TRIZ創(chuàng)新方法在軟基水閘消能工布置中的應(yīng)用

李春貴，吳 輝，周盛侄

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

水閘是建在河道、渠道及水庫、湖泊岸邊，具有擋水和泄水功能的低水頭水工建筑物。關(guān)閉閘門，可以攔洪、擋潮、抬高水位，以滿足上游取水或通航的需要；開啟閘門，可以泄洪、排澇、沖沙、取水或根據(jù)下游用水需要調(diào)節(jié)流量。在平原河網(wǎng)以及濱海地區(qū)常見的是節(jié)制閘和排澇擋潮閘，其中河床底質(zhì)往往是比較松散的河相沉積物或海相沉積物，比較常見的有粉砂或淤泥質(zhì)粉砂，也有些是砂礫石層，總體抗沖能力差，因此要求閘下設(shè)置消能設(shè)施，包括消力池、護(hù)坦、海漫、防沖槽等。在實際工程運行中，常常遇到這樣的問題，受建設(shè)條件限制，不允許修建多級消力池和布置長距離的護(hù)坦和海漫，也時有發(fā)生閘下?lián)p毀現(xiàn)象，危及工程安全。

對于上述問題，技術(shù)人員通常通過查閱規(guī)范、論文文獻(xiàn)、請教專家或頭腦風(fēng)暴等方法尋求解決思路。本文運用TRIZ創(chuàng)新方法，希望可以打破思維定勢，快速聚焦所要解決的技術(shù)問題，高效地得出解決方案。

2 TRIZ創(chuàng)新方法簡介

TRIZ是前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒所創(chuàng)的“發(fā)明問題解決理論”的拉丁文縮寫，是當(dāng)前最高效的實用性創(chuàng)新方法之一。TRIZ理論認(rèn)為，很多原理和方法在發(fā)明過程中是重復(fù)使用的；技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化和發(fā)展并不是隨機(jī)的，而是遵循一定的客觀趨勢。應(yīng)用TRIZ理論來解決技術(shù)問題，可以直接采用系統(tǒng)化的思維方式和結(jié)構(gòu)化的工具來構(gòu)建解決方案[1]。

3 創(chuàng)新方法運用

運用TRIZ創(chuàng)新方法解題的基本思路和步驟見圖1。

圖1 TRIZ解決問題的基本思路圖

針對本文提出的“水閘閘下沖刷”問題，運用TRIZ創(chuàng)新方法，按圖1的解題步驟，具體如下。

3.1 具體問題轉(zhuǎn)化為典型問題

對擬解決的問題進(jìn)行準(zhǔn)確的定位和描述。首先，確定問題發(fā)生的技術(shù)系統(tǒng)（即現(xiàn)有系統(tǒng)）。技術(shù)系統(tǒng)是為了實現(xiàn)某種目的或某種功能而人為制造出來的，由多個組件組成的集合。根據(jù)背景交代，把閘門、閘墩、底板、消力池、水等所有相關(guān)因素按照相互作用的關(guān)系聯(lián)系在一起，構(gòu)成待解決問題所在的技術(shù)系統(tǒng)—水閘泄水系統(tǒng)。采用“SVOP”結(jié)構(gòu)即“技術(shù)系統(tǒng)+動作+作用對象+參數(shù)”對問題進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，將問題描述為“水閘泄水系統(tǒng)控制水閘泄水對閘下的沖刷力度”。由背景資料可知，水閘泄流的沖刷力太大，導(dǎo)致閘下河床的破壞。因此，擬解決問題的目標(biāo)設(shè)定為“減少水閘泄水對閘下的沖刷力度”。

3.2 運用TRIZ工具得到典型問題的解決方案

（1）構(gòu)建一個新系統(tǒng)，并用新系統(tǒng)替代現(xiàn)有系統(tǒng)以解決存在的問題。

理想度=有用功能之和/（負(fù)面功能之和+成本之和） （1）

根據(jù)（1）式，按照理想度最大化的目標(biāo)要求新系統(tǒng)：水閘的泄流作用最大，但水流對基礎(chǔ)的沖刷作用最小，成本最小。

（2）資源分析。通過對現(xiàn)有系統(tǒng)及相關(guān)的資源及資源參數(shù)的充分挖掘和分析，找出解決問題的可能思路。要求新系統(tǒng)盡可能利用現(xiàn)有資源，不增加新的資源。對于一座運行中的水閘，具有的資源見表1。

表1 現(xiàn)有系統(tǒng)資源分析表

通過分析發(fā)現(xiàn)，水流動能是泄流必不可少的資源，同時，過多的水流動能又會造成基礎(chǔ)的沖刷破壞。因此，從如何讓水的動能發(fā)揮泄流作用、而降低沖刷作用作為解決問題的一個切入點。此外，水閘閘墩、底板這些常規(guī)上都是實體的鋼筋混凝土占據(jù)的空間，也可以進(jìn)一步挖掘利用。

（3）系統(tǒng)功能分析。把組成現(xiàn)有系統(tǒng)的各部分相互作用的組件繪制成系統(tǒng)功能模型圖（見圖2）。通過系統(tǒng)功能模型圖可以看到，消力池的消能作用不足，導(dǎo)致消能后的水流速度和動能有所下降但還是有很大的沖刷力，容易造成閘下的沖刷破壞。

