基于ANSYS的浑河拦河闸静力学分析

闫 滨，常钰杰，闫胜利，高真伟，石芮夕

（1.沈阳农业大学水利学院，沈阳 110161；2.水发规划设计有限公司，济南 250000；3.辽宁省朝阳县水务局，辽宁朝阳 122000）

建成于20世纪50-70年代的水闸工程，受当时经济条件、资金投入、管理水平以及工程建设技术水平等多方面因素的限制，普遍存在着设计标准较低、稳定性不足、工程质量差、管理不当等问题[1]，许多结构部件出现了破损和老化现象，并逐渐产生抗震能力不足、混凝土结构老化、结构失稳、地基承载力不足等病险问题，存在严重安全隐患。加之近年来全球气候变化和极端天气事件频发，水闸遭受的地震、泥石流、洪水等超标荷载，加剧了水闸病险程度。病险水闸难以正常发挥防洪、抗旱、排涝的作用，影响防洪体系的安全，制约当地农业的可持续发展，甚至严重威胁到下游居民的生命财产安全。为此，众多学者对病险水闸的病害诊断、安全评价及除险加固措施等展开深入研究[2-4]，水闸工程的安全问题也越来越受到重视。

水闸中最重要的部分莫过于闸室结构，经过长期的运行，闸室难免会产生一些病险问题，对闸室结构稳定性造成一定影响，因此对水闸闸室结构进行安全分析显得尤为重要[5]。传统的水闸安全分析通常只对水闸闸室每个独立构件进行内力计算，多采用数值法和半解析法求解内力分布。把结构的每个构件单独剖开分析的方法，虽然简化了闸室结构和受力情况，但彼此之间的影响和空间效应却被忽略，很难反映结构的整体作用，且计算过程不仅繁杂，计算量还很大，较易出现与实际情况偏差较大的结果[6-7]。也有学者考虑了水闸的整体性，运用可靠度理论计算可靠度指标，进而判断水闸的整体可靠性[8-10]。但上述方法均是通过数学计算实现的，无法直观了解水闸结构的病险或失事部位。

随着科技的发展，利用有限元方法对水利工程结构进行设计分析日益广泛，它不仅能减少计算工作量，还能得到较准确直观的计算结果。针对水闸结构而言，可以有效解决地基与闸体的接触设置、繁琐的边界条件等无法通过数学计算解决的复杂问题，且可以直观了解水闸结构的病险或失事部位。目前已有许多学者运用有限元数值模拟方法对水闸结构进行静力学、地震动力等计算，从而复核或分析水闸结构的稳定性。例如，LI等[11]对水闸闸下湍流壁面射流的流场和冲刷演变进行了数值模拟，较好描述了试验观察到的流态，即主喷流分叉为回喷流和尾部喷流；并准确预测了冲刷深度和长度的演变。LIANG 等[12]采用基于Sobol序列的随机抽样方法和基于方差的灵敏度分析方法，构建了水闸底板全局敏感性分析有限元模型，根据闸空一阶和全阶灵敏度系数的分布规律，确定典型位置，分析了主要影响因素与各位置变形指标之间的线性和非线性关系。结果表明，闸室的变形主要是沉降，地基土的变形模量是影响闸室变形的主要因素。王云龙考虑桩-土-上部结构共同作用，分3 种工况对水闸结构进行静力学计算，得到闸室及地基土变形及应力变化规律[13]。马利嘉等[14]采用ANSYS 中的模态分析反应谱法进行地震动力计算，得到地震荷载作用下的闸室地基沉降以及拉、压应力值。毋霈雯基于ANSYS 软件，在不同工况下对某渠首闸闸室进行了非线性静力分析，得到了闸室在不同工况下的变形和应力结果，通过从分析结果中提取闸室关键截面的内力，对闸室进行配筋设计[15]。吴盖[16]对比了结构力学法和ANSYS有限元法求解某泄水闸应力和抗滑稳定安全系数的结果，证明其结构和抗滑稳定性均满足要求。

