水閘結構設計現代計算方法與應用探討

吳義開

（婺源縣水務局，江西 婺源 333200）

隨著水利工程建設項目的進一步發展，有關水閘結構設計優化的問題逐漸得到了更多學者的關注，水閘結構設計已經從最初的基本資料分析逐步發展到經濟性、技術性的優化，需要保證水閘結構設計能夠在滿足水閘功能及總體布置要求的前提下，還能滿足技術特征與經濟性的要求，本文對此進行探討。

1 水閘結構設計現代計算方法分析

1.1 平面水閘結構設計的計算模型

1）地基模型。在文克勒的相關研究結論中，地基的沉降發生在地基受荷的位置，即單位力Xk=1的作用下會引起地基的沉降，在這個過程中，所產生的沉降參數ξki的計算模型為：

式（1）中，H 為地基土層的厚度，m；bi、ci為單元長度與寬度；E0為壓縮模量。

在地基模型應用過程中必須要注意地基并非均勻的現象，此時其彈性模量、單位長度與寬度等都會發生一定的改變，并且這種改變還具有一定的水平分層的性質。此時在模型計算中，應該采用初始函數的方法來計算表面荷載變化情況，了解特殊情況下地基荷載的變化，最終獲得更理想的數據模型。

2）樁基模型。在樁基模型確定過程中可以根據彈性理論中的Mindlin解答與鏈桿法原理對樁基進行設計，最終來確定群樁中每個樁的側摩阻力及其樁底正應力變化情況，最終來區分不同條件下的水閘結構與樁之間的關系。此時假設有m根不同材質到那時幾何形狀基本相同的圓形樁，樁按照特定的比例被均勻的設置在土體中，此時樁分別承受著不同的豎向荷載與橫向荷載。在這種條件下，假設土體為理想的均勻彈性半空健體，其彈性模量取值為常數，所以不會因為樁的存在而發生改變。此時，樁基模型的結構為：

在（2）式中，m為樁的總數量；e為樁的單元參數；y為樁的數量對數；為樁的單元綜述。

1.2 半解析計算

一般在水閘結構設計現代化技術確定中，很多技術人員通常會采用截條法進行計算，通過將水閘結構進行簡化，以“彈性地基上的平面框架結構”的角色來進行分析。在這個方法中，將上部桿系結構與平面地基開成兩個子結構，并采用剛性鏈桿來代替地基與地梁之間的關系。

按照上述要求，假設設在地基上的水閘結構受到任意直接荷載與邊載作用的影響，此時其上部結構的基礎是由不同幾何尺寸與不同彈性模量的材料構成的，在這種情況下，將其假定為一個組合桿件系統。之后，將上部結構用一維二節點拉亞——對其彎曲單元進行離散后，與地基表面接觸的基礎單元總量為n，根據水閘結構可能會面臨的地基變形或者靜力平衡條件，可以獲得計算模型：

式中，n 為基礎單元的總數；φ0=（y1-y0）/I，I為基礎長度。δki為單位力，是指均勻分布在單位長度i上所出現的擾度，一般是向上為正；Δkp為邊荷載所引起的地基k單元中點沉落參數；Δkp為結構上作用的荷載引起的基礎單元中點k的撓度，以向上為正。Δkq為邊荷載引起的地基k單元中點的沉陷，以向下為正。ai為基礎單元中點的坐標值為結構上合力的豎向分量及其對坐標原點的合力矩。

2 實例分析

2.1 項目簡介

該水庫位于某條河流的中游位置，與周邊的水利工程項目共同構建成為一個綜合的防洪體系，顯著提高了當地的防洪等級。該水利項目為新建水閘，其主要作用就是分擔周圍水利工程項目的防洪壓力，當周邊水利設施的截水流量明顯超過預期時，開閘進洪。該建筑物的開閘進洪規模為2 400 m3/s，為一級建筑物。

2.2 閘址選擇

閘址選擇中，相關人員根據上文所介紹的相關要點，在充分考慮樁基模型與地基模型的基礎上，提出了兩種閘址選擇方案：

方案1：選址在主壩中部位置，閘軸線中心樁號的編號為3+573.02 m。該方案的的水閘布置充分利用了水庫地勢地形開闊的優點，具有良好的抗洪能力，能夠充分利用周邊水利設施完成排澇。同時，所選位置具有良好的地形條件，不需要對地質條件做進一步的處理。從施工條件來看，閘址的選擇具有獨立的施工條件，因此不會影響其他工程項目的開展。但是這個方案存在一定問題，就是工程量要明顯大于常規水閘，并且也會在一定程度上對閘下湖地會造成小范圍沖刷。

方案2：在老河槽上建立新水閘。方案2的最主要的優點就是具有良好的消能防沖條件，并且在新水閘修建過程中不需要過多的挖掘土方。但是這種方法的缺點也比較明顯，首先就是方案的泄水條件、工程地質條件要明顯不如方案1，并且在投資量上也不具有優勢。

基于上述要求，最終閘址選擇方案1。

2.3 閘底板高程的確定

閘室底板高層的選擇涉及到了閘的規模、工程造價等多方面的因素，基于此，提出兩種方案。

方案1：由于閘址上游地面高程普遍高于20.0 m，只有少部分地面的高程位于19.7~20.0 m范圍內，所以在閘底板高程的控制中，上游的澇水情況將會得到有效的控制。在這種方案下，閘室的凈寬度為172 m，過閘流量超過14.30 m3/s。

方案2：根據方案1的環境，對閘室凈寬進行調整，從172 m下降到144 m，過閘單寬流量控制為16.7 m3/s。

根據兩種方案的基本思路，對兩種方案的可行性進行了比較，詳細資料見表1、表2。

表1 水力計算成果資料表

表2 工程量與投資 m3

根據表1、表2的相關信息，最終選擇方案1為閘底板高程施工方案。

2.4 水閘結構的動力計算

根據上文所介紹的“半解析 計算”可知，在水閘結構研究中，可以采用多種方法對水閘結構進行簡化，并根據簡化的結果來判斷相關技術是否可行。水閘結構在河流正常流向的地震作用下，主要引起河流流量的水平地震荷載與力矩，在這種情況下可以發現，無論是水閘的單位力，還是邊荷載所引起的地基沉降參數等，都始終維持在一個相對穩定的情況下，將設計中的相關數據帶入到上述公式中，發現公式條件成立，證明方案1的水閘結構是可行的。

3 結論

水閘結構設計現代計算方法會直接影響水閘應用效果，因此對相關設計人員，必須要掌握水閘結構設計的基本思路，能夠從地基模型、半解析計算等多個維度入手，了解水閘結構設計結果的可行性，并根據具體水利工程項目的要求，判斷水閘結構設計是否滿足工程項目的需求，最終為提高水閘的運行質量奠定基礎。