[科普中國]-閘室

閘室一般由閘底板、閘墩、啟閉機臺、交通橋等結(jié)構(gòu)物所組成。在其上下游及左右兩側(cè)分別為進、出口段及岸邊聯(lián)接建筑物。設(shè)置閘孔及閘門以控制水流的水閘主體段。

簡介溢洪道閘室為常用水工結(jié)構(gòu)，主要由過水堰體和閘墩組成，此外還有其他一些關(guān)鍵部位，如牛腿、吊孔等。閘室的體形設(shè)計是閘室整體設(shè)計的主要內(nèi)容，其尺寸直接影響結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定以及工程投資。閘室結(jié)構(gòu)厚重則安全，但無疑增加了工程投資; 而結(jié)構(gòu)過于單薄，工程投資相應(yīng)減少，結(jié)構(gòu)安全又受到影響。

所以，安全經(jīng)濟是對閘室結(jié)構(gòu)體形優(yōu)化的前提。在以往的閘室結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析中，常以結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定、應(yīng)力、抗裂等為約束條件，使工程造價(或工程量) 最小為目標建立多變量單目標的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合ANSYS 等有限元分析軟件，確定閘室結(jié)構(gòu)各構(gòu)件尺寸，得到安全經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)體形。閘室堰體作為閘室重要組成部分，其厚度不僅決定了地基開挖量和堰體的混凝土澆筑量，而且對閘室上部各構(gòu)件的應(yīng)力有著較大影響。溢流堰體較厚，對防沖蝕和結(jié)構(gòu)的抗振有利，但相應(yīng)地增加了工程投資；若堰體較薄，工程投資相應(yīng)減少，但可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)沖蝕和振動方面的問題。對關(guān)鍵部位牛腿來講，當(dāng)開挖量增大時，溢流堰體較厚，削弱牛腿部位應(yīng)力集中；若開挖量減小，堰體較薄，可能引起牛腿部位過大的應(yīng)力集中。在以往的文獻中鮮見在閘室結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件(如閘墩、牛腿及吊孔等)尺寸確定的前提下，單獨對閘室堰體厚度進行優(yōu)化分析。鑒于此，在確定某溢洪道閘室結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件尺寸的前提下，以地基開挖量為變量，以閘室牛腿吊孔等關(guān)鍵部位的應(yīng)力最小為目標函數(shù)，建立單變量多目標的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，采用分層序列法研究地基開挖量(直接影響堰體厚度)的變化對上部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力影響，檢驗閘室結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力是否滿足規(guī)范要求，并獲得較為經(jīng)濟安全的堰體體形尺寸1。

工程概況某水電站溢洪道閘室為2 孔整體開敞式結(jié)構(gòu)，長36.0 m，寬31.0m，高33.0～36.5m；閘孔采用低實用堰過流，堰頂高程631.5m，閘頂高程651.0m，中墩、邊墩厚均為3.0m；孔口尺寸11.0m×16.0m(寬×高)，每孔設(shè)1扇弧形工作門，采用閘頂液壓式啟閉機啟閉；溢流堰堰面采用“WES”型曲線，曲線方程為y =0.046 117175x1.85，堰頂上游面由3段圓弧組成，堰頂下游接反弧段，反弧半徑40. 0m，圓心角22°38'31″；因水庫為年調(diào)節(jié)水庫，其水位每年至少有2～3個月時間低于堰頂高程，故不設(shè)檢修門。

設(shè)計洪水重現(xiàn)期100年，校核洪水重現(xiàn)期2000年，建筑物場區(qū)地震基本烈度為VI度(根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(SL 203—1997)，不考慮地震荷載) 。

溢流堰堰體厚度分析為獲得安全經(jīng)濟的堰體結(jié)構(gòu)，根據(jù)工程經(jīng)驗，提出以下6種堰體體形方案：

① 方案1：閘室上游建基面高程618.000m，下游建基面高程614.500m，堰體寬度11m。

② 方案2：在方案1基礎(chǔ)上，將閘室上游建基面抬高1m，下游建基面高程保持不變，沿閘室底部1∶2的斜坡面的垂直方向削去1m，同時抬高閘室堰前底板高程至623.500m。

