黃河下游涵閘安全復(fù)核軟件的研發(fā)

高 迪，齊 清，周蘭庭，路志陽

(1.聊城黃河河務(wù)局， 山東 聊城 252000； 2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 江蘇 南京 210098)

黃河下游涵閘安全復(fù)核軟件的研發(fā)

高 迪1，齊 清1，周蘭庭2，路志陽2

(1.聊城黃河河務(wù)局， 山東 聊城 252000； 2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 江蘇 南京 210098)

涵洞式水閘作為取水輸水工程中水閘的一種常見形式，在黃河下游得到了廣泛的應(yīng)用。在水閘安全評價(jià)工作中，其安全復(fù)核部分涉及內(nèi)容多、過程復(fù)雜，需付出大量時(shí)間和精力。結(jié)合水閘安全復(fù)核的流程和實(shí)際工作中所涉及到的問題，依照現(xiàn)行強(qiáng)制性條文和最新規(guī)范，針對黃河下游涵閘進(jìn)行了安全復(fù)核軟件的初步研發(fā)。目前該軟件可以對涵閘的防洪標(biāo)準(zhǔn)、滲流、閘室、機(jī)架橋、閘墩、涵洞及消能防沖進(jìn)行安全復(fù)核，大大減少了人工工作量，提高了安全復(fù)核的質(zhì)量和速度，這對水閘安全復(fù)核的現(xiàn)代化、科學(xué)化、高效化和規(guī)范化有著極大的促進(jìn)作用。

黃河；涵閘；安全復(fù)核；軟件研發(fā)

在岸堤較高、引(排)水流量不是很大的渠道上修筑水閘時(shí)，通常選用涵洞式水閘，這些水閘按照水力條件的不同又分為有壓涵洞式水閘和無壓涵洞式水閘。與其它類型水閘相比，涵洞式水閘具有結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)地基沉陷的能力較強(qiáng)，且與兩側(cè)堤防連接處不需要減載措施、施工方便等特點(diǎn)，使得其廣泛的應(yīng)用在了取水、輸水工程中[1]。在黃河下游，已修建了近二百座涵洞式水閘，這些建在大堤上的穿堤建筑物，具有防洪標(biāo)準(zhǔn)和建筑物等級高、基礎(chǔ)軟弱、閘室段結(jié)構(gòu)復(fù)雜、洞身較長和側(cè)向引水等特點(diǎn)[2-3]。

而在2015年1月21日，水利部發(fā)布了最新的《水閘安全評價(jià)導(dǎo)則》[4](SL 214—2015)，取代先前的《水閘安全鑒定規(guī)定》[5](SL 214—98)，并已于2015年4月21日正式開始實(shí)施。其中，水閘的安全復(fù)核部分得到了進(jìn)一步的規(guī)范和調(diào)整，這對以后的水閘安全復(fù)核工作提出了新的要求。

1 軟件研發(fā)目的

水閘安全復(fù)核是在水閘運(yùn)行了一定年限之后，結(jié)合水閘現(xiàn)狀調(diào)查和安全檢測的情況，對其整體進(jìn)行安全復(fù)核[6]。在水閘安全復(fù)核中，水閘的地基條件、結(jié)構(gòu)形式及選用材料等均已固定[7]，故其不同于水閘設(shè)計(jì)，而是一個(gè)驗(yàn)證已有結(jié)構(gòu)是否滿足規(guī)范要求的過程，這與設(shè)計(jì)流程是相反的，相關(guān)理論、程序等并不完全通用，目前這方面的相關(guān)研究較少。但在實(shí)際工作中，水閘安全復(fù)核部分步驟繁瑣，重復(fù)性工作較多，對安全復(fù)核軟件化、電子化有著迫切的需求。

本研究旨在以黃河下游涵閘為基礎(chǔ)，選用合理的復(fù)核方法，并參照最新規(guī)范開發(fā)搭建出一套具有實(shí)用性、規(guī)范性、便捷性的安全復(fù)核軟件。該軟件將大大減少安全復(fù)核部分的人工工作量，提高安全復(fù)核的質(zhì)量和速度，對促進(jìn)水閘安全復(fù)核現(xiàn)代化、科學(xué)化、高效化、規(guī)范化有重要意義。

