非对称工况下双线船闸施工仿真预测分析

陆建新 王其标

(1.南通市航道管理处，江苏 南通 226006； 2.中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032)

非对称工况下双线船闸施工仿真预测分析

陆建新1王其标2

(1.南通市航道管理处，江苏 南通 226006； 2.中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032)

使用有限元分析软件，依托海安船闸建立了非对称工况下双线船闸有限元计算模型，预测分析了回填工况及极端运行工况下船闸的受力性能，并与现场实测结果进行了对比，结果表明：依据前期监测数据调整后的仿真分析模型可以较好地为后续施工提供依据，从而降低施工风险，提高施工质量。

双线船闸，预测分析，非对称，有限元

0 引言

许多船闸在施工期会出现结构裂缝，有的裂缝甚至向深层发展，威胁到建筑物安全使用[1,2]。双线船闸结构处于一侧为另一线船闸，一侧为土体的特殊状态，属于非对称工况，较之一般的单线船闸结构受力更为复杂。通过对船闸回填工况的仿真模拟，可以预先发现在施工中可能会出现的问题，从而可以采取预防措施，避免其对工程造成不利影响；同时根据模拟成果，也可以验证施工设计的合理性[3,4]。目前对双线船闸施工的研究均未考虑非对称性的影响，本文依托海安双线船闸工程，依据前期监测数据调整后的仿真分析模型对回填和极端运行工况进行了分析，分析了船闸结构的受力和变形特性，研究结果表明采用仿真模拟方法对船闸回填过程中的应力及沉降进行预测是可行的。

1 工程概况

海安船闸位于南通市海安县境内，为双线船闸，两闸中心距为60.0 m。上游引航道接入新通扬运河与通榆河交汇处，下游引航道接入老通扬运河道，下通如海运河。航道全线按三级标准双线航道整治，海安船闸采用双线230.0 m×23.0 m×4.0 m，为Ⅲ级通航建筑物。

海安船闸上、下闸首采用整体刚度大、抗震性能好的钢筋混凝土坞式结构。上、下闸首宽度为53.8 m，长度为28.5 m；输水廊道进口断面尺寸为3.5 m×3.0 m，出口段2.5 m×3.0 m；廊道的进口段和出口段均延伸至门库，阀门设置在廊道的进口段。

2 计算模型与计算条件

2.1 有限元模型

考虑了闸首和基础土体等结构，建立了船闸—地基系统的三维有限元整体仿真模型，模型采用实体单元分析，模型边界约束条件为：地基上下游截面边界顺河方向水平位移为零，地基左右侧截面边界处横河方向的水平位移为零，底部截面边界处竖向位移为零[5]。

表1 土层参数表

2.2 材料参数

地基土共分为7层，计算参数如表1所示。船闸结构混凝土弹性模量E=30 GPa，泊松比v=0.167，重度γ=24 kN/m3。

2.3 分析断面选取

船闸沉降和应力分析断面的选取如图1所示，以东闸首作为分析对象。沉降分析断面设置在每个闸首的底板底部顺河向中心线，同时在横河方向三等分线上设置分析断面。应力分析断面设置在每个闸首的底板底部顺河向中心线。在分析断面坐标系的选取上，将船闸中心线定为X轴，将闸首与闸室分界面定为Y轴。

3 结果分析

3.1 回填预测分析

土方回填时填土应尽量采用同类土填筑，并宜控制土的含水率在最优含水量范围内。本工程根据地质报告，①-1粉质粘土层，①-3粉土层适宜用作回填土。粉质粘土最优含水量(重量比)：12%～15%，粉土最优含水量(重量比)：16%～22%。在实际回填过程中，针对海安双线船闸船首与闸室的沉降进行了监测。对闸首的中板和边板角点以及闸室的角点都进行了监测，本节将数值分析选取的断面经过实际监测的角点，数值分析得到的不同断面在回填工况下的沉降如图2所示，现场监测数据以及本文模拟结果如表2所示。

表2 回填工况下沉降值对比汇总表 mm

从图2及表2沉降分布情况可以看出模拟值与实测结果基本一致，仿真模拟方法可以对船闸回填过程中的应力及沉降进行有效预测，达到指导施工的目的。

3.2 极端工况预测分析

当一侧船闸需要大修，另一侧船闸在最高水位下运行时，对于船闸结构而言，其整体受力是最为不利的，本文将这种情况定义为极端运行工况。本节对海安船闸极端运行(假定西侧船闸水位为0 m，东侧船闸水位达到最高8 m)情况下船闸结构的沉降及应力进行了预测分析。闸首和闸室的应力及沉降情况见图3，图4。

从沉降和应力对比图可以看出，在极端运行工况下闸首和闸室均产生附加沉降和应力，表现为中板沉降和应力大于边板，且由闸首与闸室邻近面向两侧逐渐减弱。其中应力分布情况较沉降复杂，其分布形式主要取决于上部船闸结构的分布形态。

4 结语

本文采用有限元方法，分析了海安双线船闸在回填和极端运行工况下闸首和闸室的应力分布规律及变形特性，得到以下结论：

1)回填工况模拟值与实测结果基本一致，表明仿真模拟方法可以对船闸回填过程中的应力及沉降进行有效预测，达到指导施工的目的。

2)极端预测分析表明，船闸的附加沉降和应力的产生均存在空间的非对称性，表现为中板沉降和应力大于边板，且由闸首与闸室邻近面向两侧逐渐减弱。

3)依据前期监测数据调整后的仿真分析模型可以较好地为后续施工提供指导，降低施工风险，提高施工质量。

[1] 朱 平,王海滨,刘宏新.船闸工程闸室侧墙裂缝分析与处理[J].水运工程,2006(8):116-119.

[2] 曹周红.不同施工过程对坞式船闸结构影响的仿真模拟研究[D].长沙:长沙理工大学,2005.

[3] 陈胜宏,陈尚法,杨启贵.三峡工程船闸边坡的反馈分析[J].岩石力学与工程学报，2001,20(5):619-625.

[4] 李建林,哈秋舲.三峡工程永久船闸边坡合理坡角研究[J].葛洲坝水电工程学院学报，1994,16(2):7-13.

[5] 苏 超,李劲松,崔潇菡.三维有限元法在大型船闸闸首设计中的应用[J].水运工程，2014(5):112-116.

Analysis of the construction technology of lock heads under asymmetric working condition

Lu Jianxin1Wang Qibiao2

(1.NantongChannelManagement,Nantong226006,China;2.SHCCDesign&ScienceResearchInstitute,Shanghai200032,China)

This article uses finite element analysis software to establish the finite element calculation model of double lock under asymmetric conditions relying on Hai’an lock, the characteristics of stress distribution and deformation of lock head and lock chamber under backfill and extreme operating conditions was analyzed, and were compared with the measured results. Results show that using the modify model which based on the early stage of the monitoring data, we can better guide the subsequent construction, reduce the risk of construction and increase the construction quality.

double lock, forecast analysis, asymmetric, the finite element

2015-08-29

陆建新(1963- )，男，高级工程师； 王其标(1987- )，男，工程师

1009-6825(2015)31-0100-03

U615

A