确定病险水闸安全控制运行水位的方法

摘要

本发明公开了一种确定病险水闸安全控制运行水位的方法，根据水闸闸室结构特点，建立了水闸闸室结构三维有限元模型，采用ADINA有限元分析软件，以病险水闸可能发生破坏区域垂直应力为安全控制标准，通过验算不同水位下闸室结构可能破坏区域垂直应力变化情况，初步确定控制运行水位，并以破坏区域混凝土裂缝宽度为安全复核指标，复核初步确定的控制运行水位下闸室的安全状态，并最终综合确定病险水闸安全控制运行水位。本发明提出了一种基于有限元数值模拟的病险水闸安全控制运行分析方法，该方法能较为准确地计算出病险水闸安全控制运行水位，确保病险水闸在除险加固之前的安全运用。

说明书

技术领域

本发明涉及水闸安全控制方法，具体涉及一种确定病险水闸安全控制运行水位的方法。

背景技术

水闸是调节水位、控制流量的低水头水工建筑物，具有挡水和泄水的双重功能，在防洪、治涝、灌溉、供水、航运、发电等方面应用十分广泛。根据《水闸安全评价导则》(SL214-2015)，被评为三类闸的水闸视为病险水闸，需进行相应的除险加固。在进行除险加固之前，为保障水闸工程的安全运行，需对其安全控制运行水位进行专题研究，分析确定其安全控制运行水位。由于问题的复杂性，目前尚无明确定量方法确定病险水闸的安全控制运行水位的方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种确定病险水闸安全控制运行水位的方法，解决目前无法准确确定病险水闸安全控制运行水位的问题。

技术方案：本发明所述的确定病险水闸安全控制运行水位的方法，包括以下步骤：

(1)根据病险水闸闸室的结构尺寸，建立三维病险水闸闸室结构有限元模型；

(2)针对正常蓄水位运行工况，基于ADINA有限元分析软件，输入预设的材料参数、边界条件和不同荷载，对病险水闸闸室结构进行有限元静力计算，得到各个荷载联合作用下闸室结构不同区域的位移和应力，位移包括顺河向位移、横河向位移和竖直向位移，应力包括垂直向应力、第一主应力和第三主应力；

(3)比较不同区域的垂直应力和混凝土静态抗拉强度，根据比较结果确定可能发生破坏的区域；

(4)针对可能发生破坏的区域，绘制闸前水深与垂直向应力超过混凝土抗拉强度范围的关系曲线，根据曲线初步确定病险水闸安全控制运行水位；

(5)针对可能发生破坏的区域，计算混凝土裂缝宽度；

(6)根据在步骤(4)的病险水闸安全控制运行水位下的裂缝宽度是否满足安全需求，确定最终安全控制运行水位。

其中，所述步骤(2)中材料参数包括不同区域混凝土密度、弹性模量和泊松比，边界条件是闸底板底部施加三项约束，荷载包括自重荷载、水荷载、泥沙荷载、扬压力、土压力、浪压力、风荷载、公路桥荷载和启闭机荷载，混凝土的弹性模量采用等效的弹性模量，具体等效的公式如下：

式中，E

所述步骤(3)中可能发生破坏的区域判定方法为该区域垂直应力数值是否超过混凝土静态抗拉强度，若超过，则该区域可能发生破坏，反之，则不发生破坏。

所述步骤(4)中闸前水深与垂直向应力超过混凝土抗拉强度范围的关系曲线的X轴为闸前水深变化过程，Y轴为垂直向应力超过混凝土抗拉强度范围变化过程，曲线上Y轴数值开始大于零时的前一个Y轴数值所对应的X轴闸前水深即为初步确定的病险水闸安全控制运行水位。

所述步骤(5)中裂缝宽度计算公式为：

式中：α为考虑构件受力特征和荷载长期作用的综合影响系数；c为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区边缘的距离；d为钢筋直径；ρ

