摘要：在水利建设过程中，水闸作为一种具有挡水和泄水功能的低水头水工建筑物，在水利工程中应用广泛，多建于河道、渠系、水库、湖泊及滨海地区。本文以湖南省岳阳市某水闸为例，针对软土地基上水闸整体结构的优化设计问题进行探讨。
关键词：水闸；桩基；软土地基；结构设计；优化设计
目前，软土地基上水闸结构的设计主要采用规范规定的方法，对闸室和基础结构分开设计，闸室结构作为外荷载加到基础上，仅考虑闸室和基础结构之间力系的简化传递，未考虑结构间的相互影响与整体工作效应，因而设计出的结构方案不一定是最优方案。
一、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。
二、水闸整体结构优化设计工程实例
1.工程背景。以湖南省岳阳市某水闸工程闸室总净宽为20.0 m，共2孔，单孔净宽10.0 m，采用钢筋混凝土结构，两孔一联整体式底板。闸室底板顶面高程－2.00 m，底板厚1.5 m，顺水流方向长度为16 m，中墩厚1.2 m，边墩厚1.0 m，闸室总宽度23.2 m。闸室采用钻孔灌注桩基础，桩径1.2m，桩顶高程－3.50 m，桩底高程－21.50m，桩长18.0m，共30根。闸室为开敞式，采用闸门结合胸墙挡水。胸墙采用钢筋混凝土板梁结构，底高程2.50 m，顶高程5.50 m，闸顶高程与河堤等高，为7.50 m。
2.水闸整体结构优化设计数学模型。根据该水闸结构特征，结合规范规程及安全经济的设计要求，建立其整体结构优化设计数学模型。（1）设计变量。根据闸室的结构特点及影响闸室受力和稳定的主要因素，同时考虑闸室和基础相互作用机理，选取底板厚度（x 1）、中墩厚度（x 2）、边墩厚度（x 3）、桩径（x 4）等关键几何尺寸为设计变量，如图1所示；而底板长度与闸室防渗要求及上部结构布置有关，
底板宽度由水力计算确定，桩基长度由桩端所处持力层确定，因此定为不变参数。同时，考虑到计算模型的复杂性，假定桩基排列情况和桩间距不变。
图1水闸整体结构示意图（单位：m）
（2）目标函数。目标函数是判别设计方案优劣的数学表达式，是设计变量的函数。工程结构优化问题一般选取造价最低、结构总体积最小等作为优化目标。水闸工程结构的造价主要取决于其总混凝土方量，还与施工等环节有关。本文选取水闸整体结构的总造价最低为目标函数，其中各部分钢筋混凝土结构造价按
综合单价计算，计算公式为
式中：
p i为水闸各部分结构材料综合单价；
Vi为水闸各部分结构的体积。
（3）约束条件。约束条件是有关规范规程及施工、构造等方面的限制条件，一般包括几何和性态等方面的要求，这里性态约束包括地基承载力约束、基底应力约束、抗滑稳定约束、闸室结构强度约束、桩基结构强度约束、闸室沉降约束、桩顶水平位移约束。a．几何约束。根据《水闸设计规范》（SL265—2016）的限定，底板厚度取闸孔净宽的1/6～1/8，闸墩厚度需满足构造要求，其范围由闸墩在门槽缩颈处的最小厚度限定值确定。根据该水闸结构特点确定其几何约束为底板厚度大于1.25m，小于1.68m；中墩厚度大于1.00 m，小于1.20 m；边墩厚度大于0.70 m，小于1.00 m；桩基桩径大于0.80 m，小于1.20 m。b．地基承载力约束。闸室平均基底应力σb不大于地基允许承载力，即71.20 kPa；最大基底应力σmax不大于地基允许承载力的1.2倍，即85.44 kPa；闸室基底压力的最大值和最小值之比不大于规范规定的允许值，即基本组合荷载工况下不超过1.50，特殊组合荷载工况下不超过2.00。c．抗滑稳定约束。闸室的抗滑稳定安全系数Kc不小于规范规定的允许值，即基本组合荷载工况下不低于1.35，特殊组合荷载工况下不低于1.20。