2 軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

安全復(fù)核軟件以Windows操作系統(tǒng)作為平臺，并選擇Visual Basic 6.0作為開發(fā)工具進(jìn)行軟件研發(fā)。軟件依照最新規(guī)范共設(shè)防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核、滲流安全復(fù)核、結(jié)構(gòu)安全復(fù)核、抗震安全復(fù)核、金屬結(jié)構(gòu)安全復(fù)核和機(jī)電設(shè)備安全復(fù)核6個(gè)子窗體。軟件的主體框架見圖1。

圖1 軟件主體框架圖

3 軟件的功能實(shí)現(xiàn)

軟件的研發(fā)參照了《水閘安全評價(jià)導(dǎo)則》[4](SL 214—2015)、《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[8](SL 265—2001)、《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》[9](SL 482—2011)、《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10](SL 191—2008)等多項(xiàng)規(guī)范和資料，將水閘安全復(fù)核方法轉(zhuǎn)換為程序語言。由于篇幅原因，對水閘安全復(fù)核的計(jì)算理論、原則以及程序語言的編寫不再詳述。

在軟件的設(shè)計(jì)過程中，始終遵循著“邊設(shè)計(jì)邊論證”的設(shè)計(jì)思路。在完成某一階段的工作之后均代入實(shí)際工程數(shù)據(jù)，觀察軟件是否能正常運(yùn)行，同時(shí)將所得數(shù)據(jù)、結(jié)論與《水閘安全復(fù)核報(bào)告》中先前復(fù)核所得結(jié)果進(jìn)行對照，當(dāng)兩次結(jié)果差別較大時(shí)及時(shí)尋找原因，反復(fù)調(diào)試，只有二者基本一致時(shí)方進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)。經(jīng)初步開發(fā)，目前防洪標(biāo)準(zhǔn)、滲流安全和結(jié)構(gòu)安全三個(gè)部分的設(shè)計(jì)工作基本完成，軟件已集防洪、滲流、閘室穩(wěn)定、機(jī)架橋、閘墩、涵洞、消能防沖等多個(gè)要素和構(gòu)件的安全復(fù)核于一體，將先前復(fù)雜、繁瑣的復(fù)核工作都整合到軟件中，并實(shí)現(xiàn)了各個(gè)部分間的數(shù)據(jù)共享，提高了數(shù)據(jù)輸入效率。下面以黃河支流沁河上的石荊閘為例，對軟件展開介紹。

3.1 工程基本資料

石荊閘為沁河上的引水閘，位于河南省焦作市武涉縣西陶鄉(xiāng)石荊村西北，沁河右岸大堤樁號54+934處，結(jié)合當(dāng)年引沁灌溉情況，并根據(jù)地方水利局的灌區(qū)規(guī)劃，設(shè)計(jì)流量提高到2.00 m3/s，設(shè)計(jì)灌溉面積1396.67 hm2。該閘設(shè)計(jì)為單孔鋼筋混凝土箱型涵洞結(jié)構(gòu)，經(jīng)水力計(jì)算，閘底板高程為102.00 m(黃海系，下同)，閘前灌溉引水水深1.00 m，閘孔凈寬1.30 m，洞高考慮河灘淤積及凈空需要，定為 2.00 m。閘室段長10.00 m，涵洞分四節(jié)，每節(jié)8.00 m，共長32.00 m。根據(jù)防滲需要，閘前設(shè)12.00 m長防滲鋪蓋，上游渠道干砌石護(hù)坡長5.00 m，下游消能建筑物長26.00 m，上下游連接建筑物均為漿砌石結(jié)構(gòu)，建筑物總長85.00 m。

