水閘設(shè)計(jì)及閘室結(jié)構(gòu)的有限元研究

楊 飛

（新疆伊犁州水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 伊犁 835000）

在水利工程修建過程中，水閘就是起到擋水和泄水雙重作用的重要水工建筑物，其設(shè)計(jì)及閘室就對(duì)我國(guó)水利工程建設(shè)質(zhì)量有著直接影響。在這樣的背景下，為了讓水利工程發(fā)揮出應(yīng)有的作用，針對(duì)其水閘設(shè)計(jì)及閘室結(jié)構(gòu)的有限元進(jìn)行研究，就有著至關(guān)重要的意義。

1 水閘類型和構(gòu)成

1.1 水閘類型

水閘是擁有擋水與泄水功能的低水頭水工建筑物，其主要利用閘門開啟關(guān)閉對(duì)水位與水流量進(jìn)行控制或管理。水閘在防洪、澆灌、排水、發(fā)電等功能的水利工程中比較常見，且應(yīng)用較為普遍。目前，我國(guó)水閘能夠按照實(shí)際功能分成進(jìn)水閘、節(jié)水閘、分洪閘和排水閘等種類。同時(shí)，還可以依據(jù)閘室結(jié)構(gòu)分成開敞式與封閉式兩種水閘類型。

1.2 水閘構(gòu)成

水閘都是由上游連接段、閘室與下游連接段組成。其中上游連接段起到的作用就是將水流引入閘室內(nèi)部，起到保護(hù)流域上流河床和防滲等作用，通常情況下，上游連接段組成結(jié)構(gòu)中包含了上游護(hù)底、翼墻、防沖槽和護(hù)坡等部分。鋪蓋要緊鄰閘室地板，其主要功能就是防滲透，并且表面要充分滿足抗沖刷的基本要求。護(hù)坡、護(hù)底與齒墻的就是為了杜絕閘水的沖刷作用，對(duì)河床與鋪蓋進(jìn)行良好的保護(hù)。閘室就是水閘結(jié)構(gòu)中起到擋水與泄水的關(guān)鍵主體，其包含了底板、閘墩、閘門等基礎(chǔ)建設(shè)。底板作為閘室建設(shè)的基礎(chǔ)，承擔(dān)了整個(gè)閘室的所有重量，并將這些荷載均勻傳遞給地基。閘墩則是對(duì)閘孔進(jìn)行分割并支撐閘門、工作橋等上部存在的結(jié)構(gòu)重量。下游連接段起到的作用就是消能與擴(kuò)散水流。通常其就是讓出閘水流能夠形成一定的水躍消能，隨后讓水流平穩(wěn)擴(kuò)散，用來避免閘后出現(xiàn)有害沖刷問題。其結(jié)構(gòu)組成包含了護(hù)坦、海漫、下游齒墻和翼墻等。

2 水閘結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

2.1 主要結(jié)構(gòu)布置

2.1.1 水閘布置

水閘結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)應(yīng)該充分與實(shí)際地理環(huán)境、地質(zhì)條件相結(jié)合，其與水閘自身所承擔(dān)責(zé)任有著較為密切的關(guān)系，所以在布置過程中就要按照實(shí)際情況，這就意味著布置形式存在一定的多樣性。就多孔閘來講，消力池通常選擇二隔多區(qū)布置和分區(qū)調(diào)度，分區(qū)調(diào)度的主要目的就是為了讓區(qū)內(nèi)閘孔能夠?qū)崿F(xiàn)均勻開啟，杜絕消力池發(fā)生回流現(xiàn)象，致使護(hù)坦出現(xiàn)磨損，其還可把水躍推出閘室，同時(shí)讓躍頭控制在有效范圍之內(nèi)。護(hù)坦結(jié)構(gòu)就是選擇封閉帷幕和排水，這樣能夠讓護(hù)坦板下的揚(yáng)壓力有效減小，降低板的厚度，讓護(hù)坦結(jié)構(gòu)既能保持良好的經(jīng)濟(jì)效益，還能實(shí)現(xiàn)較好的安全性和可靠性，特別是降低了閘基滲流現(xiàn)象，對(duì)保護(hù)閘基夾層的穩(wěn)定性有著重要作用。

2.1.2 水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水閘在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上，因?yàn)樗?jì)算計(jì)算工作大致由經(jīng)驗(yàn)決定，所以通常都是按照《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》SL252—2000進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前，我國(guó)尼勒克溝引水樞紐中主要建筑物為3級(jí)，主要包括攔河泄洪沖砂閘、進(jìn)水閘、引水渠道連接段；次要建筑物為4級(jí)，其它臨時(shí)性建筑物為5級(jí)，給我國(guó)水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了諸多寶貴經(jīng)驗(yàn)。水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布置、岸墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布置、防滲排水設(shè)計(jì)、消能與防沖設(shè)計(jì)、分流島與導(dǎo)流堤設(shè)計(jì)等。

