1、地基建模深度对闸室稳定评价结果的影响张 迪（朝阳县水务局，辽宁 朝阳 122000）摘 要闸室是水闸工程的主体，对闸室稳定性进行科学评价是发挥水闸功能和效益的重要保障。文中以具体工程为依托，探讨了利用有限元法进行闸室安全稳定评价计算过程中地基建模深度对闸室稳定评价结果的影响，以便为相关研究和工程计算提供有益的借鉴和参考。关键词水闸；稳定性评价；建模深度；地基中图分类号 TV223文献标识码B文章编号 10020624（2023）040043030 引 言水闸是水利工程建设中一种常见水工建筑物，一般建设在渠道、河流、水库和湖泊上，其主要作用是根据调度需要关闭闸门挡水或开启闸门排水1。在闸门开启时
2、，水闸可以起到宣泄洪水、排除积涝、冲刷淤泥及调节流量的作用2；在闸门关闭时，可以实现拦截洪水、抬高水位以满足上游用水或通航的目的。从水闸的应用实际来看，许多水闸建设在软土地基上，由于软土地基承载能力低，压缩性相对较大，如果设计建设不科学，就会产生较大的地基沉降变形，从而造成闸室的倾斜甚至塑性破坏，造成水闸失事3。由此可见，针对水闸工程进行科学、准确的设计计算，对保证工程建设顺利进行及其功能的有效发挥具有十分重要的价值和作用。在利用有限元法进行水闸安全稳定性计算过程中，地基深度存在十分显著的影响4。在相关研究和计算过程中，一般认为，地基单边尺寸为结构基础单边尺寸的15倍，即可有效反映水闸地基对建
3、筑物的作用，但是具体影响如何并没有进行深入的研究和分析。基于此，下文将以具体工程为背景，假定不同的涂层厚度，研究有限元模型计算过程中地基深度的建模尺寸对计算结果的影响，以便为相关研究和工程计算提供有益的借鉴和参考。1 工程背景某进水闸的设计引水流量为175 m3/s，建筑物等级为4级。该水闸共有9孔，每孔净宽为6.0 m，3孔为一联，闸门的总净宽为54.0 m，边墩和缝墩的厚度均为0.8 m，中墩的厚度为1.0 m，总宽64.8 m。闸门的底板长设计为 17.5 m，厚度为 1.5 m，底板的顶部高程为65.0 m，闸墩高度为8.0 m。闸门的设计水位为66.00 m，校核水位为66.50 m
4、。2 有限元模型的构建ABAQUS有限元软件是美国HKS公司开发的一款大型通用有限元软件，该软件适用于各种力学系统，可以有效处理各种高度非线性问题。与同类有限元软件相比，ABAQUS具有更多的单元种类，达到433种，可以提供更多的选择余地；同时，该软件还可以提供更多的材料模型，除了常规岩土体和金属材料之外，还可以有效模拟复合材料、塑性材料和高温蠕变材料。因此，此次研究采用ABAQUS有限元软件进行有限元计算模型的构建。由于背景工程为9孔结构形式，各孔在结构设计方面具有相似性且采用闸墩分缝方案，为了降低模型计算复杂程度，研究中选择其中的1孔进行模型构建5。在几何模型的构建过程中，以指向河流下游的
5、方向为X轴正方向，以垂直于X轴指向左岸的方向为Y轴正方向，以竖直向上的方向为Z轴正方向。对构建的几何模型采用 6 面体 8 节点单元进行网格剖分，最终获得16 980 个网格单元、18 843个节点，有限元模型示意图如图1所示。3 边界条件和计算参数构建的有限元模型对水闸的闸墩、底板、中墩和基础进行了模拟，对于结构缝采用不接触的独立工作单元进行模拟6。对构建的有限元模型设置连杆约束边界条件，即在模型的左右两端采用X向连杆约束条件，在模型的上下游两端设置Y向连杆约束，在模型的底部施加Z方向的连杆约束7。模型材料的物理力学参数对计算结果存在显2023年第4期东北水利水电水利科研 43DOI:10.
