浅谈水闸工程设计之水闸整体式平底板结构的优化设计

摘 要：随着国民经济的快速发展，水利已经不仅是作为农业的命脉，更是国民经济可持续发展的命脉，在我国现代化建设中发挥着越来越重要的作用。文中通过对倒置梁法与弹性地基梁法进行实际应用分析，提出了一种可以解决水闸整体式平底板计算问题的简单实用的办法。这种新方法对今后的水闸设计计算具有一定的参考价值，从而为水闸整体式平底板的结构设计提供了一种有效实用的思路。

关键词：水闸；作用；优化设计；问题；结构分类

近年来，在全国范围内，掀起了水利工程建设高潮。在水利建设过程中，软性地基上的大中型水闸一般将闸墩与底板连结成一块整体的平底板。由于整体式平底板的工程量能占到总工程量很大的一部分，因此底板的安全性对保证结构整体性起着重要的作用。作用在地基上的力不仅与底板的尺寸、刚度、荷载的大小及弹性模量等因素有关，同时还与地基自身的形变特性有关。在计算过程中，只能作出一些假设，不能够精确地反映出地基塑性开展区产生的影响。平底板的受力情况比较复杂，目前还没有精确的理论分析方法来进行计算。对于底板的受力应选择符合实际情况的应力分析方法，再进行适当的优化设计，以确定一种经济可行的设计方案。

1 水闸的作用及问题

水利工程中，水闸的应用非常广泛，一般建在渠道、河道、水库、湖泊等的岸边，是一种具有挡水和泄水功能的低水头的水工建筑物。关闭闸门时，可以抬高水位、挡潮、拦洪，以此满足上游通航或发电的需要；开启闸门时，可以排涝、泄洪、取水和冲沙，或者根据下游的用水需要调节流量。在设计过程中，水闸的挡水与泄水问题大多成为了决定此种水工建筑物使用寿命的关键，因此，对水闸的挡水与泄水功能进行深入地研究和探讨就显得尤为重要了。

2 水闸的结构及分类

一般情况下，按水闸所承担的主要任务，可将其分为：节制闸、进水闸、冲沙闸、分洪闸、挡潮闸、排水闸等。如果按闸室的结构形式，又可将水闸分为：开敞式、胸墙式和涵洞式三种。在开敞式水闸的闸门全开的情况下，过闸的水流通畅，此种水闸适用于泄洪、排冰及排漂浮物等任务。节制闸、分洪闸常常采用这种形式。胸墙式水闸和涵洞式水闸，都适用于闸上的水位变化较大或者挡水位高于闸孔的设计水位，即水闸的孔径是按照低水位通过的设计流量进行设计的情况。胸墙式闸室结构与开敞式闸室结构基本相同，为了能够减少闸门和工作桥的高度或者为了控制下泄过程中的单宽流量，而假设胸墙代替了部分闸门挡水。挡潮闸、进水闸和泄水闸常采用这种形式。

3 整体式平底板结构介绍及存在问题

整体式平底板是整个闸室结构的基础，是全面支承在地基上的一块受力复杂的弹性基础板。底板支撑在地基上，因其平底板较远，可视为地基上的一块板，受力情况也比较复杂。整体式平底板的结构整体性好，对于地基的不均匀沉降有很强的适应性，同时具有较好的抗震性能。在顺水方向上，闸门前后的水重一般相差很大；在垂直水流的方向上，集中荷载通过闸墩传递到平底板，同时还有周围附属结构的影响。针对这样的空间问题和较理想的应力分析方法时，通过采用弹塑性有限元法来分析底板和地基的受力情况。但这种方法在工程实践中尚未成熟。通常情况下，可以将这个问题转化成两个方向的平面问题，再分别进行分析。在顺水流的方向上，闸墩和平底板构成了一个倒“T”型的结构，刚度较大。在顺水流的方向上的弯曲变形量与垂直水流方向的弯曲变形量比较，可忽略不计，主要受挤压或受拉伸，因此可利用偏心受压（或拉）公式求解。在垂直水流的方向上，弯曲变形由底板独自承受，因此只需要截取板条来计算强度。

