水库溢洪道泄洪闸结构设计的有限元分析

水库溢洪道泄洪闸结构设计的有限元分析

刘世立

宁波市水利水电规划设计研究院有限公司  315000

摘要：水闸是水库中多见的挡水条房屋建筑。它根据开启和关掉水利闸门来操纵总流量，进而调整闸室的水位线。水闸在水利工程中起着特别关键的功效，因而运用于水利工程的各行各业。但是，在大部分水闸设计方案中，水闸底板和闸墩的估算和设计方案是单独开展的，但这些方式比较简单，不可以直接地体现闸室构造的总体作用，乃至造成数值与实际情况不符合。文中以蛟桥闸为例子，选用有限元原理对水库泄洪闸的总体设计进行分析。

关键词：水库；泄洪闸；闸室结构

1工程概况

某水闸闸门共有8个孔，每一个孔宽4米。闸室为开放式构造，闸底板顶高程为31.00米（1985年我国高程规范，相同）。闸门底板为混凝土结构仰拱，无缝，顺水流方位长10.0米，竖直河面长39.0米。为砖墩构造，厚1.0m，岸壁为砖箱，顺水流方位长10.0m，顶宽0.75m，前墙高4m。升降平台中下游侧有一座全宽7.5m、宽度6.5m、路面设计标高36.80m的混凝土预制拱式桥梁，选用混凝土结构平面图闸门，每扇闸门由两个构成。闸门由胶木粉滚轮支撑点，路轨由高韧性地砖做成。门高4.0m，宽4.3m，自身重量5.5t，配有手电两用 10t 螺杆式启闭机。

上下游翼墙为水泥地面水泥砂浆砖重力式挡土墙，顶宽0.4m，顶高33.50m，墙高4.50m，上下游翼墙连接0.18m厚砖护坡，顶层连接15.0m长1.0m厚黏土基础垫层。毛毯上的砖裙厚0.18米。铺盖卷与底板中间，铺盖卷与上下游翼墙底板中间，用沥青麻布袋防水，翼墙与闸墙相接处用沥青油毡防水。

中下游混凝土护坦长8.0m，厚0.4m，高程从31.00m下滑到30.20m，产生一个深0.8m的溢洪道，消力池后是一个长30m，厚0.3m的拱涵块，高程从31.00m下滑到30.00m，与湖底高程同样。底端有1.5m深的齿墙，无妨冲槽。中下游砖砌护坡长30m，倾斜度从11.5慢慢变成12，护坡尾端设定齿型墙。蛟桥闸破旧，启闭机房、上中下游护坡、闸门、交通出行桥衰老损坏。危害门的安全可靠和正常的运作。

改造后的闸门为混凝土结构敞开式闸门，设计方案排水流量233m3/s，5年一遇，设计分洪总流量375m3/s，20年一遇。共5孔，双孔宽6.0m，顺水流方位闸事务长15.0m，垂直在水流方位长36.0m，底板高程29.50m，墩顶高程36.40m，墩顶设预制空心板交通桥。

2水闸结构的传统算法

2.1水闸底板类型

水闸闸室的主要组成部分或者最重要的部分就是水闸闸室的底板，所以根据底板的

结构、尺寸和形状，其主要的形式有以下这几种，分别是宽顶堰式、低实用堰式及反拱

式。在其中，宽顶堰为水准底板，适用流动速度慢、水口低的状况，应用领域广；当闸室上下游水位线较高，其泄流动能比较大，水利闸门单宽总流量不可以充分达到泄流规定时，可将全部堰顶拉高，制成低效应堰。最终，仰拱底板为仰拱，因为物理性能好，可以节约建筑装饰材料。但它的不足之处是受路基形变和温度转变的危害比较大，因此现阶段并没有广泛运用。

2.2闸室底板的内力计算

（1）弹性地基梁法的特点

为降低地基工作压力，本工程项目底端设计方案梁板。由于这种梁板提升了与的接触总面积，提升接触总面积后结构会更具安全性。结构上端经受的载荷可以匀称地传达到上端，确保了结构安全性和可靠性，而地基如果存在弹性，则称之为弹性地基梁，对于地基梁内力进行求解。