6、14124/ki.dbslsd22-1097.2023.04.015著影响，是有限元模型计算过程中必须要考虑的因素。研究中结合背景工程的地质和设计资料，同时参考DLT 50572009 水工混凝土结构设计规范 确定模型材料的物理力学参数，具体见表1。表1 模型材料物理力学参数根据背景工程的设计和地质勘查资料，在模型计算中需要考虑水闸所受的荷载主要包括水压力、渗透压力、弧门推力和风荷载等8。其中，水闸的基础按照无质量地基计算，混凝土材料按照材料的重度计算出自重并施加于模型地基；模型的水压力按照水闸运行过程中的静水压力进行施加；模型的渗透压力按照改进阻力计算法对基础的渗透压力和浮托力进行计算；弧门
7、推力按照水推力进行计算；风荷载按照当地的最大平均风速计算，其计算结果为0.423 kN/m2。4 计算结果与分析在研究中，确定工程基岩上土层的厚度分别为16.0，32.0 m，土层以下均为岩基。为了研究水闸地基深度方向的有限元模型建模深度对计算结果的影响，研究中分别设计了8种和12种不同模型建模深度值，并针对不同建模深度值对构建的有限元模型进行适当调整，然后利用模拟计算的方式对设计与校核水位工况下的闸室抗滑稳定安全系数K、最大地基应力Pmax、最小地基应力Pmin及不均匀系数m等4个闸室稳定性评价指标进行计算，计算结果见表2，3。根据计算结果绘制出抗滑稳定系数随地基建模深度的变化曲线，如图2所
8、示。由表2、表3、图2可以看出，水闸闸室稳定性评价计算过程中，闸室地基的建模深度会对计算结果产生比较明显的影响。因此，选择恰当的建模深度对保证计算的简洁性和准确性具有重要意义。从具体的计算结果材料混凝土基土基岩弹性模量/MPa3.1510412.02.52103泊松比0.1670.3500.232容重/（kNm-3）25.221.323.2粘聚力/kPa0.132.45内摩擦角/（）35.522.3建模深度/m48121620242832设计工况K2.7392.6512.4372.0192.0192.0192.0192.019Pmax104.772102.367101.269100.13510
9、0.127100.126100.123100.119Pmin58.90257.86357.49357.04157.03657.03457.03157.027m1.8681.8571.8491.8431.8441.8441.8441.844校核工况K2.1702.0641.9491.6421.6421.6421.6421.642Pmax109.988107.285105.893104.822104.815104.813104.811104.812Pmin51.98751.71051.58251.45851.45351.45151.45951.459m2.2222.1792.1562.1392.1
10、392.1392.1392.139图1 有限元模型示意图建模深度/m4812162024283236404448设计工况K2.7392.6512.4372.0191.9511.9381.8911.8511.8511.8511.8511.851Pmax104.772102.367101.269100.13599.89199.60399.42299.19899.19499.19099.18799.185Pmin58.90257.86357.49357.04156.89656.70156.57056.46256.46256.46156.46156.460m1.8681.8571.8491.8431.
11、8441.8451.8461.8451.8451.8451.8451.845校核工况K2.1702.0641.9491.6421.5871.4721.4991.4561.4561.4561.4561.456Pmax109.988107.285105.900104.822104.382104.195104.021103.905103.901103.900103.898103.896Pmin51.98751.71051.58251.45851.24351.13651.05050.98750.97950.98150.98050.978m2.2222.1792.1562.1392.1392.1402.
