邹礼兵

（广州市禺山水利工程勘测设计有限责任公司　广东　广州　511400）



文笔洲交叉闸进水闸防渗稳定性有限元分析

邹礼兵

（广州市禺山水利工程勘测设计有限责任公司广东广州511400）

摘要水闸工程防渗稳定性，是衡量工程质量的主要指标之一，通过ABAQUS软件，以粉砂地基上的文笔洲交叉闸进水闸工程为实例，对进水闸闸室应力、渗流稳定、地基防渗处理等进行了有限元模拟分析。经过实际施工验证，采用有限元方法进行设计可靠度较高，而且具有良好的稳定性和安全性。

关键词水闸工程；渗流计算；稳定性；有限元分析

1　工程概况

文笔洲交叉闸位于文笔洲水闸上游200m位置，属于排涝为主的中型水利枢纽工程，在多年的使用过程中，文笔洲交叉闸受到水力冲刷等客观因素影响，开始出现自然老化迹象，譬如混凝土结构沉降、断裂、露筋等现象。为有效消除内涝和防洪减灾，决定在原来工程的基础上，分别在西闸、西南闸、南闸重新规划建设5孔、2孔、3孔平面定轮钢闸门，闸门设计的规格如表1所示。

按照上表规格标准重新规划建设闸门，确定工程规模III等，其中主建筑3级、次要建筑4级、临时建筑5级。为保证工程防渗稳定性，在工程施工之前，有必要明确特征水位情况和闸址地基的物理力学指标[1]。

1.1特征水位情况

考虑到工程防渗稳定性，与区域内水位有关，在此按照85国家高程，分别确定各闸的闸上水位和闸下水位情况，其中西闸、南闸、西南闸的闸上水位均为4.5m、闸下数位均为4.44m，而设计洪水情况如图1所示。

1.2闸址地基物理力学指标

区域地质勘察资料显示，文笔洲交叉闸闸址地基共11层，为素填土层①、淤泥质土层②1、粉质粘土层②2、粉砂层②3、中砂层②4、粗砂层②5、砾砂层②6、砂质粘性土层③、花岗岩层④1、花岗岩层④2、花岗岩层④3。以上各层的状态、摩擦系数、压缩系数、压缩模量、承载力特征值等物理力学指标[2]，如表2所示。

除了上表的地基物理力学指标，笔者另外根据《中国地震动参数区划图》的标准，确定闸址场地土属于软弱土～中软土，土质状态呈轻微液化状，其液化指数在0.04～1.54之间。

2　闸基防渗稳定性有限元计算与分析

本工程按照内河10年一遇暴雨净流量24h内排干标准，以《阳江市漠西排涝防洪工程文笔洲交叉闸安全鉴定报告》、《防洪标准》、《水闸设计规范》、《堤防工程设计规范》等为依据，同时参照文笔洲交叉闸现状地形图和剖面图，以及上文所提到的文笔洲交叉闸特征水位情况和闸址地基相关物理关键力学指标，对交叉闸工程进行有限元分析，计算出其防渗稳定性相关参数。本文选取南闸防渗稳定性有限元计算分析为例。

在水闸工程设计应用中，利用ABAQUS软件，对水闸工程采用有限单元法进行动力分析比较普遍。本软件针对水闸工程的抗滑稳定性有限元计算应用比较成熟，分析比较方便[3]。

2.1水闸工程抗滑稳定计算分析方法

水闸工程抗滑稳定计算的方法很多，文章主要采用有效应力法和瑞典条分法。水闸闸室地基稳定计算采用效应力法计算；对于水闸土条底面支撑力、重力以及作用在水闸底面孔隙水压力等关键参数指标的优化计算则采用瑞典条分法，在计算过程，土条间力一般忽略不计算。基于水闸工程闸室-地基内在渗流期稳定渗透流网的分析，则采用整个隔离土体(颗粒+孔隙水)为分析单元，其土条受力分析如图2所示。

表1　文笔洲交叉闸新建闸门规格

图1　文笔洲交叉闸设计洪水过程线

表2　文笔洲交叉闸闸址地基物理力学指标

图2中，水闸隔离土体（颗粒+孔隙水）整体单元重力主要分为三个部分进行计算：h1段位置处于浸润线上部位置；h2段位于浸润线和地下水位之间；h3段位于地下水位以下。根据水土微分方程等公式计算可得到抗滑稳定安全系数：

图2　水闸隔离土体（颗粒+孔隙水）受力分析

表3　文笔洲交叉闸地基应力计算结果（kPa）

表4　抗滑稳定分析

图3　正常蓄水期闸室结构最大主应力分布云图（Pa）

图4　闸底板应力云图（Pa）

式（1.1）中，

h1～h3——各段土条高度；

c、φ——有效应力强度指标；

b——土条宽度；

γ——土体天然容重；

γ'——土体浮容重；

γw——水容重；

γsat——土体饱和容重。

按照以上的计算方法，计算出旧南闸地基应力，以推断出进水闸的稳定性，计算结果如表3所示。

考虑到文笔洲交叉闸的地基岩土层，以淤泥质土为主，各闸地基应力的最小值，都在地基允许承载力之上，因此确认各闸均需要处理地基，以提高地基的防渗稳定性。

2.2总体布置

结合闸址条件、功能要求和工程规模等，进水闸新南闸总体布置方法如下：

南闸总体布置：南闸位于高排渠下游的进口位置，其中闸基础、消力池、消力池坎、与西闸布置形式一样，而开敞式闸室选用C30钢筋混凝土平底，总宽度为25.2m，仅设置一个卷扬式启闭装置控制闸门，启闭机高程16.65m。

