基于COMSOL计算下秦淮河道水闸加固墩结构体型设计分析研究

马 力，顾 冬，罗 坤

（南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210000）

水工建筑加固设计方案优化分析不仅可提升工程设计水平，亦有益于工程运营长期稳定性，开展相应的水工设计优化具有重要意义[1-3]。刘芷妍等[4]、张笮娜等[5]、徐建荣等[6]根据水工模型试验理论，在室内进行水工原型尺寸复制，探讨水工模型在模拟工况下的渗流场、静力场以及动力响应下特征，为工程设计提供重要优化参数。当然，一些水工建筑安装有相关监测传感器，可进行运营监测，进而从中分析设计方案利弊，为拟建工程设计方案最优比选提供参考[7，8]。数值计算研究方法高效、快捷，利用ANSYS[9]、ABAQUS[10]以及 MIDAS[11]等软件可对水工模型进行仿真计算，针对不同设计方案开展对比分析，进而确定工程设计最优方案。根据秦淮河洪蓝水闸钢结构加固设计方案优化问题，开展了闸墩加固数量、闸墩厚度参数计算分析，为水闸加固设计以及建设提供了重要依据。

1 工程仿真建模

1.1 工程概况

为提升秦淮河通航能力，需对河道进行整治清淤。需疏浚河道全长18 km，包括5 座中型水闸，最大设计泄流量585 m3/s。设计采用围堰施工进行整治，以堆筑坝构建围堰坝，确保施工安全。施工另建设有溢流设施，溢流堰堰顶高程82.8 m，下游设有消能池与防浪墙等。消力池池深0.8 m，防浪墙厚度1 m、高4.8 m。由于河道整治与水闸除险加固为系统性工程，工程管理部门拟对整治河道内的5 座中型水闸进行加固。洪蓝水闸是所整治河道上最为重要的枢纽设施，闸顶高程85.5 m，闸室底板厚度0.8 m，采用4 孔式泄流设计，单孔最大泄流量可达252 m3/s，但由于运营年限较长以及河道淤积严重，目前单孔泄流量仅能达到155 m3/s。水闸设挡土边墙，采用水工预制拼装，最大抗压能力15 MPa，箱涵内可承受沉降位移20 mm，确保水闸应力、位移场处于安全状态。通过有限元静力场计算得知，该水闸结构拉应力分布较少，集中在闸顶区域，最大拉应力不超过1.7 MPa，但位移计算结果表明其沉降位移较大，接近安全允许值，在垂直方向上存在沉降以及倾覆趋势，为水闸加固结构设计时应重点考虑方面。另外，水闸内渗流场模拟结果表明浸润线在蓄水工况下增长较快，逼近泄流孔顶部，底板结构处孔隙水压力集中过多，与该水闸底板基础沉降过大有关。为提升水闸运营能力，针对基础沉降位移过大、渗流活动较活跃等特点，初步考虑采用加固中墩方案，中墩剖面如图1所示，拟对该方案设计参数开展优化分析，为确定最优设计方案提供参考。

图1 水闸中墩剖面

1.2 工程建模

根据洪蓝水闸工程现状分析，采用钢结构加固中墩设计方案，型钢的翼缘与板厚分别为1.2、1.8 m，高5.56 m，总宽为4.6 m，保护层厚度0.4 m，型钢布设角度为25°，方案加固设计如图2所示。

图2 闸墩型钢加固结构方案

利用COMSOL 有限元仿真软件建立计算模型[12，13]，水闸中墩模型关键部位包括墩顶、墩底、钢结构加固点3个部位，其有限元模型如图3所示。

图3 闸墩有限元模型及关键部位

经划分网格单元后，共获得微单元体36 826个、节点28 524 个，在钢结构加固处及迎水侧等区域重点加密，确保计算精度。根据有限元计算规则，设定模型X、Y、Z 正向分别为顺水流下游、垂直向上以及中墩右岸方向。设定墩底部位固定约束，无自由度边界，顶部为单向约束条件，在迎水、背水侧为多向约束，属单自由度状态；以当前水闸上游蓄水位为计算工况，水位6.5 m，水闸闸门处于关闭状态，该工况计算模型荷载条件包括结构自重、静水压力以及扬压力等。钢结构加固方案中主要参数已基本确定，包括型钢连接方式以及数量等，但水闸共有2 根中墩与4 根边墩，闸墩加固数量还未确定，拟至少加固2根以上；另有加固墩厚度参数未确定，这与钢结构布设形式有关，加固后墩厚最少0.4 m，为此针对两设计参数开展优化对比。