基于上述研究成果，本研究利用有限元软件ANSYS Workbench 对大型水闸浑河拦河闸的应力、变形等进行分析，特别针对闸室底板部位进行更为详细的应力分析，对其安全性态进行评判，进而揭示可能致使该工程失效的主要因素及最薄弱的部位，以便在工程后续管理中针对性地采取有效防治措施，同时为新建水闸工程设计提供参考。

1 工程概况

浑河闸位于辽宁省沈阳市浑河中下游，工程等别为Ⅰ等，规模为大（1）型，其相应的主要水工建筑物为1级。拦河闸为22 孔无底坎式平底宽顶堰，堰顶高程30.5 m，闸墩高8.64 m，闸室单孔净宽9.6 m，二孔一联（宽23.4 m）共计11联，中墩厚1.8 m，缝墩厚2.4 m，缝墩缝宽30 mm。缝墩总长19.98 m，中墩总长19.69 m。底板顺水流向长20.0 m，厚1.50 m。闸室整体混凝土采用C25 混凝土。工程所在地区地震基本烈度为7 度，α=0.1 g，工程区地震动峰值加速度为0.1 g，对应地震基本烈度为Ⅶ度。闸址处地层以砂砾和圆砾为主，密实度较高，砂砾地基允许承载力为360 kPa，圆砾地基允许承载力为550 kPa。浑河闸闸址多年平均最大风速12.8 m·s-1，最大风速25.2 m·s-1，主风向SW，风区长度1.65 km。闸室结构布置详图见图1。

图1 闸室结构图(高程单位：m；尺寸单位：mm）Figure 1 Structural drawing of sluice chamber (Elevation unit: m; Dimensions in mm)

2 ANSYS建模

2.1 材料参数设置

在“Engineering Data”中为实体模型赋予材料属性，闸室钢筋混凝土结构假定为均质弹性材料，选择材料“Concrete”赋予钢筋混凝土参数，按照闸室、铺盖、护坦等所用混凝土和钢筋的实际参数进行更改。地基土假定为弹塑性材料，选择材料“Concrete NL”赋予地基物理力学参数，并按照实际地基砾砂和圆砾的物理力学参数进行更改。共添加5种材料，具体物理力学参数见表1。

表1 材料物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of materials

2.2 模型建立

本研究计算选取顺水流向相邻两个永久缝之间闸段为研究对象，选择模块“Geometry”，采用Workbench 自带的DM 软件建立与实际工程大小完全相同的闸底板、闸墩和地基整体有限元实体计算模型。坐标原点取右岸下游端底板外侧与闸墩底相接触的交点处，X轴正方向指向上游，竖直向上为Y轴正方向，垂直水流指向左岸为Z轴正方向。计算选取中间孔闸段（二孔一联），闸室具体尺寸与实际工程相符。根据圣维南原理，坝基越大，基础边界约束条件的变化对坝体应力和位移的影响越小，当坝基尺寸达到一定范围后，坝体的应力和位移几乎不受计算范围的影响[16]。因此，本研究计算模型选取地基的范围是从闸室向上下游延伸2倍闸室长度，向左右岸各延伸2倍闸室宽度，深度取2倍闸室高度，其中第一层砾砂土层厚度根据地质报告资料取5.4 m。

2.3 网格划分

采用“Mesh”划分网格。闸室结构采用四面体划分网格，铺盖、护坦及地基采用扫掠方法划分网格。由于闸室结构较为复杂，为保证计算的准确性，对闸室结构的网格进行加密划分，同时加密闸室结构中应力较大或者出现应力集中现象的部位。地基网格尺寸控制在0.8～1.5 m 范围。整个模型共划分了116 346 个单元，节点总数为428 323 个。具体网格划分效果见图2。本模型已进行网格无关性检验，且经过正交质量检查、单元质量检查和倾斜度检查，网格质量均满足要求。

图2 水闸模型网格划分图Figure 2 Grid division diagram of sluice model

2.4 边界条件设定

计算中将缝墩外侧作为自由端考虑，不施加约束，地基底面施加3 个方向全约束，地基的4 个侧面分别施加垂直于该截面方向的位移约束。设置闸底板底部、铺盖底面、护坦底面与第一层地基接触方式为“Frictional”，其中闸底板底部、铺盖底面、护坦底面为“Target”目标面，地基顶面为“Contact”接触面，摩擦系数为0.4，两层地基之间接触面设定为“Bonded”绑定接触。闸室底面与地基接触设置详见图3。

