水閘閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計完善措施范文

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摘要：防洪、灌溉、航運(yùn)、排澇、發(fā)電等工作離不開水閘，因此水閘在水利工程中占有重要地位。本文從水閘的工作特點(diǎn)入手，探討了建立水閘閘室段結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件，并用準(zhǔn)則法對開敞式水閘閘室進(jìn)行了優(yōu)化，通過實(shí)例計算說明采用準(zhǔn)則法對水閘閘室優(yōu)化設(shè)計的意義。

關(guān)鍵詞：水閘；閘室結(jié)構(gòu)；準(zhǔn)則法

1.水閘的工作特點(diǎn)

相較于溢流重力壩，水閘的工作特點(diǎn)與之具有異曲同工之妙，但特殊之處在于水頭較低，建設(shè)場所普遍以軟基為主。水閘處于擋水狀態(tài)時閘室將承受水平壓力，在該外力作用下易出現(xiàn)水閘向下游滑動的變化趨勢。為了維持閘室的穩(wěn)定性，需保證其具有足夠的重力。上下游存在水位差時，水從上游流過，經(jīng)水閘地基以及兩岸后轉(zhuǎn)至下游，期間存在較明顯的滲透水流，其會直接作用于閘室底部，使該處承受滲透壓力，進(jìn)而出現(xiàn)水閘的有效重力下降的情況，在一定程度上威脅到閘室的穩(wěn)定性；兩岸滲流也有較強(qiáng)的破壞性，于岸墻處形成水平滲透壓力，容易推動岸墻移位（具有朝河心方向的運(yùn)動趨勢）。并且，由于滲漏作用的影響程度深且范圍廣，地基和兩岸的細(xì)顆粒土易被帶走，甚至掏空地基和兩岸，此時均會影響水閘的正常運(yùn)行。水閘下游要有一定的消能防沖措施，當(dāng)水閘過水時因為流速較大，可能會嚴(yán)重沖刷下游的消能措施及河床，在效能措施失效的情況下閘室質(zhì)量問題隨之顯現(xiàn)。于軟基上建設(shè)閘室時，必須保證結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定性，以免在自重及外部載荷的共同作用下出現(xiàn)沉降、變形等質(zhì)量問題。在閘室設(shè)計中需合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)對外部作用力的抵御水平。

2.水閘結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的構(gòu)建

2.1優(yōu)化設(shè)計變量的選取

閘墩和閘底板為閘室結(jié)構(gòu)組成中的關(guān)鍵部分，尺寸為重點(diǎn)設(shè)計對象，合理的尺寸有助于提高閘室的受力穩(wěn)定性。此外，需充分考慮閘門位置、防滲布置等因素，以免影響閘室的正常使用。

2.2目標(biāo)函數(shù)的選取

設(shè)計變量函數(shù)宜作為目標(biāo)函數(shù)，原因在于在改變設(shè)計變量數(shù)值的條件下，與之相對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)的數(shù)值也將發(fā)生同步變更，通常目標(biāo)函數(shù)包含尺寸、重量、體積、造價等因素。若為了通過減小工程量的方式達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效的目標(biāo)，可選取閘墩和底板的總造價最小值作為目標(biāo)函數(shù)。

2.3約束條件

將限制設(shè)計方案統(tǒng)稱為狀態(tài)變量，各方案均要滿足該類限制。通?？煞譃閮蓚€類別：一是狀態(tài)約束，較為典型的有容許應(yīng)力、穩(wěn)定要求等；二是界限約束，較為典型的有變量取值的界限。從狀態(tài)變量的角度來看，可能會出現(xiàn)上限、下限同時存在的情況。根據(jù)水閘的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特點(diǎn)，在對其展開優(yōu)化設(shè)計時所需考慮的狀態(tài)約束主要有：地基承載力及應(yīng)力、界限約束主要指結(jié)構(gòu)的幾何尺寸。以下具體舉例列舉水閘的相關(guān)約束條件。（1）狀態(tài)約束舉例。①地基承載力約束。以地基允許承載應(yīng)力為參照基準(zhǔn)，要求閘室最大地基壓應(yīng)力（Pmax）不可超過該值的1.2倍，即Pmax＜1.2[Pc]（[Pc]為閘底地基允許承載力）。②應(yīng)力約束?；鬃钚簯?yīng)力（Nmin）為重點(diǎn)控制對象，該值應(yīng)當(dāng)滿足Nmin≥0的要求。（2）界限約束舉例。以幾何尺寸約束為例，結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計約束條件可以考慮如下內(nèi)容：底板長度12～18m、中墩最小厚度1.2～1.4m、縫墩厚度0.65～1.1m、邊墩厚度0.75～1.15m等。

