水閘閘室結構設計完善措施范文

本站小編為你精心準備了水閘閘室結構設計完善措施參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：防洪、灌溉、航運、排澇、發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入手，探討了建立水閘閘室段結構優化的設計變量、目標函數、約束條件，并用準則法對開敞式水閘閘室進行了優化，通過實例計算說明采用準則法對水閘閘室優化設計的意義。

關鍵詞：水閘；閘室結構；準則法

1.水閘的工作特點

相較于溢流重力壩，水閘的工作特點與之具有異曲同工之妙，但特殊之處在于水頭較低，建設場所普遍以軟基為主。水閘處于擋水狀態時閘室將承受水平壓力，在該外力作用下易出現水閘向下游滑動的變化趨勢。為了維持閘室的穩定性，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，經水閘地基以及兩岸后轉至下游，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，進而出現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定性；兩岸滲流也有較強的破壞性，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行。水閘下游要有一定的消能防沖措施，當水閘過水時因為流速較大，可能會嚴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量問題隨之顯現。于軟基上建設閘室時，必須保證結構具有足夠的穩定性，以免在自重及外部載荷的共同作用下出現沉降、變形等質量問題。在閘室設計中需合理優化結構，提高結構對外部作用力的抵御水平。

2.水閘結構優化模型的構建

2.1優化設計變量的選取

閘墩和閘底板為閘室結構組成中的關鍵部分，尺寸為重點設計對象，合理的尺寸有助于提高閘室的受力穩定性。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目標函數的選取

設計變量函數宜作為目標函數，原因在于在改變設計變量數值的條件下，與之相對應的目標函數的數值也將發生同步變更，通常目標函數包含尺寸、重量、體積、造價等因素。若為了通過減小工程量的方式達到經濟高效的目標，可選取閘墩和底板的總造價最小值作為目標函數。

2.3約束條件

將限制設計方案統稱為狀態變量，各方案均要滿足該類限制。通常可分為兩個類別：一是狀態約束，較為典型的有容許應力、穩定要求等；二是界限約束，較為典型的有變量取值的界限。從狀態變量的角度來看，可能會出現上限、下限同時存在的情況。根據水閘的結構特點和工作特點，在對其展開優化設計時所需考慮的狀態約束主要有：地基承載力及應力、界限約束主要指結構的幾何尺寸。以下具體舉例列舉水閘的相關約束條件。（1）狀態約束舉例。①地基承載力約束。以地基允許承載應力為參照基準，要求閘室最大地基壓應力（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應力約束。基底最小壓應力（Nmin）為重點控制對象，該值應當滿足Nmin≥0的要求。（2）界限約束舉例。以幾何尺寸約束為例，結構尺寸設計約束條件可以考慮如下內容：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.水閘閘室段結構優化及算例分析

3.1工程概況

某開敞式水閘，上游設計洪水位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。根據當地氣象資料可知現場平均最大風速28m/s，吹程Df可達2.0km左右。閘前設置0.6m混凝土鋪蓋，閘后設置消力池，消力池后護坦的平均厚度為0.7m。跨閘墩厚8.9m，閘門門槽的深度和寬度分別為0.5m、1.0m。于上下游兩側布設同規格的門槽，尺寸為寬0.5m、深0.4m。閘門總重10t，為滿足后續的檢維修工作需求，于閘門上游兩側修筑檢修橋。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。根據項目建設階段當地市場價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針對水閘閘室段做出針對性的優化。閘墩和底板的長度具有一致性，根據構造的要求合理設定閘墩的寬度，結合本項目的實際情況，要求水閘中墩厚度≥1.2m、墩縫厚度≥0.8m。優化設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化，以提高合理性。

3.2荷載計算

（1）側向土壓力：此處著重考慮的區域為河道上下游段，按靜止土壓力展開計算。（2）揚壓力：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。揚壓力反映的是水閘底部所受的水壓力，在計算時重點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聯，后者則與底板底部防滲設備的運行性能有關。具體計算公式有：況對材料的屬性做出定義，進而創建集合模型；施加約束條件和荷載；對內力進行處理，經計算與分析后確定各種類型的約束條件；針對模塊采取優化措施，對比分析后選擇合適的目標函數、設計變量及約束條件，加以迭代，由此確定在經過優化設計處理后的結果。經多層面的比對后以隨機數的方法形成初始復形，最終確定最優解，具體情況見表1。

4.結語

水閘是重要的水工建筑形式，其結構以及工作環境均具有復雜化的特點，需兼顧滲流、底板及閘墩的內力等要素，經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，基于準則法展開分析與優化，最終求得具體的結果，此方法也是一種通用方法，可應用于橡膠壩、液壓壩以及重力壩等其他水工建筑結構的優化設計。（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為底板起始點處的揚壓力水頭，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，經轉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：關鍵作用對象為閘墩的迎水面及其上游兩側，以面荷載的形式發生作用，隨著單元高程的變化，對應的水壓力也具有變動性，具體關系有：()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定合適的參數即可，此時ANSYSY軟件將自動化運行，求得上部結構荷載，在此基礎上以面荷載的形式施加至閘墩頂部。3.3總體優化思路參數化模型的構建是基礎內容，以ANSYSY為主要工具，依托于該軟件的幾何建模功能，可以根據實際情

參考文獻：

[1]侯春芳.開敞式水閘閘室結構優化設計[J].河南水利與南水北調,2016(11):57-58.

作者：高波 陳欣 單位：中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司 陜西省渭南市富平縣水務局