（1）閘室結(jié)構(gòu)與岸墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)布置。閘室結(jié)構(gòu)按照力學(xué)計(jì)算結(jié)果和運(yùn)行要求，選擇對(duì)應(yīng)的門體樣式，閘室結(jié)構(gòu)布置上存在的分離式閘底板結(jié)構(gòu)、分離式閘墩結(jié)構(gòu)、閘墩間設(shè)分流島這三種。而岸墻結(jié)構(gòu)布置的主要目的，就是為了降低閘室結(jié)構(gòu)對(duì)地基穩(wěn)定性造成的影響，主要方案包含了空箱岸墻底板和閘室底板保持平衡狀態(tài)，若是基底壓力比持力承載力大，就可以選擇鋼筋組鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、兩級(jí)空箱岸墻、空箱岸墻后增加擋土墻這三種方案。

（2）防滲排水與消能防沖的設(shè)計(jì)。防滲排水設(shè)計(jì)就是通過上游鋪蓋、下游鋪蓋和閘底板來形成一個(gè)水平防滲體，水閘上游和下游防滲鋪蓋水平布置長(zhǎng)度均要控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。而消能與防沖設(shè)計(jì)中就包含了消力池布置和海漫與防沖槽布置兩項(xiàng)內(nèi)容，在工程單向泄流時(shí)，就要在水閘下游布置消力池，而為了去除穿過水閘時(shí)的水流剩余能量，就要在消力池后方布置海漫與防沖墻。

（3）分流島與導(dǎo)流堤設(shè)計(jì)。為了讓水閘上游和下游閘水順利流過，就需要對(duì)中跨邊墩端部和兩岸進(jìn)行設(shè)計(jì)，合理布置分流島與導(dǎo)流堤。通常情況下，分流島都是鋼筋砼結(jié)構(gòu)，筏式底板。分流島內(nèi)部布置橫隔墻，而頂部布置鋼筋砼預(yù)制蓋板，按照每個(gè)部門支撐跨度的不同其頂板厚度也存在差異，為了有效優(yōu)化分流島的受力情況，就可以在側(cè)墻上進(jìn)行開孔，讓運(yùn)行過程中分流島內(nèi)外的水環(huán)境壓力保持一致。

2.2 水力設(shè)計(jì)

按照整體布置選擇閘室主要形式和閘孔布置，這就需要檢查閘孔所擁有的過流能力。按照工程實(shí)際水位下閘孔泄流的主要特點(diǎn)，選擇平底寬頂堰流與有壓短洞結(jié)合有坎寬頂堰流這兩種方式進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。利用造床流量計(jì)算得到較為穩(wěn)定的河床水面寬度、項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀、地形條件，而建設(shè)區(qū)域段不僅要滿足設(shè)計(jì)輸水流量，還應(yīng)按照地形條件和規(guī)范要求，選擇合理的渠道縱坡、渠床糙率、渠道邊坡系數(shù)、穩(wěn)定渠床的寬深比以及渠道的不沖不淤流速等綜合因素確定渠道的縱橫斷面。

2.3 水閘金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在水閘金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，金結(jié)設(shè)備布置按照水閘擋水、泄水、運(yùn)行、閘室和閘門檢修等內(nèi)容，就可以獨(dú)立設(shè)計(jì)一道工作閘門，其主要由固定形式的啟閉設(shè)備進(jìn)行操作，同時(shí)在工作閥門的上游部分和下游部分分別設(shè)計(jì)檢修閘門。在閘門種類的選用工作中，其類型包含了弧形門、升臥門和直升門等。針對(duì)水閘上游和下游所規(guī)劃的實(shí)際水位，閘室布置與控泄工程對(duì)閘門運(yùn)行要求較高，盡管弧形門擁有底緣泄水流態(tài)好、啟閉高程低等明顯優(yōu)點(diǎn)，但由于閘下水位較高，弧門不但在閘室內(nèi)部停留時(shí)間較長(zhǎng)，還存在鉸座集中荷載對(duì)土建基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)造成不利影響等缺點(diǎn)。而升臥門能夠有效減小啟閉機(jī)臺(tái)的高度，但是門體臥倒后會(huì)出現(xiàn)向下游懸的現(xiàn)象，所以閘室結(jié)構(gòu)也要對(duì)應(yīng)加長(zhǎng)，在對(duì)其性能進(jìn)行研究以后發(fā)現(xiàn)，工作門可以選擇直升門。

