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1、闸站结合工程布置方案比选研究（1.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州225009； 2.扬州市水利局，江苏 扬州225009）摘要：闸站 结合布置型式在水利工程中应用较为广泛，但在其运行过程 中结构的相互影响关系较为复杂。以扬州市黄金坝闸站结合 工程为例，拟定3种布置方案，运用ABAQUS有限元软件 计算各类工况下的结构位移场和应力场。对各类布置形式下 结构位移和应力的对比研究表明：闸站一体布置方案可以最 大程度地降低闸站的总宽，工程量较小，且整体稳定性较好。 经综合分析，确定该方案为较优的闸站结合布置型式。计算 成果对今后闸站结合工程设计具有参考意义。关 键词： 有限元；位移场；应力场
2、；方案比选；闸站结合工程 水 闸和泵站是水利工程中常见的两种水工建筑物，通过水闸闸 门启闭，可以实现拦洪、挡潮、泄洪、排涝等多种功能；在 有引水或调水要求时，水闸闸门关闭，往往会用水泵从水位 较低一侧向另一侧抽水，因而常将泵站与水闸进行联合布置 以实现功能的互补。工程中这种闸站结合的布置形式能够提 高排涝和引水的保证率，在工程经济方面具有较高的性价 比，近年来得到较为广泛的应用1。张振华等结合工程实例 对闸站结合工程的结构安全进行了校核2，陆银军等从改善 水流流态的角度对闸站结合布置进行了优化设计3，但目前 基于结构安全的角度对闸站结合工程进行布置方案比选的 研究较少。在对水工建筑物进行前期设
3、计和运行期安全校核 时，常运用有限元计算软件对其进行安全评估4-5，其中 ABAQUS软件在水工建筑物结构计算中运用较为广泛6-7。 本文以扬州市黄金坝闸站工程为例，拟定3种布置方案，运 用ABAQUS软件对各类工况下闸站的位移和应力状态进行 比较分析，确定最优布置方案，为今后闸站结合的工程设计 提供理论参考。1工程概况 黄金坝闸站位于扬州市城北 乡，邗沟河与古运河交界处向西约140 m。闸站采用拦河式 布置，南侧布置一座套闸，闸站的北侧布置泵站，泵站采用 块基式结构，闸站顺水流方向全长24 m，垂直于水流方向总 宽30.6 m。黄金坝闸站泵站设计引水流量为18 m3/s，共设4 台机组，泵站
4、底板面高程0.5 m，泵室顶面高程为7.0 m。套 闸闸室净宽6.0 m，套闸边墩厚1.0 m，闸室底板面高程与河 底同高为2.5 m。根据地勘报告在钻深范围内所揭示的地层， 工程地质情况自上而下为：第1层。人工堆土，灰色中、重 粉质壤土，土质不均。第1-1层。淤泥，灰黑色，含大量腐 植物，仅河道底部分布。第2层。淤泥质重粉质壤土夹沙壤 土，容许承载力R=70 kPa。第3层。重粉质沙壤土，容许 承载力R=160 kPa。第4层。粉质黏土，容许承载力R=260 kPa。该工程底板位于第4层粉质黏土上。2方案比较 拟 考虑3种布置方式，分别如下所述。（1）方案一。采用闸站 一体的方案，套闸跟泵站
5、连为一体，套闸与泵站共用一块底 板及一个边墩，套闸底板设置空箱结构，如图1(a)所示。(2) 方案二。采用闸站分离的方案，泵站跟套闸不在同一底板上， 泵站底板底高程为-1.5 m，套闸底板底高程为1.5 m，泵站与 套闸之间设置分缝，如图1(b)所示。(3)方案三。方案三与 方案一的结构类似，但采用闸站分离方案，泵站跟套闸不在 同一底板上，泵站与套闸之间设置分缝，如图1(c)所示。方 案一的优点为闸站一体，减少上部结构分缝，最大限度地降 低了垂直于水流方向的总宽度，节约了空间。缺点是，相对 于方案二，增加了闸底的开挖量，结构布置及受力情况不对 称，对地质条件要求较高。方案二的优点为采用分离式布
