基于TRIZ理论的滨海水闸闸下防冲技术研究

王 斌，韩晓维，刘 云(浙江省水利河口研究院，杭州 310020)

0 引 言

文章所提的滨海水闸为沿海地区海塘、河道堤防及围垦工程海堤中常见的一类低水头软基水闸，闸下水域宽阔，兼具排涝与挡潮功能。与内陆水闸相比，滨海水闸水动力条件复杂，消能防冲问题突出，主要表现为外海中低潮位时闸室上下游的水位差较大，闸下基础稳定性及抗冲能力较差，施工期围堰内外水压变化剧烈，运行期闸下防冲维护费用巨大等[1,2]。为此，包中进等[3-5]曾多次采用设置多级消力池的方法以达到进一步削减闸下水流动能的目的，近期也提出了无翼墙式的新型消能技术[2,6]，另外还有学者提出设置齿坎、分隔墩、加糙消力池或海漫、裙板消能工等多种优化布置办法[7-10]，以达到改善闸下流态，增加防冲效果的目的。

然而从各类成果来看，由于研究对象及视角的局限，开展过程中往往以个人经验或发散性思维处理面临的问题，缺少系统性及高效性，不利于设计综合比选及灵活运用，也影响了技术的推广。文章以TRIZ理论为基础，摒弃传统的头脑风暴或试错法，通过创新手段，以严谨高效的因果属性分析法重新审视滨海水闸消能防冲问题中存在的内在规律和原理，探索多方案、多目标的技术解决办法，也期望能为水利工程的科学研究提供一种新的参考思路。

1 TRIZ概述

TRIZ意为解决发明问题的理论，是前苏联海军专利审查员G.S.Altshuller等人50多年来通过对全世界上百万份专利文献加以搜集、整理、归纳、提炼和重组后创立的一套发现问题及解决问题理论，其应用领域从最初的传统制造业、电子半导体产业、生物医药等科技领域逐步往商业、管理及人文等非科技领域延伸[11]。据统计[12]，应用TRIZ理论与方法，可增加80%～100%的专利数量，并提升专利质量；可提高60%～70%的新产品开发效率；可缩短50%左右的产品上市时间；还可让使用者的创新能力提高70%～300%。

TRIZ的核心是技术进化原理，解决矛盾是其进化的推动力，整套体系包括了基础理论、分析工具和知识数据库等三大部件。其中，分析工具是TRIZ用来分析及解决矛盾的具体方法及模式，能使问题清晰化、条理化，包括矛盾矩阵、物场分析、因果分析、功能分析、ARIZ发明问题解决算法等；而知识数据库则是TRIZ解决矛盾的精髓，为理想化的目标解提供了方向及操作性，包括矛盾矩阵(39个工程参数和40条发明原理)、76个标准解决方法等[11,13]。

2 理论应用

TRIZ理论在解决实际问题时，一般包含问题提出、问题分析、标准解、方案评价等4个步骤，文章以浙江沿海地区某围垦工程中的水闸为对象，系统高效地探索多方案、多目标的防冲技术方案及解决思路。

2.1 问题提出

根据以往研究成果，滨海水闸闸下冲刷成因大致可分为两大因素，首先为淤泥质或砂质基础天然的易冲性以及外海潮汐引起的潮涨潮落等客观存在，其次为工程规模、防冲设计标准、消能工布置、防冲保护措施、施工工艺及管理运行办法等与工程直接相关的偏主观因素。参考以往模型试验成果[2]，不合理的设计及运行管理将可能带来单宽流量集中、沿程流速过大、水流流态恶劣、防冲槽抛石易毁等不利后果，并最终导致闸下冲刷严重、防冲维护费用巨大，甚至闸室失稳等问题，试验研究结果见图1、图2。

图1 闸下流场数模计算图Fig.1 Flow regime of numerical simulation

2.2 问题分析

根据TRIZ理论，找出问题产生的根本原因，是彻底解决问题的基础，而理清事务组件间的功能属性则能为发明创新提供落脚点。本次分析采用典型的因果属性分析模型[11,14]，该方法集成了物质-属性-因果等多个体系，基本框架如图3。

针对滨海水闸的冲刷问题因果属性分析模型见图4。相对以往的头脑风暴法或试错法，TRIZ理论分析模型能够逐层梳理及追溯问题产生的原因、条件及各成因组件在结果中的导向，使隐性模糊的问题条理化、清晰化，为下阶段标准解求导提供具体的切入点。

图2 闸下冲刷坑形态物模试验图Fig.2 Scour pattern of physical model

图3 因果属性分析法基本框架Fig.3 Framework of properties and causal analysis

图4 滨海水闸闸下冲刷因果属性分析模型Fig.4 Causal and property analysis model used on the analyze of the erosion in coastal sluice

2.3 方案提出

根据存在问题及模型分析，文章从设计及管理等主观角度出发，参考Goldfire数据库早期的497个属性分类[11,14]，通过稳定现有属性、改变或引入新属性等办法，提出了初步解决方案，见表1。

2.4 方案评价

表1通过滨海水闸闸下冲刷成因，逐层剖析事件隐含属性，并参照TRIZ标准解理论，初步罗列了滨海水闸闸下消能防冲中多种实用或目标化的解决方案，经与现有研究成果对比，归纳为以下9类，可为设计方案比选及深化研究提供参考。

表1 属性分类及初步方案设计表Tab.1 Property classification and preliminary design table

(1)无防冲布置：方案①，研发新型水闸基础建设工艺，加强水闸基础稳定及闸下垂直防护技术，思考无消能或无防冲设施的水闸设计。该方法在岩基或闸底板高程明显高于两侧河床高程的潮汐电站等工程中偶有应用。

