水闸设计及闸室结构的有限元研究

杨 飞

（新疆伊犁州水利电力勘测设计研究院，新疆 伊犁 835000）

在水利工程修建过程中，水闸就是起到挡水和泄水双重作用的重要水工建筑物，其设计及闸室就对我国水利工程建设质量有着直接影响。在这样的背景下，为了让水利工程发挥出应有的作用，针对其水闸设计及闸室结构的有限元进行研究，就有着至关重要的意义。

1 水闸类型和构成

1.1 水闸类型

水闸是拥有挡水与泄水功能的低水头水工建筑物，其主要利用闸门开启关闭对水位与水流量进行控制或管理。水闸在防洪、浇灌、排水、发电等功能的水利工程中比较常见，且应用较为普遍。目前，我国水闸能够按照实际功能分成进水闸、节水闸、分洪闸和排水闸等种类。同时，还可以依据闸室结构分成开敞式与封闭式两种水闸类型。

1.2 水闸构成

水闸都是由上游连接段、闸室与下游连接段组成。其中上游连接段起到的作用就是将水流引入闸室内部，起到保护流域上流河床和防渗等作用，通常情况下，上游连接段组成结构中包含了上游护底、翼墙、防冲槽和护坡等部分。铺盖要紧邻闸室地板，其主要功能就是防渗透，并且表面要充分满足抗冲刷的基本要求。护坡、护底与齿墙的就是为了杜绝闸水的冲刷作用，对河床与铺盖进行良好的保护。闸室就是水闸结构中起到挡水与泄水的关键主体，其包含了底板、闸墩、闸门等基础建设。底板作为闸室建设的基础，承担了整个闸室的所有重量，并将这些荷载均匀传递给地基。闸墩则是对闸孔进行分割并支撑闸门、工作桥等上部存在的结构重量。下游连接段起到的作用就是消能与扩散水流。通常其就是让出闸水流能够形成一定的水跃消能，随后让水流平稳扩散，用来避免闸后出现有害冲刷问题。其结构组成包含了护坦、海漫、下游齿墙和翼墙等。

2 水闸结构的基础设计

2.1 主要结构布置

2.1.1 水闸布置

水闸结构布置设计应该充分与实际地理环境、地质条件相结合，其与水闸自身所承担责任有着较为密切的关系，所以在布置过程中就要按照实际情况，这就意味着布置形式存在一定的多样性。就多孔闸来讲，消力池通常选择二隔多区布置和分区调度，分区调度的主要目的就是为了让区内闸孔能够实现均匀开启，杜绝消力池发生回流现象，致使护坦出现磨损，其还可把水跃推出闸室，同时让跃头控制在有效范围之内。护坦结构就是选择封闭帷幕和排水，这样能够让护坦板下的扬压力有效减小，降低板的厚度，让护坦结构既能保持良好的经济效益，还能实现较好的安全性和可靠性，特别是降低了闸基渗流现象，对保护闸基夹层的稳定性有着重要作用。

2.1.2 水闸结构设计

水闸在机构设计上，因为水利计算计算工作大致由经验决定，所以通常都是按照《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000进行设计。目前，我国尼勒克沟引水枢纽中主要建筑物为3级，主要包括拦河泄洪冲砂闸、进水闸、引水渠道连接段；次要建筑物为4级，其它临时性建筑物为5级，给我国水闸结构设计提供了诸多宝贵经验。水闸结构设计包含闸室结构设计布置、岸墙结构设计布置、防渗排水设计、消能与防冲设计、分流岛与导流堤设计等。

（1）闸室结构与岸墙结构的设计布置。闸室结构按照力学计算结果和运行要求，选择对应的门体样式，闸室结构布置上存在的分离式闸底板结构、分离式闸墩结构、闸墩间设分流岛这三种。而岸墙结构布置的主要目的，就是为了降低闸室结构对地基稳定性造成的影响，主要方案包含了空箱岸墙底板和闸室底板保持平衡状态，若是基底压力比持力承载力大，就可以选择钢筋组钻孔灌注桩基础、两级空箱岸墙、空箱岸墙后增加挡土墙这三种方案。

（2）防渗排水与消能防冲的设计。防渗排水设计就是通过上游铺盖、下游铺盖和闸底板来形成一个水平防渗体，水闸上游和下游防渗铺盖水平布置长度均要控制在标准范围内。而消能与防冲设计中就包含了消力池布置和海漫与防冲槽布置两项内容，在工程单向泄流时，就要在水闸下游布置消力池，而为了去除穿过水闸时的水流剩余能量，就要在消力池后方布置海漫与防冲墙。

（3）分流岛与导流堤设计。为了让水闸上游和下游闸水顺利流过，就需要对中跨边墩端部和两岸进行设计，合理布置分流岛与导流堤。通常情况下，分流岛都是钢筋砼结构，筏式底板。分流岛内部布置横隔墙，而顶部布置钢筋砼预制盖板，按照每个部门支撑跨度的不同其顶板厚度也存在差异，为了有效优化分流岛的受力情况，就可以在侧墙上进行开孔，让运行过程中分流岛内外的水环境压力保持一致。