6、 置，闸站基础分离，相对独立，受力相对简单明确。缺点是 闸站底板高程相差3.0 m，站底板的施工势必会对闸底土质 造成不良的影响，必须对闸底进行必要的处理，其次由于闸 站分离，彼此不能共用边墩，造成整个建筑垂直于水流方向 的总宽相对要宽1.0 m，对于上部建筑必须在闸站分缝处设 置分缝。方案三受力与方案二类似，相对简单明确，闸站 底板同高，不需地基处理，缺点与方案二相同，增加了闸底 的开挖量。按照各方案的布置方法，计算整个工程的主要 工程量，具体见表1。表1主要工程量汇总方案挖方/万m3 填方/万m3合计/万m3混凝土/万m3高压灌浆/m3 一2. 3120. 6943. 0060. 9050
7、 二 2. 3660. 7803. 1460. 922691. 2 三2. 3660. 7103. 0760. 9350由表1可知：方案一的土方 量和混凝土工程量最小；方案二土方量最大，且地基需要高 压灌浆，施工繁琐；方案三所需混凝土工程量最大。3结 构计算模型分析3.1本构模型选取土体属于弹塑性材料， 弹塑性材料的一个显著性特点是应力超过屈服点后，应力应 变关系呈非线性，且加载与卸载的路径不一样。地基土材料 和回填土考虑成Drucker-Prager屈服准则的弹塑性材料， Drucker-Prager屈服准则为(1)式中，a和k分别为岩土材 料的凝聚力c和内摩擦角Q的相关系数；I1为应力第一
8、不变 量；J2为应力偏张量第二不变数。式(1)中各变量按式(2)-(5) 进行计算(2) (3) (4) (5) 3.2接触面处理ABAQUS软 件中接触面状态可分为有粘结状态和滑移状态。理想状况 下，在滑移状态前接触面没有剪切变形，但会带来数值计算 的困难。因而，ABAQUS引入“弹性滑移变形”的概念，即 表面粘结在一起时允许发生的少量相对滑移变形。ABAQUS 会根据接触面上单元的长度确定弹性滑移变形，然后自动选 择罚摩擦函数计算方法中的刚度。本文中模拟接触面之间的 法向行为采用ABAQUS软件中“硬”接触法向模型，模拟 接触面间的切向行为时采用ABAQUS中的库仑模型，采用 摩擦系数p来
9、表征两个表面间的摩擦行为。在接触模拟中使 用单纯主从接触算法，在定义接触对时，结构底板作为主控 接触面，地基作为从属接触面。图1各方案结构布置(单位： cm) 3.3计算模型为了对闸站工程整体结构的受力和位移 状态有一个比较全面的了解，在结构两对称位置处各取11 个典型点，采用三维有限元软件ABAQUS对3种方案结构 的沉降、应力情况进行分析比较，具体取点所在位置见图2。 图2典型点对应位置3.4基本荷载和材料特性模型施加的 荷载主要包括固定荷载、回填土荷载、水荷载和地震荷载。 固定荷载主要考虑闸站结构自重；根据水工建筑物荷载设 计规范(DL 5077-1997)8，墙后水平土压力按主动土压力
10、 计算，边荷载按垂直土重计算；水荷载的加载工况见表2， 主要考虑水平水压力和扬压力；地震荷载主要考虑地震水平 惯性力及其地震动水压力及动土压力，设计烈度按7计算。 闸站结构和地基材料性质及力学参数见表34。表2计算 工况及水位工况上游水位/m下游水位/m说明一 6. 275. 05 运行水位二6. 445. 30最高水位三6. 275. 05地震期(015g) 表3结构材料计算参数部位材料名弹性模量/MPa泊松比容 M/(kN 皿-3)闸站结构 C20 混凝土 2. 20X1040. 16725. 0 注： 容许拉应力为0.440 MPa，容许压应力为6.240 MPa表4地 基材料计算参数部
11、位材料名压缩模量/MPa泊松比湿容重/(kN m-3)容许承载力/kPa地基粉质黏土 17. 00. 3019. 0260 4计算结果分析及比较4.1结构位移分析由于篇幅有限， 以下仅列出3种方案在工况三条件下的闸站结构沉降云图， 见图3。根据求得的闸站结构在各种工况下的沉降分布图， 读出云图中结构的最大沉降值，其分布情况见图4(时；为了 更直观地分析顺水流方向结构在同一高程上的沉降情况，读 出点122的沉降值，计算出上下游两侧11组对称点(如点 1与点12,以此类推)的沉降差值，其分布情况见图4(b) 4(d)。由沉降云图可知，闸站结构沉降不均匀，这是由于闸 站结构复杂的受力特点引起的，结构
