基于TRIZ理論的濱海水閘閘下防沖技術(shù)研究

王 斌，韓曉維，劉 云(浙江省水利河口研究院，杭州 310020)

0 引 言

文章所提的濱海水閘為沿海地區(qū)海塘、河道堤防及圍墾工程海堤中常見的一類低水頭軟基水閘，閘下水域?qū)掗?，兼具排澇與擋潮功能。與內(nèi)陸水閘相比，濱海水閘水動力條件復雜，消能防沖問題突出，主要表現(xiàn)為外海中低潮位時閘室上下游的水位差較大，閘下基礎(chǔ)穩(wěn)定性及抗沖能力較差，施工期圍堰內(nèi)外水壓變化劇烈，運行期閘下防沖維護費用巨大等[1,2]。為此，包中進等[3-5]曾多次采用設置多級消力池的方法以達到進一步削減閘下水流動能的目的，近期也提出了無翼墻式的新型消能技術(shù)[2,6]，另外還有學者提出設置齒坎、分隔墩、加糙消力池或海漫、裙板消能工等多種優(yōu)化布置辦法[7-10]，以達到改善閘下流態(tài)，增加防沖效果的目的。

然而從各類成果來看，由于研究對象及視角的局限，開展過程中往往以個人經(jīng)驗或發(fā)散性思維處理面臨的問題，缺少系統(tǒng)性及高效性，不利于設計綜合比選及靈活運用，也影響了技術(shù)的推廣。文章以TRIZ理論為基礎(chǔ)，摒棄傳統(tǒng)的頭腦風暴或試錯法，通過創(chuàng)新手段，以嚴謹高效的因果屬性分析法重新審視濱海水閘消能防沖問題中存在的內(nèi)在規(guī)律和原理，探索多方案、多目標的技術(shù)解決辦法，也期望能為水利工程的科學研究提供一種新的參考思路。

1 TRIZ概述

TRIZ意為解決發(fā)明問題的理論，是前蘇聯(lián)海軍專利審查員G.S.Altshuller等人50多年來通過對全世界上百萬份專利文獻加以搜集、整理、歸納、提煉和重組后創(chuàng)立的一套發(fā)現(xiàn)問題及解決問題理論，其應用領(lǐng)域從最初的傳統(tǒng)制造業(yè)、電子半導體產(chǎn)業(yè)、生物醫(yī)藥等科技領(lǐng)域逐步往商業(yè)、管理及人文等非科技領(lǐng)域延伸[11]。據(jù)統(tǒng)計[12]，應用TRIZ理論與方法，可增加80%～100%的專利數(shù)量，并提升專利質(zhì)量；可提高60%～70%的新產(chǎn)品開發(fā)效率；可縮短50%左右的產(chǎn)品上市時間；還可讓使用者的創(chuàng)新能力提高70%～300%。

TRIZ的核心是技術(shù)進化原理，解決矛盾是其進化的推動力，整套體系包括了基礎(chǔ)理論、分析工具和知識數(shù)據(jù)庫等三大部件。其中，分析工具是TRIZ用來分析及解決矛盾的具體方法及模式，能使問題清晰化、條理化，包括矛盾矩陣、物場分析、因果分析、功能分析、ARIZ發(fā)明問題解決算法等；而知識數(shù)據(jù)庫則是TRIZ解決矛盾的精髓，為理想化的目標解提供了方向及操作性，包括矛盾矩陣(39個工程參數(shù)和40條發(fā)明原理)、76個標準解決方法等[11,13]。

2 理論應用

TRIZ理論在解決實際問題時，一般包含問題提出、問題分析、標準解、方案評價等4個步驟，文章以浙江沿海地區(qū)某圍墾工程中的水閘為對象，系統(tǒng)高效地探索多方案、多目標的防沖技術(shù)方案及解決思路。

2.1 問題提出

根據(jù)以往研究成果，濱海水閘閘下沖刷成因大致可分為兩大因素，首先為淤泥質(zhì)或砂質(zhì)基礎(chǔ)天然的易沖性以及外海潮汐引起的潮漲潮落等客觀存在，其次為工程規(guī)模、防沖設計標準、消能工布置、防沖保護措施、施工工藝及管理運行辦法等與工程直接相關(guān)的偏主觀因素。參考以往模型試驗成果[2]，不合理的設計及運行管理將可能帶來單寬流量集中、沿程流速過大、水流流態(tài)惡劣、防沖槽拋石易毀等不利后果，并最終導致閘下沖刷嚴重、防沖維護費用巨大，甚至閘室失穩(wěn)等問題，試驗研究結(jié)果見圖1、圖2。

