一種新型裝配式涵閘在農田水利工程規劃設計中的應用探討

仲崇剛

（博樂市水利管理站小營盤水管所，新疆 博樂 833400）

農田水利工程是發展現代化農業的基礎，做好農田水利工程建筑物的設計工作對于充分、高效地發揮其功能具有重要意義。裝配式建筑物具有工期短、質量可靠、環保高效等特點，在農田水利工程中發揮著越來越重要的作用；涵閘是農田水利取水、輸水以及灌區工程中最常見的建筑物形式之一，其數量多、規模小、結構簡單，實行裝配式安裝能夠大大提高其在工程中的施工和安裝效率，節約工程成本。因此，設計一種安全、可靠、簡易的裝配式涵閘對于農田水利工程的發展具有重要的現實意義[1～5]。

裝配式建筑物集設計標準化、生產工廠化以及施工裝配化等一系列特點，從而帶來低成本、高效率的優點[6]；馮佳佳等以Ansys分析軟件為基礎，對農田水利渠道的最佳尺寸進行了對比分析[7]；楊明會以遼寧省某灌區田間涵閘為例,對裝配式涵閘洞首結構的強度和穩定性進行了初步分析[8]；孫國梅則對涵閘混凝土的最佳配合比問題進行了分析，并得出最佳配比為：粉煤灰：硅粉：發泡劑=20∶9∶1的泡沫混凝土[9]。

本文在總結前人研究理論和經驗的前提下，提出了一種新型裝配式涵閘，并對其穩定可靠性進行探討。

1 涵閘結構設計

1.1 拆分原則

為達到裝配式構件預制、運輸以及安裝等綜合要求，裝配式涵閘拆分原則應遵循如下原則：（1）平面形狀。要注意平面長寬比、寬高比的合理性，局部突出或者凹入的尺寸應該嚴格控制，質量、剛度等參數需盡量分布均勻，形狀盡可能要保持簡單、規則、對稱。（2）豎向布置。各構件要保證豎向的規則和均勻，承受豎向力的構件其截面尺寸、剛度應從上往下逐漸加大并保持對稱。（3）構件劃分。需考慮構件整體受力合理性和連接的簡易性，少規格、多組合，配筋種類取消而直徑取大并保證對稱配筋[10]。

1.2 構件拆分

根據上述劃分原則，對常用涵閘的基本組成部分進行劃分，在滿足運輸要求和安裝簡便的前提下，將涵閘拆分為8個構件：底板、翼墻、上游擋墻、平臺、閘門、下游擋墻、涵管以及涵管墊塊，各構件及涵閘的形狀見圖1。從圖中可以看到，各構件基本滿足對稱、均勻、規則等特性。

圖1 各拆分構件示意圖

1.3 連接方式

裝配式建筑物的連接方式關系著建筑物的耐久性、穩定性和止水效果等特性，一般而言，裝配式建筑物的連接方式主要分為兩類，一類是干連接，主要包括螺栓連接、焊接、企口連接、預應力連接、機械套筒連接等等；另外一類則是濕連接，主要包括漿錨連接、灌漿拼裝以及樺式連接。從經濟性、安全性、操作性等綜合考慮，對文中所涉及的構件設計采取以樺式接頭和螺栓連接為主，并在適當位置輔以橡膠墊止水，減少構件之間的剛性接觸。各主要構件設計的連接方式見表1。

表1 構件連接方式選擇

2 結構及穩定性分析

2.1 尺寸確定

以控制600畝灌溉面積為例，設計過水流量為0.4 m3/s，上游水深為1.0 m，下游水深為0.9 m，閘底高程取實際應用時的渠底高程，滲徑系數取6.0，則防滲長度為6.0 m；圓管涵直接為80 mm，考慮到機械下田等多種因素，將圓管涵長度設計為6.0 m，綜合考慮沖刷影響，將上下游底板的長度統一設置為2.4 m；閘門高度設計為1.3 m，安全提升高度為1.1 m，則擋墻高度為1.3+1.1=2.4 m；翼墻前端高度為0.6 m，與擋墻接觸側高度為2.4 m，混凝土標號為C30。該新型水閘的三視圖見圖2。

