開敞式水閘閘室結構優化設計

□侯春芳(開原市水利局)

開敞式水閘閘室結構優化設計

□侯春芳(開原市水利局)

考慮到開敞式水閘建設成本較多,文章使用了A N SY S軟件和復形法對開敞式水閘閘室結構的優化設計問題進行了探討。建立閘室結構優化模型和設定約束條件，通過分析比較能夠得到最優的水閘閘室結構設計方案，從而有效降低開敞式水閘的建設成本。

開敞式水閘；閘室結構；優化設計

0 前言

作為低水頭水工建筑物，開敞式水閘在防洪、排澇等水利工程中得到了廣泛運用。利用水閘閘門，可以進行洪水的阻擋，并且將多余的水排泄出去。而合理實現水閘閘室結構的優化設計，則能夠在發揮水閘作用的同時，降低水閘的建設成本。因此，有必要對開敞式水閘閘室結構的優化設計問題展開探討，從而更好地促進水利事業的發展。

1 開敞式水閘閘室結構分析

從基礎結構上來看，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，需要起到擋水和調節水流的作用。在水閘擋水的過程中，閘室要承受水平水壓力，所以需要有足夠重力保持自身穩固。同時，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計，以便防止閘室受到危害性的沖刷。按照閘室內力及強度核算，可以將閘室結構劃分成為底板、閘墩、胸墻和橋梁。所謂的開敞式水閘，其實就是水閘閘室是露天的。所以該類水閘閘室沒有上部結構，可以被劃分為有胸墻和無胸墻兩種閘室結構。在上游水位變幅較大，同時水閘凈寬為低水位過閘流量所控制的情況下，需要使用有胸墻的閘室結構。無胸墻閘室結構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 開敞式水閘閘室結構的優化設計

2.1 優化原理及方法

在實現開敞式水閘閘室結構優化設計時，可以使用基于ANSYS的軟件優化原理及方法。從原理上來看，就是需要先創建一個優化模型，然后選擇一個能夠滿足設計要求的優化方法，并進行迭代計算。而計算得到的目標函數極值，就是結構設計的最優方案。所以，利用ANSYS軟件進行水閘水室結構優化計算，就是一個不斷迭代的過程。在優化的過程中，由于無法對目標函數的理論極小值進行預先估算，所以無法進行合理終止準則的獲取，因此需要進行每次迭代計算中的數據的分析[1]。在確定設計變量的目標函數時，需要為每一個變量設計上限和下限，所以要求設計變量中的每個元素的最大值及最小值都要得到規定。而目標函數則為需要盡量減小的數值，并且是設計變量的函數，需要利用軟件中的優化方法進行優化。

在設計水閘閘室結構的過程中，需要完成閘室滲流設計、抗滑穩定驗算、水力學設計、地下輪廓線布置和地基承載力計算等多項計算及驗算工作。而在計算地基梁等問題的過程中，需要使用有限元法進行結構的離散化處理。在此基礎上，還要使用復形法這種直接尋優的方法，以便在非線性約束的n維設計空間中進行＞n+1的可行點的初始復形的構筑，從而實現對各個頂點目標函數的比較[2]。而通過將最壞點丟掉，并且利用能夠滿足目標函數值和約束條件要求的新點替代壞點，就能夠通過反復計算獲得滿足要求的精度。所以，利用復形法進行目標函數的處理，可以直接獲得函數值，并且做好約束條件的檢查。同時，利用復形法也能夠對離散或混合復雜的約束條件進行有效處理，是能夠實現復雜系統優化的有效方法[3]。因此，在進行水閘閘室結構優化時，可以使用該方法進行大量復雜結構的計算和優化。