所述步骤(6)中在初步确定的病险水闸安全控制运行水位下，该区域混凝土裂缝宽度满足安全需求，则该水位即为最终安全控制运行水位；反之则需要下调初步确定的安全控制运行水位，直至该区域混凝土裂缝宽度满足安全需求，此时对应的水位为最终安全控制运行水位。

有益效果：本发明根据水闸闸室结构特点，建立了水闸闸室结构三维有限元模型，基于ADINA有限元分析软件，以病险水闸可能发生破坏区域垂直应力为安全控制标准，通过验算不同水位下闸室结构可能破坏区域垂直应力变化情况，初步确定控制运行水位，并以破坏区域混凝土裂缝宽度为安全复核指标，复核初步确定的控制运行水位下闸室的安全状态，并最终综合确定病险水闸安全控制运行水位，本发明能较为准确地计算出病险水闸安全控制运行水位，确保病险水闸在除险加固之前的安全运用，可为同类病险水闸安全控制运行水位确定提供相应的依据和参考。

附图说明

图1是某枢纽工程节制闸边孔闸室结构有限元模型；

图2是某枢纽工程节制闸边孔箱式岸墙内部支撑结构有限元模型；

图3是闸前水深6.1m工况下边墩岸墙结构垂直向应力云图(Pa)

图4是闸前水深6.1m工况下边墩岸墙结构垂直向应力超标范围云图(Pa)；

图5是闸前水深0m工况下边墩岸墙结构垂直向应力超标范围云图(Pa)；

图6是闸前水深0.5m工况下边墩岸墙结构垂直向应力超标范围云图(Pa)；

图7是闸前水深1.0m工况下边墩岸墙结构垂直向应力超标范围云图(Pa)；

图8是闸前水深1.5m工况下边墩岸墙结构垂直向应力超标范围云图(Pa)；

图9是闸前水深2.0m工况下边墩岸墙结构垂直向应力超标范围云图(Pa)；

图10是闸前水深2.3m工况下边墩岸墙结构垂直向应力超标范围云图(Pa)；

图11是闸前水深2.4m工况下边墩岸墙结构垂直向应力超标范围云图(Pa)；

图12是闸前水深2.5m工况下边墩岸墙结构垂直向应力超标范围云图(Pa)；

图13是闸前水深3.0m工况下边墩岸墙结构垂直向应力超标范围云图(Pa)；

图14是闸前水深3.5m工况下边墩岸墙结构垂直向应力超标范围云图(Pa)；

图15是闸前水深4.0m工况下边墩岸墙结构垂直向应力超标范围云图(Pa)；

图16是闸前水深4.5m工况下边墩岸墙结构垂直向应力超标范围云图(Pa)；

图17是闸前水深5.0m工况下边墩岸墙结构垂直向应力超标范围云图(Pa)；

图18是闸前水深5.5m工况下边墩岸墙结构垂直向应力超标范围云图(Pa)；

图19是岸墙底部靠上区域垂直应力超标范围与闸前水深的关系；

图20是特征点位置示意图；

图21是特征点处垂直向应力随闸前水深的变化情况。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

某枢纽工程节制闸在安全鉴定过程中因结构安全不满足要求被评为3类闸，亟需进行除险加固，在进行除险加固之前，为保障该枢纽工程节制闸的安全运行，对节制闸安全控制运行水位进行分析研究。

某节制闸共18孔，采用钢筋混凝土分离式底板，素混凝土闸墩。安全鉴定报告指出该闸边墩结构安全不满足现行规范要求，因此本次计算主要对边孔闸室结构进行静力计算分析。根据拦河闸闸室结构特点，建立包括闸底板、闸墩、钢闸门、公路桥墩、启闭机排架柱和边孔厢式挡墙三维有限元模型，具体模型如说明书附图1-2所示。

正常蓄水运行工况下，节制闸闸室结构闸前正常蓄水位高程为19.50m，闸前水深6.1m，闸后无水。

基于ADINA有限元分析软件对水闸闸室结构进行有限元静力计算，首先，将建立的三维水闸闸室结构有限元模型导入到ADINA有限元分析软件中；其次，在ADINA有限元分析软件里输入预设的材料参数、边界条件和不同荷载；然后，基于ADINA有限元分析软件，对水闸闸室结构进行静力计算，其中，材料参数主要包括不同区域混凝土密度、弹性模量和泊松比等，边界条件是闸底板底部施加三项约束。

