水閘設計及閘室結構的有限元研究

楊 飛

（新疆伊犁州水利電力勘測設計研究院，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，其設計及閘室就對我國水利工程建設質量有著直接影響。在這樣的背景下，為了讓水利工程發揮出應有的作用，針對其水閘設計及閘室結構的有限元進行研究，就有著至關重要的意義。

1 水閘類型和構成

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閉對水位與水流量進行控制或管理。水閘在防洪、澆灌、排水、發電等功能的水利工程中比較常見，且應用較為普遍。目前，我國水閘能夠按照實際功能分成進水閘、節水閘、分洪閘和排水閘等種類。同時，還可以依據閘室結構分成開敞式與封閉式兩種水閘類型。

1.2 水閘構成

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部，起到保護流域上流河床和防滲等作用，通常情況下，上游連接段組成結構中包含了上游護底、翼墻、防沖槽和護坡等部分。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。護坡、護底與齒墻的就是為了杜絕閘水的沖刷作用，對河床與鋪蓋進行良好的保護。閘室就是水閘結構中起到擋水與泄水的關鍵主體，其包含了底板、閘墩、閘門等基礎建設。底板作為閘室建設的基礎，承擔了整個閘室的所有重量，并將這些荷載均勻傳遞給地基。閘墩則是對閘孔進行分割并支撐閘門、工作橋等上部存在的結構重量。下游連接段起到的作用就是消能與擴散水流。通常其就是讓出閘水流能夠形成一定的水躍消能，隨后讓水流平穩擴散，用來避免閘后出現有害沖刷問題。其結構組成包含了護坦、海漫、下游齒墻和翼墻等。

2 水閘結構的基礎設計

2.1 主要結構布置

2.1.1 水閘布置

水閘結構布置設計應該充分與實際地理環境、地質條件相結合，其與水閘自身所承擔責任有著較為密切的關系，所以在布置過程中就要按照實際情況，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布置和分區調度，分區調度的主要目的就是為了讓區內閘孔能夠實現均勻開啟，杜絕消力池發生回流現象，致使護坦出現磨損，其還可把水躍推出閘室，同時讓躍頭控制在有效范圍之內。護坦結構就是選擇封閉帷幕和排水，這樣能夠讓護坦板下的揚壓力有效減小，降低板的厚度，讓護坦結構既能保持良好的經濟效益，還能實現較好的安全性和可靠性，特別是降低了閘基滲流現象，對保護閘基夾層的穩定性有著重要作用。

2.1.2 水閘結構設計

水閘在機構設計上，因為水利計算計算工作大致由經驗決定，所以通常都是按照《水利水電工程等級劃分及洪水標準》SL252—2000進行設計。目前，我國尼勒克溝引水樞紐中主要建筑物為3級，主要包括攔河泄洪沖砂閘、進水閘、引水渠道連接段；次要建筑物為4級，其它臨時性建筑物為5級，給我國水閘結構設計提供了諸多寶貴經驗。水閘結構設計包含閘室結構設計布置、岸墻結構設計布置、防滲排水設計、消能與防沖設計、分流島與導流堤設計等。

（1）閘室結構與岸墻結構的設計布置。閘室結構按照力學計算結果和運行要求，選擇對應的門體樣式，閘室結構布置上存在的分離式閘底板結構、分離式閘墩結構、閘墩間設分流島這三種。而岸墻結構布置的主要目的，就是為了降低閘室結構對地基穩定性造成的影響，主要方案包含了空箱岸墻底板和閘室底板保持平衡狀態，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、兩級空箱岸墻、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計。防滲排水設計就是通過上游鋪蓋、下游鋪蓋和閘底板來形成一個水平防滲體，水閘上游和下游防滲鋪蓋水平布置長度均要控制在標準范圍內。而消能與防沖設計中就包含了消力池布置和海漫與防沖槽布置兩項內容，在工程單向泄流時，就要在水閘下游布置消力池，而為了去除穿過水閘時的水流剩余能量，就要在消力池后方布置海漫與防沖墻。