該閘為1級建筑物，設(shè)計(jì)防洪水位108.20 m，校核防洪水位109.20 m，設(shè)計(jì)灌溉水位103.00 m，設(shè)計(jì)流量2.0 m3/s，邊墩厚0.50 m，建筑物總寬2.30 m。

閘室底板順?biāo)鞣较蜷L10.00 m，邊墩長10.00 m，墩頂高程106.40 m，前段有工作門槽，上部有機(jī)架橋，橋面高程109.80 m。

上游黏土鋪蓋長12.00 m，黏土厚度為0.60 m，上游干砌石護(hù)坡5.00 m。

下游消力池起始為1∶2.3斜坡段，長5.00 m，表層為0.20 m厚的混凝土，其下為0.50 m厚漿砌石。后接消力池，長8.50 m，底板高程均為100.70 m。漿砌石及干砌海漫各長9.50 m，高程為101.20 m，最后有3.00 m長拋石槽。閘下游兩側(cè)為漿砌石翼墻及扭坡，以漿砌石裹頭與兩岸連接，墻頂高程103.20 m。

閘室上游黏土鋪蓋與漿砌石擋土墻后回填黏土連成一體，從上游向上游延伸12.00 m，地下不透水輪廓線總長59.73 m。

3.2 防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核

在防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核子窗體中(見圖2)，共分洪水標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核、閘頂及堤頂高度復(fù)核、過流能力復(fù)核三部分。在該界面輸入目標(biāo)水閘相關(guān)參數(shù)，軟件經(jīng)過運(yùn)算、分析后，輸出結(jié)果并顯示相應(yīng)結(jié)論。其中，在白色文本框填入相關(guān)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“確定”按鈕后，其它文本框分別顯示計(jì)算結(jié)果和相關(guān)結(jié)論，且二者均不可編輯。

圖2 防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核界面

3.3 滲流安全復(fù)核

在滲流安全復(fù)核子窗體中(見圖3)，共分為基礎(chǔ)防滲排水布置復(fù)核和滲流穩(wěn)定復(fù)核兩部分[11]?？紤]到通過改進(jìn)阻力系數(shù)法對水閘進(jìn)行滲流安全復(fù)核需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)輸入，且運(yùn)算復(fù)雜繁瑣[12-13]，故在滲流安全復(fù)核子窗體的設(shè)計(jì)中采用了“軟件+Excel表格”的模式，事先設(shè)計(jì)好表格模板，利用軟件對Excel表格的讀寫功能，并在白色區(qū)域補(bǔ)充相關(guān)數(shù)據(jù)后，即可得到所需的“水平段滲流坡降計(jì)算結(jié)果匯總表”和“出口段滲流坡降計(jì)算結(jié)果表”見圖4、圖5。

圖3 滲流安全復(fù)核界面

3.4 閘室安全復(fù)核

結(jié)構(gòu)安全復(fù)核部分包括閘室、機(jī)架橋、閘墩、底板、涵洞和消能防沖六部分，故在結(jié)構(gòu)安全復(fù)核子窗體中采用了“選項(xiàng)卡控件(SSTab)”，將6部分的復(fù)核內(nèi)容放在了一個(gè)包含6個(gè)頁面的SSTab控件中(見圖6)。

閘室安全復(fù)核分檢修期、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位和設(shè)計(jì)引水位4個(gè)計(jì)算工況，閘室穩(wěn)定通過分塊統(tǒng)計(jì)的思想，對閘室進(jìn)行荷載統(tǒng)計(jì)，最后求出合力和合彎矩，從而再得出所需的各指標(biāo)[14-15]。該部分仍采用了“軟件+Excel表格”的模式，在軟件界面對閘底板的形心位置進(jìn)行計(jì)算，求出其形心位置，再通過事先設(shè)計(jì)好的表格模板，得到所需的“閘室基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表”和“抗滑穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算成果表”，從而完成閘室的安全復(fù)核工作，見圖7、圖8。

