高陂水利枢纽船闸闸室应力特性分析
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室底板、 闸室边墙内侧和输水廊道内壁的荷载为高水
水压力、 土压力和地震作用力等ꎮ
有限元模型整体坐标系规定如下: 闸室轴线方向
头产生的静水压力及地震动水压力ꎬ 闸室边墙外侧承
为 Ｘ 方 向ꎬ 垂 直 闸 室 轴 线 为 Ｙ 方 向ꎬ 竖 直 为 Ｚ 方
受低水头产生的静水压力及地震动水压力ꎮ 在这些荷
向 [７] ꎮ 闸室有限元模型见图 ２ꎮ 模型计算信息见表 １ꎮ
约束 Ｘ、 Ｙ、 Ｚ 方向的位移ꎬ 基岩侧面约束法向位移ꎬ
根据止水铜片位置和填土情况施加自重、 扬压力、 静
表 ３ 回填土计算参数
材料
砂砾石回填土
干容重
浮容重
/ ( ｋＮ / ｍ )
/ ( ｋＮ / ｍ )
３
１５ ８
３
泊松比
９ ７８
０ ３７
摩擦角
/°
２７ ８
３ ２ 计算成果及分析
船闸运行期遭遇地震ꎬ 闸室内高水位工况时ꎬ 闸
船闸结构和地基结构均采用线弹性材料ꎬ 材料计
算参数根据规范和工程实际情况选取ꎮ 混凝土材料、
地基及船闸周围填土参数见表 ２ ~ ３ꎮ
表 ２ 材料计算参数
材料
钢筋混凝土
地基
５２
重度 / ( ｋＮ / ｍ３ ) 弹性模量 / ＧＰａ
２５
２５ ５
２８
１５
泊松比
０ １６７
０ ３
图 ４ 剖面截取位有限元法将闸室结构和地基连在一起ꎬ 组成结构
与岩体共同作用的有限元模型ꎮ 作用于闸室上的荷载
先划分到单元重心ꎬ 然后按照虚功相等原理转换为节
点荷载ꎬ 将单元刚度矩阵组集为闸室的整体刚度矩阵ꎬ
单元荷载矩阵组集为闸室的整体节点荷载列阵ꎬ 考虑
位移边界的约束条件后ꎬ 求解闸室的整体平衡方程ꎮ
３ 有限元计算成果
计算程序采用有限元分析软件 Ａｎｓｙｓꎮ 有限元模
收稿日期: ２０１９ － ０４ － １０ꎻ 修回日期: ２０１９ － ０６ － ０３
作者简介: 张亚彬(１９９０ － ) ꎬ 男ꎬ 硕士ꎬ 助理工程师ꎬ 从事水工设计工作ꎮ
５１
２０２０ 年 ３ 月 第 ３ 期
Ｎｏ ３ Ｍａｒ ２０２０
张亚彬: 高陂水利枢纽船闸闸室应力特性分析
型采用 ｓｏｌｉｄ９５ 单元ꎬ 划分六面体计算网格 [５] ꎮ 主要研
究船闸闸室运行条件下遭遇地震ꎬ 在自重、 静水压力、
扬压力、 土压力及地震作用下的应力分布情况
[６]
ꎮ
船闸闸室在进行有限元分析时ꎬ 选取一个结构分
段 ２０ ｍꎬ 考虑地基作用ꎬ 建立有限元模型ꎮ 模型底端
２０２０ 年 ３ 月 第 ３ 期
Ｎｏ ３ Ｍａｒ ２０２０
广东水利水电
在闸室输水廊道下部折角处ꎬ 出现局部的应力集中现
象ꎬ 但拉应力数值较小ꎬ 约为 １ ３ ＭＰａꎮ
通过分析ꎬ 闸室底板较薄ꎬ 输水廊道尺寸较大ꎬ
输水廊道上部区域与闸室边墙内角连通形成较大范围
的拉应力区ꎮ 由于输水廊道采用分散式出口ꎬ 在靠近
３８ ９ ｍꎬ 下游最低通航水位 ２４ ００ ｍ 考虑 [３] ꎮ
船闸闸室尺寸为 ２００ ｍ × １８ ｍ( 长 × 宽) ꎬ 口门宽
为 １６ ｍꎬ 闸 室 底 板 高 程 为 １９ ３５ ｍꎬ 闸 室 底 板 内 设