(2)加强垂直防冲：方案②，在海漫末端形成封闭的垂直防冲设施，不再设置防冲槽[16,17]。

(3)增加海漫水深：方案④、⑤，降低海漫末端及防冲槽高程，增加防冲槽位置水垫深度，减少水流紊动强度，或改为负旋滚式的面流，措施如斜坡海漫、深隔墙、防冲裙板等[18,19]。

(4)提高防冲槽稳定性：方案⑥、⑦，通过改变防冲槽体型、施工工艺及材料等方法，改善防冲槽的抗冲能力，采用技术或材料如雷诺护垫、混凝土铰链排、石笼网、抛石混凝土等[20,21]。

(9)加强管理：方案③、⑧，严格水闸调度运行管理制度及控制方法，禁止在设计低潮位以下进行排涝，并加强防冲槽的日常维护[24,25]。

图5 某滨海水闸闸下消能防冲布置优化前后水流流态图Fig.5 Optimization of energy dissipation diagram before and after the flow regime

3 结 语

滨海水闸设计条件复杂，防冲问题突出，文章采用了TRIZ创新理论的因果属性分析模型，对闸下冲刷问题及成因进行了系统性梳理，逐步探索可行的解决方案或指导目标。相对以往的传统问题分析及解决办法，TRIZ理论具有严谨、高效等特点，能够多方案、多目标地提供问题的解决方向。其次，TRIZ理论作为全球热门的创新方法，在各领域都有较广泛的应用，笔者也希望通过文章，能将该理论进一步引入到水利工程的科学研究及技术创新中。当然，文章提出的问题梳理及初步解决方案可能不够全面，也有待进一步的深化。

□

[1] 韩晓维,包中进,陈益彬,等.瓯飞一期围垦工程北1#闸消能试验研究[J].浙江利科技,2015,(1)：10-13.

[2] 包中进,袁文喜,包纯毅,等.感潮河口水闸口门防冲技术探讨[J].水动力学研究与进展A,2015,(3)：338-343.

[3] 包中进,陆芳春,史 斌.浙江省曹娥江大闸水力特性试验研究[J].中国农村水利水电,2005,(5)：60-63.

[4] 史 斌,包中进,陆芳春.曹娥江枢纽闸下冲刷试验研究[J].浙江水利科技,2004,(6)：32-34.

[5] 鲍 倩,王月华,屠兴刚.朱家站水闸水工模型试验研究[J].浙江利科技,2013,(3)：32-34.

[6] 屠兴刚,陈卫辉,包纯毅,等.新型消能布置形式在瓯飞东2#闸中的应用研究[J].浙江利科技,2015,(1)：23-25.

[7] 孙 韵.加糙消力池水力特性研究[D]. 辽宁大连:大连理工大学,2008.

[8] 覃文文,刘 华,胡岚平,等.安谷水电站消能防冲布置方案优化[J].西南民族大学学报:自然科学版,2011，(4):666-671.

[9] 高 强,唐新军,李晓庆.裙板消能工设计中应注意的几个问题[J].甘肃水利水电技术,2009，(9)：24-26.

[10] 翟孟斌,鞠 伟,丁 珏,等.青草沙水库闸下海漫段加糙体消能效应的数值模拟[J].水利水电科技进展,2013，(3)：50-53.

[11] 张武城.技术创新方法概论[M].北京:科学出版社,2009.

[12] 谢东钢,王建国,杨拉道,等.“TRIZ”理论是科技创新的现代化工具[J].重型机械,2010，(S1)：1-8.

[13] 罗以洪.TRIZ集成创新方法的系统结构及设计应用研究[D]. 成都：电子科技大学,2013：1-8.

[14] 张武城,赵 敏,陈 劲,等.基于U-TRIZ的SAFC分析模型[J].技术经济,2014，(12)：7-13.

[15] 赵 敏．TRIZ入门及实践[M]．北京：科学出版社,2009．

[16] 周文妍,鲍 倩．城南水电站闸下水毁修复设计与试验研究[J].浙江水利科技,2011,(5):28-31．

[17] 王 斌,史 斌,屠兴刚,等.三堡排涝工程船闸引航道防护研究[J].中国农村水利水电,2011,(4)：138-140.

[18] 李晓庆,唐新军．新疆引水枢纽闸后消能防冲设计理念的演变[J].水电能源科学,2012,(11)：77-80．

[19] 赵忠文．泄洪闸闸后防冲设计[J].南水北调与水利科技,2010,(2)：27-30．

[20] 刘 新,黄伦超,张韬．雷诺护垫在海漫及防冲槽中的应用[J].水道港口,2009,(3)：198-200.

[21] 赖 勇,黄荣卫,张永进．浙江省山区水利枢纽工程水闸消能防冲新技术[J].水利水电科技进展,2012,(5)：78-81.

[22] SL256-2001,水闸设计规范[S].

[23] 徐轶慷,郑国兵,吴留伟,等.一种滨海超深厚软土地基浮置式钢板桩围堰及其施工方法[P].中国专利：CN104631476A.2015-02-03.

[24] 孙小磊,宫鹏杰,李虎成,等.新建水闸消能工优化设计及运行管理研究[J].中国水运,2015,(6)：161-163.

[25] 李占松,高双聚,杨玲霞.平原区水闸闸下消能防冲与闸门控制运行[J].水利水电科技进展,2011,(5):46-48.