對水閘設(shè)計方法的探討

【摘要】我們要掌握水閘的設(shè)計和施工方法，要認識水閘建設(shè)的規(guī)律，就必須首先了解水閘的工作特點，了解水閘在施工和運用時期是在怎樣的情形下工作的。本文就主要對中小型水閘設(shè)計方法進行了探索和研究。

【關(guān)鍵詞】水閘；設(shè)計；結(jié)構(gòu)

一、水閘的組成部分及工作特點

（一）上游連接段

上游連接段的主要作用是引導(dǎo)水流平順地進入閘室，保護上游河床及河岸免遭沖刷并有防滲作用。上游連接段一般包括鋪蓋、上游防沖槽及兩岸的翼墻及護坡等部分。鋪蓋主要起防滲作用，上游防沖槽主要是保護鋪蓋頭部不被損壞，兩岸翼墻的作用是使水流平順地進入閘孔，并起側(cè)向防滲的作用。

（二）閘室是水閘的主體部分

閘室是水閘擋水和泄水的主體部分。通常包括底板、閘墩、閘門、胸墻、工作橋及交通橋等。底板是閘室的基礎(chǔ)，承受閘室的全部荷載，并較均勻地傳給地基。閘墩的作用是分隔閘孔、支承閘門、工作橋及交通橋等上部結(jié)構(gòu)。閘門的作用是擋水和控制下泄水流。底板、閘墩、閘門是閘室段的三個主要部分，閘室段一般為混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，小型水閘也可用漿砌料石結(jié)構(gòu)。

（三）下游連接段

下游連接段具有消能和擴散水流的功能。使出閘水流在消力池中形成水躍消能，再使水流平順地擴散，防止閘后水流的有害沖刷。下游連接段通常包括下游翼墻護坦、消力池、海漫、下游防沖槽以及護坡、護底等。下游防沖槽（齒墻）是海漫末端的防沖保護設(shè)施。

（四）水閘的工作特點

水閘既是擋水建筑物，也是泄水建筑物，一般修建在平原地區(qū)，平原地區(qū)的覆蓋層很厚，地基的壓縮性很大，抗滑能力差，承載能力低，所以閘的穩(wěn)定是設(shè)計中的一個重要問題。

水閘靠閘門擋水，在閘上下游形成的水頭差作用下會產(chǎn)生通過閘基及兩岸的滲流，對水閘底部產(chǎn)生滲透壓力，抵消水閘的有效重量，對閘室及兩岸連接建筑物的穩(wěn)定不利，并可能產(chǎn)生有害的滲透變形危及水閘的安全。

水閘開閘泄水時，閘下無水或水很淺，在上下游水頭差作用下往往有很大的流速，過閘水流攜帶的能量將引起下游的沖刷，給閘下消能帶來了困難。因水閘上下游水位差較小，容易產(chǎn)生波狀水躍，消能效率低，水面波動向下游延伸很長，對下游河床及岸產(chǎn)生沖刷，也可能會危及水閘的穩(wěn)定和安全。

二、軟土地基水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

（一）半解析法

在一般的水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以采用截條法，將水閘結(jié)構(gòu)簡化為彈性地基上的平面框架結(jié)構(gòu)，采用半解析法進行計算。該法將上部桿系結(jié)構(gòu)和平面地基看成兩個子結(jié)構(gòu)，用剛性鏈桿代替底梁和地基之間的聯(lián)系，用桿系有限單元法求解上部結(jié)構(gòu)底梁的單位位移，用解析法求解各種平面地基模型的單位沉陷系數(shù)，根據(jù)底梁和地基接觸面間的變形協(xié)調(diào)和整體平衡條件、建立求解地基反力的混合法典型方程，據(jù)此求出地基反力，再根據(jù)疊加原理，用有限單元法求解整個結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力。