图3 闸室底面与地基接触设置图Figure 3 Contact setting diagram between bottom surface of sluice chamber and foundation

2.5 荷载添加

本研究选取两种工况进行计算：上、下游均无水的完建期；上游水位36.00 m，下游无水的正常蓄水位期。

两种工况受到的荷载均有结构自重，包括闸室结构自重、闸室上部结构重（交通桥、检修桥、工作桥、排架、启闭机、启闭机室重）。除此之外，工况二还受到上游水重、上游水平水压力、扬压力和浪压力。

为方便计算，本研究在建模分析的过程中采取了一定的简化措施[17]：（1）将闸墩上部结构等荷载等效为面荷载，施加在闸墩顶部相应的范围内；（2）底板、闸墩等结构的自重根据模型体积和材料容重由Workbench软件输入材料参数直接算出；（3）作用在闸门上的水压力以面荷载的方式施加在门槽处相应的范围内。

3 位移和应力结果分析

3.1 位移结果分析

完建期和正常蓄水位工况下闸室总位移以及X、Y、Z方向的位移值见表2。

表2 不同工况下闸室X、Y、Z方向的最大位移Table 2 Maximum displacements of sluice chamber in X, Y and Z directions under different working conditions

根据《水闸设计规范》(SL265-2016)，水闸在自然地质状态下的地基沉降量，最大值不宜超过15 cm，相邻结构部位的地基最大沉降差不宜超过5 cm。完建期和正常蓄水位期位移结果均满足上述要求。

3.1.1 完建期位移结果分析 完建期地基-闸室、闸室整体位移图以及X、Y、Z方向位移图见图4～图7。由图4a可知，地基土变形自上而下逐渐减小，沉降从闸基中部开始向外扩展，距离闸室越近地基土变形越大，最大位移发生在闸室。由图4b可知，完建期闸室最大位移为13.40 cm，出现在缝墩左岸上游端，缝墩左右岸变形程度不对称，但相差极小，最大位移差为0.08 cm。

图4 完建期整体位移图Figure 4 The total displacement diagram during the completion period

由图5b 可知，X方向(顺水流方向)闸室结构整体向上游移动，这是由于闸墩上部结构偏向于上游端导致的，位移范围为0.04～0.11 cm，左右岸位移大小及趋势对称分布。闸室最大位移发生在缝墩、中墩顶部靠近下游侧，向上游移动，约0.11 cm，最小位移发生在闸室底板下游处，受闸室上部荷载和自重的影响，X方向上的位移值从闸墩顶部到闸底板底部呈逐渐减小趋势，到闸底板处下游位移值比上游略小。由图5a 可知，上游地基表面向下游略微移动，最大位移量为0.13 cm；而下游地基表面向上游略微移动，最大位移量约为0.21 cm，这种移动趋势是由于受到闸室下沉而产生的拉力作用的结果。

图5 完建期X方向位移图Figure 5 X-displacement during the completion period

由图6a可知，Y方向上最大位移发生在闸室附近，且随着地基深度的增加位移量越来越小。由图6b可知，闸室受自重作用向下沉降，沉降范围在13.23～13.40 cm 之间。最大沉降量出现在缝墩外侧靠近上游侧，为13.40 cm，最小沉降量出现在下游底板处，为13.23 cm，最大差值为0.17 cm，满足要求，且与闸室整体变形图呈现结果一致，由此可见，闸室最大位移发生在Y方向上。闸室上游侧沉降量大于下游侧，闸室略微向上游倾斜，这是因为上部工作桥、启闭机、框架等结构偏向上游侧，所以上游Y方向上产生的沉降量要大于下游侧。

图6 完建期Y方向位移图Figure 6 Y-displacement during the completion period

图7 完建期Z方向位移图Figure 7 Z-displacement during the completion period

由图7b可知，闸室Z方向上的位移相对最小，最大位移发生在两个缝墩顶部，分别为0.10 cm和0.06 cm，向两个缝墩的外侧移动。由图7a 可知，右岸地基表面向左岸移动，最大位移量为0.30 cm；而左岸地基表面向右岸移动，最大位移量为0.29 cm。总的来说就是地基表面向内侧移动，两岸位移量相差极小，这种移动趋势是由于受到闸室下沉而产生的拉力作用的结果。

