淺析中小型水閘設(shè)計(jì)以及方法

【關(guān)鍵詞】水利工程；水閘 

　　1 水閘的類型及組成 

　　1.1 水閘的發(fā)展和類型 

　　水利工程中，作為水工建筑物來(lái)說(shuō)，除堤防外，閘壩工程出現(xiàn)得最早了�！端�經(jīng)·濁漳水注》就有了相關(guān)記載。近代我國(guó)建造最早的閘壩工程是上個(gè)世紀(jì)30年代初陜西省規(guī)劃建造的“關(guān)中八惠”灌溉樞紐工程。到了上世紀(jì)50年代淮河上修建了很多水閘。隨著材料結(jié)構(gòu)，特別是建材工業(yè)和設(shè)計(jì)施工技術(shù)的發(fā)展，大型水閘建造得越來(lái)越多，在防洪、灌溉、航運(yùn)等發(fā)面發(fā)揮著重要作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建國(guó)以來(lái)已建水閘已經(jīng)超過(guò)3萬(wàn)座，水閘面廣量大，是水利樞紐工程中必不可少的重要組成部分。 

　　水閘是一種具有擋水和泄水雙重作用的低水頭水工建筑物。它通過(guò)閘門的升降啟閉來(lái)控制水位和調(diào)節(jié)流量，在防洪、灌溉、排水、航運(yùn)和發(fā)電等水利工程中應(yīng)用十分廣泛。水閘型式分開(kāi)敞式水閘和封閉（涵洞）式水閘兩類，按照其承擔(dān)的任務(wù)可分為進(jìn)水閘，節(jié)制閘，分洪閘，排水閘，沖砂閘等。 

　　1.2 水閘的組成部分及其作用 

　　水閘：閘室是水閘擋水和泄水的主體部分。通常包括底板、閘墩、閘門、胸墻、工作橋及交通橋等。底板是閘室的基礎(chǔ)，承受閘室的全部荷載，并較均勻地傳給地基，此外，還有防沖、防滲等作用。閘墩的作用是分隔閘孔并支承閘門、工作橋及交通橋等上部結(jié)構(gòu)。閘門的作用是擋水和控制下泄水流。胸墻是用來(lái)?yè)跛�以減小閘門高度。工作橋供安置啟閉機(jī)和工作人員操作之用。交通橋是為連接兩岸交通設(shè)置的。上游連接段：上游連接段的主要作用是引導(dǎo)水流平順地進(jìn)入閘室，保護(hù)上游河床及河岸免遭沖刷并有防滲作用。一般有上游護(hù)底、防沖槽、翼墻及護(hù)坡等部分組成。上游翼墻的作用是引導(dǎo)水流平順進(jìn)入閘孔并起側(cè)向防滲作用。鋪蓋緊靠閘室底板，其作用主要是防滲，應(yīng)滿足抗沖要求。護(hù)坡、護(hù)底和上游防沖槽是用來(lái)防止進(jìn)閘水流沖刷、保護(hù)河床和鋪蓋。 

　　下游連接段：下游連接段具有消能和擴(kuò)散水流的功能。使出閘水流在消力池中形成水躍消能，再使水流平順地?cái)U(kuò)散，防止閘后水流的有害沖刷。下游連接段通常包括下游翼墻、護(hù)坦、消力池、海漫、下游防沖槽以及護(hù)坡、護(hù)底等。下游防沖槽（齒墻）是海漫末端的防沖保護(hù)設(shè)施。 

　　2 軟土地基水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 

　　2.1 半解析法 

　　在一般的水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以采用截條法，將水閘結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為彈性地基上的平面框架結(jié)構(gòu)，采用半解析法進(jìn)行計(jì)算。該法將上部桿系結(jié)構(gòu)和平面地基看成兩個(gè)子結(jié)構(gòu)。用剛性鏈桿代替底梁和地基之間的聯(lián)系。用桿系有限單元法求解上部結(jié)構(gòu)底梁的單位位移，用解析法求解各種平面地基模型的單位沉陷系數(shù)，根據(jù)底梁和地基接觸面間的變形協(xié)調(diào)和整體平衡條件、建立求解地基反力的混合法典型方程，據(jù)此求出地基反力，再根據(jù)疊加原理，用有限單元法求解整個(gè)結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力。 