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

2.2 水力設計

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。按照工程實際水位下閘孔泄流的主要特點，選擇平底寬頂堰流與有壓短洞結合有坎寬頂堰流這兩種方式進行相關設計。利用造床流量計算得到較為穩定的河床水面寬度、項目區現狀、地形條件，而建設區域段不僅要滿足設計輸水流量，還應按照地形條件和規范要求，選擇合理的渠道縱坡、渠床糙率、渠道邊坡系數、穩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 水閘金屬結構設計

在水閘金屬結構設計中，金結設備布置按照水閘擋水、泄水、運行、閘室和閘門檢修等內容，就可以獨立設計一道工作閘門，其主要由固定形式的啟閉設備進行操作，同時在工作閥門的上游部分和下游部分分別設計檢修閘門。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。針對水閘上游和下游所規劃的實際水位，閘室布置與控泄工程對閘門運行要求較高，盡管弧形門擁有底緣泄水流態好、啟閉高程低等明顯優點，但由于閘下水位較高，弧門不但在閘室內部停留時間較長，還存在鉸座集中荷載對土建基礎結構造成不利影響等缺點。而升臥門能夠有效減小啟閉機臺的高度，但是門體臥倒后會出現向下游懸的現象，所以閘室結構也要對應加長，在對其性能進行研究以后發現，工作門可以選擇直升門。

3 閘室結構有限元研究

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。其主要工作任務就是施工導流、水庫排空與泄洪。深孔水閘結構的主體就是薄板形式，但是結構內部所有薄板安裝位置存在較大差異。在對閘室結構利用有限元方法分析，因為一維尺寸偏小，在進行單元劃分時較難，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上增加了面內力所帶來的作用，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，就能夠創建不處于同一平面上板之間存在的關系，讓這些板形成完整的個體，共同承擔所受到的外界壓力。在考慮節點力和彎曲應力的前提下，結點位移之間不存在聯系，就要把單元剛度矩陣進行結合，這樣可以獲得空間板單元剛度矩陣，進而創建空間板有限元方法。

3.2 平面應力問題

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。基于此，可以確定所有彈性力學問題就都是在空間問題的范疇之內。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，我們能夠將空間問題簡化成平面問題。這樣可以有效降低分析和計算的工作量，而最后得到的結果仍然能夠滿足水利工程對準確度和精準度上所存在的要求。在分析平面應力問題時，主要從靜力學、幾何、物理等方面入手，按照平衡條件來求取應力與體力這兩種分量之間存在的關系，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未知數，所以這也就直接決定應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中，才能有效解決平面應力問題。因此，我們就可以引入三個結合方程，讓這些工程去除位移分量，獲得三個形變分量之間存在的主要關系式，再把三個物理方程代入關系式當中，讓其內容指包含盈利分量。

3.3 薄板彎曲問題

在彈性力學當中，平板就由兩個平行面與柱面形成。若是板的實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，就能夠將荷載分成兩個子荷載，其中一個就是在薄板中面內部的中面荷載起到作用，另外一個就是垂直在中面位置的橫向荷載。針對中面荷載，能夠依據平面應力問題來開展相關計算，但橫向荷載就把薄板彎曲，其所引發的應力、形變及位移，需依據薄板彎曲問題來展開計算。在薄板彎曲以后，中面所出現的曲面就可以成為薄板彈性曲面，中面內各點在垂直方向上存在的問題，就是平時所講的撓度。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位置求取結果，可選擇基本未知函數作為薄板撓度，所以就要針對其他物理量創建微分方程，也就是彈性曲面微分方程。

4 結束語

隨著社會經濟的快速發展，在水資源分配上水利工程起到了關鍵性作用。在這樣的現實背景下，水閘作為水利工程建設中的重要基礎構件，其設計及閘室結構就對水利工程項目質量有著十分重要的意義。因此，針對水閘設計及閘室結構的有限元進行深入研究，是保證水利工程項目安全穩定運行的重要手段。

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