12、受到不同大小及方向的 荷载，使得底板对地基各部位的压应力不同，从而会产生不 均匀沉降。方案一在各工况下的沉降值为19.7030.16 mm， 方案二为22.5135.66 mm，方案三为15.7331.82 mm，其 中方案一的沉降值范围最小，沉降较均匀，方案三沉降值范 围最大，3种方案的沉降值均小于水闸和泵站的规范允许值 9。在不同工况下，结构最大沉降值发生的位置有所不同， 这主要是因为上下游水位的变化以及水平地震力的作用，使 得水平力的大小和方向发生了改变。根据图4(a)，在各工况 下，方案一由于结构未分缝，沉降均匀，最大沉降值相对较 小；方案二结构发生错缝，沉降值最大。各方案在工况一下
13、沉降值较大，在工况二下沉降出现极小值，这是因为工况二 上下游水位均较大，扬压力最大，故此时沉降量最小。图3 闸站结构竖向位移(沉降)分布(单位：m)根据图4(b)、(c)、 (d)分析结构顺水流方向两侧同高程对称点处的位移差值情 况。在工况一、二条件下，方案二结构同一高程位移差最小， 而在工况三也即地震工况下，方案二沉降差最大，可知方案 二在地震工况下底板会产生较大的不均匀沉降。方案一各工 况下同高程位移差分布范围较小，结构不均匀沉降情况相对 较好。各方案同一高程上沉降差最大值为3.481 mm，满足规 范要求9。4.2结构应力分析根据计算结果的应力云图进 行分析，限于篇幅，仅列出工况三的闸站
14、结构第一主应力云 图，见图5。正号表示拉应力，负号表示压应力。3种方案 的第三主应力云图见图6。各方案的地基应力最大值均发生 在地震工况，其中方案一地基应力最大值为103.9 kPa，方案 二为88.7 kPa，方案三为93.2 kPa。方案一的地基应力最大， 但仍小于地基容许承载力R=260 kPa。根据求得的闸站结 构在各种工况下的应力云图，读出各方案结构底板最大主拉 应力值，绘制其分布曲线，见图7(a)。为了深入分析各方案 的应力分布差异，选择底板面层点即图2中典型点1，2, 3, 6, 8, 11及其对应的底板底层点1,，2,，3,，6,，8,， 11,，读出其第一主应力并进行统计，见
15、图7(b)7(d)。根 据第一主应力云图，方案一各工况下结构底板的最大主拉应 力主要分布在闸底板上游段底层，最大值为1.335 MPa ；方 案二最大主拉应力分布在泵房底板上游段底层，最大值为 1.054 MPa ；方案三最大主拉应力分布在闸底板下游段底层， 最大值为1.188 MPa。由图7(a)可知，3种方案均在工况三即 地震工况出现最大拉应力的极大值。方案一闸站一体，由于 两部分受力差异较大，产生相互作用力，最大主拉应力值相 对偏大，方案二主拉应力值最小。3种方案底板最大主拉应 力值均大于混凝土允许抗拉强度值，结构需配筋。图4闸 站结构位移分布（单位：mm）图5闸站结构第一主应力分布 （
16、单位:Pa）图6闸站结构第三主应力分布（单位:Pa）图7闸 站结构应力分布（单位：MPa）根据图7（b）、（c）、（d）可知， 各工况下应力分布趋势相同，拉应力极值出现的部位一致。 方案一拉应力极大值amax=0.607 MPa发生在点3,，即闸 站底板底层连接处，方案二、三此处分缝，所以有效避免了 应力集中。在各工况下，方案二的主拉应力值较小，可减少 结构配筋率。由结构的第三主应力分布云图可知，各方案 结构最大主压应力为1.597 MPa，远小于混凝土抗压强度允 许值，结构受压安全。5结论与建议在水工建筑物设计过 程中，闸站结合布置型式因功能完备、性价比高等优点而得 到广泛应用。本文以黄金坝闸站工程为例，计算3种闸站结 合布置方案的主要工程量，并采用ABAQUS有限元软件对 各方案进行有限元分析，得到不同工况下的结构位移场和应 力场，计算结果表明： 方案一闸站总宽最小，所需土方 量和混凝土工程量最小，方案二土方量最大，且地基需要高 压灌浆，施工繁琐，方案三所需混凝土工程量最大；3种 方案的沉降
