水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)代計算方法與應(yīng)用探討

吳義開

（婺源縣水務(wù)局，江西 婺源 333200）

隨著水利工程建設(shè)項目的進(jìn)一步發(fā)展，有關(guān)水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的問題逐漸得到了更多學(xué)者的關(guān)注，水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)從最初的基本資料分析逐步發(fā)展到經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性的優(yōu)化，需要保證水閘結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)特征與經(jīng)濟(jì)性的要求，本文對此進(jìn)行探討。

1 水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)代計算方法分析

1.1 平面水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算模型

1）地基模型。在文克勒的相關(guān)研究結(jié)論中，地基的沉降發(fā)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(chǎn)生的沉降參數(shù)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(yīng)用過程中必須要注意地基并非均勻的現(xiàn)象，此時其彈性模量、單位長度與寬度等都會發(fā)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(zhì)。此時在模型計算中，應(yīng)該采用初始函數(shù)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(shù)據(jù)模型。

2）樁基模型。在樁基模型確定過程中可以根據(jù)彈性理論中的Mindlin解答與鏈桿法原理對樁基進(jìn)行設(shè)計，最終來確定群樁中每個樁的側(cè)摩阻力及其樁底正應(yīng)力變化情況，最終來區(qū)分不同條件下的水閘結(jié)構(gòu)與樁之間的關(guān)系。此時假設(shè)有m根不同材質(zhì)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(shè)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(shè)土體為理想的均勻彈性半空健體，其彈性模量取值為常數(shù)，所以不會因為樁的存在而發(fā)生改變。此時，樁基模型的結(jié)構(gòu)為：

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

1.2 半解析計算

一般在水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)代化技術(shù)確定中，很多技術(shù)人員通常會采用截條法進(jìn)行計算，通過將水閘結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，以“彈性地基上的平面框架結(jié)構(gòu)”的角色來進(jìn)行分析。在這個方法中，將上部桿系結(jié)構(gòu)與平面地基開成兩個子結(jié)構(gòu)，并采用剛性鏈桿來代替地基與地梁之間的關(guān)系。

按照上述要求，假設(shè)設(shè)在地基上的水閘結(jié)構(gòu)受到任意直接荷載與邊載作用的影響，此時其上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是由不同幾何尺寸與不同彈性模量的材料構(gòu)成的，在這種情況下，將其假定為一個組合桿件系統(tǒng)。之后，將上部結(jié)構(gòu)用一維二節(jié)點拉亞——對其彎曲單元進(jìn)行離散后，與地基表面接觸的基礎(chǔ)單元總量為n，根據(jù)水閘結(jié)構(gòu)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(chǔ)單元的總數(shù)；φ0=（y1-y0）/I，I為基礎(chǔ)長度。δki為單位力，是指均勻分布在單位長度i上所出現(xiàn)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(shù)；Δkp為結(jié)構(gòu)上作用的荷載引起的基礎(chǔ)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(chǔ)單元中點的坐標(biāo)值為結(jié)構(gòu)上合力的豎向分量及其對坐標(biāo)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(gòu)建成為一個綜合的防洪體系，顯著提高了當(dāng)?shù)氐姆篮榈燃?。該水利項目為新建水閘，其主要作用就是分擔(dān)周圍水利工程項目的防洪壓力，當(dāng)周邊水利設(shè)施的截水流量明顯超過預(yù)期時，開閘進(jìn)洪。該建筑物的開閘進(jìn)洪規(guī)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(guān)人員根據(jù)上文所介紹的相關(guān)要點，在充分考慮樁基模型與地基模型的基礎(chǔ)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(yōu)點，具有良好的抗洪能力，能夠充分利用周邊水利設(shè)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(zhì)條件做進(jìn)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(guī)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(yōu)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(zhì)條件要明顯不如方案1，并且在投資量上也不具有優(yōu)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(guī)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(nèi)，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(jù)方案1的環(huán)境，對閘室凈寬進(jìn)行調(diào)整，從172 m下降到144 m，過閘單寬流量控制為16.7 m3/s。

根據(jù)兩種方案的基本思路，對兩種方案的可行性進(jìn)行了比較，詳細(xì)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(jù)表1、表2的相關(guān)信息，最終選擇方案1為閘底板高程施工方案。

2.4 水閘結(jié)構(gòu)的動力計算

根據(jù)上文所介紹的“半解析 計算”可知，在水閘結(jié)構(gòu)研究中，可以采用多種方法對水閘結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，并根據(jù)簡化的結(jié)果來判斷相關(guān)技術(shù)是否可行。水閘結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)，無論是水閘的單位力，還是邊荷載所引起的地基沉降參數(shù)等，都始終維持在一個相對穩(wěn)定的情況下，將設(shè)計中的相關(guān)數(shù)據(jù)帶入到上述公式中，發(fā)現(xiàn)公式條件成立，證明方案1的水閘結(jié)構(gòu)是可行的。

3 結(jié)論

水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)代計算方法會直接影響水閘應(yīng)用效果，因此對相關(guān)設(shè)計人員，必須要掌握水閘結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果的可行性，并根據(jù)具體水利工程項目的要求，判斷水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足工程項目的需求，最終為提高水閘的運行質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。