水闸结构设计现代计算方法与应用探讨

吴义开

（婺源县水务局，江西 婺源 333200）

随着水利工程建设项目的进一步发展，有关水闸结构设计优化的问题逐渐得到了更多学者的关注，水闸结构设计已经从最初的基本资料分析逐步发展到经济性、技术性的优化，需要保证水闸结构设计能够在满足水闸功能及总体布置要求的前提下，还能满足技术特征与经济性的要求，本文对此进行探讨。

1 水闸结构设计现代计算方法分析

1.1 平面水闸结构设计的计算模型

1）地基模型。在文克勒的相关研究结论中，地基的沉降发生在地基受荷的位置，即单位力Xk=1的作用下会引起地基的沉降，在这个过程中，所产生的沉降参数ξki的计算模型为：

式（1）中，H 为地基土层的厚度，m；bi、ci为单元长度与宽度；E0为压缩模量。

在地基模型应用过程中必须要注意地基并非均匀的现象，此时其弹性模量、单位长度与宽度等都会发生一定的改变，并且这种改变还具有一定的水平分层的性质。此时在模型计算中，应该采用初始函数的方法来计算表面荷载变化情况，了解特殊情况下地基荷载的变化，最终获得更理想的数据模型。

2）桩基模型。在桩基模型确定过程中可以根据弹性理论中的Mindlin解答与链杆法原理对桩基进行设计，最终来确定群桩中每个桩的侧摩阻力及其桩底正应力变化情况，最终来区分不同条件下的水闸结构与桩之间的关系。此时假设有m根不同材质到那时几何形状基本相同的圆形桩，桩按照特定的比例被均匀的设置在土体中，此时桩分别承受着不同的竖向荷载与横向荷载。在这种条件下，假设土体为理想的均匀弹性半空健体，其弹性模量取值为常数，所以不会因为桩的存在而发生改变。此时，桩基模型的结构为：

在（2）式中，m为桩的总数量；e为桩的单元参数；y为桩的数量对数；为桩的单元综述。

1.2 半解析计算

一般在水闸结构设计现代化技术确定中，很多技术人员通常会采用截条法进行计算，通过将水闸结构进行简化，以“弹性地基上的平面框架结构”的角色来进行分析。在这个方法中，将上部杆系结构与平面地基开成两个子结构，并采用刚性链杆来代替地基与地梁之间的关系。

按照上述要求，假设设在地基上的水闸结构受到任意直接荷载与边载作用的影响，此时其上部结构的基础是由不同几何尺寸与不同弹性模量的材料构成的，在这种情况下，将其假定为一个组合杆件系统。之后，将上部结构用一维二节点拉亚——对其弯曲单元进行离散后，与地基表面接触的基础单元总量为n，根据水闸结构可能会面临的地基变形或者静力平衡条件，可以获得计算模型：

式中，n 为基础单元的总数；φ0=（y1-y0）/I，I为基础长度。δki为单位力，是指均匀分布在单位长度i上所出现的扰度，一般是向上为正；Δkp为边荷载所引起的地基k单元中点沉落参数；Δkp为结构上作用的荷载引起的基础单元中点k的挠度，以向上为正。Δkq为边荷载引起的地基k单元中点的沉陷，以向下为正。ai为基础单元中点的坐标值为结构上合力的竖向分量及其对坐标原点的合力矩。

2 实例分析

2.1 项目简介

该水库位于某条河流的中游位置，与周边的水利工程项目共同构建成为一个综合的防洪体系，显著提高了当地的防洪等级。该水利项目为新建水闸，其主要作用就是分担周围水利工程项目的防洪压力，当周边水利设施的截水流量明显超过预期时，开闸进洪。该建筑物的开闸进洪规模为2 400 m3/s，为一级建筑物。

2.2 闸址选择

闸址选择中，相关人员根据上文所介绍的相关要点，在充分考虑桩基模型与地基模型的基础上，提出了两种闸址选择方案：

方案1：选址在主坝中部位置，闸轴线中心桩号的编号为3+573.02 m。该方案的的水闸布置充分利用了水库地势地形开阔的优点，具有良好的抗洪能力，能够充分利用周边水利设施完成排涝。同时，所选位置具有良好的地形条件，不需要对地质条件做进一步的处理。从施工条件来看，闸址的选择具有独立的施工条件，因此不会影响其他工程项目的开展。但是这个方案存在一定问题，就是工程量要明显大于常规水闸，并且也会在一定程度上对闸下湖地会造成小范围冲刷。

方案2：在老河槽上建立新水闸。方案2的最主要的优点就是具有良好的消能防冲条件，并且在新水闸修建过程中不需要过多的挖掘土方。但是这种方法的缺点也比较明显，首先就是方案的泄水条件、工程地质条件要明显不如方案1，并且在投资量上也不具有优势。

基于上述要求，最终闸址选择方案1。

2.3 闸底板高程的确定

闸室底板高层的选择涉及到了闸的规模、工程造价等多方面的因素，基于此，提出两种方案。

方案1：由于闸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范围内，所以在闸底板高程的控制中，上游的涝水情况将会得到有效的控制。在这种方案下，闸室的净宽度为172 m，过闸流量超过14.30 m3/s。

方案2：根据方案1的环境，对闸室净宽进行调整，从172 m下降到144 m，过闸单宽流量控制为16.7 m3/s。

根据两种方案的基本思路，对两种方案的可行性进行了比较，详细资料见表1、表2。

表1 水力计算成果资料表

表2 工程量与投资 m3

根据表1、表2的相关信息，最终选择方案1为闸底板高程施工方案。

2.4 水闸结构的动力计算

根据上文所介绍的“半解析 计算”可知，在水闸结构研究中，可以采用多种方法对水闸结构进行简化，并根据简化的结果来判断相关技术是否可行。水闸结构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载与力矩，在这种情况下可以发现，无论是水闸的单位力，还是边荷载所引起的地基沉降参数等，都始终维持在一个相对稳定的情况下，将设计中的相关数据带入到上述公式中，发现公式条件成立，证明方案1的水闸结构是可行的。

3 结论

水闸结构设计现代计算方法会直接影响水闸应用效果，因此对相关设计人员，必须要掌握水闸结构设计的基本思路，能够从地基模型、半解析计算等多个维度入手，了解水闸结构设计结果的可行性，并根据具体水利工程项目的要求，判断水闸结构设计是否满足工程项目的需求，最终为提高水闸的运行质量奠定基础。