0 引言
随着漳州市中心城区建设步伐的加快，为尽快形成完备的现代化城市道路网络，漳州市委市政府决定建设漳州市南江滨路（靖城大道至规划东环城路），并同步改造工程范围内九龙江南岸的水利防洪排涝设施。水利工程的建设包括堤防、挡洪闸、泵站、旱闸、船闸、水系调整和南江滨路建设影响处理工程。
水闸工程包括路边水闸、溪尾水闸、下庙水闸、下洋水闸、马洲水闸、部前水闸、南山水闸等。水闸布置采用水下钢筋混凝土坞式结构+ 直升门+ 水上管理房的形式。本工程中水闸工程的实施，主要功能为：汛期时，闸门关闭与九龙江大堤一体隔挡外河洪水，在泵闸合建情况下，挡外河洪水的同时强排堤内涝水；非汛期时，自排堤内支河水流。
1 工程概述
本文以漳州市溪尾水闸为例。溪尾水闸布置于南江滨路与规划纵十四路交汇处，该段道路与大堤采用路堤分离的型式。设计流量100 m3/s。水闸为3 孔5.0 m×5.5 m 节制闸，闸室长11 m，底槛标高1.30 m。消力池长12 m，外河海漫长30 m，外河防冲槽长8 m。穿堤箱涵长25 m，底板标高1.30 m。内河连接段约203.0 m，外河连接段约30.0 m。穿堤箱涵基础采用φ800 双轴搅拌桩处理，闸室地基采用φ600 钻孔灌注桩加φ800 双轴搅拌桩围封处理。
漳州市溪尾水闸工程总平面图、工程立面图见图1、图2。
图1 工程总平面图（单位：m）
图2 工程立面图（单位：mm）
2 常规结构分析
2.1 主要荷载标准值计算[1]
（1）静水压力标准值。墙后地下水位标高5.50m，地下水位下任一点压力值Pw 为：
式中：γw 为水的重度，kN/m；h 为地下水水头高度，m。
闸室外墙墙后静水压力作用高度为6.00 m。
（2）土压力标准值。采用朗肯土压力理论进行计算，土压力标准值Pa 计算公式为：
土压力计算采用水、土分算的原则，按照地下水位线及墙后土层计算范围土压力分层计算。其中地下水位线以下土体取浮重度，水位线以上土体取天然重度。
（3）地表均布活荷载标准值。地表均布荷载标准值取10 kN/m2，其对墙背产生的附加土压力P计算公式为：
式中：q 为地表均布荷载。
（4）闸室底板水浮力荷载标准值。底板主要承受地下水浮力作用，地下水浮力水头总高度为5.50 m，即地下水浮力标准值Pw 计算公式为：
式中：γw 为水的重度，kN/m；h 为下游水头高度，m。
2.2 验证节点结果
选取最不利工况[2- 5]：外墙最不利工况为闸内无水的完建工况，荷载包括墙身自重、墙后土荷载、墙后地下水荷载、墙后人行荷载；内墙最不利工况为荷载包括墙身自重，墙一侧有水，另一侧无水。
常规计算下验证节点结果为：外墙墙根部弯矩768.9 kN•m，内墙墙根部弯矩280.2 kN•m。
3 有限元数值模拟
3.1 建模信息
漳州市溪尾水闸闸室剖面示意图、平面图见图3、图4。
图3 闸室剖面示意图（单位：m）
图4 闸室平面示意图
采用Sap2000 系列软件分别对结构进行整体三维计算和二维简化计算：墙、板采用杆系列单元，同时考虑单元的面内刚度和面外刚度，根据墙体厚度的差异，真实反映各片墙体对整体刚度的贡献；底板采用弹簧单元模拟底板下钻孔灌注桩对底板的影响；弹簧刚度根据桩径大小、桩长和桩长所穿越的土层，按照《建筑桩基技术规范》（JGJ94—2008）相关要求进行相应简化和计算。
3.2 三维模拟
三维模拟条件下，划分网格后的计算模型见图5，整体计算的变形示意图见图6，水闸整体受力后的墙体应力图见图7，水闸整体受力时的弯矩示意图见图8。
图5 划分网格后的计算模型
图6 整体计算的变形示意图
图7 水闸整体受力后的墙体应力图
图8 水闸整体受力时的弯矩示意图
3.3 二维简化计算
根据上述荷载，将各个荷载一一对应输入计算程序并进行不同的工况组合[6- 7]。为了更直观地显示计算内容，同时采用二维建模方法，得到了方便理解的弯矩图和剪力图等。
水闸闸室部分整体受力后的应力图见图9，闸室二维平面计算示意图见图10，外墙在最不利工况下的弯矩图、剪力图、轴力图见图11~ 图13。
图9 水闸闸室部分整体受力后的应力图
图10 闸室二维平面计算示意图（单位：mm）
图11 外墙在最不利工况下的弯矩图（单位：kN•m）
图12 外墙在最不利工况下的剪力图（单位：kN）
图13 外墙在最不利工况下的轴力图（单位：kN）
通过计算可知，对于外墙而言，当闸室内无水，外墙仅承担外侧土压力、地表附加荷载、地下水侧压力时为最不利工况。而且，由于外墙无任何横向支撑，为单纯的坞式结构，因此其底部弯矩较大，弯矩最大值Mmax= 758.5 kN•m；剪力最大值Qmax=675kN；轴力最大值Nmax=429.4 kN。
在最不利工况下，外墙最大变形亦出现在东侧悬臂挡墙侧。根据有限元计算结果，外墙在最不利工况下变形较大，顶端最大水平向变形为5 mm。
根据上述荷载，内墙计算时考虑一侧有水，另外一侧无水的状态。内墙在最不利工况下的弯矩图、剪力图、轴力图见图14~ 图16。
图14 内墙在最不利工况下的弯矩图（单位：kN）
图15 内墙在最不利工况下的剪力图（单位：kN）
图16 内墙在最不利工况下的轴力图（单位：kN）
根据有限元计算结果，在最不利工况下内墙的弯矩最大值Mmax=275.3 kN•m；剪力最大值Qmax=156 kN；轴力最大值Nmax=291 kN。
3.4 对比结果
数值模拟与常规计算验证节点结果比较见表1。
表1 验证节点结果比较
由表1 可以看出，数值模拟结果与传统计算结果相比，两者相差很小，外、内墙墙根部弯矩误差仅为1.35%和1.75%，说明数值模拟计算结果可靠。
4 结语
（1）通过对比相同节点的常规计算结果和数值模拟结果可知，数值模拟方法与常规计算的误差很小，在可接受范围内。而常规计算经过大量工程实践证明是可行有效的，进而可以认为这种数值模拟方式的精确度是有保证的。
（2）数值模拟与常规计算相比，需要前期更多的数据输入和模型搭建，表面上是效率较低的方式。但是通过模拟，可以清楚、简便地查询任意位置的结构分析结果，并且对于结构变更可以快速地应变，更适合未来结构设计，具有可持续发展的潜力。
（3）本文仅选取单一的工程案例，还不足以全面客观地反映数值模拟的精确度，同时模型搭建效率还有待提高，今后还需要大量的类似研究来充实这一领域。
摘自：城市道桥与防洪