闸站结合工程布置方案比选研究

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；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φ的相关系数；I1为应力第一不变量；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μ来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3～4。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(0．15g) 表3 结构材料计算参数部位材料名弹性模量/MPa泊松比容重/(kN·m-3)闸站结构C20混凝土2．20×1040．16725．0 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，