中小型涵闸的安全运行与除险加固

王红蕾

(利辛县河道保护管理中心，安徽 利辛 236700)

0 引 言

中小型涵闸是水利工程施工的重要基础设施，涵闸的安全运行稳定性评价，对促进水利工程的设计、施工、安全监测及安全评价等方面具有重要意义。结合结构模型试验、数值分析计算以及现场原型的方法，通过结构模型参数分析，建立中小型涵闸的环境参数分析模型，通过应力分布分析和变形性态特征检测，结合小型穿堤涵闸研究计算试验和数值分析计算，进行中小型涵闸的安全运行与除险加固分析，通过对中小型涵闸的安全运行参数、边界条件、环境因素分析，进行险情加固，提高排查水闸安全隐患能力[1]。

对中小型涵闸的安全运行与除险加固是建立在对涵闸的安全运行稳定性和数值分析基础上，通过小型涵闸结构的力学特性分析，结合涵闸的实际状态模拟，进行涵闸的安全运行及险情排查[2-3]。文献[4]中提出有限元软件计算下的某穿堤涵闸基础变形分析方法，利用有限元软件建立数值模型，根据水文地质资料分析进行涵闸险情排查分析，但该方法进行软土地基沉陷排查的稳定性不好。文献[5]中提出水工涵闸混凝土裂缝控制技术及设计参数计算模型，由于混凝土裂缝的逐步扩张，严重影响水工涵闸的正常使用，通过对水工涵闸混凝土裂缝的控制，提高了涵闸的安全运行稳定性，但该方法对涵闸混凝土热学性能、力学性能解析能力不好。

针对上述问题，本文提出基于有限元软件和数值模拟的中小型涵闸安全运行与除险加固方法。首先根据中小型涵闸的力学性能参数，参照洞身结构设计，进行中小型涵闸安全运行的参数分析，通过地基反力法进行中小型涵闸安全运行过程中的荷载及力学模型计算，实现中小型涵闸安全运行分析和险情排查加固，对加强施工管理，提高涵闸安全除险和加固能力方面具有重要意义。

1 中小型涵闸的荷载参数分析和数值模型计算

1.1 中小型涵闸荷载参数分析

结合结构力学模型分析的方法，进行中小型涵闸的荷载参数分析，根据中小型涵闸材料性质与外载荷变化特征，通过物理模型与数学模型相结合的方法，分析中小型涵闸荷载参数的应力与变形特征量，根据梁和地基的弹性体模型参数分析，采用结构力学计算方法[6]，根据《水闸设计规范》(SL 265-2016)，按照结构力学规范进行中小型涵闸的荷载参数计算。分析中小型涵闸出现安全隐患的原因，中小型涵闸主要是采用混凝土结构，建筑结构设计不合理和施工质量不合格的因素，容易导致中小型涵闸的支座出现裂缝和脱落，影响整体结构，从而导致中小型涵闸的整个受力结构参数产生过载，影响挡水性能。中小型涵闸出现安全运行危险的主要原因分布图见图1。

图1 中小型涵闸的安全运行影响因素

根据涵管与涵闸室中间部件材料控制的方法，建立涵闸安全除险和加固的结构沉降参数过滤和分析模型，结合混凝土材料的四自由度变形特征分析，进行混凝土强度与龄期的增长指数相关性分析。设定涵闸的钢筋计的外径28 mm，测量范围为最大压应力200 MPa，采用 609A 型测读仪读取垂直水流和顺水流的力学参数，采用XF-100/110 系列振弦式钢筋测力器进行平底板结构的力学参数分析，得到涵闸钢筋计零点频率与安装后的初始频率及校核，见表1。

表1 涵闸钢筋计零点频率与安装后的初始频率及校核

根据孔隙介质的力学响应分析方法，对涵闸钢筋计零点频率K值进行分析，设定弹性模量依次为9.6、7.2和25 MPa，获得单元体个数220 622 个，采用小型涵闸的裂隙补偿和填补方法，建立单相饱和各向异性检测模型，分析涵闸表面张力作用引起的基质孔隙参数，基于线弹性变形的应力-应变关系进行边界条件叠加，实现中小型涵闸荷载参数解析[7]。

1.2 中小型涵闸的安全运行强度计算

根据中小型涵闸的力学性能参数，建立以土荷载和边荷载为约束变量，设第1种受力状态下有m种不同类型的除险加固稳态分析，分别占据空间Ω(1)、Ω(2)、…、Ω(m)，按中小型涵闸的安全运行的偏心受压构件进行强度计算，得到第1相流体的压力，通过多相气体和多相液体均匀混合处理，建立中小型涵闸中各相流体的有效应力动态方程：