3.1.2 正常蓄水位期位移结果分析 正常蓄水位期地基-闸室、闸室整体位移图以及X、Y、Z方向位移图见图8～图11。由图8可知，正常蓄水位期地基土、闸室整体变形趋势与完建期相同，闸室最大位移为13.83 cm，出现在闸墩下游侧，左右两岸位移大小和趋势呈对称分布。同时，由于水闸采用的是整体式底板，因此沉降变形比较均匀，不会对闸室结构产生明显的不利影响。

图8 正常蓄水位期整体位移图Figure 8 The total displacement diagram during normal water level period

由图9b可知，X方向除闸底板上游外侧略微向上游移动外，闸室整体向下游移动，这是因为上游有水产生了水平水压力而下游无水，闸墩移动范围为0.02～0.30 cm。最大位移发生在左、右岸缝墩和中墩顶部，向下游移动约0.30 cm。从闸墩顶部到闸底板处，X方向上的位移呈逐渐减小趋势，上、下游位移基本一致。由图9a可知，地基位移趋势与完建期规律相同。

图9 正常蓄水位期X向位移图Figure 9 X-displacement during normal water level period

由图10b 可知，Y方向上闸室整体向下沉降，沉降范围为13.16～13.83 cm。沉降量从上游至下游呈逐渐减小趋势，最大位移出现在中墩上游侧区域，为13.83 cm，最小位移为13.16 cm，出现在右缝墩下游侧，最大沉降量差值为0.67 cm，满足要求。上游沉降量大于下游是由于上游底板受到水重，同时上部结构偏向上游端，闸室在自重、水重、水平水压力和扬压力的共同作用下，向上游倾斜。由图10a 可知，最大沉降出现在闸室地基表面，越向地基深处沉降量越小。

图10 正常蓄水位期Y向位移图Figure 10 Y-displacement during normal water level period

由图11b 可以看出，闸室Z方向上最大位移出现在两个缝墩顶部靠近上游侧，分别向各自的外侧移动，大小分别为0.16 cm和0.10 cm。由图11a可知，地基位移趋势与完建期一致。

图11 正常蓄水位期Z向位移图Figure 11 Z-displacement during normal water level period

3.2 应力结果分析

拉应力为第一主应力，压应力为第三主应力，闸室正应力以及第一、第三主应力分布情况如表3。

表3 闸室第一、第三主应力Table 3 The first and third principal stresses of the sluice chamber MPa

根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2015)，C25混凝土轴心抗压强度标准值为16.7 MPa，轴心抗拉强度标准值为1.78 MPa。

3.2.1 完建期应力结果分析 完建期闸室第一、第三主应力图及上游横断面第一、第三主应力等值线图见图12～图15。由图12 和图14 可知，完建工况拉应力集中现象出现在闸底板上部和中墩处底板下表面，范围约在0.79～1.21 MPa。拉应力最大值出现在左、右岸缝墩上游与闸底板相交处，为2.03 MPa，超过C25 混凝土轴心抗拉强度标准，但是超过极限值的闸室范围特别小，只存在于极个别节点处，且这种情况下计算出来的最大值往往会比实际值稍大。参考文献[15]拉应力复核方法，得到浑河闸缝墩与闸底板相交处能承受的最大拉应力为4.58 MPa，大于2.03 MPa，判断不会因拉应力过大对闸室结构稳定性造成影响。在实际工程中可以采取相应措施改善该区域受力情况，如控制水位，避免上下游水位差过大；对于新建水闸设计时，需要注意此区域设计，例如着重提升混凝土标号，适当增大密度和提高强度；避免尖角，把棱角改为过渡圆角；适当加厚底板；提高此区域配筋率等。由图13和图15可知，水闸完建期，上、下游均无水，闸墩和底板只承受自重和上部结构传来的荷载，基本处于受压状态，压应力一般在0.62～1.13 MPa 之间。中墩、缝墩与闸底板交界处压应力较大，同时在右岸缝墩上游内侧和闸底板相交处出现最大压应力，为3.41 MPa，未超过C25混凝土抗压强度极限。