水闸南闸设计成进水闸，南闸闸室位敞开式，闸门为平面定轮，卷扬机启闭模式；闸室结构为三孔公用整体型底板，钢筋混凝土浇筑的整体式框架结构，采用开敞式闸室、平面定轮闸门、卷扬机启闭方式。

2.3进水闸闸基抗滑稳定的有限元计算

2.3.1闸室荷载分析

闸室荷载分析计算组合原则及内容如表4所示。

3　水闸闸室应力有限元计算分析

有限元计算依据《水工混凝土结构设计规范SL/191.2008》。

C30混凝土抗拉强度设计值：

C30混凝土抗压强度设计值：

在正常蓄水期，通过对南闸闸室上部结构最大主应力N的ABAQUS分布云图计算分析，如图3所示。南闸进水闸室结构在各种荷载作用下，N=0.8MPa，云图分析可以发现，最大主应力主要分布在水闸交通桥栏杆位置；拉应力值＜1.5MPa，由此得出结论：南闸闸室上部结构稳定，不会出现拉应力破坏。

3.1利用有限元计算抗滑稳定系数及应力比值系数

上一节利用ABAQUS有限元工具进行了闸底应力计算，可以算出应力比值η2。同时把最大闸底主应力Nmax增加到闸基渗流模型中，因为南闸长期处于运行状态，因此，设计计算过程，只是利用有限元工具Autobank软件分析计算出正常运行期和地震工况时的闸基的抗滑安全系数Fs2[4]。

南闸上部结构闸底板的应力云图如图4（a）、（b）所示。

ABAQUS有限元分析南闸基底允许应力比值η2安全可靠，如表5所示。

表5　η2计算分析结果

表6　南闸进水闸地基抗滑稳定安全系数Fs2

表7　文笔洲交叉闸闸基设计内容

图5　加固地基防渗自动剖分后的空间有限元网格

图6　闸底防渗加固处理桩基布置

文笔洲交叉闸重建设计，边墙与防洪堤的衔接，尤其与墙厚筑堤回填土的接触位置，容易出现渗透破坏现象，因此，需要严格控制闸侧的防渗长度，以《水闸设计规范》的相关规定为基准，文笔洲交叉闸的上下游水位差，以及允许渗径系数，同是决定闸侧有效防渗长度的重点参数，现场勘察发现交叉闸在双向水头影响作用下，当水位差越大，则防渗布置的难度就越大，设计计算过程，需要紧扣泄水和常水位的双重工况，确定各闸的渗流稳定性，具体的闸侧渗流稳定计算工况水位为：

渗径系数4、渗径长度13m、实际防渗长度30m；挡水工况时的上游水位4.5m、下游水位2.75m，水位差1.75m、渗径系数4、渗径长度7m、实际防渗长度33m。

根据泄水和常水位的双重工况，利用Autobank建立二维有限元计算分析模型，计算出进水闸（南闸）地基抗滑稳定安全系数Fs2值，表6给出了具体计算方法及参数。

3.2粉砂闸基防渗有限元设计分析

闸基防渗的重点部位，主要有闸底板、下游端齿墙、下游侧护坦，期间需要确定地基有效深度和分段阻力，文笔洲交叉闸地基有效深度，根据地下轮廓线水平和垂直投影长度确定，但有效深度大于地基深度时，以地基实际深度为准。在设计过程中，还需要考虑潮位的影响。

由公式计算分析，南闸闸基设计内容如表7所示。

水闸沉降计算有限元分析，如图5所示，采用四面体C3D4划分粉砂地基单元。对加固地基防渗进行网格空间自动剖分。

根据闸室底板应力计算情况，充分考虑地震荷载加载组合情况，利用ABAQUS对单桩地基分级加载分析，得出对加固地基防渗设计施加的荷载为80kPa、250kPa。在防渗设计过程，需要确定地基桩数、边距、桩距等基本参数以后，需要定制好布桩原则。布桩方式要合理，布桩方式如图6所示。

布桩原则主要有：

（1）力确保桩基中各桩受力恒定均匀，作用在板式承台上荷载的合力作用点，应与群桩横截面的重心相重合或接近；

（2）桩基在承受水平荷载和弯矩较大方向有较大的抵抗矩，以增强桩基的抗弯能力，桩底深入到液化层以下。

在实际施工过程中，文笔洲交叉闸在后端5.675m的范围内，以梅花的形状，共布设5排水孔。经现场试验，西闸有效深度15.342m、实际深度10.9m；南闸有效深度15.342m、实际深度10.9m；西南闸有效深度14.342m、实际深度10.9m，可判断西闸、南闸、西南闸的闸基渗流稳定性有限元设计符合规范标准。

4　结束语

对文笔洲交叉闸闸底结构利用有限元软件ABAQUS建立了三维有限元计算，分析了水闸在完建期和正常运行期下的闸室应力分布情况，并通过有限元计算出抗滑稳定系数及应力比值系数，依照防渗稳定性有限元分析，提出防渗加固处理的方法和分析模型。根据实际工程具体的施工情况，验证了采用有限元计算成果进行设计的安全性和可靠性。陕西水利

参考文献：

[1]高安仕,钟恒昌,秦峰.浅析水闸防渗与排水体系设计[J].治淮,2013,(6):40.42.

[2]陈俊昂,李少权.西河水闸重建工程闸基防渗设计[J].广东水利水电,2010,(12):17.19.

[3]岑威钧,等.姜唐湖闸基渗流特性和优选渗控方案研究[J].水电能源科学, 2005(01)：83.85.

[4]顾再仁,姚志坚,罗穗红.泄水闸闸基抗滑稳定分析有限元计算[J].人民珠江,2000(2): 19.22.

（责任编辑：唐红云）

中图分类号：TV223

文献标识码：A