有限元軟件計算下的某穿堤涵閘基礎變形分析

王福家

(遼寧省北票市水務局，遼寧 朝陽 122100)

作為重要的輸水渠道，涵閘常常用來調控水位及調度峰、谷值水位，常用的涵閘不僅在河堤等建筑物中使用，在農田水利中亦會使用。涵閘包括了閘室、涵管及其他擋墻或翼墻，主要為鋼筋混凝土澆筑形成各部分結構，因而，涵閘常常被研究其穩定性與混凝土材料配合比[1- 3]。國內外已有較多學者或水利工程師們利用數值模擬、模型試驗以及室內試驗設計等手段，開展涵閘穩定性研究[4- 5]，較多工程針對于軟土地基沉陷、水工建筑物滲流、閘基處理等方面，極大豐富了涵閘科學研究成果[6- 9]。而在目前我國較多地區涵閘穿越河堤工程，這對河堤滲流場以及涵閘穩定性均是一定的考驗，基于有限元軟件，并結合現場實測數據，分析涵閘穩定性，為此類工程設計處理提供重要的參考價值。

1 工程概況

某泵站為某地區應急排險提供水資源調度，該地區排澇標準設計為10年一遇暴雨，泵站水利建筑物還包括附屬的調度廠房、涵閘、消力池、輸水渠道。其中泵站所屬涵閘設備穿越堤防工程，埋設有涵洞管道，共有3孔，每孔高為2.5m，涵洞底部高程為2.6m，根據功能類型不同，可將該涵閘分為涵洞區、出水區、閘室區、進水區4個部分，如圖1所示。穿越堤防工程區段長度為32.8m，設置有4節箱涵，每節箱涵長度為7.5m，并覆蓋止水薄膜，進水區底板坡度為0.1%，高程低于閘室底板0.3m。穿堤閘室段采用C30混凝土澆筑形成，閘基配備0.4×0.4m的灌注樁，墊層鋪設20cm厚的C20混凝土，樁間距設定為1.8～2.2m，樁長均超過15m，順水流方向施工布置，保證閘基穩定性。

根據水文地質資料表明，堤壩高程為12.8m，修筑有3～4.5m寬的鄉道，壩基位于半風化的花崗巖基上，涵基位于人工填土上，厚度約有2.8m后，下部為淤泥質土，厚度超過15m，土層處于流塑狀態，壓縮模量經室內試驗測定為2.45MPa，再下部還包括有可塑性質的粉質黏土層，厚度約為1.4m，其余松散土層主要為砂礫石，厚度約有4m。由于淤泥質土滲透性較好，對堤身穩定性以及穿堤涵閘的滲透性均是一定的考驗。根據工程地質表明，地下水位位于15m，且下臥土層包括有軟弱土層，因而閘基豎直方向上沉降量勢必需要著重考慮，沉降量過大可能會造成涵閘閘室或涵管結構發生傾覆、滑移。

2 穿堤涵閘穩定性分析

2.1 計算模型及參數

本工程穿堤涵閘數值模擬計算借助MIDAS軟件，采用實體單元建模，巖土層選擇線性變形單元體，變形模量及力學參數均由室內試驗得到，土體在壓縮過程中變形模量持續處于動態變化中，因而采用線彈性理論來解釋土體變形是可行的[10- 11]。

圖1 涵閘幾何形態

涵管及涵閘其他部分結構，以梁單元體作為變形基本體，六面體單元設置，模型邊界荷載約束以實際荷載輸入，共獲得單元體個數220622個，41830個節點，閘室墊板及其他混凝土材料制作物均選用梁單元體，涵管表面設置為四個自由度變形。由于閘基為復合地基，因而灌注樁以實際長度倒置的梁單元體為變形量。結合各部分結構體，獲得整體模型圖，如圖2所示。