(1)

其中：Kvo为屈服前加载刚度；Kd为水平屈服后刚度；θ为剪切变形相位参数；n为支座的临界屈曲压力；Kvd,L为单位宽度闸室底板总的力；Kvd,u,L为闸底板各断面处弯矩。由此基于临界屈曲应分析，根据中小型涵闸的力学性能参数，建立以土荷载和边荷载为约束变量分析模型，得到屈服后加载刚度为：

(2)

以闸底板地面为建基面，建立涵闸的荷载与竖向位移关系曲线，见图2。

图2 涵闸的荷载与竖向位移关系曲线

根据图2涵闸的荷载与竖向位移关系曲线分布，计算闸底板各断面处弯矩及剪力值，通过计算并整理底板的弯矩和剪力，进行安全运行参数分析和除险加固设计[8]。

2 中小型涵闸的安全运行有限元分析

2.1 中小型涵闸的安全运行的力学参数解析

根据人工回填土土变形云图分析，参照洞身结构设计，通过地基反力法进行中小型涵闸的安全运行过程中的荷载及力学模型计算，在 Winkle 假定条件下，考虑梁上荷载的作用参数影响，建立中小型涵闸的安全运行的组合力学模型。力学参数设计值见表2。

表2 中小型涵闸的安全运行力学参数设计值

采用一台电液伺服加载机进行中小型涵闸的安全运行应变加载控制，作动器行程 300 m，测试剪应变作用下竖向刚度的衰减，公式如下：

(3)

其中：Kv0为临界屈曲应力；P为竖向屈服加载系数；Kd为并联后组合的力学控制参数。

建立中小涵闸双重孔隙介质压缩模量解析模型，根据压缩模量参数分析，进行除险加固有限元分析。

2.2 除险加固有限元分析模型

分析涵闸基础梁承受边荷载P对安全运行与除险加固的影响，将自然沉降应力计算结果作为初始应力场，得到梁各截面处的损伤面积。采用离散性造价约束关系，根据位移云图的精确程度，得到地基受力模型参数为：

(4)

其中：f为覆土前工况中涵闸的自重；g为基础的密度参数；λ为混凝土泊松比；ω1为边荷载作用；ω2为混凝土弹性模量。

不考虑边荷载作用，得到涵闸的受力点变换模型参数表示为：

(5)

根据Winkle假定，结合弹性地基梁法实现对中小型涵闸的结构强度和弹性模量分析，得到底板单元自定义切片弯矩为：

(6)

根据受力特性分析，建立中小型涵闸的安全运行的有限元分析模型，进行水闸的安全运行工况分析和除险加固分析[9]。

3 实验测试

采用数字模拟方法，基于 ABAQUS 有限元分析软件进行中小型涵闸的安全运行参数分析和模拟。设定作动器行程 300 mm，中小型涵闸运行的模型参数最大采样频率为592 Hz，基础的密度参数为1 870 kg/m3；重力加速度为g=9.8 m/s2。试验平台见图3。

图3 试验平台

在图3的实验平台中，进行涵闸的有限元分析，得到自重状态下的涵闸受力图，见图4。

图4 涵闸在自重状态下的受力图

根据图4的受力有限元分析，取水闸底板中间部位，得到弯矩、剪力和轴力，见表3。

表3 弯矩、剪力和轴力参数 /kN

续表3 /kN

根据表3的参数解析结果，实现中小型涵闸运行的除险加固，得到中小型涵闸的稳定性测试结果，见图5。分析图5可知，采用本文方法进行中小型涵闸除险加固，提高了稳定性；弯矩和剪力的分布规律性较好，能保障中小型涵闸的安全稳定运行。

图5 加固荷载稳定性测试

4 结 语

本文建立了中小型涵闸的环境参数分析模型，对中小型涵闸的安全运行与除险加固进行了分析，提出了基于有限元软件和数值模拟的中小型涵闸的安全运行与除险加固方法。同时，分析了涵闸表面张力作用引起的基质孔隙参数，并基于线弹性变形的应力-应变关系进行边界条件叠加，实现了中小型涵闸荷载参数解析。测试结果表明，采用本文方法进行中小型涵闸除险加固稳定性较好，可靠性较高，参数解析准确可靠。