ꎮ 在解析法的计算过程中ꎬ 简化了闸
１０ ｍ × ３ ｍ ( 宽 × 高) 输 水 廊 道ꎬ 廊 道 中 间 设 置 一 道
载共同作用下ꎬ 闸室第一主应力云图示意见图 ３ꎮ 按
照图 ４ 所示截取剖面ꎬ 分析第一主应力( 拉应力) 在闸
室横断 面 上 的 分 布 情 况ꎬ 第 一 主 应 力 等 值 线 示 意 见
图 ５ ~ ６ꎮ
图 ２ 闸室有限元模型示意
图 ３ 闸室第一主应力云示意
表 １ 上闸首有限元模型信息
模型
单元类型
响ꎬ 拉应力的分布规律、 范围及数值均将改变ꎬ 应采取必要的工程措施保证结构安全ꎬ 可为类似工程的船闸闸室提供
参考ꎮ
关键词: 闸室ꎻ 输水廊道ꎻ 有限元ꎻ 应力分布
中图分类号: Ｕ６４１ ３ ＋ １ꎻ ＴＶ６１ 文献标识码: Ｂ 文章编号: １００８ － ０１１２(２０２０)０３ － ００５１ － ０３
中ꎬ 对于厚度较薄且布置有输水廊道和出水口的闸室
闸室设有横向结构缝ꎬ 间距为 ２０ ｍ[４] ꎮ 闸室结构见图 １ꎮ
基梁进行计算
[１]
室结构与岩基间的共同作用ꎬ 且结构均处于平面体系
底板ꎬ 解析法无法考虑其三维受力特性ꎬ 不符合闸室
３ ２ ｍ × ０ ８ ｍ(长 × 宽)导流墩ꎮ 闸室墙顶高程为 ４１ ４ ｍꎮ
单元形状
闸室
ｓｏｌｉｄ９５
六面体
单元数 / 个
８８ １９４
节点数 / 个
３８０ １９２
３ １ 计算工况及计算参数
考虑在校核洪水和运行情况下ꎬ 均非闸室最危险
工况ꎬ 故本文以地震工况分析船闸闸室应力分布规律ꎮ
船闸地震工况: 水位组合按上游最高通航水位 ３８ ９ ｍꎬ
下游最低通航水位 ２４ ００ ｍ 考虑 [３] ꎮ
第３ 期
２０２０ 年 ３ 月
广东水利水电
ＧＵＡＮＧＤＯＮＧ ＷＡＴＥＲ ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ ＡＮＤ ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ
Ｎｏ ３
Ｍａｒ ２０２０
高陂水利枢纽船闸闸室应力特性分析
张亚彬
( 广东省水利电力勘测设计研究院ꎬ 广东 广州 ５１０６３５)
摘 要: 通过对广东省韩江高陂水利枢纽船闸闸室的有限元分析ꎬ 发现输水廊道的布置会对闸室底板受力产生不利影
结构缝周围闸室底板沿水流方向和垂直水流方向均存
在水位差ꎬ 局部拉应力较大ꎮ 在结构设计中ꎬ 对以上
１ 研究现状
电和航运等综合利用的大型水利工程ꎮ 工程船闸闸室
船闸闸室结构设计有解析法和有限元方法ꎬ 解析
法因方法简单在大部分整体式闸室结构计算中占主要
地位ꎮ 解析法以平面应变问题计算结构内力ꎬ 对于闸
墙按固定于底板上的悬臂梁计算ꎬ 对于底板简化为地
为 ３ 级 建 筑 物ꎮ 船 闸 运 用 情 况 按 上 游 最 高 通 航 水 位
有限元法可以反映各部分的共同作用和相互影响ꎬ 可
以求解船闸结构的静力平衡问题ꎬ 也可以考虑结构的
不规则外形和复杂荷载的影响ꎬ 能够更真实反映闸室
的受力特性 [２] ꎮ
２ 工程概况
韩江高陂水利枢纽工程位于广东省梅州市大埔县
高陂镇上游约 ５ ｋｍ 处ꎬ 是以防洪、 供水为主ꎬ 兼顾发
