不同参数对水闸底板内力的影响分析.pdf

2024 年第 2 期155中国高新科技AGRICULTURE WATER CONSERVANCY|农林水利不同参数对水闸底板内力的影响分析伍仕祥金湖县水务局，江苏 淮安 211600摘要：环境因素和周边荷载对水闸的安全性和稳定性有不利影响。文章基于某水闸工程，通过数值模拟软件，研究不同影响因素对水闸底板内力的影响。结果表明：水闸底板两端比水闸底板中间段更易发生应力集中，岩基深度和墩厚对水闸地基反力影响有限。岩基深度越大，底板受到的垂直荷载越大，从而增加底板表面的压力。为确保水闸的安全性，在提高地基刚度减少应力集中的同时，增加闸墩的厚度和底板厚度，能减小底板在跨中位置的弯曲程度。关键词：水闸；底板内力；参数分析文献标识码：A中图分类号：TV66文章编号：2096-4137（2024）02-155-03DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2024.02.49Analysis of the influence of different parameters on the internal force of sluice floorWU ShixiangJinhu County Water Affairs Bureau,Huaian 211600,ChinaAbstract:Environmental factors and surrounding loads have adverse effects on the safety and stability of sluices.Therefore,based on a sluice project,this paper studies the influence of different influencing factors on the internal force of sluice floor through numerical simulation software.The results show that compared with the stress concentration at both ends of the sluice floor in the middle section of the sluice floor,the influence of rock foundation depth and pier thickness on the foundation reaction force of the sluice is limited.The greater the depth of the bedrock,the greater the vertical load on the floor,thereby increasing the pressure on the floor surface.In order to ensure the safety of the sluice,while improving the stiffness of the foundation to reduce stress concentration,the thickness of the pier and the thickness of the bottom plate are increased to reduce the bending degree of the bottom plate at the mid-span position.Keywords:sluice;internal force of floor;parameter analysis水闸底板是一种重要的水力结构，被广泛应用于灌溉系统、水坝和防洪工程等领域。水闸底板在支撑水压力和传递荷载方面发挥着关键作用，了解底板内部受力情况对于设计和确保水闸结构的完整性至关重要。水闸底板的内力受多种参数的综合影响，其中包括水闸的几何参数、材料特性及水流条件等因素。几何参数涉及底板的尺寸、形状和厚度等，材料特性涵盖底板材料的强度、刚度和变形能力等。同时，水流的速度、流量和流向等因素也对底板内力产生显著影响。通过对水闸底板内力的分析，可以揭示不同参数对底板受力分布的影响规律。例如，增加底板的厚度可能提高其抗弯刚度，从而减小底板的弯曲变形和应力集中现象；而增大水流速度可能会导致底板承受更大的力，进而引起较大的应力和变形。这些分析结果对于指导水闸参数的选择和结构优化具有重要意义。本文旨在通过数值模拟探究不同参数的变化对水闸地基反力和水闸底板弯矩的影响，明确水闸底板内力的变化规律，为提高水闸的结构性能和运行安全性提供科学依据。1测试方案和模型在本文数值模拟中，选用线弹性模型模拟闸室，岩基采用 Drucker-Prager 弹塑性模型，岩基-闸室之间的法向接触采用“硬”接触法向模型，切向采用库伦模型，闸底板为主控，岩基为从属。