2.2 優化模型的建立

在建立開敞式水閘閘室結構優化模型時，需要先做好結構優化的變量選取。而作為一個大系統，閘室結構由底板和閘墩等結構構成，涉及的變量較多，所以很難實現對每個變量的優化。考慮到開敞式水閘閘室的主要結構為閘墩和底板，所以可以對影響該2個結構的尺寸、閘門位置、防滲布置情況進行分析。而通過分析，最終可以選取底板長度、底板厚度、閘門位置、閘墩厚度和鋪蓋長度等參數作為優化變量[4]。完成變量選取后，考慮到工程量大小對工程建設成本的影響不大，還要將底板、閘墩和鋪蓋等結構的總造價最小設定為目標函數。根據目標函數，可以將基底壓力、地基承載力、底板內力及抗裂性、閘墩內力及抗裂性、基底壓力不均勻性、抗滑穩定等內容設定為約束條件，并進行計算式的獲取。考慮到平面閘門閘墩的內力約束問題，還要進行門槽應力、墩底縱向正應力、邊墩主拉應力、縫墩墩底主拉應力、墩底橫向正應力等約束的驗算。此外，還要進行其他約束條件的設計[5]。具體來講，就是要求0.60 m≤底板厚度≤2 m。同時，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）等計算式表示，就可以得到開敞式水閘閘室結構優化的數學模型，即x=（X,Y,H1，H2，H3）T。

2.3 優化案例分析

在研究開敞式水閘閘室結構優化問題時，可以某開敞式水閘為研究對象。而該水閘設計的上游洪水位為54 m，下游水位為50 m。同時，水閘明渠渠底高為50 m，使用平底寬頂堰型式結構，頂面與渠底齊平。在閘前位置，需要進行厚度為0.40 m的混凝土鋪蓋的設置。在閘后位置，需要進行護坦厚為0.50 m的消力池設計。同時，還要進行排水孔和厚度為0.50 m的濾層設計。已知，閘墩高為6.90 m，閘門重8t，閘底板透水層深度為15 m。同時，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。在鋼筋造價和混凝土造價分別為4 000元/t和350元/t的情況下，需要實現水閘閘室結構的優化設計。

通過使用ANSYS軟件進行閘室結構優化模型的建立，并且根據以往經驗將中墩厚度和縫墩厚度最小值分別設定為1 m和0.60 m，則可以對閘室的閘底板厚度、閘底板長度、鋪蓋長度和閘門位置等變量進行優化。而利用復形法進行模型的求解，則能通過比較多種方案得到最優解。具體來講，就是將底板厚度、鋪蓋長度、中墩厚度、縫墩厚度、底板寬度、閘門距墩頭距離從最初設計的1.90、34、1、0.60、12.50、6.70 m分別優化成1.70、30.33、1、0.60、10.05和6.99 m。而將優化后的閘室造價與初設方案的造價相比較，則能夠節省原本工程造價的9%的成本。

3 結論

采用重復設計方法進行水閘閘室結構的設計，會導致設計方案受設計師經驗的影響，致建工程建設產生過多的成本。所以，還需要對水閘閘室結構進行優化設計，以便獲得最優的閘室設計方案。而從文章的研究來看，使用ANSYS軟件和復形法進行開敞式水閘閘室結構的優化設計，能夠有效降低水閘建設成本。因此，相信文章對開敞式水閘閘室結構優化設計問題展開的探討，可以為相關工作的開展提供指導。

[1]崔朕銘，蔡新，黃海田等.軟土地基上水閘整體結構優化設計[J].水利水電科技進展，2016（01）:86-89.

[2]強安良，周少敏.基于遺傳優化算法的水閘閘室優化設計[J].陜西水利，2011（05）:88-90.

[3]梁一飛，李國寧，王文強.一種新型水閘的結構布置及三維有限元分析[J].內蒙古農業大學學報(自然科學版)，2014（04）: 95-102.

[4]劉云虎.復雜水閘施工技術中的高效工程管理研究[J].工程經濟，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計方案比選[J].人民黃河，2012（11）:129-131.

TV 662

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1673-8853（2016）11-0057-02

2016-09-05

（責任編輯：左英勇）

侯春芳（1980-），女，工程師，主要從事水利工程工作。