涵閘各部分物理力學參數為：涵管彈性模量為25000MPa，密度為2.5g/cm3；止水縫彈性模量為10kPa，灌注樁的彈性模量為5000MPa，密度為2.5g/cm3；土體主要包括了人工筑填土、淤泥土、砂土，彈性模量依次為9.5、5.2、25MPa，密度選擇1.6～1.8g/cm3；基巖彈性模量為80MPa，密度為2.2g/cm3；所有材料泊松比依次可設定為0.25～0.35。涵管及處理后復合閘基，施加邊界載荷參數后的數值模型如圖3所示。

圖2 數值模型圖

圖3 施加邊界載荷參數后的灌注樁數值模型

2.2 計算結果分析

圖4為該穿堤涵閘未進行地基處理前沉降變形云圖。從圖4中可看出，自流涵閘部位沉降量最大，可達到60cm，集中在自流涵閘頂部區域，各層土體分層沉降，最下層土體沉降量最小，僅有2.7cm；而壓力涵閘由于壓力流控制作用，在上頂端部土體中形成的沉降量并無自流涵閘顯著，最大沉降量為44.2cm，其余各層土體分布與自流涵閘一致。從地基未處理后最終人工回填土土變形云圖可看出，土體沉降集中在涵管與涵閘室中間部位，兩端回填土體并無顯著沉降值，控制穩定。從沉降量云圖趨勢來看，涵閘中間為最高，尤以涵管基底部位，沉降量相比兩側回填土高了50cm以上，根據規范設計要求，涵閘各部分結構沉降差過大，將導致涵管發生變形彎曲，影響輸水效率。

圖4 地基未處理前沉降變形云圖

為此，有必要對涵閘地基進行人工處理，減弱沉降量對涵閘運營影響。以灌注樁作為重要載體，增強復合地基承載力，提升自流涵閘與壓力流涵閘承載力特征值分別達到350.6kPa和421.3kPa，后對復合地基下涵閘沉降量變形結果開展分析。

圖5 地基處理后涵閘沉降計算結果云圖

圖5為地基處理后涵閘沉降計算結果云圖。從圖5中可看出，地基最終回填土后最大沉降量相比減少了18.3%，達到49.1cm，且最大沉降量并未集中在涵閘底板周圍，而是位于涵閘右側擋墻填土區域，這極大降低了涵管及閘室傾覆破壞性，另外兩側回填土層沉降量亦降低至1.7cm。從自流涵與壓力涵兩者沉降量來看，壓力涵閘最大沉降量為14.6cm，與周邊結構部位沉降差最大為7.3cm，自流涵閘最大沉降為19.5cm，最大沉降差達7.6cm，兩者最大沉降差較為接近一致，表明兩者變形具有一定協同性。筆者劃分出壓力涵各區段涵管伸縮縫沉降值，其中4#區段沉降值最大，達到13.35cm，1#區段沉降值最小，僅為6.05cm，從沉降值分布來看，中間區段沉降值顯著較高，兩端沉降量較小，分析此是由于復合地基處理后，承載力得到增強，但由于應力分布較為不均，造成局部涵管區段沉降量較高。根據實測資料表明，位移傳感器監測顯示最大沉降差為7.9cm，與本文數值模型計算最大沉降差較為接近。

表1為閘室底板水平向位移值。從表中數據可看出，各區段伸縮縫上端最大位移達到8.5mm，處于張開狀態，下端最大位移達到8.8mm，亦處于拉伸狀態，各區段上端部伸縮縫處于收縮狀態僅有3#與4#，平均收縮位移為2.35mm，下端部處于平均收縮位移為2.05mm。由此表明，各區段伸縮縫以張開為主，收縮位移占比區段較少。

表1 閘室底板水平向位移值 單位：mm

圖6為壓力涵底板高程曲線圖。從圖中可看出，壓力涵閘底板整體高程成“V”字形，在縱向距離為30m處時，底板高程最低，達2.612m。壓力涵底板高程曲線與沉降量分布云圖曲線有所類似，均是閘室中間段達到最低(沉降量最高)。