模拟工况为水闸正常运行期，其上下游水位分别为 1.3m 和 5.14m，主要考虑结构自重、土压力和水压力对其内力的影响。为避免边界效应的影响，应保证地基宽度为闸室宽度的 3 倍以上，深度为闸室高度的 3.5 倍以上。基底采用固定约束限制其线位移和转角位移，左右两侧限制其水平位移。岩基深度取值为 5.5m、8.5m、11.5m 和 14.5m，E/Ec取值为0.22、0.43、0.65和0.87，底板厚度为0.6m、0.8m、1.0m、1.2m和1.4m，闸墩厚度取值为1.0m、1.1m、1.2m、1.3m和1.4m。闸室采用 E 为 2.3104 MPa，泊松比为 0.167，重度为 25kN/m3的混凝土模拟。闸孔的尺寸为 6m8m，边墩和中墩的厚分别为 3.2m 和 2.2m，底板厚度和高程分别为 0.6m 和 2m，顺水长度为 14m。在使用有限元软件进行分析前，保证初始地应力平衡对于准确模拟地下工程和地质问题的力学行为至关重要。通过在模型中引入准确的初始地应力状态，可以更真实地模拟地下岩石和土壤的力学响应，并提供可靠的预测结果。建模具体流程为：创建几何模型定义材料特性设置加载条件定义初始地应力设置网格和单元类型定义分析步骤执行分析分析结果评估。对于初始地应力平衡分析，通常采用静态分析，逐步施加荷载并观察模型的响应。2不同参数对岩基上水闸底板内力的影响2.1岩基深度的影响图 1 显示了岩基深度对水闸底板内力的影响。由图 1（a）可知，在底板两端的水闸地基反力最大，底板中间部位的地基反力最小，底板两端的水闸地基反力约为底板中间的水闸地基反力的 2 倍，这表明水闸底板两端的承载力大于中间位置，水闸底板两端易发生应力集中现象。水闸地基反力沿水闸底板的长度方向呈 M 形分布，岩基深度受水闸地基反力的影响有限，这是由于水流对底板的作用及水流对地基的影响 2024 年第 2 期156中国高新科技农林水利|AGRICULTURE WATER CONSERVANCY导致的。由图 1（b）可知，在底板路径 0 4m，水闸底板表面受拉，在底板路径 4 9.8m，水闸底板表面受压，意味着在不同位置，水闸底板表面的应力状态发生变化。随着岩基深度的增加，水闸底板表面受到的压力越大，而拉力基本不变。岩基深度的增加导致底板受到的垂直荷载增加，从而增加底板表面的压力。（a）岩基深度对水闸地基反力的影响（b）岩基深度对水闸底板弯矩的影响 图1岩基深度对水闸底板内力的影响2.2 岩基弹性模量与水闸底板弹性模型比值 E/Ec的 影响图 2 显示了岩基弹性模量与水闸底板弹性模型比值对水闸底板内力的影响。由图 2（a）可知，E/Ec越小，水闸底板受拉区面积越小。底板的跨中弯矩随岩基的弹性模量的增大而减小，而岩基的弹性模量的大小对闸墩处的负弯矩影响有限。当岩基的弹性模量较小时，岩基的刚度相对较低，而水闸底板的刚度取决于其自身的弹性模量，此时岩基无法提供足够的支撑和约束，造成水闸底板的受拉区域面积减小。因此，E/Ec越小，水闸底板受拉区越小。岩基的刚度（由弹性模量决定）增加会使得整个水闸结构更加刚性，岩基刚性越大，它能够更好地承受底板的荷载并提供约束，导致底板在跨中位置的弯矩减小。由于闸墩与岩基之间的接触面积较小，岩基对闸墩产生的约束相对较小。此外，闸墩的负弯矩主要是由于水压力引起的，而岩基的弹性模量对于水压力的分布和传递相对较小，因此 E/Ec的大小对闸墩处的负弯矩影响有限。由图 2（b）可知，随着 E/Ec的变化，水闸地基反力大小处于 96 260kPa 变化，沿底板路径呈现出先减小后趋于稳定的规律。在底板路径 0.6 4.2m，随着 E/Ec的增大，水闸地基反力也呈现出增大的趋势。E/Ec的增大导致岩石或地基的刚度增加，导致其对水闸底板施加更大的约束力和支撑力，从而导致水闸地基反力的增大。当 E/Ec的值增大，岩石或地基的刚度增加会改变底板受力的分布情况。较高的岩石或地基刚度会使底板在受力过程中更加均匀，减少了一些局部集中的受力情况。因此，在底板路径 0.6 4.2m，随着E/Ec的增大，底板受到的地基反力相对增大。（a）水闸底板弯矩的影响（b）水闸地基反力的影响图2岩基弹性模量与水闸底板弹性模型比值对水闸底板内力的影响2.3底板厚度的影响图 3 给出了 5 种水闸底板厚度对水闸底板弯矩和地基反力的影响曲线。从图 3（a）可知，水闸底板厚度对底板受拉区域范围影响有限。随着板厚的增加，水闸底板承受的正弯矩从 23kNm 减小到 14.4kNm，而负弯矩从 8.8kNm 增大到15.3kNm。由图 3（b）可知，水闸地基反力随板厚的增加而增大。地基反力在近闸墩处最大，在中部分布均匀。图中现象表明，闸墩附近水流对底板的作用更为剧烈，水流的压力和水动力对该区域的地基产生了较大的影响。此外，闸墩附近可能存在流动分离、湍流等因素，使得地基反力更为集中，导致该区域的地基反力增大。中间区域距离闸墩较远，水流对底板的作用较为均衡，没有明显的集中作用。