边荷载对护坦结构设计影响研究

张丽萍，董 雷，代 晴

(徐州市水利建筑设计研究院，江苏 徐州 221000)

水闸、溢流堰等建筑物是水利工程中不可缺少的[1- 3]，作为上下游连接段的翼墙是上述建筑物的重要组成部分。在墙后会形成一定区域的填土，墙后的填土对结构产生的荷载称为边荷载[4]。

护坦位于泄水建筑物下游，用以保护河床免受水流冲刷或其他侵蚀破坏的刚性结构设施。当下泄水流采用底流消能时，护坦(或其一部分)常做成消力池型式，促使高速水流在消力池范围内产生水跃。由于护坦受力情况较复杂，又紧靠闸室或坝体，一旦破坏，直接影响闸坝安全[5- 7]。而边荷载对底板结构的影响较大[8]，因此有必要进行边荷载对护坦底板结构设计影响的研究。

有限元法具有极大的通用性和灵活性，可以用来求解弹性力学中的各种复杂边界条件。本文采用有限元法进行模拟分析计算，能够简化繁琐的计算过程，很简便得到计算结果[9]。

采用有限元法进行弹性力学分析时，首先需对结构进行离散化，将计算区域划分为有限个计算单元，单元之间只在结点上互相联系，然后对计算单元进行分析，根据基本方程和变分原理建立单元结点力和结点位移之间的关系，最后整体计算分析，根据结点力平衡方程建立有限元方程，引进边界约束条件，解总体刚度方程求结点位移分量[10]。

1 模型构建

1.1 模型构建

本文研究边荷载对护坦的影响，因此将护坦两侧的构筑物简化为边荷载，地基土按照弹性地基考虑，为满足计算精度，地基土深度取10m深。

因各工程地质条件不同，边荷载作用大小不同，本文仅定性研究边荷载对护坦结构的影响，相应设计参数设置如下：地基土弹性模量为1×105kPa、泊松比为0.3，护坦弹性模量为2.8×107kPa、泊松比为0.167，边荷载为100kPa。

1.2 单元划分

将地基划分为有限个三角形单元，三角形单元形状应尽量规则，内角相差不应太多。网格划分越细，计算结果精度越高，但是到一定程度后对结果精度的影响不太明显。综合考虑精度和计算能力，靠近底板的计算区域网格宜密，远离底板的计算区域网格宜疏，并使相邻分区单元的边界节点重合。

1.3 边界条件

地基计算区域两侧取X方向约束，地基计算区域底部取X、Y方向约束。

2 计算结果

2.1 分缝数量对护坦结构的影响

采用护坦宽10m、荷载作用范围10m作为基本模型，计算分缝数量对护坦结构的影响。主要分为以下4种计算工况：护坦不分缝(工况1)；护坦之间分一道缝(工况2)；护坦之间分两道缝(工况3)；护坦之间分三道缝(工况4)。分缝宽度为2cm。

各工况中结合工程实际考虑了翼墙与护坦之间是否留2cm沉降缝，分为两个子模型。计算结果如图1—2所示。

图2 分缝数量对护坦弯矩值影响分布图

图1 护坦最大弯矩值与分缝数量关系图

通过图1两条趋势线对比可知，护坦和翼墙之间留2cm缝可有效降低边荷载对护坦的影响，可以看出降低幅度约为50%；通过对两根趋势线中不分缝的最大弯矩值与其他工况最大弯矩值对比可知，边荷载对分缝护坦的影响程度明显低于对不分缝护坦的影响。

对图2中四个工况图形对比可知，边荷载对离荷载最近的一块护坦弯矩影响最大，对于分缝护坦，最大弯矩值变化不大，且最大弯矩均出现在距边荷载最近的一块护坦上，对于分两道以上缝的护坦，处于中间部位的护坦，其弯矩值与邻近边荷载护坦上的弯矩值相比可忽略不计。因此以下针对边荷载对不分缝和分一道缝护坦的影响作进一步研究。

2.2 边荷载对不分缝护坦的影响

根据工程一般需要，将护坦宽度分为8、10、12、14、16m五组，根据边荷载的作用范围对护坦应力影响不同，结合已有研究[11]，将边荷载作用范围分为5、10、15、20m四个系列。计算结果如图3所示。

图3 不分缝护坦最大弯矩值趋势图

经上述计算分析，边荷载对不分缝护坦最大弯矩值的影响随着护坦宽度的增加，先增大再减小，在护坦宽度10～12m时达到最大值。同时从计算结果可看出，边荷载作用范围超过10m后，作用范围对护坦的弯矩影响几乎没有差别。

2.3 边荷载对分一道缝护坦的影响

可将边荷载对中间分一道缝的护坦的影响视作单边荷载对临近护坦的影响。将护坦宽度从12～32m，每间隔2m为一组，共11组，根据边荷载的作用范围对护坦应力影响不同，将边荷载作用范围分为5、10、15、20m四个系列。计算结果如图4所示。

图4 分一道缝护坦最大弯矩趋势图

计算结果表明：护坦分一道缝的工况下，随着护坦宽度的增加，最大弯矩值先变大，在护坦总宽度大于22m后逐渐趋于平缓。从计算结果可看出，在本模型条件下分缝后的护坦的弯矩值均未超过50kN·m；边荷载作用范围超过10m后，作用范围对护坦的弯矩影响几乎没有差别。

3 结论

(1)翼墙与护坦之间留2cm的沉降缝，不仅能减少不均匀沉降带来的危害，同时也能有效地减少边荷载对护坦结构的影响程度。

(2)边荷载仅对邻近边荷载的护坦有显著影响，对中间护坦几乎无影响。

(3)护坦不分缝时，边荷载对护坦最大弯矩值的影响随着护坦宽度增加先增加再减小，在护坦宽度10～12m时达到最大值。

(4)单边荷载对护坦最大弯矩值的影响规律是随着护坦宽度的增加先增加后区域平缓。

(5)边荷载作用范围超过10m后，作用范围的大小对护坦影响的差异很小。