图12 完建期闸室第一主应力图Figure 12 The first principal stress diagram of the sluice chamber during the completion period

图13 完建期闸室第三主应力图Figure 13 The third principal stress diagram of the sluice chamber during the completion period

图14 完建期上游横断面第一主应力等值线图Figure 14 Contour map of the first principal stress of upstream cross section during the completion period

图15 完建期上游横断面第三主应力等值线图Figure 15 Contour map of the third principal stress of upstream cross section during the completion period

由于闸墩基本受压且应力变化不大，而闸底板各部位应力变化明显且有应力集中现象产生，因此针对闸底板不同部位的应力变化进行详细分析。完建期闸底板顶面和底面上游(x=19)、中游(x=10)和下游(x=0.5)第一主应力图见图16。可以看出，顶面不论上、中、下游，闸墩与闸底板交界处均受到压应力作用，拉应力均出现在缝墩、中墩之间的闸底板顶面处，上、下游处拉应力值偏大且大致相等，最大值在0.63 MPa，中游处拉应力稍小，最大值为0.57 MPa。而闸底板底面所有拉、压应力规律与顶面相反，拉应力出现在中墩、缝墩下的闸底板底面，其中最大拉应力均出现在中墩下的闸底板底面，上、下游最大拉应力值分别为0.30 MPa 和0.34 MPa，中游最大拉应力值为0.15 MPa由两个闸墩向其中间，闸底板底面受到的拉应力逐渐减小并最终变为压应力。

图16 完建期闸底板顶面、底面上游(x=19)、中游(x=10)和下游(x=0.5)第一主应力图Figure 16 The first principal stress diagram of upstream (x=19), midstream (x=10) and downstream (x=0.5) of the top and bottom surface of soleplate during the completion period

完建期闸底板顶面和底面上游(x=19)、中游(x=10)和下游(x=0.5)第三主应力图见图17。由图17 可知，除中游段闸墩之间的闸底板顶面出现少许拉应力外，其他部位均受到压应力作用，且闸墩与闸底板交界处受到的压应力大于其他部位，上、下游最大压应力分别为0.94 MPa和0.95 MPa，远远大于中游(0.24 MPa)。闸底板底面各个部位均受到压应力作用，上游、中游和下游的最大压应力均出现在两闸墩之间，最大压应力分别为0.96，0.53，0.99 MPa，上、下游压应力值大致相等，略大于中游，而闸墩附近压应力最小。

图17 完建期闸底板顶面和底面的上游(x=19)、中游(x=10)和下游(x=0.5)第三主应力图Figure 17 The third principal stress diagram of upstream (x=19), midstream (x=10) and downstream (x=0.5) of the top and bottom surface of soleplate during the completion period

3.2.2 正常蓄水位期应力结果分析 正常蓄水位时闸室第一、第三主应力图及上游横断面第一、第三主应力等值线图见图18～图21。由图18和图20可知，正常蓄水位时期，在左、右缝墩上下游与闸室底板的连接部位出现应力集中现象，距离闸墩越近，应力集中越明显，拉应力大小在0.74～1.68 MPa，最大拉应力约为2.92 MPa，出现在左、右缝墩上游与闸底板连接点处；同完建期一样，超过了混凝土轴心抗拉强度标准，但没有超过拉应力复核计算结果的最大拉应力允许值4.58 MPa，不会对水闸整体稳定性造成影响，可采取适当的工程措施。由图19和图21可知，闸墩和底板主要承受压应力，压应力大小通常在0.68～1.28 MPa之间。最大压应力出现在缝墩与闸底板交界处，为5.14 MPa，小于C25混凝土抗压强度极限。

图18 正常蓄水位期闸室第一主应力图Figure 18 The first principal stress diagram of the sluice chamber during normal water level period

图19 正常蓄水位期闸室第三主应力图Figure 19 The third principal stress diagram of the sluice chamber during normal water level period