底板在增加厚度后能够更好地分担荷载，导致地基反力的增加。（a）水闸底板厚度对水闸底板弯矩的影响（b）水闸底板厚度对水闸地基反力的影响图3水闸底板厚度对水闸底板内力的影响2.4水闸墩厚的影响图 4 显示了水闸墩厚对水闸底板内力的影响。由图 4 可知，随着水闸墩厚从 1m 增加到 1.4m，水闸底板的跨中弯矩减小 20%，这意味着增加水闸墩的厚度可以减小底板在跨中位置的弯曲程度。较厚的水闸墩提供了更强的约束和支撑，减少了底板的弯曲。闸墩处的弯矩增加 73%，表明增加水闸墩的厚度对于闸墩处的弯矩具有显著影响。较厚的闸墩能够更好地承受水压力，从而增加了闸墩处的弯矩。墩厚对水闸地基反力的影响有限，这是因为墩厚的变化主要影响了底板2024 年第 2 期157中国高新科技AGRICULTURE WATER CONSERVANCY|农林水利的弯矩分布，而地基反力主要受到底板荷载和水流力的影响，与墩厚变化关系较小。（a）水闸墩厚对水闸底板 弯矩的影响（b）水闸墩厚对水闸地基 反力的影响图4水闸墩厚对水闸底板内力的影响3结论为了探究不同参数对水闸底板内力的影响，本文通过数值模拟对水闸底板内力开展研究。具体包括：岩基深度、E/Ec、底板厚度和闸墩厚度等参数对水闸地基反力和水闸底板弯矩的影响，得出主要结论如下：水闸底板两端的承载力大于中间部位，两端容易发生应力集中现象，水闸地基反力沿水闸底板的长度方向呈现 M 形分布，岩基深度对水闸地基反力的影响有限。E/Ec越小，水闸底板受拉区越小，底板的跨中弯矩随岩基的弹性模量的增大而减小，而岩基的弹性模量的变化对闸墩处的负弯矩基本无影响。随着 E/Ec的增大，水闸地基反力呈现出增大的趋势。水闸地基反力随着板厚的增加而增大，在近闸墩处产生应力集中现象，导致地基反力最大，而在底板中部应力均匀分布。增加水闸墩的厚度可以减小底板在跨中位置的弯曲程度，水闸地基反力与墩厚的大小无关。作者简介：伍仕祥（1975-），男，江苏金湖人，金湖县水务局工程师，研究方向：水利施工建设。参考文献1 张国付.朱隈水库水闸与地基作用机理模拟分析J.黑龙江水利科技，2023，51（3）：62-65.2 蔡冬璇.水闸地基不均匀沉降的有限元分析 J.水利科技与经济，2023，29（3）：113-117.3 茹建辉.对水闸设计问题的补充讨论之三 水闸的斜坡和渗流控制设计 J.广东水利水电，2023（3）：1-8.4 曹睿哲.水闸交通桥结构形式改变对水闸闸室受力影响分析 J.城市道桥与防洪，2022（11）：129-132，18-19.5 任泽栋，张坤.轮形双向旋转水闸结构受力特点研究 J.人民长江，2021，52（S1）：184-187，205.6 张宇，李同春，齐慧君.软土地基水闸底板有限元分析的桩基模拟方法 J.水利水电技术，2020，51（6）：65-71.7 金轶.水闸结构安全监测及受力特性分析 D.重庆：重庆交通大学，2018.（责任编辑：肖央然）高峰期是从早上 8 点至晚上 10 点，而在其他时间段耗电量相对较低。所以，有关部门需针对性地对供电进行调节，通过采取加强供电管理的方法，让供电高峰期向电力低谷进行转化，改善电力峰谷的供电水平和质量。6.4实行无功补偿的补救措施无功补偿优化是指通过恰当的调整国家电网中的无功电流大小，在合理分摊无功电流的基础上，最大化地减少电网输送流程中的电量损耗，从而确保电压持续在最优化水准。在进行无功补偿装备的选型工作时，应注意如下方面：明确无功补偿装备的主要技术参数，综合考虑国家电网的实际状况，做好对补充电路的选型管理工作，保证其可以适应国家电网的运营。此外，还须做好对用电系统功率的研究管理工作，选定适合的补偿处理方法。在变压器设备的影响下，会对电力自动化节能设计管理产生一定影响，因此，在开展变压器设备管理作业时，还应重视对交换压力的转换管理工作，严格遵照电磁感应原则进行。在传输环节中，一旦输出压力值下降，相应的损失将会增加，所以，在开展变压器设计工作时，应充分考虑功率损耗问题，使电能传输需求得到保障。由于计算机的完善及其在供电系统中的广泛运用，高压无功补偿技术获得了一定的发展，且在不同变压器中获得了有效运用。7结语综上所述，要想实现电力企业可持续发展，需健全和落实绿色电力节能施工技术和方案，使其在电力工程施工中得以有效运用，政府部门需加大帮扶力度。同时，施工单位需加强技术投入，创新完善各项绿色施工技术，在电力工程施工过程中做到资源的有效节约和环境保护，促进我国电力工程行业的绿色发展。作者简介：许小良（1975-），男，浙江嘉兴人，国网浙江省供电有限公司嘉兴供电公司工程师、高级技师，研究方向：电气工程及其自动化。参考文献1 姜斌.电力工程绿色节能施工管理技术的应用分析J.模型世界，2020（20）：70-72.2 付振国.电力工程绿色节能施工管理技术的应用分析 J.模型世界，2020（20）：103-105.3 谷灵.电力工程绿色节能施工管理技术的应用分析J.电脑采购，2020（9）：211-213.（责任编辑：肖央然）（上接第147页）