另外，为体现出钢筋的作用，混凝土的弹性模量采用等效的弹性模量。其中，在线弹性阶段，钢筋和混凝土是协调变形的，具体等效的原则如下：

式中，E

计算所采用的材料参数见下表1，其中，表中给出的是各材料参数均为等效后的材料参数，同时，依据《水闸设计规范》(SL265-2016)，本次计算中主要考虑自重荷载、水荷载、泥沙荷载、扬压力、土压力、浪压力、风荷载、公路桥荷载、启闭机荷载和地震荷载等。

表1各闸室结构混凝土材料参数

图3给出了正常蓄水位运行工况下岸墙垂直应力云图，从图中可以看出，节制闸边墩岸墙底部的垂直向应力数值偏大；图4给出了正常蓄水位运行工况下岸墙结构垂直应力超标范围云图，根据图4可以确定该病险水闸在正常蓄水位运行工况下可能发生的破坏区域。

另外，需要说明的是，在有限元分析计算过程中，为使得计算结果收敛，对边墩岸墙底部施加了固定约束，从而导致岸墙底部折角处出现了应力集中现象，而实际情况下岸墙底部坐落在土基上，其底部非刚性约束，因此，岸墙底部折角处的应力数值不作为判别依据。

图5-18为闸前水深0m、0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.3m、2.4m、2.5m、3.0m、3.5m、4.0m、4.5m、5.0m和5.5m时节制闸边墩岸墙底部垂直应力超过140#混凝土轴心抗拉强度设计值(0.85MPa)的区域。可以看出，当闸前水深小于2.5m时，岸墙底部未出现应力超标区域；当闸前水深为2.5m，岸墙底部靠上区域开始出现垂直应力超标区域，且随着闸前水深继续增加，垂直应力超标区域逐渐增大，并于最大6.1m水深时达到最大。

结合上述分析结果，建立了超标范围与闸前水深的关系，具体如图19所示，由图可知，当闸前水深小于2.5m时，岸墙底部未见明显的应力超标区域；而当闸前水位为2.5m时，岸墙底部靠上区域已出现垂直应力超标区域；且随着上游水深的不断增加，垂直向应力超标范围逐渐增大，且呈现出一定的非线性，并于闸前水深为6.1m时达到最大，此时垂直向应力超标范围为4.21m

为便于分析闸前不同水深工况下节制闸边墩底部垂直向应力增加情况，选取岸墙底部靠上区域某一点作为特征点，具体位置如图20所示，图21给出了该特征点处垂直向应力随闸前水深的变化情况，由图可知，随着闸前水深的增加，特征点处垂直向应力逐渐增大，且呈现出一定的非线性，并于闸前水深为6.1m时达到最大。另外，以140#混凝土抗拉强度设计值为安全阈值，可以看出，当闸前水深为2.5m时，特征点处的垂直应力已超过原设计标号混凝土轴心抗拉强度的设计值。

因此，初步确定节制闸闸前水深不宜超过2.4m，节制闸的安全控制运用水位不宜超过15.8m。

针对闸前水深2.4m工况，对岸墙底部混凝土最大裂缝宽度进行复核，其中，裂缝宽度计算公式为：

式中：α为考虑构件受力特征和荷载长期作用的综合影响系数；c为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区边缘的距离，mm；d为钢筋直径，mm；ρ

边墩岸墙底部最大裂缝宽度计算结果如表2所示：

表2边墩岸墙底部最大裂缝宽度计算结果

根据有限元计算结果，由表2可知，在闸前水深2.4m工况下，边墩岸墙底部最大裂缝宽度均满足规范要求。

综上所述，综合确定节制闸闸前水深不宜超过2.4m，节制闸的安全控制运用水位不宜超过15.8m。