倒置梁法的基本原理如下：首先，假设地基的反力沿闸室横向分布均匀，通常是在底板横向上截取一定宽度的板条，并以此作为支承在闸墩上的倒置梁；其次，计算其内力，倒置梁法的主要缺点是忽略了底板和地基之间的形变协调条件，假定在底板横向上地基反力是均匀的。这一假设与实际的情况是不吻合的，同时支座处产生的反力与实际的载荷也是不等的。因此，采用此方法计算得到的结果与实际情况之间存在一定的误差，在实际应用中存在一定的局限性。但大量实验证明，对于整体式平底板小型水闸而言，其结构上部的刚度相对来说比较大，如果建造在比较坚实的地基上，倒置梁法的精度可满足使用的要求。弹性地基梁法认为梁与地基都是弹性体，梁卧置在弹性地基上，梁由于受荷载而发生弯曲变形，地基受压产生沉降，而梁与地基紧密接触，所以他们的变形和沉降是相等的，根据变形协调条件和静力平衡条件，确定地基反力及梁的内力。依据地基的可压缩层厚度及地基梁的半长，弹性地基梁法可分为：有限深地基梁法、半无限深地基梁法及基床系数法等。本文所涉及的弹性地基梁法为半无限深地基梁法，该方法考虑了底板变形和地基沉降的协调一致因素，也考虑到边荷载产生的影响，计算理论相对比较完整、结果的精度较高，具有较广的应用范围。

4 优化设计

本节通过对实例的分析，对上面所涉及到的两种计算方法进行比较，更好地认识了两者的异同所在，为与水闸底板有关的计算提供更加精确的设计思路和计算方法。

现有一座中型的三孔水闸，其相关尺寸如下：单孔净宽3.00m、边墩厚度0.75m。采用钢筋混凝土浇注的整体式平底板结构，平底板尺寸：长×宽=9.50m×12.50m、厚度0.70m。闸墩的长度和底板相同，高4.50m，挡土高度5.20m。此水闸有除涝和蓄水功用，除涝流量58.90m3/s。计算过程分两段时期来进行，分别是完建期和运行期。以主闸门的门槽为界限，分别截取单宽1.00m的板条进行计算分析。利用倒置梁法和弹性地基梁法得到的弯矩图，见图1、图2。

比较图1与图2，可以看出：从定性角度来说，这两种不同方法获得的弯矩图的分布规律基本是一致的，尤其是门槽下游侧的两个弯矩图的分布规律更加相似，同时这些弯矩图也说明了倒置梁法的计算精度是十分可靠的；从定量角度来讲，边墩支座处的弯矩不同且倒置梁法的结果大于弹性地基梁法的结果，两者相差在-22%～25%之间，但中墩支座处和跨中的弯矩都小于后者所获得的结果，相差约30%～40%，在通常情况下，水闸底板结构尺寸较大，因此这点差异可以被允许。因此，提出计算的一种新思路：在计算水闸底板的内力时，先采用倒置梁法计算，然后对计算结果进行一定的调整，也就是适当地增加或减少。改方法获得的计算结果和弹性地基梁法的结果更加接近，这样就省去了繁琐、复杂的弹性地基梁法的计算过程，是一种设计思路的优化。由此看来，这种方法将会对今后的水闸底板设计计算带来极大的方便，可以在很大的范围内使用，节约了大量的时间和人力。

5 结语

综上所述，本文所提出的方法可简便、有效的解决水闸底板设计计算的某些问题。然而从严格意义上讲，文章提出的这种计算思路，缺乏充分的科学理论论证，主要是以经验总结为依托。在实际应用中，此方法存在一定的局限性，它仅对本文中所涉及的闸型或相近的闸型比较适用，但对于其它类型的水闸底板则不能盲目地套用。