在地基模型的實際應(yīng)用中，必須注意其應(yīng)用范圍，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件選用。理論計算和現(xiàn)場測量表明，文克爾地基模型適用于地基可壓縮土層與基礎(chǔ)水平尺寸之比H/L<0.25的情況，半無限大彈性地基模型適用于地基H/L>1.5的土層，而在一般情況下都屬于有限深地基模型和多層地基模型。對于復(fù)雜的地基條件或進行加固后的地基一般要采用空間有限元法進行計算。

平面水閘結(jié)構(gòu)計算的半解析法充分利用了數(shù)值法和解析法的優(yōu)點，可以有效的考慮水閘閘墩、底板和地基的相互作用，適合于各種軟土地基上不同形式的水閘結(jié)構(gòu)，可以方便的求出水閘設(shè)計時所關(guān)心的地基反力、結(jié)構(gòu)的位移、軸力、剪力和彎矩，其計算結(jié)果可以直接用于結(jié)構(gòu)配筋。

（二）有限元法

有限元法是一種可以用來求解復(fù)雜工程問題的近似解的方法。該法在解決不同類型的應(yīng)用科學(xué)和工程問題中的潛力逐漸被人們所認識，經(jīng)過多年的發(fā)展，有限元法得到發(fā)展和完善，它被認為是有效求解各種實際問題的最好方法之一，在水利水電工程中有限元方法也得到了廣泛的應(yīng)用。

有限元法的基本思想是用一個簡單問題代替復(fù)雜問題后再求解，由于在求解中實際問題己經(jīng)被較簡單的問題所替代。因此，只能求出近似解，而不是準確解。有限元法通?？梢酝ㄟ^多花費一些計算工作量來改善或改進近似解。在有限元法中，把求解域看成是由許多被稱為有限元的小的互連子域組成的。在有限元法中把結(jié)構(gòu)近似分成若干元件，先對每一個元件或單元假定一個合適的近似解，然后推導(dǎo)結(jié)構(gòu)總的平衡條件，滿足這些條件，就可以得到位移和應(yīng)力的近似解。

在有限元法中，把真實連續(xù)介質(zhì)或物體表示為一些小部分的集合。這些單元可認為是在節(jié)點處彼此連接的。這些節(jié)點通常是位于單元的邊界上，并認為相鄰單元就是在這些邊界上與它相連接的。由于不知道介質(zhì)內(nèi)部的場變量真實的變化，因此，我們假設(shè)有限元內(nèi)場變量的變化可以用一種簡單的函數(shù)來近似表示，這些近似函數(shù)可由場變量在節(jié)點處的值確定。當(dāng)對整個連續(xù)介質(zhì)寫出場方程組時新的未知量就是場變量的節(jié)點值，求解方程，得到場變量的節(jié)點值。一旦知道了這些節(jié)點值則可由近似函數(shù)確定整個單元集合體的場變量。用有限元法求解一般的連續(xù)介質(zhì)問題時，總是依次逐步進行的。步驟1：把結(jié)構(gòu)分割成許多單元，因而分析時，必須用適當(dāng)?shù)挠邢拊獙⒔Y(jié)構(gòu)模式化，并確定單元的數(shù)量、類型、大小和分布。步驟2：選擇適當(dāng)?shù)牟逯的Ｊ交蛭灰颇Ｊ健Ｓ捎谠谌我饨o定的荷載作用下，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的位移解不可能預(yù)先準確的知道，因此，我們假設(shè)用單元內(nèi)的一些適當(dāng)解來近似未知解。從計算的觀點來看假設(shè)的解必須簡單，而且需滿足一定的收斂性要求。通常把解或插值模式取為多項式形式。步驟3：剛度矩陣和荷載向量的推導(dǎo)。步驟4：由集合單元方程得到總的平衡方程組。

