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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