圖2 裝配式涵閘整體尺寸構造示意

2.2 位移分析

采用Abaqus三維數值分析軟件，對涵閘在完工無水和正常運行兩種狀態下的位移特性進行分析，主要包括豎向沉降和橫向位移分析，其結果見圖3。從圖中可以對比看到：在完工無水即靜荷載作用下，涵閘的最大沉降位移位于涵管墊塊處，最大橫向水平位移位于底板下游端；在正常運行期間下，最大沉降位移的位置發生改變，位于上游擋墻端，最大橫向水平位移也發生在下游底板端。

圖3 位移分析結果

為了進一步分析兩種工況下位移量的大小，對其進行了統計見表2。從表中數據可以看到：完建期的豎向位移明顯大于正常使用狀況下的豎向位移，而完建期的水平位移則是小于正常使用工況；完建期工況下，豎向最大位移為1.82 mm，最小值為1.38 mm，沉降差為0.44 mm，水平最大位移為0.25 mm；正常使用工況下，豎向最大位移值為僅為0.34 mm，最小值為0.13 mm，沉降差為0.21 mm，而水平最大位移值為0.34 mm；農田水利涵閘設計中，地基最大沉降量允許值為30 mm以內，最大沉降差不超過20 mm，可見文中設計的裝配式涵閘整體穩定性較好，滿足相關規范要求。

表2 不同工況位移分析

2.3 應力分析

對兩種工況下的應力情況進行分析，見圖4。從圖中可以看到：在完建期工況下，最大拉應力發生在墊塊處，最大主壓應力發生在管涵處；在正常使用工況下，最大拉應力和最大主壓應力也發生在墊塊和管涵處，可見工況的改變并不會改變最大應力的位置，僅會對應力值大小產生影響。

圖4 應力分析結果

同理，對兩種工況下的應力值進行統計分析，見表3。從表中可以看到：完建和正常使用工況下的最大拉應力分別為0.66 MPa和0.25 MPa，管涵處的最大主壓應力值分別為1.11 MPa和0.48 MPa；C30混凝土最大允許拉應力為0.572 MPa，最大允許主壓應力為9.295 MPa，因此兩種工況的最大應力值均在設計混凝土強度允許值范圍類，滿足規范要求。

表3 不同工況應力分析

2.4 整體穩定性分析

裝配式涵閘主要受到土壓力、水壓力、揚壓力、重力等作用，因此，對正常使用工況下的垂直力和水平力進行分析，見表4。利用表中數據，分別計算閘室基底的抗滑穩定系數Kc和抗浮穩定安全系數Kf：

式中：f表示滑動摩擦系數，取值為0.4；∑G表示垂直方向應力，kN；∑P表示水平方向應力，kN；[Kc]表示抗滑穩定安全系數，取值為1.2；∑U表示揚壓力，kN。

經校核計算得到：Kc=1.2，Kf=6.3≥1.1，可見，本裝配式涵閘的抗滑穩定性和抗浮穩定性均滿足設計規范要求。

表4 正常運行期荷載計算

3 結論

以工程實際運用為目的，設計一種新型的裝配式涵閘并對其進行了不同況下的應用分析，得到如下結論：

（1）完建期工況下，涵閘的最大沉降位移位于涵管墊塊處，在正常運行期間時位于上游擋墻端，兩種工況下的最大橫向水平位移均發生在下游底板端，最大位移值均滿足規范要求。

（2）兩種工況下，最大拉應力和最大主壓應力均發生在墊塊和管涵處，但在設計混凝土標號C30下，均滿足強度要求。

（3）正常使用時，抗滑穩定系數Kc和抗浮穩定安全系數Kf分別為1.2和6.3，滿足設計規范要求。

（4）根據分析結果認為本文設計的裝配式涵閘具有良好的結構穩定性，值得在農田水利工程中推廣運用。