大应力值的差别性。结合数据可以发现，在第三种工况下，也就是校核洪水和地震的环境下，所得到的应力值是最大的。闸室强度在确定时就需要按照第三种工况来考虑，确定工况之前还要分布工况3的应力分布情况。一般在闸墩以及底板结合的地方，应力集中情况比较明显。应力集中和地基、闸墩的距离间呈现出的反比例关系。距离越近所得到的ay数值会越大。闸室结构受到的整体应力，主要还是压应力。在闸室相对较小的区域当中产生，地基基本上都是在受压区范围内的。基于安全的视角我们能够发现，在实际设计中，混凝土的闸室结构应当着重提升受拉区混凝土的标号，还要重新设置密度和强度，改善闸室结构受拉区受力情况[3]。

表1 闸室结构不同方向的应力分布情况

3.3 闸机底板主应力分布实际情况分析

因为松软土层是闸室结构的主要涂层，所以存在着比较大的地震液化可能性。承载力会对整个闸室结构稳定性产生不利影响[4]。顺着水流的方向我们可以选择六个不同的界面，在三种不同工况下确定底板主应力分布情况，还要计算不同界面的应力大小。结合计算得到的相关数据，可以发现整体地基应力分布相对均匀。按照水流方向主应力，可以得到连续性的发展。只有在闸墩附近才会出现应力集中情况。整体数值比较小，导致地基稳定性受到不良影响。这一结果在某种程度上也反映出了，需要选择合适地基处理方案的有效价值。

就截面z的情况来看，得出的正应力数值。在界面z为10.0时，最大值为-0.008，最小为-0.321。截面z为17.0时，得到的最大应力值为-0.007，最小的应力值为-0.281。

4 结语

通过研究可以发现对于松软地基渠系建筑物的稳定性而言，和建筑物地基整体的结构之间存在着密切的相关性。在工程设计当中需要结合实际情况来确保在沉降变形当中各种荷载作用的均匀性。本次研究中就结合了实际的例子开展分析，研究发现只有闸室混凝土结构小范围会出现拉应力，需要对整体的结构稳定性进行判定。