（2）弹性地基梁法的计算步骤

如果采用弹性地基梁法进行闸底板内力时，需要综合考虑地基上层可以被压缩土层的厚度。并给予厚度 H 与计算段底板长度 L 确定。

当２H/L＜0.25 时，可以根据基床系数法计算；

当２H/L＞2.0 时，可以根据半无限深弹性地基梁法计算；

当２H/L＞0.25~2.0 时，可以基于有限地基梁法计算。

2.3阐室的稳定计算

闸室底可以分为大底板和小底板，稳定计算则主要包括中缴顺水流向、边墩双向稳定的计算。一般情况下，取一孔闸室或是闸室的其中一个分段来作为计算单元。对于闸室各种力的大小、作用点以及方向等进行计算，并对于地基和闸室接触面的中点求矩，之后进行叠加。

（1）闸室基底压力计算公式

式中： ∑G 是作用在基底上的所有竖向荷载； 则是基底压力； A 是基底面积；B 是基底宽度；e 是偏心距。

（2）基底压力不均匀系数

式中：η 是不均匀系数；  是最大压力值和最小压力值。

3水库溢洪道泄洪闸结构设计的有限元分析

3.1有限元方法的求解步骤

综合性全部单元的刚度矩阵后，可以获得节点力、位移和应变力相互关系。有限元原理的求解流程是：最先，结构的离散化。简单化结构繁杂的初始条件，进而获得结构解范畴的特性和标志地区。将待研究的结构简单化为一个有限元分析，在一个单元和邻近单元中设定连接点，使多个单元可以成为合成体，进而仿真模拟原结构。网格图精密度越小，数值会越精准，但测算全过程会提升，进而提升偏差。次之，位移插值法函数公式的挑选 。为了更好地更便捷地科学研究问题，必须假定位移的实际遍布。这代表可以假定位移是平面坐标的简易函数公式。有限元的关键是选取适宜的位移插值法函数公式。再度，科学研究了单元和结点的结构力学特点，获得了单元的力与位移、内应力与应对的关联。利用本构方程、几何图形参数方程和变分方程式，可以获得单元刚度矩阵。最终，根据虚功原理和虚位移基本原理，利用高斯方程求解刚度矩阵，获得力与位移的关联。下面的图展示了有限元分析求解器。

图 1 有限元的求解程序

3.2基于软件 ANSYS 的水闸分析

（1）单元类型选择

对于单位类型，主要是SOILD45企业建立的。根据创建闸门土65单元，土65和土65全是实体线单元，在作用种类上相对高度类似，在仿真模拟混凝土等抗拉强度极强的资料时成效不错[4]。SOILD65单元的突出优势是，它并非一个纯实体线单元，还能够仿真模拟之中加上很多建筑钢筋的状况。在现实项目中，建筑钢筋的处置方式可分成分散型、组合型和彻底分散型三种。而SOILD65单元在原材料主要参数的选用上提升了预压原材料，因此对缝隙、形变、毁坏都是有不错的实际效果。

（2）模型选择

因为水泥原材料在工程施工方式上是最优控制的，因此新建闸的时候会有影响。但是，水利水电工程中的闸室主要是用混凝土结构修建的。即使这类类型在全部方位都遭受荷载，因为水泥的应变等。在建模全过程中，因为持续体基础理论和混凝土结构的特性，建模主要参数可以在有必要时立即调节。在钢－混凝土本构模型中，弹性和非弹性实体模型运用最普遍。有关线弹性方位，造成的内应力和应变可以线性持续转变；根据非弹性内应力情况，与载入时长不相干，与应变情况相关。在弹性建模全过程中，必须将毁坏面与妥协面分离。假如抗压强度并没有到达极限值，根据妥协面的特性，弹性形变会对内应力应变造成非常大的危害。

（3）破坏准则

如表 1 所示为产生破损按照受压分成的情况。

表 1 受压破坏原则

4总结

综上所述，本文通过 ANSYS 软件，以焦桥闸泄洪道泄洪闸为例，将闸室混凝土采用线弹性模型，开展计算和分析工作，以此能够得到闸室部件的变形情况、应力分布规律，

从而为水闸结构设计提供一定的技术支撑，并且为同类研究提供了参考。

参考文献

[1] 李怀超．某水库溢洪道泄洪闸结构有限元分析[D]．郑州：华北水利水电大学，2018．

[2] 赖宏．水库拱坝三维有限元分析及设计优化[J]．陕西水利，2019，（9）：32-35，40．

[3] 张一平．某水库溢洪道弧形工作闸门设计研究[J]．建筑工程技术与设计，2018，（14）：3748