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水闸闸室结构设计完善措施

2021/06/01 阅读:

摘要:防洪、灌溉、航运、排涝、发电等工作离不开水闸,因此水闸在水利工程中占有重要地位。本文从水闸的工作特点入手,探讨了建立水闸闸室段结构优化的设计变量、目标函数、约束条件,并用准则法对开敞式水闸闸室进行了优化,通过实例计算说明采用准则法对水闸闸室优化设计的意义。

关键词:水闸;闸室结构;准则法

1.水闸的工作特点

相较于溢流重力坝,水闸的工作特点与之具有异曲同工之妙,但特殊之处在于水头较低,建设场所普遍以软基为主。水闸处于挡水状态时闸室将承受水平压力,在该外力作用下易出现水闸向下游滑动的变化趋势。为了维持闸室的稳定性,需保证其具有足够的重力。上下游存在水位差时,水从上游流过,经水闸地基以及两岸后转至下游,期间存在较明显的渗透水流,其会直接作用于闸室底部,使该处承受渗透压力,进而出现水闸的有效重力下降的情况,在一定程度上威胁到闸室的稳定性;两岸渗流也有较强的破坏性,于岸墙处形成水平渗透压力,容易推动岸墙移位(具有朝河心方向的运动趋势)。并且,由于渗漏作用的影响程度深且范围广,地基和两岸的细颗粒土易被带走,甚至掏空地基和两岸,此时均会影响水闸的正常运行。水闸下游要有一定的消能防冲措施,当水闸过水时因为流速较大,可能会严重冲刷下游的消能措施及河床,在效能措施失效的情况下闸室质量问题随之显现。于软基上建设闸室时,必须保证结构具有足够的稳定性,以免在自重及外部载荷的共同作用下出现沉降、变形等质量问题。在闸室设计中需合理优化结构,提高结构对外部作用力的抵御水平。

2.水闸结构优化模型的构建

2.1优化设计变量的选取

闸墩和闸底板为闸室结构组成中的关键部分,尺寸为重点设计对象,合理的尺寸有助于提高闸室的受力稳定性。此外,需充分考虑闸门位置、防渗布置等因素,以免影响闸室的正常使用。

2.2目标函数的选取

设计变量函数宜作为目标函数,原因在于在改变设计变量数值的条件下,与之相对应的目标函数的数值也将发生同步变更,通常目标函数包含尺寸、重量、体积、造价等因素。若为了通过减小工程量的方式达到经济高效的目标,可选取闸墩和底板的总造价最小值作为目标函数。

2.3约束条件

将限制设计方案统称为状态变量,各方案均要满足该类限制。通常可分为两个类别:一是状态约束,较为典型的有容许应力、稳定要求等;二是界限约束,较为典型的有变量取值的界限。从状态变量的角度来看,可能会出现上限、下限同时存在的情况。根据水闸的结构特点和工作特点,在对其展开优化设计时所需考虑的状态约束主要有:地基承载力及应力、界限约束主要指结构的几何尺寸。以下具体举例列举水闸的相关约束条件。(1)状态约束举例。①地基承载力约束。以地基允许承载应力为参照基准,要求闸室最大地基压应力(Pmax)不可超过该值的1.2倍,即Pmax<1.2[Pc]([Pc]为闸底地基允许承载力)。②应力约束。基底最小压应力(Nmin)为重点控制对象,该值应当满足Nmin≥0的要求。(2)界限约束举例。以几何尺寸约束为例,结构尺寸设计约束条件可以考虑如下内容:底板长度12~18m、中墩最小厚度1.2~1.4m、缝墩厚度0.65~1.1m、边墩厚度0.75~1.15m等。