圖1 閘下流場數(shù)模計算圖Fig.1 Flow regime of numerical simulation

2.2 問題分析

根據(jù)TRIZ理論，找出問題產(chǎn)生的根本原因，是徹底解決問題的基礎(chǔ)，而理清事務組件間的功能屬性則能為發(fā)明創(chuàng)新提供落腳點。本次分析采用典型的因果屬性分析模型[11,14]，該方法集成了物質(zhì)-屬性-因果等多個體系，基本框架如圖3。

針對濱海水閘的沖刷問題因果屬性分析模型見圖4。相對以往的頭腦風暴法或試錯法，TRIZ理論分析模型能夠逐層梳理及追溯問題產(chǎn)生的原因、條件及各成因組件在結(jié)果中的導向，使隱性模糊的問題條理化、清晰化，為下階段標準解求導提供具體的切入點。

圖2 閘下沖刷坑形態(tài)物模試驗圖Fig.2 Scour pattern of physical model

圖3 因果屬性分析法基本框架Fig.3 Framework of properties and causal analysis

圖4 濱海水閘閘下沖刷因果屬性分析模型Fig.4 Causal and property analysis model used on the analyze of the erosion in coastal sluice

2.3 方案提出

根據(jù)存在問題及模型分析，文章從設計及管理等主觀角度出發(fā)，參考Goldfire數(shù)據(jù)庫早期的497個屬性分類[11,14]，通過穩(wěn)定現(xiàn)有屬性、改變或引入新屬性等辦法，提出了初步解決方案，見表1。

2.4 方案評價

表1通過濱海水閘閘下沖刷成因，逐層剖析事件隱含屬性，并參照TRIZ標準解理論，初步羅列了濱海水閘閘下消能防沖中多種實用或目標化的解決方案，經(jīng)與現(xiàn)有研究成果對比，歸納為以下9類，可為設計方案比選及深化研究提供參考。

表1 屬性分類及初步方案設計表Tab.1 Property classification and preliminary design table

(1)無防沖布置：方案①，研發(fā)新型水閘基礎(chǔ)建設工藝，加強水閘基礎(chǔ)穩(wěn)定及閘下垂直防護技術(shù)，思考無消能或無防沖設施的水閘設計。該方法在巖基或閘底板高程明顯高于兩側(cè)河床高程的潮汐電站等工程中偶有應用。

(2)加強垂直防沖：方案②，在海漫末端形成封閉的垂直防沖設施，不再設置防沖槽[16,17]。

(3)增加海漫水深：方案④、⑤，降低海漫末端及防沖槽高程，增加防沖槽位置水墊深度，減少水流紊動強度，或改為負旋滾式的面流，措施如斜坡海漫、深隔墻、防沖裙板等[18,19]。

(4)提高防沖槽穩(wěn)定性：方案⑥、⑦，通過改變防沖槽體型、施工工藝及材料等方法，改善防沖槽的抗沖能力，采用技術(shù)或材料如雷諾護墊、混凝土鉸鏈排、石籠網(wǎng)、拋石混凝土等[20,21]。

(9)加強管理：方案③、⑧，嚴格水閘調(diào)度運行管理制度及控制方法，禁止在設計低潮位以下進行排澇，并加強防沖槽的日常維護[24,25]。

圖5 某濱海水閘閘下消能防沖布置優(yōu)化前后水流流態(tài)圖Fig.5 Optimization of energy dissipation diagram before and after the flow regime

3 結(jié) 語

濱海水閘設計條件復雜，防沖問題突出，文章采用了TRIZ創(chuàng)新理論的因果屬性分析模型，對閘下沖刷問題及成因進行了系統(tǒng)性梳理，逐步探索可行的解決方案或指導目標。相對以往的傳統(tǒng)問題分析及解決辦法，TRIZ理論具有嚴謹、高效等特點，能夠多方案、多目標地提供問題的解決方向。其次，TRIZ理論作為全球熱門的創(chuàng)新方法，在各領(lǐng)域都有較廣泛的應用，筆者也希望通過文章，能將該理論進一步引入到水利工程的科學研究及技術(shù)創(chuàng)新中。當然，文章提出的問題梳理及初步解決方案可能不夠全面，也有待進一步的深化。

□

[1] 韓曉維,包中進,陳益彬,等.甌飛一期圍墾工程北1#閘消能試驗研究[J].浙江利科技,2015,(1)：10-13.

