中小型涵閘的安全運行與除險加固

王紅蕾

(利辛縣河道保護管理中心，安徽 利辛 236700)

0 引 言

中小型涵閘是水利工程施工的重要基礎設施，涵閘的安全運行穩定性評價，對促進水利工程的設計、施工、安全監測及安全評價等方面具有重要意義。結合結構模型試驗、數值分析計算以及現場原型的方法，通過結構模型參數分析，建立中小型涵閘的環境參數分析模型，通過應力分布分析和變形性態特征檢測，結合小型穿堤涵閘研究計算試驗和數值分析計算，進行中小型涵閘的安全運行與除險加固分析，通過對中小型涵閘的安全運行參數、邊界條件、環境因素分析，進行險情加固，提高排查水閘安全隱患能力[1]。

對中小型涵閘的安全運行與除險加固是建立在對涵閘的安全運行穩定性和數值分析基礎上，通過小型涵閘結構的力學特性分析，結合涵閘的實際狀態模擬，進行涵閘的安全運行及險情排查[2-3]。文獻[4]中提出有限元軟件計算下的某穿堤涵閘基礎變形分析方法，利用有限元軟件建立數值模型，根據水文地質資料分析進行涵閘險情排查分析，但該方法進行軟土地基沉陷排查的穩定性不好。文獻[5]中提出水工涵閘混凝土裂縫控制技術及設計參數計算模型，由于混凝土裂縫的逐步擴張，嚴重影響水工涵閘的正常使用，通過對水工涵閘混凝土裂縫的控制，提高了涵閘的安全運行穩定性，但該方法對涵閘混凝土熱學性能、力學性能解析能力不好。

針對上述問題，本文提出基于有限元軟件和數值模擬的中小型涵閘安全運行與除險加固方法。首先根據中小型涵閘的力學性能參數，參照洞身結構設計，進行中小型涵閘安全運行的參數分析，通過地基反力法進行中小型涵閘安全運行過程中的荷載及力學模型計算，實現中小型涵閘安全運行分析和險情排查加固，對加強施工管理，提高涵閘安全除險和加固能力方面具有重要意義。

1 中小型涵閘的荷載參數分析和數值模型計算

1.1 中小型涵閘荷載參數分析

結合結構力學模型分析的方法，進行中小型涵閘的荷載參數分析，根據中小型涵閘材料性質與外載荷變化特征，通過物理模型與數學模型相結合的方法，分析中小型涵閘荷載參數的應力與變形特征量，根據梁和地基的彈性體模型參數分析，采用結構力學計算方法[6]，根據《水閘設計規范》(SL 265-2016)，按照結構力學規范進行中小型涵閘的荷載參數計算。分析中小型涵閘出現安全隱患的原因，中小型涵閘主要是采用混凝土結構，建筑結構設計不合理和施工質量不合格的因素，容易導致中小型涵閘的支座出現裂縫和脫落，影響整體結構，從而導致中小型涵閘的整個受力結構參數產生過載，影響擋水性能。中小型涵閘出現安全運行危險的主要原因分布圖見圖1。

圖1 中小型涵閘的安全運行影響因素

根據涵管與涵閘室中間部件材料控制的方法，建立涵閘安全除險和加固的結構沉降參數過濾和分析模型，結合混凝土材料的四自由度變形特征分析，進行混凝土強度與齡期的增長指數相關性分析。設定涵閘的鋼筋計的外徑28 mm，測量范圍為最大壓應力200 MPa，采用 609A 型測讀儀讀取垂直水流和順水流的力學參數，采用XF-100/110 系列振弦式鋼筋測力器進行平底板結構的力學參數分析，得到涵閘鋼筋計零點頻率與安裝后的初始頻率及校核，見表1。

表1 涵閘鋼筋計零點頻率與安裝后的初始頻率及校核

根據孔隙介質的力學響應分析方法，對涵閘鋼筋計零點頻率K值進行分析，設定彈性模量依次為9.6、7.2和25 MPa，獲得單元體個數220 622 個，采用小型涵閘的裂隙補償和填補方法，建立單相飽和各向異性檢測模型，分析涵閘表面張力作用引起的基質孔隙參數，基于線彈性變形的應力-應變關系進行邊界條件疊加，實現中小型涵閘荷載參數解析[7]。

1.2 中小型涵閘的安全運行強度計算

根據中小型涵閘的力學性能參數，建立以土荷載和邊荷載為約束變量，設第1種受力狀態下有m種不同類型的除險加固穩態分析，分別占據空間Ω(1)、Ω(2)、…、Ω(m)，按中小型涵閘的安全運行的偏心受壓構件進行強度計算，得到第1相流體的壓力，通過多相氣體和多相液體均勻混合處理，建立中小型涵閘中各相流體的有效應力動態方程：

