開(kāi)敞式水閘閘室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

□侯春芳(開(kāi)原市水利局)

開(kāi)敞式水閘閘室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

□侯春芳(開(kāi)原市水利局)

考慮到開(kāi)敞式水閘建設(shè)成本較多,文章使用了A N SY S軟件和復(fù)形法對(duì)開(kāi)敞式水閘閘室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了探討。建立閘室結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型和設(shè)定約束條件，通過(guò)分析比較能夠得到最優(yōu)的水閘閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，從而有效降低開(kāi)敞式水閘的建設(shè)成本。

開(kāi)敞式水閘；閘室結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 前言

作為低水頭水工建筑物，開(kāi)敞式水閘在防洪、排澇等水利工程中得到了廣泛運(yùn)用。利用水閘閘門(mén)，可以進(jìn)行洪水的阻擋，并且將多余的水排泄出去。而合理實(shí)現(xiàn)水閘閘室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，則能夠在發(fā)揮水閘作用的同時(shí)，降低水閘的建設(shè)成本。因此，有必要對(duì)開(kāi)敞式水閘閘室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題展開(kāi)探討，從而更好地促進(jìn)水利事業(yè)的發(fā)展。

1 開(kāi)敞式水閘閘室結(jié)構(gòu)分析

從基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上來(lái)看，可以將水閘劃分成上游連接段、閘室和下游連接段。其中，閘室是水閘最主要部分，需要起到擋水和調(diào)節(jié)水流的作用。在水閘擋水的過(guò)程中，閘室要承受水平水壓力，所以需要有足夠重力保持自身穩(wěn)固。同時(shí)，水閘閘室還要具有較好的防滲性能，以便形成完整的防滲體。此外，水閘閘室需要有消能和防沖設(shè)計(jì)，以便防止閘室受到危害性的沖刷。按照閘室內(nèi)力及強(qiáng)度核算，可以將閘室結(jié)構(gòu)劃分成為底板、閘墩、胸墻和橋梁。所謂的開(kāi)敞式水閘，其實(shí)就是水閘閘室是露天的。所以該類(lèi)水閘閘室沒(méi)有上部結(jié)構(gòu)，可以被劃分為有胸墻和無(wú)胸墻兩種閘室結(jié)構(gòu)。在上游水位變幅較大，同時(shí)水閘凈寬為低水位過(guò)閘流量所控制的情況下，需要使用有胸墻的閘室結(jié)構(gòu)。無(wú)胸墻閘室結(jié)構(gòu)主要用于有排污或通航等特殊要求的水閘，水閘上游水位變幅通常不大。

2 開(kāi)敞式水閘閘室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化原理及方法

在實(shí)現(xiàn)開(kāi)敞式水閘閘室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以使用基于ANSYS的軟件優(yōu)化原理及方法。從原理上來(lái)看，就是需要先創(chuàng)建一個(gè)優(yōu)化模型，然后選擇一個(gè)能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的優(yōu)化方法，并進(jìn)行迭代計(jì)算。而計(jì)算得到的目標(biāo)函數(shù)極值，就是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。所以，利用ANSYS軟件進(jìn)行水閘水室結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算，就是一個(gè)不斷迭代的過(guò)程。在優(yōu)化的過(guò)程中，由于無(wú)法對(duì)目標(biāo)函數(shù)的理論極小值進(jìn)行預(yù)先估算，所以無(wú)法進(jìn)行合理終止準(zhǔn)則的獲取，因此需要進(jìn)行每次迭代計(jì)算中的數(shù)據(jù)的分析[1]。在確定設(shè)計(jì)變量的目標(biāo)函數(shù)時(shí)，需要為每一個(gè)變量設(shè)計(jì)上限和下限，所以要求設(shè)計(jì)變量中的每個(gè)元素的最大值及最小值都要得到規(guī)定。而目標(biāo)函數(shù)則為需要盡量減小的數(shù)值，并且是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，需要利用軟件中的優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化。

在設(shè)計(jì)水閘閘室結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，需要完成閘室滲流設(shè)計(jì)、抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算、水力學(xué)設(shè)計(jì)、地下輪廓線(xiàn)布置和地基承載力計(jì)算等多項(xiàng)計(jì)算及驗(yàn)算工作。而在計(jì)算地基梁等問(wèn)題的過(guò)程中，需要使用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的離散化處理。在此基礎(chǔ)上，還要使用復(fù)形法這種直接尋優(yōu)的方法，以便在非線(xiàn)性約束的n維設(shè)計(jì)空間中進(jìn)行＞n+1的可行點(diǎn)的初始復(fù)形的構(gòu)筑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)頂點(diǎn)目標(biāo)函數(shù)的比較[2]。而通過(guò)將最壞點(diǎn)丟掉，并且利用能夠滿(mǎn)足目標(biāo)函數(shù)值和約束條件要求的新點(diǎn)替代壞點(diǎn)，就能夠通過(guò)反復(fù)計(jì)算獲得滿(mǎn)足要求的精度。所以，利用復(fù)形法進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的處理，可以直接獲得函數(shù)值，并且做好約束條件的檢查。同時(shí)，利用復(fù)形法也能夠?qū)﹄x散或混合復(fù)雜的約束條件進(jìn)行有效處理，是能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化的有效方法[3]。因此，在進(jìn)行水閘閘室結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，可以使用該方法進(jìn)行大量復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計(jì)算和優(yōu)化。