[2] 包中進,袁文喜,包純毅,等.感潮河口水閘口門防沖技術(shù)探討[J].水動力學研究與進展A,2015,(3)：338-343.

[3] 包中進,陸芳春,史 斌.浙江省曹娥江大閘水力特性試驗研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2005,(5)：60-63.

[4] 史 斌,包中進,陸芳春.曹娥江樞紐閘下沖刷試驗研究[J].浙江水利科技,2004,(6)：32-34.

[5] 鮑 倩,王月華,屠興剛.朱家站水閘水工模型試驗研究[J].浙江利科技,2013,(3)：32-34.

[6] 屠興剛,陳衛(wèi)輝,包純毅,等.新型消能布置形式在甌飛東2#閘中的應用研究[J].浙江利科技,2015,(1)：23-25.

[7] 孫 韻.加糙消力池水力特性研究[D]. 遼寧大連:大連理工大學,2008.

[8] 覃文文,劉 華,胡嵐平,等.安谷水電站消能防沖布置方案優(yōu)化[J].西南民族大學學報:自然科學版,2011，(4):666-671.

[9] 高 強,唐新軍,李曉慶.裙板消能工設計中應注意的幾個問題[J].甘肅水利水電技術(shù),2009，(9)：24-26.

[10] 翟孟斌,鞠 偉,丁 玨,等.青草沙水庫閘下海漫段加糙體消能效應的數(shù)值模擬[J].水利水電科技進展,2013，(3)：50-53.

[11] 張武城.技術(shù)創(chuàng)新方法概論[M].北京:科學出版社,2009.

[12] 謝東鋼,王建國,楊拉道,等.“TRIZ”理論是科技創(chuàng)新的現(xiàn)代化工具[J].重型機械,2010，(S1)：1-8.

[13] 羅以洪.TRIZ集成創(chuàng)新方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設計應用研究[D]. 成都：電子科技大學,2013：1-8.

[14] 張武城,趙 敏,陳 勁,等.基于U-TRIZ的SAFC分析模型[J].技術(shù)經(jīng)濟,2014，(12)：7-13.

[15] 趙 敏．TRIZ入門及實踐[M]．北京：科學出版社,2009．

[16] 周文妍,鮑 倩．城南水電站閘下水毀修復設計與試驗研究[J].浙江水利科技,2011,(5):28-31．

[17] 王 斌,史 斌,屠興剛,等.三堡排澇工程船閘引航道防護研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2011,(4)：138-140.

[18] 李曉慶,唐新軍．新疆引水樞紐閘后消能防沖設計理念的演變[J].水電能源科學,2012,(11)：77-80．

[19] 趙忠文．泄洪閘閘后防沖設計[J].南水北調(diào)與水利科技,2010,(2)：27-30．

[20] 劉 新,黃倫超,張韜．雷諾護墊在海漫及防沖槽中的應用[J].水道港口,2009,(3)：198-200.

[21] 賴 勇,黃榮衛(wèi),張永進．浙江省山區(qū)水利樞紐工程水閘消能防沖新技術(shù)[J].水利水電科技進展,2012,(5)：78-81.

[22] SL256-2001,水閘設計規(guī)范[S].

[23] 徐軼慷,鄭國兵,吳留偉,等.一種濱海超深厚軟土地基浮置式鋼板樁圍堰及其施工方法[P].中國專利：CN104631476A.2015-02-03.

[24] 孫小磊,宮鵬杰,李虎成,等.新建水閘消能工優(yōu)化設計及運行管理研究[J].中國水運,2015,(6)：161-163.

[25] 李占松,高雙聚,楊玲霞.平原區(qū)水閘閘下消能防沖與閘門控制運行[J].水利水電科技進展,2011,(5):46-48.