图20 正常蓄水位期上游横断面第一主应力等值线图Figure 20 Contour map of the first principal stress of upstream cross section during normal water level period

图21 正常蓄水位期上游横断面第三主应力等值线图Figure 21 Contour map of the third principal stress of upstream cross section during normal water level period

正常蓄水位时期闸底板顶面、底面上游(x=19)、中游(x=10)和下游(x=0.5)第一主应力图见图22。由图22 可知，闸底板顶面除中游缝墩与闸底板交界处受到极小拉应力外，不同位置第一主应力变化规律及上、中、下游拉应力值大小规律与完建期基本一致。最大拉应力出现在下游处闸墩之间的闸底板顶面，最大拉应力值约为0.58 MPa，上、中游最大拉应力值分别为0.49 MPa和0.34 MPa。闸底板底面上、中、下游在各个部位均只受到拉应力，且闸墩下的闸底板底面受到的拉应力大于闸墩之间的底板底面处拉应力，最大拉应力值均出现在中墩下的底板底面，上、中和下游值分别为0.52，0.22，0.68 MPa，同样是上、下游的拉应力值大于中游。

图22 正常蓄水位期闸底板顶面、底面上游(x=19)、中游(x=10)和下游(x=0.5)第一主应力图Figure 22 The first principal stress of upstream (x=19), midstream (x=10) and downstream (x=0.5) of the top and bottom surface of soleplate during normal water level period

正常蓄水位期闸底板顶面、底面上游(x=19)、中游(x=10)和下游(x=0.5)第三主应力图见图23。由图23可知，底板顶面不同位置第三主应力变化趋势基本一致，拉应力以及较大压应力出现的位置与完建期分布规律基本一致，上、中、下游最大压应力值分别为1.77，2.79，2.59 MPa。底板底面各部位应力的变化趋势与顶面相反，各个部位均受到压应力，闸墩与底板相交处压应力小于其他部位，上、中、下游压应力变化规律也与完建期相同，上、中、下游最大压应力分别为0.81，0.38，0.78 MPa。

图23 正常蓄水位期闸底板顶面、底面上游(x=19)、中游(x=10)和下游(x=0.5)第三主应力图Figure 23 The third principal stress of upstream (x=19), midstream (x=10) and downstream (x=0.5) of the top and bottom surface of soleplate during normal water level period

4 稳定分析验算

闸室在荷载作用下可能沿地基面发生滑动，当地基承受的压力过大时甚至会发生失稳；地基的沉陷和不均匀沉陷，不仅会使闸室高程降低，还可能导致闸室倾斜甚至断裂。尽管静力学计算表明闸室沉陷量满足要求，还是必须验算闸室和地基的稳定性以保证闸室在各种情况下能安全可靠运用。

土基上的闸沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数为：

式中：Kc为沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；∑G为作用在闸室上的全部垂直荷载总和，包括作用在底板上的扬压力(KN)；∑H为作用在闸室上的全部水平荷载总和(kN)；f 为闸室混凝土与闸室地基间的摩擦系数；C为闸室基底与地基的黏聚力(kPa)；A为闸室底板的面积(m2)；φ为闸室基础底面与土基间的摩擦角(°)。

闸室基底应力按式（2）计算：

式中：P为闸室基底应力的最大值或最小值(kPa)；B为闸室宽度(m)；e为偏心距(m)。

式中：∑M为作用在闸室上的全部荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩(kN·m)。

浑河拦河闸为1级建筑物，根据《水闸设计规范》(SL265-2016)，其沿闸室基底面抗滑稳定安全系数的允许值在基本荷载组合时K=1.35；特殊荷载组合时K=1.20。在各种计算情况下，土基上的闸室平均基底应力不得大于地基允许承载力，最大基底应力不得大于地基允许承载力的1.2倍。本工程闸址处地基允许承载力为360 kPa。

浑河拦河闸闸室抗滑稳定安全系数、基底应力及不均匀系数的计算成果见表4。由表4 可知，不同工况下闸室抗滑稳定性、基底应力及不均匀系数均满足规范要求。

表4 闸室抗滑稳定、基底应力及不均匀系数计算成果表Table 4 Calculation results of anti-sliding stability, non-uniformity coefficient and base stress of sluice chamber