　　在地基模型的實(shí)際應(yīng)用中，必須注意其應(yīng)用范圍，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件選用。理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量表明，文克爾地基模型適用于地基可壓縮土層與基礎(chǔ)水平尺寸之比H/L<0.25的情況，半無(wú)限大彈性地基模型適用于地基H/L>1.5的土層，而在一般情況下都屬于有限深地基模型和多層地基模型。對(duì)于復(fù)雜的地基條件或進(jìn)行加固后的地基一般要采用空間有限元法進(jìn)行計(jì)算。 

　　平面水閘結(jié)構(gòu)計(jì)算的半解析法充分利用了數(shù)值法和解析法的優(yōu)點(diǎn)，可以有效的考慮水閘閘墩、底板和地基的相互作用，適合于各種軟土地基上不同形式的水閘結(jié)構(gòu)，可以方便的求出水閘設(shè)計(jì)時(shí)所關(guān)心的地基反力、結(jié)構(gòu)的位移、軸力、剪力和彎矩，其計(jì)算結(jié)果可以直接用于結(jié)構(gòu)配筋。 

　　2.2 有限元法 

　　有限元法是一種可以用來(lái)求解復(fù)雜工程問(wèn)題的近似解的方法。該法在解決不同類型的應(yīng)用科學(xué)和工程問(wèn)題中的潛力逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，有限元法得到發(fā)展和完善，它被認(rèn)為是有效求解各種實(shí)際問(wèn)題的最好方法之一。在水利水電工程中有限元方法也得到了廣泛的應(yīng)用。 

　　有限元法的基本思想是用一個(gè)簡(jiǎn)單問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。由于在求解中實(shí)際問(wèn)題己經(jīng)被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所替代。因此，只能求出近似解，而不是準(zhǔn)確解。有限元法通�？梢酝ㄟ^(guò)多花費(fèi)一些計(jì)算工作量來(lái)改善或改進(jìn)近似解。在有限元法中，把求解域看成是由許多被稱為有限元的小的互連子域組成的。在有限元法中把結(jié)構(gòu)近似分成若干元件，先對(duì)每一個(gè)元件或單元假定一個(gè)合適的近似解，然后推導(dǎo)結(jié)構(gòu)總的平衡條件，滿足這些條件，就可以得到位移和應(yīng)力的近似解。 

　　在有限元法中，把真實(shí)連續(xù)介質(zhì)或物體表示為一些小部分的集合。這些單元可認(rèn)為是在節(jié)點(diǎn)處彼此連接的。這些節(jié)點(diǎn)通常是位于單元的邊界上，并認(rèn)為相鄰單元就是在這些邊界上與它相連接的。由于不知道介質(zhì)內(nèi)部的場(chǎng)變量真實(shí)的變化，因此，我們假設(shè)有限元內(nèi)場(chǎng)變量的變化可以用一種簡(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)近似表示。這些近似函數(shù)可由場(chǎng)變量在節(jié)點(diǎn)處的值確定。當(dāng)對(duì)整個(gè)連續(xù)介質(zhì)寫出場(chǎng)方程組時(shí)新的未知量就是場(chǎng)變量的節(jié)點(diǎn)值。求解方程，得到場(chǎng)變量的節(jié)點(diǎn)值。一旦知道了這些節(jié)點(diǎn)值則可由近似函數(shù)確定整個(gè)單元集合體的場(chǎng)變量。用有限元法求解一般的連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題時(shí)，總是依次逐步進(jìn)行的。步驟1：把結(jié)構(gòu)分割成許多單元，因而分析時(shí)，必須用適當(dāng)?shù)挠邢拊獙⒔Y(jié)構(gòu)模式化，并確定單元的數(shù)量、類型、大小和分布。步驟2：選擇適當(dāng)?shù)牟逯的Ｊ交蛭灰颇Ｊ�。由于在任意給定的荷載作用下，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的位移解不可能預(yù)先準(zhǔn)確的知道，因此，我們假設(shè)用單元內(nèi)的一些適當(dāng)解來(lái)近似未知解。從計(jì)算的觀點(diǎn)來(lái)看假設(shè)的解必須簡(jiǎn)單，而且需滿足一定的收斂性要求。通常把解或插值模式取為多項(xiàng)式形式。步驟3：剛度矩陣和荷載向量的推導(dǎo)。步驟4：由集合單元方程得到總的平衡方程組。 