12、1402.1402.1402.1402.1402.140表3 土层厚32.0 m闸室的稳定性评价指标计算结果表2 土层厚16.0 m闸室的稳定性评价指标计算结果（a）16.0 m（b）32.0 m图2 不同土层厚度方案抗滑稳定系数变化曲线8地基建模深度/m4抗滑稳定安全系数2.902.401.90121624283236404448201.408地基建模深度/m4抗滑稳定安全系数2.501.901216242832201.503.002.752.251.75校核工况设计工况校核工况设计工况xy水利科研东北水利水电2023年第4期 44收稿日期 2022-07-01来看，在设计水位和校核水位工况
13、下，闸室各项稳定性评价指标的计算结果随着地基建模深度的增加而不断减小，当地基的建模深度小于16.0 m或32.0 m 时，即地基的建模深度没有达到土层下部基岩深度时，闸室的各项稳定性评价指标的计算结果减小幅度相对较大；当地基的建模深度大于16.0 m 或 32.0 m 时，也就是地基的建模深度达到土层下部基岩深度时，闸室的各项稳定性评价指标的计算结果逐渐趋于稳定。5 结 语地基深度对水闸安全稳定性有限元计算结果的影响较大，但是具体影响如何当前没有进行深入的研究和分析，给水闸的设计计算带来一定的困扰。基于此，上文以某水闸工程为依托，探讨了地基建模深度对闸室稳定评价结果的影响。根据研究结果，在水闸
14、安全稳定性评价有限元模型计算过程中，建议按照基岩上部的土层厚度确定模型的建模深度，可以在保证计算结果准确性的同时有效控制计算量。结论对理论研究和工程实践具有一定的支持和借鉴意义。当然，此次研究仅针对背景工程展开，其对一般工程的适应性和价值需要进一步的研究和探讨。参 考 文 献1徐宗白.盘山县大板桥排灌站抗滑、抗浮和抗倾稳定复核分析 J.黑龙江水利科技，2020，48（11）：63-66.2朱致远，牛志伟，张宇，李同春.Revit二次开发在水闸工程挡土墙设计中的应用 J.人民长江，2021，52（2）：117-121.3 宋文燕，范立群，李斌旭.徒骇河宫家闸除险加固方案比选及抗渗稳定分析 J.水
15、利技术监督，2021（7）：222-225.4 马猛.基于土压力系数计算的水闸加筋挡墙的稳定性分析 J.黑龙江水利科技，2021，49（11）：17-19.5高洋.抚顺市清原县松树嘴进水闸加固设计分析 J.陕西水利，2019（9）：183-185.6刘鸿菊.赵家套拦河闸水闸结构设计及翼墙稳定计算探析 J.地下水，2019，41（5）：229-231.7梁佳铭，李占超，徐波，陆伟刚.水闸闸室安全性态影响因素重要性分析 J.水利水电科技进展，2020，40（3）：14-20.8黄琪.联和水库排洪分水闸重建工程设计分析 J.水利科学与寒区工程，2022，5（2）：72-74.收稿日期 2022-07
16、-13（上接第39页）大，会给施工的顺利进行造成十分显著的不利影响。因此，在高水压富水地层的地下洞室工程施工过程中，需要及时采用注浆、锚杆施作等工程技术手段增大围岩的粘聚力和内摩擦角，有效提升围岩的抗剪强度，改善围岩的质量，以有效控制隧洞开挖造成的塑性破坏区范围。4 结 语此次研究结合轿顶子电站发电引水隧洞开挖工程，利用FLAC3D软件的流固耦合分析功能，对不同初始地下水水位条件下隧洞开挖后初支外侧水压力、围岩变形和塑性区分布特征进行模拟计算。结果显示，随着初始地下水位的上升，初支外水压力、围岩位移和塑性区体积均呈现出明显增大的变化特点，说明初始水位应该是富水破碎岩洞段施工中必须要考虑的重要因素，应采取科学合理的开挖支护技术手段，保证施工安全和质量。当然，围岩稳定性的影响因素众多，在今后的研究中需要对上述因素进行综合考虑，以获得更为科学和准确的研究结论，为理论研究和工程实践提供有益的支持和借鉴。参 考 文 献1潘特.轿顶子电站泄洪洞和引水隧洞并行段施工方案研究 J.东北水利水电，2021，39（1）：19-21.2于海龙.轿顶子电站泄洪洞下断面爆破开挖试验研究J.水利科学与寒区工程，2