2.2 水力设计

按照整体布置选择闸室主要形式和闸孔布置，这就需要检查闸孔所拥有的过流能力。按照工程实际水位下闸孔泄流的主要特点，选择平底宽顶堰流与有压短洞结合有坎宽顶堰流这两种方式进行相关设计。利用造床流量计算得到较为稳定的河床水面宽度、项目区现状、地形条件，而建设区域段不仅要满足设计输水流量，还应按照地形条件和规范要求，选择合理的渠道纵坡、渠床糙率、渠道边坡系数、稳定渠床的宽深比以及渠道的不冲不淤流速等综合因素确定渠道的纵横断面。

2.3 水闸金属结构设计

在水闸金属结构设计中，金结设备布置按照水闸挡水、泄水、运行、闸室和闸门检修等内容，就可以独立设计一道工作闸门，其主要由固定形式的启闭设备进行操作，同时在工作阀门的上游部分和下游部分分别设计检修闸门。在闸门种类的选用工作中，其类型包含了弧形门、升卧门和直升门等。针对水闸上游和下游所规划的实际水位，闸室布置与控泄工程对闸门运行要求较高，尽管弧形门拥有底缘泄水流态好、启闭高程低等明显优点，但由于闸下水位较高，弧门不但在闸室内部停留时间较长，还存在铰座集中荷载对土建基础结构造成不利影响等缺点。而升卧门能够有效减小启闭机台的高度，但是门体卧倒后会出现向下游悬的现象，所以闸室结构也要对应加长，在对其性能进行研究以后发现，工作门可以选择直升门。

3 闸室结构有限元研究

3.1 空间板有限元方法

深孔水闸是目前水利工程中水闸较为常用的一种形式，一般形式就是钢筋混凝土巷式涵洞。其主要工作任务就是施工导流、水库排空与泄洪。深孔水闸结构的主体就是薄板形式，但是结构内部所有薄板安装位置存在较大差异。在对闸室结构利用有限元方法分析，因为一维尺寸偏小，在进行单元划分时较难，需要分别分析每块薄板，这样就不存在过大的相似性。而这种空间板有限元分析方法，就在考虑受力的基础上增加了面内力所带来的作用，不但在板上作用横向存在的剪力和弯矩，还存在沿板中面所拥有的拉作用和压作用。基于此，就能够创建不处于同一平面上板之间存在的关系，让这些板形成完整的个体，共同承担所受到的外界压力。在考虑节点力和弯曲应力的前提下，结点位移之间不存在联系，就要把单元刚度矩阵进行结合，这样可以获得空间板单元刚度矩阵，进而创建空间板有限元方法。

3.2 平面应力问题

所有弹性体都属于空间物体的一种，通常外力都属于空间力系的范畴之内。基于此，可以确定所有弹性力学问题就都是在空间问题的范畴之内。但是，若是所考察的弹性体拥有着较为特殊的主要形式，且所承受的是某些特殊外力，我们能够将空间问题简化成平面问题。这样可以有效降低分析和计算的工作量，而最后得到的结果仍然能够满足水利工程对准确度和精准度上所存在的要求。在分析平面应力问题时，主要从静力学、几何、物理等方面入手，按照平衡条件来求取应力与体力这两种分量之间存在的关系，也就是平面问题中的平衡微分方程。在微分方程中包含了三个未知数，所以这也就直接决定应力分量问题都是超静定的，主要把形变和位移考虑到方程当中，才能有效解决平面应力问题。因此，我们就可以引入三个结合方程，让这些工程去除位移分量，获得三个形变分量之间存在的主要关系式，再把三个物理方程代入关系式当中，让其内容指包含盈利分量。

3.3 薄板弯曲问题

在弹性力学当中，平板就由两个平行面与柱面形成。若是板的实际厚度小于中面尺寸，就称为薄板，相反就称之为厚板。在薄板受到一定荷载时，就能够将荷载分成两个子荷载，其中一个就是在薄板中面内部的中面荷载起到作用，另外一个就是垂直在中面位置的横向荷载。针对中面荷载，能够依据平面应力问题来开展相关计算，但横向荷载就把薄板弯曲，其所引发的应力、形变及位移，需依据薄板弯曲问题来展开计算。在薄板弯曲以后，中面所出现的曲面就可以成为薄板弹性曲面，中面内各点在垂直方向上存在的问题，就是平时所讲的挠度。在研究过程中，所遵循的主要理论就是薄板尽管薄，依旧拥有一定程度上的弯曲刚度，所以其挠度就一定比其厚度小很多。薄板挠度弯曲问题主要是依据位置求取结果，可选择基本未知函数作为薄板挠度，所以就要针对其他物理量创建微分方程，也就是弹性曲面微分方程。

4 结束语

随着社会经济的快速发展，在水资源分配上水利工程起到了关键性作用。在这样的现实背景下，水闸作为水利工程建设中的重要基础构件，其设计及闸室结构就对水利工程项目质量有着十分重要的意义。因此，针对水闸设计及闸室结构的有限元进行深入研究，是保证水利工程项目安全稳定运行的重要手段。

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