(1)

其中：Kvo為屈服前加載剛度；Kd為水平屈服后剛度；θ為剪切變形相位參數；n為支座的臨界屈曲壓力；Kvd,L為單位寬度閘室底板總的力；Kvd,u,L為閘底板各斷面處彎矩。由此基于臨界屈曲應分析，根據中小型涵閘的力學性能參數，建立以土荷載和邊荷載為約束變量分析模型，得到屈服后加載剛度為：

(2)

以閘底板地面為建基面，建立涵閘的荷載與豎向位移關系曲線，見圖2。

圖2 涵閘的荷載與豎向位移關系曲線

根據圖2涵閘的荷載與豎向位移關系曲線分布，計算閘底板各斷面處彎矩及剪力值，通過計算并整理底板的彎矩和剪力，進行安全運行參數分析和除險加固設計[8]。

2 中小型涵閘的安全運行有限元分析

2.1 中小型涵閘的安全運行的力學參數解析

根據人工回填土土變形云圖分析，參照洞身結構設計，通過地基反力法進行中小型涵閘的安全運行過程中的荷載及力學模型計算，在 Winkle 假定條件下，考慮梁上荷載的作用參數影響，建立中小型涵閘的安全運行的組合力學模型。力學參數設計值見表2。

表2 中小型涵閘的安全運行力學參數設計值

采用一臺電液伺服加載機進行中小型涵閘的安全運行應變加載控制，作動器行程 300 m，測試剪應變作用下豎向剛度的衰減，公式如下：

(3)

其中：Kv0為臨界屈曲應力；P為豎向屈服加載系數；Kd為并聯后組合的力學控制參數。

建立中小涵閘雙重孔隙介質壓縮模量解析模型，根據壓縮模量參數分析，進行除險加固有限元分析。

2.2 除險加固有限元分析模型

分析涵閘基礎梁承受邊荷載P對安全運行與除險加固的影響，將自然沉降應力計算結果作為初始應力場，得到梁各截面處的損傷面積。采用離散性造價約束關系，根據位移云圖的精確程度，得到地基受力模型參數為：

(4)

其中：f為覆土前工況中涵閘的自重；g為基礎的密度參數；λ為混凝土泊松比；ω1為邊荷載作用；ω2為混凝土彈性模量。

不考慮邊荷載作用，得到涵閘的受力點變換模型參數表示為：

(5)

根據Winkle假定，結合彈性地基梁法實現對中小型涵閘的結構強度和彈性模量分析，得到底板單元自定義切片彎矩為：

(6)

根據受力特性分析，建立中小型涵閘的安全運行的有限元分析模型，進行水閘的安全運行工況分析和除險加固分析[9]。

3 實驗測試

采用數字模擬方法，基于 ABAQUS 有限元分析軟件進行中小型涵閘的安全運行參數分析和模擬。設定作動器行程 300 mm，中小型涵閘運行的模型參數最大采樣頻率為592 Hz，基礎的密度參數為1 870 kg/m3；重力加速度為g=9.8 m/s2。試驗平臺見圖3。

圖3 試驗平臺

在圖3的實驗平臺中，進行涵閘的有限元分析，得到自重狀態下的涵閘受力圖，見圖4。

圖4 涵閘在自重狀態下的受力圖

根據圖4的受力有限元分析，取水閘底板中間部位，得到彎矩、剪力和軸力，見表3。

表3 彎矩、剪力和軸力參數 /kN

續表3 /kN

根據表3的參數解析結果，實現中小型涵閘運行的除險加固，得到中小型涵閘的穩定性測試結果，見圖5。分析圖5可知，采用本文方法進行中小型涵閘除險加固，提高了穩定性；彎矩和剪力的分布規律性較好，能保障中小型涵閘的安全穩定運行。

圖5 加固荷載穩定性測試

4 結 語

本文建立了中小型涵閘的環境參數分析模型，對中小型涵閘的安全運行與除險加固進行了分析，提出了基于有限元軟件和數值模擬的中小型涵閘的安全運行與除險加固方法。同時，分析了涵閘表面張力作用引起的基質孔隙參數，并基于線彈性變形的應力-應變關系進行邊界條件疊加，實現了中小型涵閘荷載參數解析。測試結果表明，采用本文方法進行中小型涵閘除險加固穩定性較好，可靠性較高，參數解析準確可靠。