图 １ 船闸闸室结构剖面示意( 单位: 高程 ｍꎬ 尺寸 ｍｍ)
水压力、 土压力和地震作用力等ꎮ
有限元模型整体坐标系规定如下: 闸室轴线方向
头产生的静水压力及地震动水压力ꎬ 闸室边墙外侧承
为 Ｘ 方 向ꎬ 垂 直 闸 室 轴 线 为 Ｙ 方 向ꎬ 竖 直 为 Ｚ 方
受低水头产生的静水压力及地震动水压力ꎮ 在这些荷
向 [７] ꎮ 闸室有限元模型见图 ２ꎮ 模型计算信息见表 １ꎮ
约束 Ｘ、 Ｙ、 Ｚ 方向的位移ꎬ 基岩侧面约束法向位移ꎬ
根据止水铜片位置和填土情况施加自重、 扬压力、 静
表 ３ 回填土计算参数
材料
砂砾石回填土
干容重
浮容重
/ ( ｋＮ / ｍ )
/ ( ｋＮ / ｍ )
３
１５ ８
３
泊松比
９ ７８
０ ３７
摩擦角
/°
２７ ８
３ ２ 计算成果及分析
船闸运行期遭遇地震ꎬ 闸室内高水位工况时ꎬ 闸
船闸结构和地基结构均采用线弹性材料ꎬ 材料计
算参数根据规范和工程实际情况选取ꎮ 混凝土材料、
地基及船闸周围填土参数见表 ２ ~ ３ꎮ
表 ２ 材料计算参数
材料
钢筋混凝土
地基
５２
重度 / ( ｋＮ / ｍ３ ) 弹性模量 / ＧＰａ
２５
２５ ５
２８
１５
泊松比
０ １６７
０ ３
图 ４ 剖面截取位有限元法将闸室结构和地基连在一起ꎬ 组成结构
与岩体共同作用的有限元模型ꎮ 作用于闸室上的荷载
先划分到单元重心ꎬ 然后按照虚功相等原理转换为节
点荷载ꎬ 将单元刚度矩阵组集为闸室的整体刚度矩阵ꎬ
单元荷载矩阵组集为闸室的整体节点荷载列阵ꎬ 考虑
位移边界的约束条件后ꎬ 求解闸室的整体平衡方程ꎮ
３ 有限元计算成果
计算程序采用有限元分析软件 Ａｎｓｙｓꎮ 有限元模
收稿日期: ２０１９ － ０４ － １０ꎻ 修回日期: ２０１９ － ０６ － ０３
作者简介: 张亚彬(１９９０ － ) ꎬ 男ꎬ 硕士ꎬ 助理工程师ꎬ 从事水工设计工作ꎮ
５１
２０２０ 年 ３ 月 第 ３ 期
Ｎｏ ３ Ｍａｒ ２０２０
张亚彬: 高陂水利枢纽船闸闸室应力特性分析
型采用 ｓｏｌｉｄ９５ 单元ꎬ 划分六面体计算网格 [５] ꎮ 主要研
究船闸闸室运行条件下遭遇地震ꎬ 在自重、 静水压力、
扬压力、 土压力及地震作用下的应力分布情况
[６]
ꎮ
船闸闸室在进行有限元分析时ꎬ 选取一个结构分
段 ２０ ｍꎬ 考虑地基作用ꎬ 建立有限元模型ꎮ 模型底端
２０２０ 年 ３ 月 第 ３ 期
Ｎｏ ３ Ｍａｒ ２０２０
广东水利水电
在闸室输水廊道下部折角处ꎬ 出现局部的应力集中现
象ꎬ 但拉应力数值较小ꎬ 约为 １ ３ ＭＰａꎮ
通过分析ꎬ 闸室底板较薄ꎬ 输水廊道尺寸较大ꎬ
输水廊道上部区域与闸室边墙内角连通形成较大范围
的拉应力区ꎮ 由于输水廊道采用分散式出口ꎬ 在靠近
３８ ９ ｍꎬ 下游最低通航水位 ２４ ００ ｍ 考虑 [３] ꎮ
船闸闸室尺寸为 ２００ ｍ × １８ ｍ( 长 × 宽) ꎬ 口门宽
为 １６ ｍꎬ 闸 室 底 板 高 程 为 １９ ３５ ｍꎬ 闸 室 底 板 内 设
ꎮ 在解析法的计算过程中ꎬ 简化了闸
１０ ｍ × ３ ｍ ( 宽 × 高) 输 水 廊 道ꎬ 廊 道 中 间 设 置 一 道