圖4 水平段滲流坡降計(jì)算結(jié)果匯總表

圖5 出口段滲流坡降計(jì)算結(jié)果表

圖6 閘室安全復(fù)核界面

3.5 機(jī)架橋、閘墩、涵洞安全復(fù)核

機(jī)架橋、閘墩和涵洞的安全復(fù)核(見圖9～圖11)主要通過“單寬截面法”對構(gòu)件各工況下的正截面最大裂縫寬度、抗彎承載力、抗壓承載力及斜截面抗剪承載力進(jìn)行復(fù)核[16-19]。通過輸入構(gòu)件和相應(yīng)截面的尺寸、混凝土及配筋等信息，即得到構(gòu)件的正截面最大裂縫寬度、抗彎承載力、抗壓承載力及斜截面抗剪承載力等指標(biāo)，將其與截面的內(nèi)力最大值對比后輸出相應(yīng)結(jié)論。

3.6 消能防沖復(fù)核

消能防沖復(fù)核界面(見圖12)分為消力池復(fù)核和海漫長度復(fù)核兩部分，輸入相關(guān)數(shù)據(jù)后，軟件通過求解三元一次方程

(1)

圖7 閘室基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

圖8 抗滑穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算成果表

圖9 機(jī)架橋安全復(fù)核界面

4 結(jié) 語

本軟件選擇Visual Basic 6.0為開發(fā)工具，可在Windows環(huán)境下運(yùn)行，共設(shè)防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核、滲流安全復(fù)核、結(jié)構(gòu)安全復(fù)核、抗震安全復(fù)核、金屬結(jié)構(gòu)安全復(fù)核和機(jī)電設(shè)備安全復(fù)核6個(gè)子窗體，目前防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核、滲流安全復(fù)核和結(jié)構(gòu)安全復(fù)核三個(gè)部分的設(shè)計(jì)已基本完成。軟件界面清晰直觀、輸入方便，其運(yùn)行結(jié)果和所輸出結(jié)論也具有一定的可靠性，可在黃河下游涵閘的安全復(fù)核工作中逐步對其加以運(yùn)用。

圖10 閘墩安全復(fù)核界面

圖11 涵洞安全復(fù)核界面

圖12 消能防沖復(fù)核界面

但水閘的安全復(fù)核涉及到水文、地質(zhì)、結(jié)構(gòu)等多方面的內(nèi)容，同時(shí)水閘結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)件較多，目前通過單一軟件很難解決所有類型水閘的安全復(fù)核問題，所研發(fā)的軟件當(dāng)前也只能解決黃河下游涵閘安全復(fù)核中的部分問題，今后還需在很多方面作進(jìn)一步的研究，比如增設(shè)閘室底板的安全復(fù)核、抗震安全復(fù)核、圖形處理等部分，從而不斷完善軟件的功能，并逐步提高其適用性，使其能針對更多類型的水閘展開安全復(fù)核工作。

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Development of a Safety Check Software Applicable to Culvert Sluice Located in the Downstream of the Yellow River

GAO Di1, QI Qing1, ZHOU Lanting2, LU Zhiyang2

(1.LiaochengBureauofYellowRiver,Liaocheng,Shandong252000,China；2.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu210098,China)

As a common form of sluice in water diversion project, the culvert sluice has been widely used in the downstream of the Yellow River. In its safety assessment, safety check contains many contents thus its process is very complicated and usually takes a lot of time and energy. In this paper a safety check software for culvert sluice located in the downstream of the Yellow River is preliminarily developed in accordance with the existing mandatory provisions and the latest specifications. The software can complete the safety check of flood control standard, seepage, lock chamber, frame bridge, pier, culverts and energy dissipation, thus manual work was reduced greatly. Meanwhile quality and speed of the safety check are improved greatly as well. And the software is helpful for promoting modernization, scientific, high efficiency and standardization of the safety check for culvert sluice.

Yellow River; culvert sluice; safety check; software development

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.044

2016-12-07

2017-02-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51209078)

高 迪(1992—)，男，山東聊城人，碩士，主要從事水工結(jié)構(gòu)、水閘的研究工作。 E-mail：1058260494@qq.com

TV66

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1672—1144(2017)02—0230—07