对水闸设计方法的探讨

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1、对水闸设计方法的探讨　　【摘要】我们要掌握水闸的设计和施工方法，要认识水闸建设的规律，就必须首先了解水闸的工作特点，了解水闸在施工和运用时期是在怎样的情形下工作的。本文就主要对中小型水闸设计方法进行了探索和研究。【关键词】水闸；设计；结构　　　　一、水闸的组成部分及工作特点　　　　上游连接段　　上游连接段的主要作用是引导水流平顺地进入闸室，保护上游河床及河岸免遭冲刷并有防渗作用。上游连接段一般包括铺盖、上游防冲槽及两岸的翼墙及护坡等部分。铺盖主要起防渗作用，上游防冲槽主要是保护铺盖头部不被损坏，两岸翼墙的作用是使水流平顺地进入闸

2、孔，并起侧向防渗的作用。　　闸室是水闸的主体部分　　闸室是水闸挡水和泄水的主体部分。通常包括底板、闸墩、闸门、胸墙、工作桥及交通桥等。底板是闸室的基础，承受闸室的全部荷载，并较均匀地传给地基。闸墩的作用是分隔闸孔、支承闸门、工作桥及交通桥等上部结构。闸门的作用是挡水和控制下泄水流。底板、闸墩、闸门是闸室段的三个主要部分，闸室段一般为混凝土或钢筋混凝土结构，小型水闸也可用浆砌料石结构。　　下游连接段　　下游连接段具有消能和扩散水流的功能。使出闸水流在消力池中形成水跃消能，再使水流平顺地扩散，防止闸后水流的有害冲刷。下游连接段通常包

3、括下游翼墙护坦、消力池、海漫、下游防冲槽以及护坡、护底等。下游防冲槽是海漫末端的防冲保护设施。　　水闸的工作特点　　水闸既是挡水建筑物，也是泄水建筑物，一般修建在平原地区，平原地区的覆盖层很厚，地基的压缩性很大，抗滑能力差，承载能力低，所以闸的稳定是设计中的一个重要问题。　　水闸靠闸门挡水，在闸上下游形成的水头差作用下会产生通过闸基及两岸的渗流，对水闸底部产生渗透压力，抵消水闸的有效重量，对闸室及两岸连接建筑物的稳定不利，并可能产生有害的渗透变形危及水闸的安全。　　水闸开闸泄水时，闸下无水或水很浅，在上下游水头差作用下往往有很大

4、的流速，过闸水流携带的能量将引起下游的冲刷，给闸下消能带来了困难。因水闸上下游水位差较小，容易产生波状水跃，消能效率低，水面波动向下游延伸很长，对下游河床及岸产生冲刷，也可能会危及水闸的稳定和安全。　　　　二、软土地基水闸结构设计方法　　半解析法　　在一般的水闸结构设计中，可以采用截条法，将水闸结构简化为弹性地基上的平面框架结构，采用半解析法进行计算。该法将上部杆系结构和平面地基看成两个子结构，用刚性链杆代替底梁和地基之间的联系，用杆系有限单元法求解上部结构底梁的单位位移，用解析法求解各种平面地基模型的单位沉陷系数，根据底梁和地

5、基接触面间的变形协调和整体平衡条件、建立求解地基反力的混合法典型方程，据此求出地基反力，再根据叠加原理，用有限单元法求解整个结构的位移和内力。　　在地基模型的实际应用中，必须注意其应用范围，应当根据不同的地质条件选用。理论计算和现场测量表明，文克尔地基模型适用于地基可压缩土层与基础水平尺寸之比H/L的土层，而在一般情况下都属于有限深地基模型和多层地基模型。对于复杂的地基条件或进行加固后的地基一般要采用空间有限元法进行计算。　　平面水闸结构计算的半解析法充分利用了数值法和解析法的优点，可以有效的考虑水闸闸墩、底板和地基的相互作用，

6、适合于各种软土地基上不同形式的水闸结构，可以方便的求出水闸设计时所关心的地基反力、结构的位移、轴力、剪力和弯矩，其计算结果可以直接用于结构配筋。　　有限元法　　有限元法是一种可以用来求解复杂工程问题的近似解的方法。该法在解决不同类型的应用科学和工程问题中的潜力逐渐被人们所认识，经过多年的发展，有限元法得到发展和完善，它被认为是有效求解各种实际问题的最好方法之一，在水利水电工程中有限元方法也得到了广泛的应用。　　有限元法的基本思想是用一个简单问题代替复杂问题后再求解，由于在求解中实际问题己经被较简单的问题所替代。因此，只能求出近似

7、解，而不是准确解。有限元法通常可以通过多花费一些计算工作量来改善或改进近似解。在有限元法中，把求解域看成是由许多被称为有限元的小的互连子域组成的。在有限元法中把结构近似分成若干元件，先对每一个元件或单元假定一个合适的近似解，然后推导结构总的平衡条件，满足这些条件，就可以得到位移和应力的近似解。　　在有限元法中，把真实连续介质或物体表示为一些小部分的集合。这些单元可认为是在节点处彼此连接的。这些节点通常是位于单元的边界上，并认为相邻单元就是在这些边界上与它相连接的。由于不知道介质内部的场变量真实的变化，因此，我们假设有限元内场变量

8、的变化可以用一种简单的函数来近似表示，这些近似函数可由场变量在节点处的值确定。当对整个连续介质写出场方程组时新的未知量就是场变量的节点值，求解方程，得到场变量的节点值。一旦知道了这些节点值则可由近似函数确定整个单元集合体的场变量。用有限元法求解一般的连续介质问题