　　在用有限元法的基本原理分析水閘結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，將整個(gè)水閘和地基作為一個(gè)整體，按照空間有限元方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜動(dòng)力分析，采用直接濾頻法計(jì)算結(jié)構(gòu)的自振特性，根據(jù)規(guī)范利用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震分析，并將空間應(yīng)力轉(zhuǎn)換為符合工程設(shè)計(jì)要求和習(xí)慣的平面內(nèi)力。這種模型可以有效地考慮閘墩、底板和地基的相互作用，可以方便地處理各種復(fù)雜的幾何條件、物理?xiàng)l件和荷載條件。所得到的靜力或動(dòng)力計(jì)算結(jié)果可以比較精確的反映實(shí)際工程情況。但有限元計(jì)算復(fù)雜，對(duì)于基層設(shè)計(jì)人員較難掌握，對(duì)于重要的水閘結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)條件復(fù)雜的，可按照這種模型進(jìn)行空間靜動(dòng)力計(jì)算或校核。 

　　3 樁基水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 

　　水閘的深基礎(chǔ)是指樁基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)。在軟基上建閘，如果天然的或者經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理的地基，其承載能力和穩(wěn)定性能滿足水閘運(yùn)用的要求，一般都采用筏式基礎(chǔ)。在天然地基上不能滿足承載要求時(shí)必須采用深基礎(chǔ)。 

　　（1）水閘擋水水頭很高，承受水平推力過(guò)大，地基的淺層抗滑穩(wěn)定性難以保證時(shí)，采用深基礎(chǔ)可以得到滿意的解決。

　�。�2）與水閘下游的防沖問(wèn)題結(jié)合考慮。水閘底板下臥層有承載力高的堅(jiān)實(shí)粘土層時(shí)，采用深基礎(chǔ)（特別是沉井基礎(chǔ)）坐落在持力層上，不僅可以減少下游的消能防沖工程量，也可以保證閘基的穩(wěn)定，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上也是合理的。 

　�。�3）水閘要通航時(shí)，必須采用較大的閘孔跨度，在閘墩下采用深基礎(chǔ)，可以改善閘室中的底板受力條件，減少底板工程數(shù)量。 

　　（4）水閘上部構(gòu)造或者其它運(yùn)用要求對(duì)基礎(chǔ)變形必須嚴(yán)格限制時(shí)，采用深基礎(chǔ)可以減小基礎(chǔ)的沉降和不均勻沉降。 

　　由于深基礎(chǔ)的施工技術(shù)和工藝比筏式基礎(chǔ)復(fù)雜，鋼材用量亦較多，在決定采用之前，必須從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行充分的論證。 

　　此外有試驗(yàn)資料表明：（1）樁頂自由、樁長(zhǎng)不同、其它條件相同的長(zhǎng)樁，樁長(zhǎng)（第一彎曲零點(diǎn)以下部分）對(duì)水平承載力影響不顯著。（2）其它條件相同樁頂有垂直荷載比無(wú)垂直荷載的水平承載力大25%左右。