2 闸墩加固数量参数优化分析

为分析闸墩加固数量参数对水闸结构应力影响，设计闸墩加固数量分别为2、3、4、5、6根，而闸墩厚度统一设定为0.6 m，其他参数保持一致，仅改变加固闸墩数量，计算各方案中闸墩关键部位应力变化特征。

2.1 拉应力特征

由不同加固数量方案计算可得关键部位最大拉应力变化特征，如图4 所示。从图4 可看出，3 个关键部位中拉应力最大为闸墩加固点处，在加固数量为3 根时该部位最大拉应力1.88 MPa，而墩顶、墩底最大拉应力相比前者分别下降64.1%、28.6%；各设计方案中该部位最大拉应力相比墩顶、墩底增幅分别达89.1%～2.96倍、36%～51%。结构设计中应重点关注加固点，该部位极易发生拉应力集中效应[14，15]。分析加固数量与最大拉应力变化关系可知，加固点与墩底部位处最大拉应力均呈先减后增变化，转折点为加固数量4 根，该方案下前两者的最大拉应力分别为1.43、0.95 MPa，均低于结构材料安全值；当加固数量超过4 根，达到5、6 根后，墩底处最大拉应力相比加固数量4 根增长了19.5%、53.4%，平均增幅可达36.4%，而加固点在加固数量4～6 根区间内最大增幅27%，平均增幅20.8%，其拉应力已超过结构应力安全值，闸墩失稳倾覆滑移趋势增大。当加固数量为4 根时，墩底处最大拉应力相比加固数量2、3 根分别降低了51.2%、29.3%，处于递减态势；闸墩加固数量在2～4根区间内，墩底、钢结构加固点部位最大拉应力平均降幅为30.2%、26.4%。从应力安全性角度考虑，闸墩加固数量应控制在4根以内，可以降低由于加固数量过多、导致应力扰动过大而引起较大张拉应力威胁。与墩底、加固点两关键部位变化态势不同的是，墩顶处在加固数量为2～4 根区间时，最大拉应力基本处于稳定状态，波动幅度最大仅为1.2%，稳定在0.67 MPa 左右，显著低于结构张拉破坏强度；而在加固数量超过4根后，墩顶部位最大拉应力呈增大特征，加固数量为5、6 根时最大拉应力相比前一稳定应力值分别上升了21.2%、64.5%，张拉应力威胁增大。综合而论，闸墩加固数量控制在4根时，对水闸结构应力扰动影响较小，结构张拉应力增幅不显著，各关键部位应力满足安全要求。

图4 关键部位最大拉应力特征（闸墩加固数量影响）

2.2 压应力特征

由不同闸墩加固数量方案计算得到关键部位最大压应力变化特征，如图5所示。

图5 关键部位最大压应力特征（闸墩加固数量影响）

加固点、墩底压应力与加固数量呈递增关系，预压效果较好，确保了闸墩不出现失稳[16，17]，加固数量为2 根时加固点最大压应力为11.5 MPa，而加固数量为4、6根时压应力相比前者上升了38.1%、40.6%；从压应力增幅变化来看，在加固数量4根后，增幅有所减小，加固点、墩底部位平均增幅分别为0.9%、2.4%，而加固数量在2～4 根区间内增幅分别为17.6%、21.3%，从经济成本角度考虑，加固数量在4根时抗失稳效果最优，成本适中。与拉应力类似，墩顶部位最大压应力变化与墩底、加固点部位亦有显著差异，各设计方案下墩顶部位最大压应力基本不变，稳定在7.6 MPa，最大变化幅度仅为1.9%，表明墩顶部位最大压应力受闸墩加固数量影响敏感度较低。比较拉、压应力受加固数量影响变化特征可知，当闸墩加固数量为4 根时，不仅有利于水闸结构抗拉性，同时水闸抗失稳滑移效果也最佳，是闸墩加固数量最优参数。

