高波 中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司

陳欣 陜西省渭南市富平縣水務(wù)局

1.水閘的工作特點(diǎn)

相較于溢流重力壩，水閘的工作特點(diǎn)與之具有異曲同工之妙，但特殊之處在于水頭較低，建設(shè)場(chǎng)所普遍以軟基為主。

水閘處于擋水狀態(tài)時(shí)閘室將承受水平壓力，在該外力作用下易出現(xiàn)水閘向下游滑動(dòng)的變化趨勢(shì)。為了維持閘室的穩(wěn)定性，需保證其具有足夠的重力。

上下游存在水位差時(shí)，水從上游流過(guò)，經(jīng)水閘地基以及兩岸后轉(zhuǎn)至下游，期間存在較明顯的滲透水流，其會(huì)直接作用于閘室底部，使該處承受滲透壓力，進(jìn)而出現(xiàn)水閘的有效重力下降的情況，在一定程度上威脅到閘室的穩(wěn)定性；兩岸滲流也有較強(qiáng)的破壞性，于岸墻處形成水平滲透壓力，容易推動(dòng)岸墻移位（具有朝河心方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)）。并且，由于滲漏作用的影響程度深且范圍廣，地基和兩岸的細(xì)顆粒土易被帶走，甚至掏空地基和兩岸，此時(shí)均會(huì)影響水閘的正常運(yùn)行。

水閘下游要有一定的消能防沖措施，當(dāng)水閘過(guò)水時(shí)因?yàn)榱魉佥^大，可能會(huì)嚴(yán)重沖刷下游的消能措施及河床，在效能措施失效的情況下閘室質(zhì)量問(wèn)題隨之顯現(xiàn)。

于軟基上建設(shè)閘室時(shí)，必須保證結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定性，以免在自重及外部載荷的共同作用下出現(xiàn)沉降、變形等質(zhì)量問(wèn)題。在閘室設(shè)計(jì)中需合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)對(duì)外部作用力的抵御水平。

2.水閘結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的構(gòu)建

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的選取

閘墩和閘底板為閘室結(jié)構(gòu)組成中的關(guān)鍵部分，尺寸為重點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)象，合理的尺寸有助于提高閘室的受力穩(wěn)定性。此外，需充分考慮閘門位置、防滲布置等因素，以免影響閘室的正常使用。

2.2 目標(biāo)函數(shù)的選取

設(shè)計(jì)變量函數(shù)宜作為目標(biāo)函數(shù)，原因在于在改變?cè)O(shè)計(jì)變量數(shù)值的條件下，與之相對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)的數(shù)值也將發(fā)生同步變更，通常目標(biāo)函數(shù)包含尺寸、重量、體積、造價(jià)等因素。若為了通過(guò)減小工程量的方式達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效的目標(biāo)，可選取閘墩和底板的總造價(jià)最小值作為目標(biāo)函數(shù)。

2.3 約束條件

將限制設(shè)計(jì)方案統(tǒng)稱為狀態(tài)變量，各方案均要滿足該類限制。通?？煞譃閮蓚€(gè)類別：一是狀態(tài)約束，較為典型的有容許應(yīng)力、穩(wěn)定要求等；二是界限約束，較為典型的有變量取值的界限。從狀態(tài)變量的角度來(lái)看，可能會(huì)出現(xiàn)上限、下限同時(shí)存在的情況。根據(jù)水閘的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特點(diǎn)，在對(duì)其展開(kāi)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)所需考慮的狀態(tài)約束主要有：地基承載力及應(yīng)力、界限約束主要指結(jié)構(gòu)的幾何尺寸。以下具體舉例列舉水閘的相關(guān)約束條件。

（1）狀態(tài)約束舉例。①地基承載力約束。以地基允許承載應(yīng)力為參照基準(zhǔn)，要求閘室最大地基壓應(yīng)力（Pmax）不可超過(guò)該值的1.2倍，即Pmax＜1.2[Pc]（[Pc]為閘底地基允許承載力）。②應(yīng)力約束。基底最小壓應(yīng)力（Nmin）為重點(diǎn)控制對(duì)象，該值應(yīng)當(dāng)滿足Nmin≥0的要求。

（2 ）界限約束舉例。以幾何尺寸約束為例，結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)約束條件可以考慮如下內(nèi)容：底板長(zhǎng)度12～18 m、中墩最小厚度1.2～1.4m、縫墩厚度0.65～1.1m、邊墩厚度0.75～1.15m等。

3.水閘閘室段結(jié)構(gòu)優(yōu)化及算例分析

3.1 工程概況

某開(kāi)敞式水閘，上游設(shè)計(jì)洪水位56.0m、校核洪水位57.8m、下游水位52.0m，明渠渠底高程52.0m，渠底和水閘閘室底板的頂高程相同，采用平底寬頂堰型式閘室。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料可知現(xiàn)場(chǎng)平均最大風(fēng)速28m/s，吹程Df可達(dá)2.0km左右。閘前設(shè)置0.6m混凝土鋪蓋，閘后設(shè)置消力池，消力池后護(hù)坦的平均厚度為0.7m?？玳l墩厚8.9m，閘門門槽的深度和寬度分別為0.5m、1.0m。于上下游兩側(cè)布設(shè)同規(guī)格的門槽，尺寸為寬0.5m、深0.4m。

