閘室

溢洪道閘室為常用水工結構，主要由過水堰體和閘墩組成，此外還有其他一些關鍵部位，如牛腿、吊孔等。閘室的體形設計是閘室整體設計的主要內容，其尺寸直接影響結構的安全穩定以及工程投資。閘室結構厚重則安全，但無疑增加了工程投資; 而結構過於單薄，工程投資相應減少，結構安全又受到影響。

所以，安全經濟是對閘室結構體形優化的前提。在以往的閘室結構優化分析中，常以結構滿足穩定、應力、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化數學模型，並結合ANSYS 等有限元分析軟件，確定閘室結構各構件尺寸，得到安全經濟的結構體形。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築量，而且對閘室上部各構件的應力有着較大影響。溢流堰體較厚，對防沖蝕和結構的抗振有利，但相應地增加了工程投資；若堰體較薄，工程投資相應減少，但可能產生結構沖蝕和振動方面的問題。對關鍵部位牛腿來講，當開挖量增大時，溢流堰體較厚，削弱牛腿部位應力集中；若開挖量減小，堰體較薄，可能引起牛腿部位過大的應力集中。在以往的文獻中鮮見在閘室結構主要構件(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化分析。鑑於此，在確定某溢洪道閘室結構主要構件尺寸的前提下，以地基開挖量為變量，以閘室牛腿吊孔等關鍵部位的應力最小為目標函數，建立單變量多目標的優化數學模型，採用分層序列法研究地基開挖量(直接影響堰體厚度)的變化對上部結構關鍵構件應力影響，檢驗閘室結構各關鍵構件的應力是否滿足規範要求，並獲得較為經濟安全的堰體體形尺寸 ^[1]  。

某水電站溢洪道閘室為2 孔整體開敞式結構，長36.0 m，寬31.0m，高33.0～36.5m；閘孔採用低實用堰過流，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1扇弧形工作門，採用閘頂液壓式啓閉機啓閉；溢流堰堰面採用“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″；因水庫為年調節水庫，其水位每年至少有2～3個月時間低於堰頂高程，故不設檢修門。

設計洪水重現期100年，校核洪水重現期2000年，建築物場區地震基本烈度為VI度(根據《水工建築物抗震設計規範》(SL 203—1997)，不考慮地震荷載) 。

為獲得安全經濟的堰體結構，根據工程經驗，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，並將閘室堰前底板高程抬高至624.500m。

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

⑤方案5：在方案1基礎上，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。

利用有限元軟件ANSYS建立溢洪道閘室結構幾何模型並進行網格劃分。幾何模型的座標原點為右邊墩右側面和溢流堰堰面(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採用8節點空間BRICK等參單元，單元的分佈充分考慮了應力梯度大小的變化；劃分後的有限元網格模型的單元總數為127158個，節點總數為149452個。

有限元模型地基底面為三向約束，上、下游面和側面均為法向約束; 閘室右邊墩兼作大壩擋牆，左邊墩與山岩垂直相接，閘室兩邊墩外側均為法向約束。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。當弧形閘門處於全關閉狀態以及閘門啓閉過程中，庫水壓力經門葉、支臂、支鉸、支座、牛腿預埋鋼板，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岩石材料的本構模型為線彈性本構模型。

根據設計要求，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構應力進行有限元計算分析。

閘室結構的牛腿、弔頭、閘墩等關鍵構件的第一主應力(拉應力)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)。由第一主應力可知，正常蓄水位工況下牛腿、弔頭、閘墩等關鍵構件的拉應力均小於校核洪水位工況下的拉應力。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力分析。

溢洪道堰體厚度優化是1個單變量多目標優化問題，對該類問題的求解方法主要是目標法、加權組合法等，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化問題的其他方法的優點外，還避免了權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化問題。分層序列法的基本思想是將多目標優化問題中的幾個目標函數分清主次關係，按其重要程度逐一排隊，依次求得各個目標函數的最優解。應該注意的是，後一目標應在前一目標最優解的集合域內尋求。

而當採用分層序列法求解到第i 個目標函數的最優解是唯一時，就會出現求解中斷現象，使求解過程無法繼續下去，之後的目標函數求解就完全沒有意義了，為此引入“寬容分層序列法” ^[2]  。

通過某對溢洪道閘室堰體厚度優化計算分析，得出以下幾點結論：

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

(2) 採用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力進行三維有限元計算分析，分別獲得了牛腿、弔頭及閘墩各部位等效應力和相應材料抗拉強度的差值與地基開挖體積的函數關係曲線；

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

(3) 對優化後的閘室結構進行三維有限元應力分析，通過對比優化前結構的應力峯值，説明得到的堰體厚度優化效果較好 ^[2]  。