浅析中小型水闸设计以及方法

【关键词】水利工程；水闸 

　　1 水闸的类型及组成 

　　1.1 水闸的发展和类型 

　　水利工程中，作为水工建筑物来说，除堤防外，闸坝工程出现得最早了。《水经·浊漳水注》就有了相关记载。近代我国建造最早的闸坝工程是上个世纪30年代初陕西省规划建造的“关中八惠”灌溉枢纽工程。到了上世纪50年代淮河上修建了很多水闸。随着材料结构，特别是建材工业和设计施工技术的发展，大型水闸建造得越来越多，在防洪、灌溉、航运等发面发挥着重要作用。据统计，我国建国以来已建水闸已经超过3万座，水闸面广量大，是水利枢纽工程中必不可少的重要组成部分。 

　　水闸是一种具有挡水和泄水双重作用的低水头水工建筑物。它通过闸门的升降启闭来控制水位和调节流量，在防洪、灌溉、排水、航运和发电等水利工程中应用十分广泛。水闸型式分开敞式水闸和封闭（涵洞）式水闸两类，按照其承担的任务可分为进水闸，节制闸，分洪闸，排水闸，冲砂闸等。 

　　1.2 水闸的组成部分及其作用 

　　水闸：闸室是水闸挡水和泄水的主体部分。通常包括底板、闸墩、闸门、胸墙、工作桥及交通桥等。底板是闸室的基础，承受闸室的全部荷载，并较均匀地传给地基，此外，还有防冲、防渗等作用。闸墩的作用是分隔闸孔并支承闸门、工作桥及交通桥等上部结构。闸门的作用是挡水和控制下泄水流。胸墙是用来挡水以减小闸门高度。工作桥供安置启闭机和工作人员操作之用。交通桥是为连接两岸交通设置的。上游连接段：上游连接段的主要作用是引导水流平顺地进入闸室，保护上游河床及河岸免遭冲刷并有防渗作用。一般有上游护底、防冲槽、翼墙及护坡等部分组成。上游翼墙的作用是引导水流平顺进入闸孔并起侧向防渗作用。铺盖紧靠闸室底板，其作用主要是防渗，应满足抗冲要求。护坡、护底和上游防冲槽是用来防止进闸水流冲刷、保护河床和铺盖。 

　　下游连接段：下游连接段具有消能和扩散水流的功能。使出闸水流在消力池中形成水跃消能，再使水流平顺地扩散，防止闸后水流的有害冲刷。下游连接段通常包括下游翼墙、护坦、消力池、海漫、下游防冲槽以及护坡、护底等。下游防冲槽（齿墙）是海漫末端的防冲保护设施。 

　　2 软土地基水闸结构设计方法 

　　2.1 半解析法 

　　在一般的水闸结构设计中，可以采用截条法，将水闸结构简化为弹性地基上的平面框架结构，采用半解析法进行计算。该法将上部杆系结构和平面地基看成两个子结构。用刚性链杆代替底梁和地基之间的联系。用杆系有限单元法求解上部结构底梁的单位位移，用解析法求解各种平面地基模型的单位沉陷系数，根据底梁和地基接触面间的变形协调和整体平衡条件、建立求解地基反力的混合法典型方程，据此求出地基反力，再根据叠加原理，用有限单元法求解整个结构的位移和内力。 

　　在地基模型的实际应用中，必须注意其应用范围，应当根据不同的地质条件选用。理论计算和现场测量表明，文克尔地基模型适用于地基可压缩土层与基础水平尺寸之比H/L<0.25的情况，半无限大弹性地基模型适用于地基H/L>1.5的土层，而在一般情况下都属于有限深地基模型和多层地基模型。对于复杂的地基条件或进行加固后的地基一般要采用空间有限元法进行计算。 

　　平面水闸结构计算的半解析法充分利用了数值法和解析法的优点，可以有效的考虑水闸闸墩、底板和地基的相互作用，适合于各种软土地基上不同形式的水闸结构，可以方便的求出水闸设计时所关心的地基反力、结构的位移、轴力、剪力和弯矩，其计算结果可以直接用于结构配筋。 