圖6 壓力涵底板高程曲線圖

圖7為土層沉降分層總和法與有限元法計算結果對比，其中土層分層總和法主要通過壓縮模量與割線模量分別來計算。從圖中曲線趨勢可看出，不論是分層總和法亦或是有限元法，沉降曲線趨勢基本一致，均呈“V”型。對比壓縮模量與割線模量計算結果可發現，采用壓縮模量分層總和法計算結果顯著比割線模量計算結果要偏大2倍，壓力涵區段上壓縮模量計算結果最大沉降量為83.64cm，而采用割線模量計算所得到的最大沉降為41.8cm。綜上分析，割線模量計算結果與有限元結果較為接近，兩者之間沉降差值最大不超過1cm，沉降變化規律基本一致，因而割線模量的分層總和法更接近工程實際。

圖7 土層沉降分層總和法與有限元法計算結果對比

3 沉降對涵閘結構影響分析

3.1 計算模型及結果

為研究該穿堤涵閘受沉降量影響，以置換土層做為復合地基處理形式，分析涵管各區域內土壓力分布，模量取值為250MPa，劃分出該穿堤涵閘自流涵管網格圖，如圖8(a)所示。圖8(b)為土壓力計算結果。從圖8中可看出，平均土壓力達到370kPa，其中土壓力389.9kPa分布占比最高，超過50%，最大土壓力為445.6kPa，集中在頂板兩端區域，沉降差平均值為13.5cm。

圖8 網格圖和土壓力計算云圖

3.2 沉降對涵閘結構影響

沉降對涵閘結構影響，首當其沖即是涵管，因而本文將涵管頂板進行材料力學基本支座簡化，其中兩端為鉸接，具有2個自由度，上下段為固定端，僅1個自由度，簡化后配筋模型如圖9所示。

圖9 簡化后配筋模型圖

按照式(1)～(4)計算出自排涵閘在縱向沉降量影響下最大均布荷載，達254kPa，而上部設計荷載值包括土壓力與活動載荷，共212.5kPa，故而自排涵閘在結構設計上是滿足要求的。另一方面由于土壓力系數取值為1.5，此時縱向裂縫寬度為0.552mm，涵管受力為368.5kPa，此時已無法滿足設計要求。因而，涵管沉降變形主要是由于閘基沉降作用，而非閘室本身沉降影響，從土壓力系數取值1.75時，沉降差超過15cm，縱向裂縫寬度超過0.67mm，表明涵管頂板沉降受復合地基沉降影響較顯著。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，α—構件顯著系數；η—鋼筋變形不均勻系數；σs—屈服荷載；Es—壓縮模量；cs—鋼筋保護層至底邊距離；ρre—配筋率；di—第i根鋼筋直徑；As、Ap—鋼筋截面積；Ate—混凝土截面積；dep—鋼筋等效直徑；ni—鋼筋根數；vi—混凝土與鋼筋間連接系數。

4 結語

依據某農田水利灌區工程，引入裝配式涵閘，利用有限元計算軟件，建立數值模型，分析了涵閘各部分沉降量，獲得了以下幾點結論與認識：

(1)自排涵閘在縱向沉降量影響下最大均布荷載，達254kPa，滿足沉降量影響范圍要求；當垂直土壓力系數取值超過1.5時，縱向裂縫寬度為0.552mm，涵管受力為368.5kPa，無法滿足安全設計要求。

(2)未進行地基處理前自排涵與壓力涵最大沉降量分別可達到60cm和44.2cm，沉降差最大可達50cm，無法滿足安全設計要求；經地基處理后最終回填土后最大沉降量相比減少了18.3%，達到49.1cm；壓力涵中間區段沉降值顯著較高，兩端沉降量較小，且各區段伸縮縫以張開為主。

(3)土層沉降計算分層總和法與有限元法結果趨勢基本一致，均呈“V”型，但采用割線模量計算結果更接近有限元法，兩者沉降差值最大不超過1cm。