閘門總重10 t，為滿足后續(xù)的檢維修工作需求，于閘門上游兩側(cè)修筑檢修橋。水閘的地基土與底板形成摩擦角（25°），有2.0MPa的凝聚力。水閘的地基土容許承載力為400kN/m2，出口段、水平段的容許坡分別下降0.62、0.33。根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)階段當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)價(jià)格信息展開(kāi)成本計(jì)算，鋼筋價(jià)格約5000元/噸，混凝土價(jià)格約380元/m3。以項(xiàng)目總體情況為立足點(diǎn)針對(duì)水閘閘室段做出針對(duì)性的優(yōu)化。

閘墩和底板的長(zhǎng)度具有一致性，根據(jù)構(gòu)造的要求合理設(shè)定閘墩的寬度，結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，要求水閘中墩厚度≥1.2m、墩縫厚度≥0.8m。優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中著重將閘室底板的長(zhǎng)度及厚度、閘門位置等作為變量，對(duì)其展開(kāi)針對(duì)性的分析與優(yōu)化，以提高合理性。

3.2 荷載計(jì)算

（1）側(cè)向土壓力：此處著重考慮的區(qū)域?yàn)楹拥郎舷掠味?，按靜止土壓力展開(kāi)計(jì)算。

（2）揚(yáng)壓力：水閘擋水之后會(huì)受到上下游水位差的影響，通過(guò)壩閘基，水閘上游水流會(huì)向下游滲透，形成滲透壓力，在其作用下閘體的重量較以往有下降的變化特點(diǎn)。揚(yáng)壓力反映的是水閘底部所受的水壓力，在計(jì)算時(shí)重點(diǎn)考慮浮托力和滲透壓力兩部分，前者與下游的水深有密切的關(guān)聯(lián)，后者則與底板底部防滲設(shè)備的運(yùn)行性能有關(guān)。具體計(jì)算公式有：

表1 某開(kāi)敞式水閘閘室結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比（單位：m）

式中：U1為滲透壓力，kN/m；U2為浮托力，kN/m；γ為水的容重，kN/m3；H1為下游底板上的水深，m；H2為底板起始點(diǎn)處的揚(yáng)壓力水頭，m；L為底板總長(zhǎng)，m；B為相鄰兩沉陷縫間的閘室寬度，m。

（3）門槽水壓力：首先需確定閘門所受的水壓力，經(jīng)轉(zhuǎn)化后以面荷載的形式加載，具體計(jì)算方法有：

式中：b1為門槽的寬度，m；b2為閘門寬度的1/2，m；γ為水的容重，kN/m3；h為水的深度，m；h0為每層單元距底板的高度，m。

（4）水平水壓力：關(guān)鍵作用對(duì)象為閘墩的迎水面及其上游兩側(cè)，以面荷載的形式發(fā)生作用，隨著單元高程的變化，對(duì)應(yīng)的水壓力也具有變動(dòng)性，具體關(guān)系有：

式中：γ為水的容重，kN/m3；h為上游水深，m；h0為每層單元距底板的高度，m。

（5）閘室自重：主要指的是底板和閘墩兩部分的重量，其作用形式具有一致性，均作用于各自的重心處。在確定閘室的體積以及施工所用的容重后，經(jīng)計(jì)算便可確定閘室的自重，其工作流程精簡(jiǎn)，僅需在材料屬性中按照要求設(shè)定合適的參數(shù)即可，此時(shí)ANSYSY軟件將自動(dòng)化運(yùn)行，求得上部結(jié)構(gòu)荷載，在此基礎(chǔ)上以面荷載的形式施加至閘墩頂部。

3.3 總體優(yōu)化思路

參數(shù)化模型的構(gòu)建是基礎(chǔ)內(nèi)容，以ANSYSY為主要工具，依托于該軟件的幾何建模功能，可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)材料的屬性做出定義，進(jìn)而創(chuàng)建集合模型；施加約束條件和荷載；對(duì)內(nèi)力進(jìn)行處理，經(jīng)計(jì)算與分析后確定各種類型的約束條件；針對(duì)模塊采取優(yōu)化措施，對(duì)比分析后選擇合適的目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量及約束條件，加以迭代，由此確定在經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)處理后的結(jié)果。

經(jīng)多層面的比對(duì)后以隨機(jī)數(shù)的方法形成初始復(fù)形，最終確定最優(yōu)解，具體情況見(jiàn)表1。

4.結(jié)語(yǔ)

水閘是重要的水工建筑形式，其結(jié)構(gòu)以及工作環(huán)境均具有復(fù)雜化的特點(diǎn)，需兼顧滲流、底板及閘墩的內(nèi)力等要素，經(jīng)過(guò)計(jì)算與分析后確定合適的取值。本文以開(kāi)敞式水閘閘室段項(xiàng)目為背景，基于準(zhǔn)則法展開(kāi)分析與優(yōu)化，最終求得具體的結(jié)果，此方法也是一種通用方法，可應(yīng)用于橡膠壩、液壓壩以及重力壩等其他水工建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。