　　2.2 有限元法 

　　有限元法是一种可以用来求解复杂工程问题的近似解的方法。该法在解决不同类型的应用科学和工程问题中的潜力逐渐被人们所认识，经过多年的发展，有限元法得到发展和完善，它被认为是有效求解各种实际问题的最好方法之一。在水利水电工程中有限元方法也得到了广泛的应用。 

　　有限元法的基本思想是用一个简单问题代替复杂问题后再求解。由于在求解中实际问题己经被较简单的问题所替代。因此，只能求出近似解，而不是准确解。有限元法通常可以通过多花费一些计算工作量来改善或改进近似解。在有限元法中，把求解域看成是由许多被称为有限元的小的互连子域组成的。在有限元法中把结构近似分成若干元件，先对每一个元件或单元假定一个合适的近似解，然后推导结构总的平衡条件，满足这些条件，就可以得到位移和应力的近似解。 

　　在有限元法中，把真实连续介质或物体表示为一些小部分的集合。这些单元可认为是在节点处彼此连接的。这些节点通常是位于单元的边界上，并认为相邻单元就是在这些边界上与它相连接的。由于不知道介质内部的场变量真实的变化，因此，我们假设有限元内场变量的变化可以用一种简单的函数来近似表示。这些近似函数可由场变量在节点处的值确定。当对整个连续介质写出场方程组时新的未知量就是场变量的节点值。求解方程，得到场变量的节点值。一旦知道了这些节点值则可由近似函数确定整个单元集合体的场变量。用有限元法求解一般的连续介质问题时，总是依次逐步进行的。步骤1：把结构分割成许多单元，因而分析时，必须用适当的有限元将结构模式化，并确定单元的数量、类型、大小和分布。步骤2：选择适当的插值模式或位移模式。由于在任意给定的荷载作用下，复杂结构的位移解不可能预先准确的知道，因此，我们假设用单元内的一些适当解来近似未知解。从计算的观点来看假设的解必须简单，而且需满足一定的收敛性要求。通常把解或插值模式取为多项式形式。步骤3：刚度矩阵和荷载向量的推导。步骤4：由集合单元方程得到总的平衡方程组。 

　　在用有限元法的基本原理分析水闸结构计算时，将整个水闸和地基作为一个整体，按照空间有限元方法对结构进行静动力分析，采用直接滤频法计算结构的自振特性，根据规范利用振型分解反应谱法进行抗震分析，并将空间应力转换为符合工程设计要求和习惯的平面内力。这种模型可以有效地考虑闸墩、底板和地基的相互作用，可以方便地处理各种复杂的几何条件、物理条件和荷载条件。所得到的静力或动力计算结果可以比较精确的反映实际工程情况。但有限元计算复杂，对于基层设计人员较难掌握，对于重要的水闸结构和地基基础条件复杂的，可按照这种模型进行空间静动力计算或校核。 

　　3 桩基水闸结构设计方法 

　　水闸的深基础是指桩基础和沉井基础。在软基上建闸，如果天然的或者经过简单处理的地基，其承载能力和稳定性能满足水闸运用的要求，一般都采用筏式基础。在天然地基上不能满足承载要求时必须采用深基础。 

　　（1）水闸挡水水头很高，承受水平推力过大，地基的浅层抗滑稳定性难以保证时，采用深基础可以得到满意的解决。

　　（2）与水闸下游的防冲问题结合考虑。水闸底板下卧层有承载力高的坚实粘土层时，采用深基础（特别是沉井基础）坐落在持力层上，不仅可以减少下游的消能防冲工程量，也可以保证闸基的稳定，在技术经济上也是合理的。 

　　（3）水闸要通航时，必须采用较大的闸孔跨度，在闸墩下采用深基础，可以改善闸室中的底板受力条件，减少底板工程数量。 

　　（4）水闸上部构造或者其它运用要求对基础变形必须严格限制时，采用深基础可以减小基础的沉降和不均匀沉降。 

　　由于深基础的施工技术和工艺比筏式基础复杂，钢材用量亦较多，在决定采用之前，必须从技术上和经济上进行充分的论证。 

　　此外有试验资料表明：（1）桩顶自由、桩长不同、其它条件相同的长桩，桩长（第一弯曲零点以下部分）对水平承载力影响不显著。（2）其它条件相同桩顶有垂直荷载比无垂直荷载的水平承载力大25%左右。