5 讨论与结论

彭志荣等[19]发现正常挡水期闸室竖向最大沉降量和最大、最小位移差均大于完建期，这与本研究结果一致。钱秋培等[20]利用ABAQUS 计算闸室结构应力，发现闸墩底部出现较大拉、压应力，最大拉应力虽超过混凝土轴心抗拉强度标准，但在钢筋混凝土材料的可承受范围内，可判断闸室安全。郭博文等[18]以某跌水闸为例，首先利用有限元软件对其进行安全评价，判定闸墩与闸底板相交处易出现较大拉应力区，最大拉应力为2.5 MPa，超过混凝土轴心抗拉强度标准值；然后通过力学计算进行拉应力复核，得到边墩与闸底板相交处能承受的最大拉应力为4.41 MPa，因而判断水闸安全。本研究应力分析有限元计算结果显示，浑河闸完建期和正常蓄水位期的最大拉应力分别为2.03 MPa、2.93 MPa，均超过强度标准值，但拉应力过大的区域非常小，且在钢筋混凝土材料的抗拉能力承受限度内，参考文献[15]拉应力复核方法，得到浑河闸缝墩与闸底板相交处能承受的最大拉应力为4.58 MPa，大于两种工况的最大拉应力值，所以认为不会对闸室结构整体稳定造成影响。王云[21]、陈立峰等[22]、李壮等[23]研究发现，不同工况下最大应力值有所差别，与完建期相比，正常蓄水位时期结构压应力、局部拉应力有所增大，最大拉应力出现在闸墩上、下游与底板相交处。这与本研究得到的浑河闸最大拉应力出现在闸墩与闸底板相交处、正常蓄水位期最大压应力及拉应力均稍大于完建期的结论一致。

本研究结果表明，不同工况下一、三主应力的变化趋势大致相同，应力变化规律与实际情况基本相符。完建期、正常蓄水位期最大拉应力分别为2.03 MPa 和2.93 MPa，均出现在缝墩与闸底板相交处的外侧，两种工况最大拉应力均超过C25混凝土轴心抗拉强度标准值1.78 MPa，但拉应力过大区域仅出现在个别节点，且满足拉应力复核计算结果要求，参考其他学者的研究成果，判别此问题不会影响水闸结构整体稳定性。在水闸运行中，可采取控制上、下游水位差等措施调整该区域受力状态。完建期、正常蓄水位期最大压应力值分别为3.41 MPa和5.14 MPa，均小于C25混凝土轴心抗压强度16.7 MPa。正常蓄水位与完建工况相比，闸室整体受到的压应力和拉应力稍有增大，可能是由于受到水压力、扬压力等荷载共同作用所致，正常蓄水位工况为应力控制工况。正常蓄水位期和完建期闸室竖向位移在距离闸墩上游侧5～9 m处最大，从此处向上、下游侧闸室竖向位移逐渐减小，且上游沉降量均大于下游侧。完建期闸墩上下游沉降差为0.17 cm，小于正常蓄水位期的沉降差0.67 cm。这是由于闸室上部结构布置偏向上游侧，此外，正常蓄水位期上游除受到自重外，还受到水重作用，而下游无水，在多种荷载共同作用下导致正常蓄水位时期上下游沉降差增大。正常蓄水位期和完建期的竖向最大位移分别为13.83 cm 和13.40 cm，正常蓄水位期沉降略大，但二者相差不多，这是由于水闸结构本身的自重和上部结构的重量是引起闸室竖向位移的主要因素。同时，由于此闸室采用整体式闸底板，因而闸室垂直于水流方向沉降均匀，顺水流方向上、下游存在沉降差。完建期闸室向上游移动，移动范围为0.04～0.11 cm；正常蓄水位期除闸底板底部外，闸室整体向下游移动，移动范围为0～0.3 cm，闸底板向上游偏移的最大值为0.02 cm。两种工况下闸室沿上下游方向位移的差别是由水平水压力产生的，换言之，上下游水位差越大，闸室向下游偏移量越大。完建期和正常蓄水位期的闸室抗滑稳定性、基底应力和不均匀系数均满足规范要求。