北方寒区水库闸门金属结构冰冻荷载压力模拟研究

李 升

(辽宁省营口水文局，辽宁 营口 115003)

北方冬季温度较低，对于大中型水库而言冬季水闸不采取有效的防范措施会使得其金属结构遭到一定程度的破坏[1]。冬季闸门、拦污栅等金属结构受水面冰层产生巨大推力影响其结构安全[2]。SL 74—2013《水利水电工程钢闸门设计》规定寒冷地区的闸门、拦河坝以及其它水工建筑物不得承受冰的静压力[3]。寒区水库冬季运行期间，由于水位、气温的变化冰层会对其结构产生静压力，加大闸门的荷载，当压力达到千兆帕时会对闸门造成巨大的危害，导致闸门、闸门支臂、主梁、拦污栅等金属结构受压受损变形，结构强度或遭受破坏，闸门及埋件结构因气温较低，易发生脆性断裂破坏，影响闸门开启[4]。启闭设备的控制系统遭受冰冻破坏，钢丝绳被冰剪断破坏，液压油流动不畅，影响闸门启闭[5]。水库中漂浮的冰层或冰块，在风力或水流推力作用下对闸门产生撞击力。气温回升冰层与闸门受膨胀压力影响牢固冻结后，闸门冰荷载影响程度较大[6-11]。尤其是两种静冰和动冰压力综合影响会使得水库闸门的破坏可能性大大增加[12-14]。为模拟不同冰荷载作用下闸门破坏情况，开展不同类型冰荷载作用下闸门有限元模拟研究，以浑水闸进水闸和大伙房泄洪洞出口工作闸门为例，计算其在动冰压力、静冰压力和内部冰膨胀压力下的应力和变形情况，并与设计水位下的应力和变形情况和实际测量值进行对比，实现冰冻破坏的定量计算，首次实现内部冰膨胀压力的有限元数值模拟，为工程设计和运行管护提供参考。

1 冰荷载的确定

1.1 动冰压力大小的确定

闸门动冰压力根据GB/T 50662—2011《水工建筑物抗冰冻设计规范》规范进行计算，计算公式为：

(1)

式中，Fi1—水库闸门受冰块撞击产生的压力值，MN；ν—冰块撞击的速率，m/s，一般情况下在试验现场进行流速的测定，对于水库而言按照3%最大风速值确定冰块撞击的速率，对于辽宁地区的水库而言其冰块撞击速率一般取值不高于0.6m/s；δi—流动冰块的宽度，m，通常情况下其取值为0.7～0.8倍流动冰块的最大宽度值，初期按照最大流动冰块宽度进行取值；A—流动冰块整体冰面的面积，m2；fic—按照现场水流测定情况确定的冰块的抗压强度，MPa，本文取值为0.3MPa，河流流冰初期可取0.45MPa，流冰后期高水位时可取0.3MPa。对于浑水闸进水闸算例，冰块运动速度按0.6m/s计算，流冰厚度参考规范中国河流平均最大冰厚图中相关数据取1m，冰块面积按进水闸闸门宽度乘以闸墩前段距离闸门距离的乘积即6m×5m=30m2，冰的抗压强度取0.3MPa。

1.2 静冰压力大小的确定

根据GB/T 50662—2011规定，闸门不应承受静冰压力。可模拟极端工况下闸门的静冰压力。水平方向受冰层升温膨胀其闸门静冰压力可按照不同冰块厚度查表1得到。

表1 不同冰厚静冰压力值

1.3 计算模型及参数

为模拟不同类型冰压力对闸门金属结构的破坏，结合工程实际破坏情况，采用文献[15]中的有限元数值模拟模型对浑水闸进水闸和大伙房泄洪洞出口工作闸门进行有限元数值模拟。

(1)浑水闸进水闸。浑水闸进水闸为开敞式平板钢闸门，闸门结构形式为板、梁组合结构，闸门尺寸为5.20m×6.00m。根据其受力特点，考虑计算精度要求，对可以扫略的部分采用扫略方法划分六面体网格，对不能扫掠划分的部分采用协调分片算法划分四面体网格。计算模型节点总数为154485个，单元总数为40425个。闸门主要构件的材料为普通低碳钢A级，材料的弹性模量取用E=2.06×105MPa，泊松比取用μ=0.30，容重γ=78.5kN/m3。

(2)大伙房泄洪洞出口工作闸。大伙房泄洪洞出口工作闸为潜孔式平面滑动钢闸门，闸门形式为板壳结构，闸门尺寸为3.66m×3.75m。根据其受力特点，考虑计算精度要求，对可以扫略的部分采用扫略方法划分六面体网格，计算模型节点总数为25368个，单元总数为5684个。闸门主要构件的材料为普通低碳钢A级，材料的弹性模量取用E=2.06×105MPa，泊松比取用μ=0.30，容重γ=78.5kN/m3。

2 浑河闸进水闸冰冻荷载应力模拟

2.1 不同工况荷载设置

进行3种工况下的闸门有限元模拟，分别为静水工况、动冰工况和静冰工况，各种工况具体荷载情况如下：

(1)静水工况：设计水位36.00m，闸底高程33m，设计水头3m。

(2)动冰工况：动冰厚度1m，动冰压力F=126kN，冰下水位2m。

(3)静冰工况：静冰厚度1m，静冰压力P=245kN/m，冰下水位2m。

2.2 不同工况应力与变形

对浑水闸进水闸3种工况下应力与变形情况进行汇总分析，在3种工况下闸门的应力和变形模拟值均小于许用值，满足规范和设计要求，具体数据见表2。

在静冰工况下，应力模拟值为设计工况下的3.4倍，变形模拟值为设计工况下的3.6倍；应力模拟值为许用值的86.5%，变形模拟值为许用值的62%。在此工况下，钢闸门应力和变形相比设计工况均大幅提高，已超过许用值的2/3以上，闸门结构面临变形损坏的危险，因此冬季运行时应极力避免闸门前结冰情况。

3 大伙房出口闸冰冻荷载应力模拟

进行1种工况下的闸门三维有限元模拟，即内部空腔存水结冰情况下闸门受力和变形情况，水结冰压力P=36.26MPa，作用位置为闸门内部空腔。对泄洪洞出口闸在空腔水结冰膨胀作用下应力、变形情况的模拟值和实测值进行对比分析，具体结果见表3。

表3 泄洪洞出口闸应力与变形一览表

闸门变形模拟值与实测值偏差不大，主梁和面板的等效应力仿真值均超过了许用值，不满足规范和设计要求；主梁的变形的仿真值和实测值均不满足规范和设计要求。结合现场检测实际情况，闸门背水侧翼缘发生大的变形，后期通过融冰措施排出空腔内部积水，由于变形处于材料弹性变形阶段，闸门在冰融化排水后变形自动恢复，恢复后的变形量满足规范和设计要求。

4 主要结论

(1)闸门在冻冰压力下应力和变形相比于设计工况变化不大，在静冰压力下应力和变形都接近许用值，在水结冰膨胀压力下应力和变形都超过许用值，因此在水库在冬季放流过程中或春季开江阶段应避免流冰对闸门产生撞击。

(2)水库冬季运行时，要严禁闸门前水体冰封对闸门产生静冰压力，还要注意检查闸门梁板结构的排水孔是否堵塞、空腔内是否留存积水，避免动冰压力、静冰压力和水结冰膨胀压力给闸门等金属结构造成破坏。

(3)本文对静冰厚度对北方地区水库闸门金属冰冻荷载压力影响未进行研究，存在不足，在后续的研究中应重点关注静冰厚度的影响。