d．闸室和桩基结构强度约束。闸室结构采用C30钢筋混凝土，桩基采用C25混凝土，C30混凝土的抗拉强度标准值为2.0MPa，轴心抗压强度标准值为20 MPa；C25混凝土的抗拉强度标准值为1.75MPa，轴心抗压强度标准值为17 MPa。强度约束条件控制闸室内压应力σpps不超过轴心抗压强度标准值20MPa，桩基内压应力σpps不超过17 MPa，考虑截面配筋作用，根据一般的实际工程经验，闸室和桩基钢筋混凝土结构的最大拉应力σsts和σpts应不超过4MPa。e．闸室沉降。闸室最大沉降值s max不得超过规范规定的允许值15 cm，最大沉降差不超过5 cm。f．桩顶水平位移约束。根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011），灌注桩桩顶水平位移值s p不超过0.5 cm。
3.结构计算模型
结构分析借助商用软件ANSYS，编写了基于APDL语言的水闸整体结构优化计算命令流，实现了参数化建模，整体结构和地基的计算模型如图2所示，闸室与群桩结构的计算模型如图3所示。单元总数为169950个，总节点数215566，其中闸室结构单元数为17417个，桩基结构单元数为6480个。考虑到消除边界效应，模型的选取范围从闸室向左右岸及上下游各延伸2倍闸室宽度，即46.4m，地基深度取为2倍桩基长度，即36m。坐标原点取在底板与右岸边墩相交处的上游底部，x轴正向为顺河流方向，从上游指向下游；y轴正向铅直向上；z轴正向由左岸指向右岸。
计算中模型底部采用固端约束，x、z方向两侧边界为法向约束，顶部自由。闸室下地基土层大致为6层，闸室与桩基结构混凝土材料采用线弹性本构模型模拟，考虑到软土地基的性质以及闸底板与土体、桩土相互作用的工作特点，土体采用D-P本构模型模拟，桩土接触、底板土体接触采用基于摩尔库伦摩擦特性的非线性本构模型模拟。完建期、设计蓄水位、校核蓄水位、设计挡潮水位、校核挡潮水位5种工况的上下游水位如表1所示。
表1 计算工况
4.优化设计结果及分析
利用ANSYS的APDL参数化语言和优化求解器，通过参数化建模对所建立的优化数学模型进行可行域内的寻优搜索，优化设计计算结果如与原设计方案相比，两种优化方案设计变量和总造价均有所减小，其中水闸整体结构优化设计方案总造价比闸室结构优化设计方案总造价少2.7%，优化效果更显著。如图4所示，经过优化设计后，桩顶水平位移在工况4下达到临界约束，闸室应力有较大幅度增大，群桩结构应力有所减小，并且都在混凝土抗压强度和钢筋混凝土抗拉强度范围内，整体受力更为均匀合理，基底压应力和闸室沉降有所减小，水闸结构的受力和变形状态有所改善，强度、刚度、稳定性均满足规范要求，表明水闸整体结构优化设计方案是安全可靠、经济合理的。相比传统的设计方法，将闸室和基础作为整体设计，能更加真实地反映水闸结构的整体工作性态，充分利用闸室和基础的结构抗力，得到更经济合理的水闸结构尺寸，可为软土地基上水闸结构设计提供依据。
运用优化设计理论，在满足水闸结构几何约束和性态约束的条件下，对水闸整体结构进行优化设计是可行和有效的。
参考文献：
［1］邹武停．开敞式水闸闸室结构优化设计［D］．杨凌：西北农林科技大学，2017．
［2］蔡新，李洪煊，武颖利，等．水下隧道结构优化设计［J］．河海大学学报（自然科学版），2017，37（6）：665-668．
论文作者:郑保
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/9/16
标签：水闸论文; 结构论文; 桩基论文; 底板论文; 胸墙论文; 应力论文; 优化设计论文; 《基层建设》2019年第18期论文;