③ 方案3：在方案2基礎(chǔ)上，將閘室上游建基面抬高1m；沿閘室底部1∶2的斜坡面的垂直方向削去1m，并將閘室堰前底板高程抬高至624.500m。

④ 方案4：在方案3基礎(chǔ)上，將閘室上游建基面抬高1m，并將閘室堰前底板高程抬高至625. 500m。

⑤方案5：在方案1基礎(chǔ)上，閘室上游建基面保持不變，將閘室堰前底板高程降低至617.000m。

⑥方案6：在方案5基礎(chǔ)上，閘室上游建基面保持不變，將閘室堰前底板高程降低至616.000m。

溢洪道閘室結(jié)構(gòu)分析利用有限元軟件ANSYS建立溢洪道閘室結(jié)構(gòu)幾何模型并進行網(wǎng)格劃分。幾何模型的坐標原點為右邊墩右側(cè)面和溢流堰堰面(WES 堰形曲線) 的閘門槽交線(高程為631. 249 m) ，X 向為順閘室水流方向，Y向鉛直向下，Z向為垂直閘室水流方向且指向左岸。閘室和地基單元類型均采用8節(jié)點空間BRICK等參單元，單元的分布充分考慮了應(yīng)力梯度大小的變化；劃分后的有限元網(wǎng)格模型的單元總數(shù)為127158個，節(jié)點總數(shù)為149452個。

有限元模型地基底面為三向約束，上、下游面和側(cè)面均為法向約束; 閘室右邊墩兼作大壩擋墻，左邊墩與山巖垂直相接，閘室兩邊墩外側(cè)均為法向約束。閘室在水面以下且與水接觸部位，自水面起豎直向下施加梯度荷載，主要接觸部位有：閘墩、溢流堰表面和上游建基面等。當(dāng)弧形閘門處于全關(guān)閉狀態(tài)以及閘門啟閉過程中，庫水壓力經(jīng)門葉、支臂、支鉸、支座、牛腿預(yù)埋鋼板，最終以面作用力的形式傳遞到牛腿，故在牛腿與鋼板接觸面施加面荷載。閘室堰體混凝土材料和地基巖石材料的本構(gòu)模型為線彈性本構(gòu)模型。

根據(jù)設(shè)計要求，擬定正常蓄水位工況和校核洪水位工況作為計算工況，對堰體體形方案一的閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行有限元計算分析。

閘室結(jié)構(gòu)的牛腿、吊頭、閘墩等關(guān)鍵構(gòu)件的第一主應(yīng)力(拉應(yīng)力)分別為：0.83，0.25，1.27MPa(正常蓄水位工況)和2.94，3.26，3.25MPa(校核洪水位工況)。由第一主應(yīng)力可知，正常蓄水位工況下牛腿、吊頭、閘墩等關(guān)鍵構(gòu)件的拉應(yīng)力均小于校核洪水位工況下的拉應(yīng)力。因此，選取校核洪水位工況為控制工況，分別對6 種堰體體形方案進行有限元應(yīng)力分析。

分層序列法溢洪道堰體厚度優(yōu)化是1個單變量多目標優(yōu)化問題，對該類問題的求解方法主要是目標法、加權(quán)組合法等，這些方法具有解速快、工作量小等特點。分層序列法除了具備處理同類優(yōu)化問題的其他方法的優(yōu)點外，還避免了權(quán)大小取值等主觀因素影響，故本文采用分層序列法求解溢洪道堰體厚度優(yōu)化問題。分層序列法的基本思想是將多目標優(yōu)化問題中的幾個目標函數(shù)分清主次關(guān)系，按其重要程度逐一排隊，依次求得各個目標函數(shù)的最優(yōu)解。應(yīng)該注意的是，后一目標應(yīng)在前一目標最優(yōu)解的集合域內(nèi)尋求。

而當(dāng)采用分層序列法求解到第i 個目標函數(shù)的最優(yōu)解是唯一時，就會出現(xiàn)求解中斷現(xiàn)象，使求解過程無法繼續(xù)下去，之后的目標函數(shù)求解就完全沒有意義了，為此引入“寬容分層序列法”2。

總結(jié)通過某對溢洪道閘室堰體厚度優(yōu)化計算分析，得出以下幾點結(jié)論：

(1)對閘室堰體厚度進行優(yōu)化，在充分考慮堰體厚度對閘室各部位應(yīng)力影響下，獲得了以地基開挖量作為設(shè)計變量，牛腿、吊頭及閘墩應(yīng)力最小作為目標函數(shù)的單變量多目標優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型；

(2) 采用ANSYS 軟件對閘室6 種堰體體形方案在校核洪水位工況下的應(yīng)力進行三維有限元計算分析，分別獲得了牛腿、吊頭及閘墩各部位等效應(yīng)力和相應(yīng)材料抗拉強度的差值與地基開挖體積的函數(shù)關(guān)系曲線；

采用寬容分層序列法對堰體厚度進行優(yōu)化，最終獲得了優(yōu)化的建基面高程為619.94m。

(3) 對優(yōu)化后的閘室結(jié)構(gòu)進行三維有限元應(yīng)力分析，通過對比優(yōu)化前結(jié)構(gòu)的應(yīng)力峰值，說明得到的堰體厚度優(yōu)化效果較好2。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

徐恒山 - 講師 - 西北農(nóng)林科技大學(xué)