3 閘室結(jié)構(gòu)有限元研究

3.1 空間板有限元方法

深孔水閘是目前水利工程中水閘較為常用的一種形式，一般形式就是鋼筋混凝土巷式涵洞。其主要工作任務(wù)就是施工導(dǎo)流、水庫(kù)排空與泄洪。深孔水閘結(jié)構(gòu)的主體就是薄板形式，但是結(jié)構(gòu)內(nèi)部所有薄板安裝位置存在較大差異。在對(duì)閘室結(jié)構(gòu)利用有限元方法分析，因?yàn)橐痪S尺寸偏小，在進(jìn)行單元?jiǎng)澐謺r(shí)較難，需要分別分析每塊薄板，這樣就不存在過大的相似性。而這種空間板有限元分析方法，就在考慮受力的基礎(chǔ)上增加了面內(nèi)力所帶來的作用，不但在板上作用橫向存在的剪力和彎矩，還存在沿板中面所擁有的拉作用和壓作用。基于此，就能夠創(chuàng)建不處于同一平面上板之間存在的關(guān)系，讓這些板形成完整的個(gè)體，共同承擔(dān)所受到的外界壓力。在考慮節(jié)點(diǎn)力和彎曲應(yīng)力的前提下，結(jié)點(diǎn)位移之間不存在聯(lián)系，就要把單元?jiǎng)偠染仃囘M(jìn)行結(jié)合，這樣可以獲得空間板單元?jiǎng)偠染仃?，進(jìn)而創(chuàng)建空間板有限元方法。

3.2 平面應(yīng)力問題

所有彈性體都屬于空間物體的一種，通常外力都屬于空間力系的范疇之內(nèi)。基于此，可以確定所有彈性力學(xué)問題就都是在空間問題的范疇之內(nèi)。但是，若是所考察的彈性體擁有著較為特殊的主要形式，且所承受的是某些特殊外力，我們能夠?qū)⒖臻g問題簡(jiǎn)化成平面問題。這樣可以有效降低分析和計(jì)算的工作量，而最后得到的結(jié)果仍然能夠滿足水利工程對(duì)準(zhǔn)確度和精準(zhǔn)度上所存在的要求。在分析平面應(yīng)力問題時(shí)，主要從靜力學(xué)、幾何、物理等方面入手，按照平衡條件來求取應(yīng)力與體力這兩種分量之間存在的關(guān)系，也就是平面問題中的平衡微分方程。在微分方程中包含了三個(gè)未知數(shù)，所以這也就直接決定應(yīng)力分量問題都是超靜定的，主要把形變和位移考慮到方程當(dāng)中，才能有效解決平面應(yīng)力問題。因此，我們就可以引入三個(gè)結(jié)合方程，讓這些工程去除位移分量，獲得三個(gè)形變分量之間存在的主要關(guān)系式，再把三個(gè)物理方程代入關(guān)系式當(dāng)中，讓其內(nèi)容指包含盈利分量。

3.3 薄板彎曲問題

在彈性力學(xué)當(dāng)中，平板就由兩個(gè)平行面與柱面形成。若是板的實(shí)際厚度小于中面尺寸，就稱為薄板，相反就稱之為厚板。在薄板受到一定荷載時(shí)，就能夠?qū)⒑奢d分成兩個(gè)子荷載，其中一個(gè)就是在薄板中面內(nèi)部的中面荷載起到作用，另外一個(gè)就是垂直在中面位置的橫向荷載。針對(duì)中面荷載，能夠依據(jù)平面應(yīng)力問題來開展相關(guān)計(jì)算，但橫向荷載就把薄板彎曲，其所引發(fā)的應(yīng)力、形變及位移，需依據(jù)薄板彎曲問題來展開計(jì)算。在薄板彎曲以后，中面所出現(xiàn)的曲面就可以成為薄板彈性曲面，中面內(nèi)各點(diǎn)在垂直方向上存在的問題，就是平時(shí)所講的撓度。在研究過程中，所遵循的主要理論就是薄板盡管薄，依舊擁有一定程度上的彎曲剛度，所以其撓度就一定比其厚度小很多。薄板撓度彎曲問題主要是依據(jù)位置求取結(jié)果，可選擇基本未知函數(shù)作為薄板撓度，所以就要針對(duì)其他物理量創(chuàng)建微分方程，也就是彈性曲面微分方程。

4 結(jié)束語

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在水資源分配上水利工程起到了關(guān)鍵性作用。在這樣的現(xiàn)實(shí)背景下，水閘作為水利工程建設(shè)中的重要基礎(chǔ)構(gòu)件，其設(shè)計(jì)及閘室結(jié)構(gòu)就對(duì)水利工程項(xiàng)目質(zhì)量有著十分重要的意義。因此，針對(duì)水閘設(shè)計(jì)及閘室結(jié)構(gòu)的有限元進(jìn)行深入研究，是保證水利工程項(xiàng)目安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。

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