3.水閘閘室段結(jié)構(gòu)優(yōu)化及算例分析

3.1工程概況

某開敞式水閘，上游設(shè)計洪水位56.0m、校核洪水位57.8m、下游水位52.0m，明渠渠底高程52.0m，渠底和水閘閘室底板的頂高程相同，采用平底寬頂堰型式閘室。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料可知現(xiàn)場平均最大風(fēng)速28m/s，吹程Df可達(dá)2.0km左右。閘前設(shè)置0.6m混凝土鋪蓋，閘后設(shè)置消力池，消力池后護(hù)坦的平均厚度為0.7m?？玳l墩厚8.9m，閘門門槽的深度和寬度分別為0.5m、1.0m。于上下游兩側(cè)布設(shè)同規(guī)格的門槽，尺寸為寬0.5m、深0.4m。閘門總重10t，為滿足后續(xù)的檢維修工作需求，于閘門上游兩側(cè)修筑檢修橋。水閘的地基土與底板形成摩擦角（25°），有2.0MPa的凝聚力。水閘的地基土容許承載力為400kN/m2，出口段、水平段的容許坡分別下降0.62、0.33。根據(jù)項目建設(shè)階段當(dāng)?shù)厥袌鰞r格信息展開成本計算，鋼筋價格約5000元/噸，混凝土價格約380元/m3。以項目總體情況為立足點(diǎn)針對水閘閘室段做出針對性的優(yōu)化。閘墩和底板的長度具有一致性，根據(jù)構(gòu)造的要求合理設(shè)定閘墩的寬度，結(jié)合本項目的實(shí)際情況，要求水閘中墩厚度≥1.2m、墩縫厚度≥0.8m。優(yōu)化設(shè)計工作中著重將閘室底板的長度及厚度、閘門位置等作為變量，對其展開針對性的分析與優(yōu)化，以提高合理性。

3.2荷載計算

（1）側(cè)向土壓力：此處著重考慮的區(qū)域為河道上下游段，按靜止土壓力展開計算。（2）揚(yáng)壓力：水閘擋水之后會受到上下游水位差的影響，通過壩閘基，水閘上游水流會向下游滲透，形成滲透壓力，在其作用下閘體的重量較以往有下降的變化特點(diǎn)。揚(yáng)壓力反映的是水閘底部所受的水壓力，在計算時重點(diǎn)考慮浮托力和滲透壓力兩部分，前者與下游的水深有密切的關(guān)聯(lián)，后者則與底板底部防滲設(shè)備的運(yùn)行性能有關(guān)。具體計算公式有：況對材料的屬性做出定義，進(jìn)而創(chuàng)建集合模型；施加約束條件和荷載；對內(nèi)力進(jìn)行處理，經(jīng)計算與分析后確定各種類型的約束條件；針對模塊采取優(yōu)化措施，對比分析后選擇合適的目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計變量及約束條件，加以迭代，由此確定在經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計處理后的結(jié)果。經(jīng)多層面的比對后以隨機(jī)數(shù)的方法形成初始復(fù)形，最終確定最優(yōu)解，具體情況見表1。

4.結(jié)語

水閘是重要的水工建筑形式，其結(jié)構(gòu)以及工作環(huán)境均具有復(fù)雜化的特點(diǎn)，需兼顧滲流、底板及閘墩的內(nèi)力等要素，經(jīng)過計算與分析后確定合適的取值。本文以開敞式水閘閘室段項目為背景，基于準(zhǔn)則法展開分析與優(yōu)化，最終求得具體的結(jié)果，此方法也是一種通用方法，可應(yīng)用于橡膠壩、液壓壩以及重力壩等其他水工建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。（1）式中：U1為滲透壓力，kN/m；U2為浮托力，kN/m；γ為水的容重，kN/m3；H1為下游底板上的水深，m；H2為底板起始點(diǎn)處的揚(yáng)壓力水頭，m；L為底板總長，m；B為相鄰兩沉陷縫間的閘室寬度，m。（3）門槽水壓力：首先需確定閘門所受的水壓力，經(jīng)轉(zhuǎn)化后以面荷載的形式加載，具體計算方法有：（2）式中：b1為門槽的寬度，m；b2為閘門寬度的1/2，m；γ為水的容重，kN/m3；h為水的深度，m；h0為每層單元距底板的高度，m。（4）水平水壓力：關(guān)鍵作用對象為閘墩的迎水面及其上游兩側(cè)，以面荷載的形式發(fā)生作用，隨著單元高程的變化，對應(yīng)的水壓力也具有變動性，具體關(guān)系有：()01γ−=hhP（3）式中：γ為水的容重，kN/m3；h為上游水深，m；h0為每層單元距底板的高度，m。（5）閘室自重：主要指的是底板和閘墩兩部分的重量，其作用形式具有一致性，均作用于各自的重心處。在確定閘室的體積以及施工所用的容重后，經(jīng)計算便可確定閘室的自重，其工作流程精簡，僅需在材料屬性中按照要求設(shè)定合適的參數(shù)即可，此時ANSYSY軟件將自動化運(yùn)行，求得上部結(jié)構(gòu)荷載，在此基礎(chǔ)上以面荷載的形式施加至閘墩頂部。3.3總體優(yōu)化思路參數(shù)化模型的構(gòu)建是基礎(chǔ)內(nèi)容，以ANSYSY為主要工具，依托于該軟件的幾何建模功能，可以根據(jù)實(shí)際情

參考文獻(xiàn)：

[1]侯春芳.開敞式水閘閘室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].河南水利與南水北調(diào),2016(11):57-58.

作者：高波 陳欣 單位：中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司 陜西省渭南市富平縣水務(wù)局