圖2 系統(tǒng)功能模型圖

（4）因果鏈分析。對現(xiàn)有的系統(tǒng)從問題的結(jié)果出發(fā)向原因進(jìn)行層層剖析，并繪制因果鏈分析圖（見圖3）。經(jīng)分析得出，下泄水流流速過大和基礎(chǔ)松散、抗沖能力差是造成基礎(chǔ)破壞的主要原因。對于基礎(chǔ)松散抗沖能力差的問題，現(xiàn)已有在閘下部采用更深的樁基礎(chǔ)以及澆筑混泥土護(hù)坦的解決方案，這是從加強(qiáng)基礎(chǔ)的角度來解決，本文擬從另一個方面，即削減下泄水流動能的角度予以解決。

圖3 因果鏈分析圖

（5）矛盾分析。通過前面分析的結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，為了快速排水，水閘泄流需要流速大，會對閘下基礎(chǔ)造成沖刷破壞。這在TRIZ里面是一個技術(shù)矛盾，可以通過查矛盾矩陣來求解（由于篇幅原因，本文對技術(shù)矛盾求解不再展開）。同時，還可以看出，為了快速排水，水閘泄流需要流速大，為減少泄流對閘下基礎(chǔ)的沖刷破壞，水閘泄流需要流速小，也就是對“流速”參數(shù)而言，既要“大”又要“小”，這在TRIZ里面構(gòu)成了一個物理矛盾，即對一個事物的同一個屬性提出相反的要求。解決物理矛盾要用分離原理，包括空間分離、時間分離、條件分離、系統(tǒng)分離幾種形式。

綜合前面的分析，利用空間分離的原理，并充分利用現(xiàn)有系統(tǒng)已有的資源，包括水、閘墩空間等，按照理想度最大的目標(biāo)，構(gòu)建了2個概念方案。概念方案1：通過下泄水流對沖的方式來消能；概念方案2：利用下泄水流部分反沖消能（TRIZ里面可利用的工具很多，得出的解決方案也很多，本文只選用了其中幾種）。

3.3 解決方案及評價

3.3.1 方案1：水閘泄流對沖消能布置方案

2個泄水閘構(gòu)成一組，兩兩相對布置，向上游水體內(nèi)凸出。閘門下游側(cè)為較短的泄流槽，泄流槽盡頭與導(dǎo)流槽相接。導(dǎo)流槽向排出口方向小角度傾斜。泄流時，相對的2個水閘同時開啟，下泄水流在底部對沖消能，再從導(dǎo)流槽匯流排出。當(dāng)從導(dǎo)流槽排水的水流流速仍然較大時，可在導(dǎo)流槽下游再設(shè)置一個消力池，經(jīng)過消力池二次消能后排出。圖4為方案1水閘布置俯視圖（箭頭所示為水流方向）。

圖4 水閘布置俯視圖（方案1）

3.3.2 方案2：利用泄流部分反沖消能的方案

本方案與普通閘門不同之處在于，在左右兩側(cè)閘墩內(nèi)部建有排水通道，排水通道上游進(jìn)口始終埋設(shè)在水面以下，采用閘閥控制，排水通道在泄水槽導(dǎo)墻內(nèi)部埋設(shè)或沿著泄水槽導(dǎo)墻外側(cè)鋪設(shè)，排水通道下游端通過彎管與底板下游端內(nèi)埋設(shè)的管槽相連，管槽向上游側(cè)開口。泄流時，排水通道進(jìn)口的閘閥略早于閘門開啟，經(jīng)過排水通道的水流通過彎管后進(jìn)入底板下游端內(nèi)的管槽，高速水流從管槽開口處向上游方向沖出，與經(jīng)過泄流槽下泄的水流對沖，使得下泄水流的動能大幅消減，當(dāng)水流流速仍然較大時，可在導(dǎo)流槽下游再設(shè)置一個消力池，經(jīng)過消力池二次消能后排出。圖5為方案2水閘布置俯視及斷面圖。

圖5 水閘布置俯視及斷面圖（方案2）

3.3.3 方案評價

從可行性上看，方案1占地較大，適用于河道開闊、原本就布置多個排水閘的情形，不適用單一水閘的情形。另外，閘門不是正對迎水面布置，可能會一定程度上影響排澇能力。方案2所需空間與原有的設(shè)計方案相比基本不變，適用性更廣泛。從造價投資和施工難度上看，方案1基本不變，方案2略有增加。由于沒有具體應(yīng)用案例，具體的消能效果以及工程參數(shù)，需要通過結(jié)構(gòu)計算和模型實驗進(jìn)一步驗證。

4 結(jié) 語

本文運用TRIZ創(chuàng)新方法，嘗試對軟基水閘消能工布置問題進(jìn)行探討，得出的方案具有削減水閘泄流動能的效果，對減小水閘排澇導(dǎo)致閘下沖刷問題具有一定的創(chuàng)新性和實用性，一定程度上可為減少軟基水閘排澇導(dǎo)致的閘下沖刷過大的問題提供借鑒。而且提出解決方案的時間短、資源消耗少，體現(xiàn)TRIZ創(chuàng)新方法解決問題上快速、準(zhǔn)確、高效的優(yōu)勢。