3.水闸闸室段结构优化及算例分析

3.1工程概况

某开敞式水闸,上游设计洪水位56.0m、校核洪水位57.8m、下游水位52.0m,明渠渠底高程52.0m,渠底和水闸闸室底板的顶高程相同,采用平底宽顶堰型式闸室。根据当地气象资料可知现场平均最大风速28m/s,吹程Df可达2.0km左右。闸前设置0.6m混凝土铺盖,闸后设置消力池,消力池后护坦的平均厚度为0.7m。跨闸墩厚8.9m,闸门门槽的深度和宽度分别为0.5m、1.0m。于上下游两侧布设同规格的门槽,尺寸为宽0.5m、深0.4m。闸门总重10t,为满足后续的检维修工作需求,于闸门上游两侧修筑检修桥。水闸的地基土与底板形成摩擦角(25°),有2.0MPa的凝聚力。水闸的地基土容许承载力为400kN/m2,出口段、水平段的容许坡分别下降0.62、0.33。根据项目建设阶段当地市场价格信息展开成本计算,钢筋价格约5000元/吨,混凝土价格约380元/m3。以项目总体情况为立足点针对水闸闸室段做出针对性的优化。闸墩和底板的长度具有一致性,根据构造的要求合理设定闸墩的宽度,结合本项目的实际情况,要求水闸中墩厚度≥1.2m、墩缝厚度≥0.8m。优化设计工作中着重将闸室底板的长度及厚度、闸门位置等作为变量,对其展开针对性的分析与优化,以提高合理性。

3.2荷载计算

(1)侧向土压力:此处着重考虑的区域为河道上下游段,按静止土压力展开计算。(2)扬压力:水闸挡水之后会受到上下游水位差的影响,通过坝闸基,水闸上游水流会向下游渗透,形成渗透压力,在其作用下闸体的重量较以往有下降的变化特点。扬压力反映的是水闸底部所受的水压力,在计算时重点考虑浮托力和渗透压力两部分,前者与下游的水深有密切的关联,后者则与底板底部防渗设备的运行性能有关。具体计算公式有:况对材料的属性做出定义,进而创建集合模型;施加约束条件和荷载;对内力进行处理,经计算与分析后确定各种类型的约束条件;针对模块采取优化措施,对比分析后选择合适的目标函数、设计变量及约束条件,加以迭代,由此确定在经过优化设计处理后的结果。经多层面的比对后以随机数的方法形成初始复形,最终确定最优解,具体情况见表1。

4.结语

水闸是重要的水工建筑形式,其结构以及工作环境均具有复杂化的特点,需兼顾渗流、底板及闸墩的内力等要素,经过计算与分析后确定合适的取值。本文以开敞式水闸闸室段项目为背景,基于准则法展开分析与优化,最终求得具体的结果,此方法也是一种通用方法,可应用于橡胶坝、液压坝以及重力坝等其他水工建筑结构的优化设计。(1)式中:U1为渗透压力,kN/m;U2为浮托力,kN/m;γ为水的容重,kN/m3;H1为下游底板上的水深,m;H2为底板起始点处的扬压力水头,m;L为底板总长,m;B为相邻两沉陷缝间的闸室宽度,m。(3)门槽水压力:首先需确定闸门所受的水压力,经转化后以面荷载的形式加载,具体计算方法有:(2)式中:b1为门槽的宽度,m;b2为闸门宽度的1/2,m;γ为水的容重,kN/m3;h为水的深度,m;h0为每层单元距底板的高度,m。(4)水平水压力:关键作用对象为闸墩的迎水面及其上游两侧,以面荷载的形式发生作用,随着单元高程的变化,对应的水压力也具有变动性,具体关系有:()01γ−=hhP(3)式中:γ为水的容重,kN/m3;h为上游水深,m;h0为每层单元距底板的高度,m。(5)闸室自重:主要指的是底板和闸墩两部分的重量,其作用形式具有一致性,均作用于各自的重心处。在确定闸室的体积以及施工所用的容重后,经计算便可确定闸室的自重,其工作流程精简,仅需在材料属性中按照要求设定合适的参数即可,此时ANSYSY软件将自动化运行,求得上部结构荷载,在此基础上以面荷载的形式施加至闸墩顶部。3.3总体优化思路参数化模型的构建是基础内容,以ANSYSY为主要工具,依托于该软件的几何建模功能,可以根据实际情

参考文献:

[1]侯春芳.开敞式水闸闸室结构优化设计[J].河南水利与南水北调,2016(11):57-58.

作者:高波 陈欣 单位:中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 陕西省渭南市富平县水务局

水闸闸室结构设计完善措施

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