复杂工况下结构内力与变形仿真计算分析

5.3.1.1 输水闸井布置

图5-28 结构平面图

进水井是岛域输水管线的头部，输水涵闸是进水井及输水干线的检修涵闸，供进水井及输水管线检修使用。根据输水管线流道的布置，进水井设两仓，每仓对应一个流道，单仓净尺寸为13.0m×14.6m，进水井总尺寸为33.0m×19.6m。涵闸共分4孔，单孔净宽均为6.2m，孔口尺寸6.2m×5.5m，每条流道设2孔涵闸闸门控制，涵闸顺水流方向长16.0m，总宽30.8m。输水闸井结构平面见图5-28。

进水井采用地连墙围护钢管支撑的基坑开挖方式施工，1.0m高程以下为地连墙在基坑开挖阶段作为围护结构，运行期作为主体结构的一部分与内衬墙形成叠合墙结构。内衬墙在与岛域输水干线相接位置预留两个φ7000的圆洞与输水管线顺接，其圆心高程即为输水管线的中心高程－9.0m。在与输水涵闸相连的一侧，进水井－5.2m高程以上不设内衬，在上部至7.5m高程的现浇混凝土强度达到设计设计强度后，将1.0～－5.2m高程范围的地连墙割除，保证进水井与涵闸顺接。

输水涵闸采用重力式三轴搅拌桩围护，在进水井井壁混凝土结构全部达到设计强度后再进行施工，涵闸全部采用现浇钢筋混凝土结构。

进水井采用46根φ1000钻孔灌注桩基础，涵闸采用104根φ600PHC管桩基础，为提高涵闸闸底地基土的强度，增强涵闸侧进水井的被动土压力，保证进水井的稳定，涵闸底邻进水井采用格栅型旋喷桩加固。

5.3.1.2 结构内力及变形仿真计算分析

进水井井壁厚度从下至上由厚变薄，输水管线侧及涵闸侧均开较大洞，进水井与涵闸底板埋深差别大，整体结构复杂；而且水库水位变动较大（－1.5～7.0m），工程施工、运行及检修期的荷载差别明显不同，各部位受力差别较大，采用常规的计算方法难以准确计算不同时期不同部位的内力，为了保证结构安全可靠、设计经济合理，采用大型有限元软件，对输水闸井的内力与变形进行仿真计算分析。

1）计算方法与计算模型

（1）计算方法。计算采用荷载结构法，即将进水井结构、涵闸结构及进水井地下连续墙围成的土体作为研究对象，结构外围及底板下的土体简化为土弹簧来考虑，用布置于模型各节点上的弹簧单元来模拟土与结构的相互作用，弹簧单元只承受压力不承受拉力，受拉时自动脱落。进水井（涵闸）底板以上的土压力按三角形或梯形分布，底板以下按矩形分布。

（2）计算模型。根据闸井的实际尺寸，结构计算模型南北方向长度为33.1m，东西方向长度为30.5m，深度方向为80.2m。模型共划分为144777个单元，744743个节点。根据各部位三个方向的结构尺寸相对关系采用不同类型的单元模拟。计算模型及网格见图5-29～图5-31。

图5-29 模型几何图（一半）

图5-30 计算网格图（含土体）(www.xing528.com)

图5-31 计算网格图（不含土体）

2）工况分析

根据输水闸井施工及供水进度要求，输水管线一个流道先行施工完成通水，再施工另一个流道，最后两个流道共同运行。根据流道检修要求，一个流道检修时，另一个流道正常运行，另外水库运行水位变化大，因此不同时期，进水井及涵闸所受荷载差别大，内力及变形亦随外荷载变化，为了确定结构各部位的配筋量，保证结构的安全，计算须反映出结构各个时期的内力及变形。根据工程施工、运行及库水位情况，研究分析了5类大工况，13类小工况，各工况条件、荷载及边界条件具体见表5-11。

表5-11 计算分析工况

（续表）

3）计算结果及分析

输水闸井结构计算分析了输水闸井从进水井施工至涵闸基坑开挖施工，再到东仓进水井施工、运营，直到东西两仓进水、检修，一共13个计算工况。

根据计算结果，结构自身的变形并不大，而发生的位移大多是由于倾斜而发生的。虽然部分工况中进水井结构受到不平衡力向各个方向倾斜，但是由于井外土压力仍然比井内有水时大，因此结构的自身变形仍然是朝井内变形。同时，由于井外水位较高，以及底板下土受到地连墙下部挤土作用的影响，产生横向的泊松效应，使得进水井结构产生上浮现象。

根据计算结果，变形最大工况为S3工况，此时进水井周边土体地面高程填至3.5m高程，东线输水管进洞。左侧和右侧墙体最大变形分别向北变形6.59mm和6.96mm，正背面墙体最大分别向井内变形1.13mm和1.12mm，底板向北倾斜，最大上浮量为9.81mm，最低为7.02mm，差别2.88mm。

需要注意的是，井内后浇底板的施作，使得底板处正背面墙体的弯矩有所增加。当东井运营有水，而西井施工无水时，若不考虑墙体边界应力的集中，中隔墙的弯矩不到2000kN·m，并不算太大，体现了设计的合理性。另外可以看出，当进水井内有水时，反而是进水井结构内力比较少的工况，可见井内运营时的工况在目前的计算条件下相对较安全。

结构应力基本和弯矩趋势一致，结构应力最大值的工况发生在S7工况。可以看出，东线进水井的施工并没有让西井应力最大值有明显的变化，而东井却逐渐变得安全。因此可以说，东井的施工并没有产生可以构成西井破坏的恶性因素，故东井施工以及运营的方案是可行的。