在用有限元法的基本原理分析水閘結(jié)構(gòu)計算時，將整個水閘和地基作為一個整體，按照空間有限元方法對結(jié)構(gòu)進行靜動力分析，采用直接濾頻法計算結(jié)構(gòu)的自振特性，根據(jù)規(guī)范利用振型分解反應(yīng)譜法進行抗震分析，并將空間應(yīng)力轉(zhuǎn)換為符合工程設(shè)計要求和習(xí)慣的平面內(nèi)力。這種模型可以有效地考慮閘墩、底板和地基的相互作用，可以方便地處理各種復(fù)雜的幾何條件、物理條件和荷載條件，所得到的靜力或動力計算結(jié)果可以比較精確的反映實際工程情況。但有限元計算復(fù)雜，對于基層設(shè)計人員較難掌握，對于重要的水閘結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)條件復(fù)雜的，可按照這種模型進行空間靜動力計算或校核。

三、樁基水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

水閘的深基礎(chǔ)是指樁基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)。在軟基上建閘，如果天然的或者經(jīng)過簡單處理的地基，其承載能力和穩(wěn)定性能滿足水閘運用的要求，一般都采用筏式基礎(chǔ)。在天然地基上不能滿足承載要求時必須采用深基礎(chǔ)。

（一）水閘擋水水頭很高，承受水平推力過大，地基的淺層抗滑穩(wěn)定性難以保證時，采用深基礎(chǔ)可以得到滿意的解決。

（二）與水閘下游的防沖問題結(jié)合考慮。水閘底板下臥層有承載力高的堅實粘土層時，采用深基礎(chǔ)（特別是沉井基礎(chǔ)）坐落在持力層上，不僅可以減少下游的消能防沖工程量，也可以保證閘基的穩(wěn)定，在技術(shù)經(jīng)濟上也是合理的。

（三）水閘要通航時，必須采用較大的閘孔跨度，在閘墩下采用深基礎(chǔ)，可以改善閘室中的底板受力條件，減少底板工程數(shù)量。

（四）水閘上部構(gòu)造或者其它運用要求對基礎(chǔ)變形必須嚴格限制時，采用深基礎(chǔ)可以減小基礎(chǔ)的沉降和不均勻沉降。由于深基礎(chǔ)的施工技術(shù)和工藝比筏式基礎(chǔ)復(fù)雜，鋼材用量亦較多，在決定采用之前，必須從技術(shù)上和經(jīng)濟上進行充分的論證。

此外有試驗資料表明（1）樁頂自由、樁長不同、其它條件相同的長樁，樁長（第一彎曲零點以下部分）對水平承載力影響不顯著。（2）其它條件相同樁頂有垂直荷載比無垂直荷載的水平承載力大5%左右。（3）群樁比單樁的水平承載力提高25%左右。這可能是由兩方面原因引起的，一是群樁樁頭被承臺嵌固，不是自由的；二是承臺底與地基之間有接觸壓力；當(dāng)承臺水平位移時，必然產(chǎn)生摩阻力，從而使群樁的水平承載力增大。（4）樁端自由，樁徑不同，其它條件相同，水平承載力隨著樁徑增粗而增大。（5）群樁承臺在水平荷載作用下，上游端有抬高現(xiàn)象。設(shè)計時可根據(jù)所采用的樁徑，樁頂?shù)那豆糖闆r以及地基土質(zhì)條件，參考有關(guān)試驗成果，初步確定樁的容許水平承載力。

結(jié)束語

工程建設(shè)的獨特性，沒有完全相同的兩個水閘，如何使中小水閘設(shè)計做到安全、經(jīng)濟和合理，提高水利工程建設(shè)的設(shè)計水平，始終是擺在設(shè)計人員面前的一項重要的任務(wù)。在這些水利工程建設(shè)中，有很多成功的工程設(shè)計、施工經(jīng)驗需要系統(tǒng)地進行總結(jié)和理論提高，同時還有很多工程問題和技術(shù)難點有待于去解決和攻關(guān)。

參考文獻

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