载共同作用下ꎬ 闸室第一主应力云图示意见图 ３ꎮ 按
照图 ４ 所示截取剖面ꎬ 分析第一主应力( 拉应力) 在闸
室横断 面 上 的 分 布 情 况ꎬ 第 一 主 应 力 等 值 线 示 意 见
图 ５ ~ ６ꎮ
图 ２ 闸室有限元模型示意
图 ３ 闸室第一主应力云示意
表 １ 上闸首有限元模型信息
模型
单元类型
响ꎬ 拉应力的分布规律、 范围及数值均将改变ꎬ 应采取必要的工程措施保证结构安全ꎬ 可为类似工程的船闸闸室提供
参考ꎮ
关键词: 闸室ꎻ 输水廊道ꎻ 有限元ꎻ 应力分布
中图分类号: Ｕ６４１ ３ ＋ １ꎻ ＴＶ６１ 文献标识码: Ｂ 文章编号: １００８ － ０１１２(２０２０)０３ － ００５１ － ０３
中ꎬ 对于厚度较薄且布置有输水廊道和出水口的闸室
闸室设有横向结构缝ꎬ 间距为 ２０ ｍ[４] ꎮ 闸室结构见图 １ꎮ
基梁进行计算
[１]
室结构与岩基间的共同作用ꎬ 且结构均处于平面体系
底板ꎬ 解析法无法考虑其三维受力特性ꎬ 不符合闸室
３ ２ ｍ × ０ ８ ｍ(长 × 宽)导流墩ꎮ 闸室墙顶高程为 ４１ ４ ｍꎮ
单元形状
闸室
ｓｏｌｉｄ９５
六面体
单元数 / 个
８８ １９４
节点数 / 个
３８０ １９２
３ １ 计算工况及计算参数
考虑在校核洪水和运行情况下ꎬ 均非闸室最危险
工况ꎬ 故本文以地震工况分析船闸闸室应力分布规律ꎮ
船闸地震工况: 水位组合按上游最高通航水位 ３８ ９ ｍꎬ
下游最低通航水位 ２４ ００ ｍ 考虑 [３] ꎮ
第３ 期
２０２０ 年 ３ 月
广东水利水电
ＧＵＡＮＧＤＯＮＧ ＷＡＴＥＲ ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ ＡＮＤ ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ
Ｎｏ ３
Ｍａｒ ２０２０
高陂水利枢纽船闸闸室应力特性分析
张亚彬
( 广东省水利电力勘测设计研究院ꎬ 广东 广州 ５１０６３５)
摘 要: 通过对广东省韩江高陂水利枢纽船闸闸室的有限元分析ꎬ 发现输水廊道的布置会对闸室底板受力产生不利影
结构缝周围闸室底板沿水流方向和垂直水流方向均存
在水位差ꎬ 局部拉应力较大ꎮ 在结构设计中ꎬ 对以上
１ 研究现状
电和航运等综合利用的大型水利工程ꎮ 工程船闸闸室
船闸闸室结构设计有解析法和有限元方法ꎬ 解析
法因方法简单在大部分整体式闸室结构计算中占主要
地位ꎮ 解析法以平面应变问题计算结构内力ꎬ 对于闸
墙按固定于底板上的悬臂梁计算ꎬ 对于底板简化为地
为 ３ 级 建 筑 物ꎮ 船 闸 运 用 情 况 按 上 游 最 高 通 航 水 位
有限元法可以反映各部分的共同作用和相互影响ꎬ 可
以求解船闸结构的静力平衡问题ꎬ 也可以考虑结构的
不规则外形和复杂荷载的影响ꎬ 能够更真实反映闸室
的受力特性 [２] ꎮ
２ 工程概况
韩江高陂水利枢纽工程位于广东省梅州市大埔县
高陂镇上游约 ５ ｋｍ 处ꎬ 是以防洪、 供水为主ꎬ 兼顾发
图 １ 船闸闸室结构剖面示意( 单位: 高程 ｍꎬ 尺寸 ｍｍ)