3 闸墩厚度设计参数优化分析

根据闸墩厚度设计方案，设定厚度参数分别为0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4 m，闸墩加固数量设定为4根，其他参数均保持一致。

3.1 拉应力特征

根据不同闸墩厚度设计方案下拉应力计算，获得关键部位拉应力变化特征，如图6所示。从图6可知，3 个关键部位拉应力随闸墩厚度增加均呈递减态势，即关键部位最大拉应力与闸墩厚度参数为负相关关系，但降幅均在闸墩厚度1 m 后逐渐放缓，加固点处在厚度1 m 时最大拉应力相比厚度0.4、0.8 m时分别降低了51.3%、18.3%，而厚度1.4 m 下最大拉应力相比厚度1 m 仅下降了7.7%，说明闸墩厚度对关键部位拉应力影响逐步减弱。在闸墩厚度0.4～1 m区间内，加固点、墩底、墩顶处最大拉应力的平均降幅分别为21.3%、27.5%、38.8%，厚度超过1 m 后，在1～1.4 m 区间内3个关键部位的降幅分别仅有3.9%、2%、1.3%。闸墩厚度愈大，虽所控制的结构张拉应力愈低，但不可忽视所需钢结构材料成本也会愈高，因而选择适中的厚度参数更利于水闸加固设计。从图6可知，当闸墩厚度为1 m时，3个关键部位最大拉应力分别为1.32、0.75、0.32 MPa，均低于结构安全设计值，且建设成本较适宜，该厚度参数为最优方案。

图6 关键部位最大拉应力特征（闸墩厚度影响）

3.2 压应力特征

同理，计算获得闸墩厚度影响下关键部位最大压应力变化特征，如图7 所示。从图7 可看出，闸墩厚度参数与各关键部位最大压应力具有二次函数关系，均呈先增后减变化，控制闸墩厚度在压应力增幅区间更佳。在闸墩厚度为0.4 m时，加固点部位最大压应力为12.1 MPa，而厚度0.6、1 m方案下最大压应力相比前者分别上升了22.7%、44.8%，而厚度1.4 m压应力相比厚度1 m 下降了15.9%，厚度1 m 为关键部位压应力最大方案。在闸墩厚度0.4～1 m 区间内，加固点、墩底、墩顶处最大压应力平均增幅分别为13.4%、18%、20.6%，而厚度超过1 m 后即厚度在1～1.4 m 区间内，关键部位最大压应力分别减小，平均降幅分别为8.2%、9.5%、10.3%。当厚度为1 m时，3个关键部位最大压应力分别为17.6、16.1、13.8 MPa，不仅低于结构材料抗压强度，且结构抗倾覆失稳性能最优。综合认为，当闸墩厚度为1 m 时，闸墩结构应力稳定性最佳，为最优方案。

图7 关键部位最大压应力特征（闸墩厚度影响）

4 结论

（1）加固点部位为闸墩拉应力最大；加固点与墩底部位处拉应力最低方案均为加固数量4根，两部位最大拉应力随加固数量增加呈先减后增变化，墩顶最大拉应力在低于加固数量4根时稳定在0.67 MPa，超过4根后均递增。

（2）加固点、墩底部位最大压应力随闸墩加固数量增加为递增变化，但在加固数量4根后增幅减小，墩底部位在加固数量2～4、4～6根区间内的平均增幅分别为21.3%、2.4%，各加固数量方案下墩顶最大压应力基本不变，稳定在7.6 MPa。

（3）关键部位拉应力与闸墩厚度参数为负相关变化，但降幅差异性显著，加固点、墩底、墩顶处最大拉应力在厚度0.4～1 m 区间内平均降幅为21.3%、27.5%、38.8%，在 1～1.4 m 区间内平均降幅又为3.9%、2%、1.3%；厚度参数与关键部位最大压应力具有二次函数关系，厚度1 m 时关键部位压应力最大，结构抗倾覆滑移效果最好。

（4）综合应力变化特征，认为闸墩加固数量4根、闸墩厚度1 m时为加固设计最优方案。