2.2 優(yōu)化模型的建立

在建立開(kāi)敞式水閘閘室結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型時(shí)，需要先做好結(jié)構(gòu)優(yōu)化的變量選取。而作為一個(gè)大系統(tǒng)，閘室結(jié)構(gòu)由底板和閘墩等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，涉及的變量較多，所以很難實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)變量的優(yōu)化?？紤]到開(kāi)敞式水閘閘室的主要結(jié)構(gòu)為閘墩和底板，所以可以對(duì)影響該2個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸、閘門(mén)位置、防滲布置情況進(jìn)行分析。而通過(guò)分析，最終可以選取底板長(zhǎng)度、底板厚度、閘門(mén)位置、閘墩厚度和鋪蓋長(zhǎng)度等參數(shù)作為優(yōu)化變量[4]。完成變量選取后，考慮到工程量大小對(duì)工程建設(shè)成本的影響不大，還要將底板、閘墩和鋪蓋等結(jié)構(gòu)的總造價(jià)最小設(shè)定為目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)目標(biāo)函數(shù)，可以將基底壓力、地基承載力、底板內(nèi)力及抗裂性、閘墩內(nèi)力及抗裂性、基底壓力不均勻性、抗滑穩(wěn)定等內(nèi)容設(shè)定為約束條件，并進(jìn)行計(jì)算式的獲取?？紤]到平面閘門(mén)閘墩的內(nèi)力約束問(wèn)題，還要進(jìn)行門(mén)槽應(yīng)力、墩底縱向正應(yīng)力、邊墩主拉應(yīng)力、縫墩墩底主拉應(yīng)力、墩底橫向正應(yīng)力等約束的驗(yàn)算。此外，還要進(jìn)行其他約束條件的設(shè)計(jì)[5]。具體來(lái)講，就是要求0.60 m≤底板厚度≤2 m。同時(shí)，要求中墩厚度最小值為1.40 m，最大值為1.60 m，邊墩半閘墩厚度最小值為1.05 m，最大值為1.25 m等。而將這些約束條件分別利用0.60≤Y≤2（Y為底板厚度）和1.40≤H1≤1.60（H1為中墩厚度）等計(jì)算式表示，就可以得到開(kāi)敞式水閘閘室結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，即x=（X,Y,H1，H2，H3）T。

2.3 優(yōu)化案例分析

在研究開(kāi)敞式水閘閘室結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，可以某開(kāi)敞式水閘為研究對(duì)象。而該水閘設(shè)計(jì)的上游洪水位為54 m，下游水位為50 m。同時(shí)，水閘明渠渠底高為50 m，使用平底寬頂堰型式結(jié)構(gòu)，頂面與渠底齊平。在閘前位置，需要進(jìn)行厚度為0.40 m的混凝土鋪蓋的設(shè)置。在閘后位置，需要進(jìn)行護(hù)坦厚為0.50 m的消力池設(shè)計(jì)。同時(shí)，還要進(jìn)行排水孔和厚度為0.50 m的濾層設(shè)計(jì)。已知，閘墩高為6.90 m，閘門(mén)重8t，閘底板透水層深度為15 m。同時(shí)，底板與地基土之間凝聚力為1 MPa，摩擦角為20°，地基承載力為300 kN/m2。在鋼筋造價(jià)和混凝土造價(jià)分別為4 000元/t和350元/t的情況下，需要實(shí)現(xiàn)水閘閘室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

通過(guò)使用ANSYS軟件進(jìn)行閘室結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的建立，并且根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)將中墩厚度和縫墩厚度最小值分別設(shè)定為1 m和0.60 m，則可以對(duì)閘室的閘底板厚度、閘底板長(zhǎng)度、鋪蓋長(zhǎng)度和閘門(mén)位置等變量進(jìn)行優(yōu)化。而利用復(fù)形法進(jìn)行模型的求解，則能通過(guò)比較多種方案得到最優(yōu)解。具體來(lái)講，就是將底板厚度、鋪蓋長(zhǎng)度、中墩厚度、縫墩厚度、底板寬度、閘門(mén)距墩頭距離從最初設(shè)計(jì)的1.90、34、1、0.60、12.50、6.70 m分別優(yōu)化成1.70、30.33、1、0.60、10.05和6.99 m。而將優(yōu)化后的閘室造價(jià)與初設(shè)方案的造價(jià)相比較，則能夠節(jié)省原本工程造價(jià)的9%的成本。

3 結(jié)論

采用重復(fù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行水閘閘室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案受設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)的影響，致建工程建設(shè)產(chǎn)生過(guò)多的成本。所以，還需要對(duì)水閘閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便獲得最優(yōu)的閘室設(shè)計(jì)方案。而從文章的研究來(lái)看，使用ANSYS軟件和復(fù)形法進(jìn)行開(kāi)敞式水閘閘室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠有效降低水閘建設(shè)成本。因此，相信文章對(duì)開(kāi)敞式水閘閘室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題展開(kāi)的探討，可以為相關(guān)工作的開(kāi)展提供指導(dǎo)。

[1]崔朕銘，蔡新，黃海田等.軟土地基上水閘整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].水利水電科技進(jìn)展，2016（01）:86-89.

[2]強(qiáng)安良，周少敏.基于遺傳優(yōu)化算法的水閘閘室優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].陜西水利，2011（05）:88-90.

[3]梁一飛，李國(guó)寧，王文強(qiáng).一種新型水閘的結(jié)構(gòu)布置及三維有限元分析[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014（04）: 95-102.

[4]劉云虎.復(fù)雜水閘施工技術(shù)中的高效工程管理研究[J].工程經(jīng)濟(jì)，2015（03）:41-46.

[5]趙永剛，鐘恒昌，孫明霞等.洪積地層上某水閘地基設(shè)計(jì)方案比選[J].人民黃河，2012（11）:129-131.

TV 662

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1673-8853（2016）11-0057-02

2016-09-05

（責(zé)任編輯：左英勇）

侯春芳（1980-），女，工程師，主要從事水利工程工作。