摘要：在水利工程建设过程中，水闸作为调节水量的重要单元担负着多种功能。然而，由于其应力水平与水量具有良好的互动关系，并决定了坝体与下游相关单位的安全而显得尤为重要。现阶段，针对闸室底板应力的研究多集中与计算方式以及具体的评价分析，而实时监测方向上的构建与应用还相对较少。这为本文提供了基本的研究方向。在实际的研究过程中，本文以应力分类计算为核心，探究其监测体系的建立与应用，希望能够为后续的相关分析与升级改造提供必要基础。
关键词：闸室底板；应力分析；监控；应用
一、引言
水闸是江河枢纽和灌排工程作为控制水位和泄量的主要建筑物之一。在灌排工程上，由于总体规划要求，往往将水闸与具有其他功能的建筑物联合布置在一处，以共同利用部分结构，达到布置紧凑，占地少，节省材料，降低造价，便于管理等目的。
本文述及的空心闸底板就是实际工程中渠道上的节制闸、退水闸、坡水涵洞联合布置在一处的立体交叉工程的闸室底板结构。在总体布置上，是将节制闸闸底板挖空，形成孔涵洞，解决坡水与干渠的交叉问题；又在节制闸上游两侧边墩上开孔设置退水闸门；解决渠道退水问题；利用涵洞进、出口部分作为退水闸与压力涵的公用效能设备。闸室底板是空间结构，受力情况很复杂。
对于平底板的计算，一般是将其近似的作为平面问题来考虑。按照水闸规模和地基条件，常采用“截面法”、“倒置梁法”、“弹性地基梁法”等进行底板应力分析。顺闸水流方向因结构刚度大，一般只在垂直过闸水流方向的应力分析，尚应进行顺闸水流方向的应力分析，尤其关闭闸门或正常运用形成上下游水位差时，顺闸方向的水平推力，将通过闸墩传递给底板，使空心底板产生水平变位和相应的内力。以下侧重阐述考虑水平侧位移时空心闸底板的应力分析。
二、闸室横向应力计算方式
所谓的横向应力主要是指节制闸水流方向所带来的内应力，通过对横向应力的监控能够有效的对其底板合力进行计算分布。此种模式下，现阶段的计算方式多采用弹性地基梁的方式予以计算。在实际的计算过程中主要从如下几个方面来进行：
第一，对不平衡剪力进行计算。沿水流方向的不均匀分布造成了剪力的不平衡现象，而不平衡所带来的剪力峰谷决定了实际剪力需求的差异。在具体计算的过程中往往利用截面剪力差来予以表征。同时考虑不同游段之间的竖向平衡与底板重量。从实际的操作过程中我们常常以底板剪力与下游剪力差的比值来进行表征，并利用该数值与底板沿水流方向的长度进行标准剪力计算。
第二，对单宽板荷载进行计算。该荷载数值受到不平衡剪力的分布影响，并在落实在单宽板体系中还需要对自重、水重等因素进行考虑。与此同时，我们发现单宽板的力矩应力与之具有良好的相应关系，在实际操作过程中可以通过对力矩应力的检测配合相关系数的乘积求解来达到相应目的。
第三，确定弹性基梁内力。该应力指标是衡量其水平应力的关键。在实际的分析与评价体系中常常以该指标最为最终的表征指标之一。与此同时，内力在计算的过程中也是剪力及载荷的综合应用。一般按照柔性指数（与产品材料相关为固定参数）、荷载（通过力矩应力进行测量）以及不平衡剪力（以流量查表获得）等三方面指标。
从上述分析中我们不难看出，在特定的模型下，利用力矩应力以及流量两方面动态指标便可以形成对闸室底板横向应力的监测。
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三、闸室纵向应力计算方式
所谓的纵向应力则主要是指与水流方向垂直的应力分布。在实际的计算过程中常常以截面应力或者底部应力来作为表征指标之一。以过程为导向，该指标的监控与计算主要分为如下几个方面：一是顺水流方向截取面积与单宽板相当的闸室底板截面，并根据材料试验确定其自重；二是对水位差所产生的不平衡剪力进行计算，在计算的过程中按照截面密度形成不均衡微积分范式，从而获得确定结果；三是结合材料学与流体力学等相关特性形成对基本结构下弯矩的应力计算，按照真实弯曲力矩等于弯曲系数成以变化量为基本公式加以计算。
从上述的三个分项计算模式中我们不难发现，纵向应力的计算模型与横向不均衡应力呈现出正相关，且与闸室自重有着一定的关系，就其对应力大小的贡献而言，自重对其影响的权重较大。因此，在构建具体的计算范式时应该重点考虑此应力来源。从现阶段的计算模式与方法而言，通过形成弯曲矩阵的方式描述不同监控位点的应力向量，而利用向量加和的的基本运算规律（M = M1 = M2 ）为依托进行具体计算，当向量与纵向应力存在夹角时，则采用三角函数的方式来予以确定。此即为空心闸底板在考虑水平侧位移的条件下闸底板的应力分析。通过实际结构计算分析，考虑水平变位影响与不计此影响，在某节点的弯矩相距较大，甚至出现反弯矩。对类似结构的设计应引为设计者的重视。
四、闸室底板应力监控应用分析
通过上文的分析我们了解了横向与纵向应力的分别计算方式，在实际的监控体系中以上述两种计算为依据，以合力计算为核心方法形成针对闸室底板的应力监控。此种监控模式能够有效的了解闸室的负载，对于保障其运行安全与稳定性具有较高贡献。从实际的计算操作与监控体系建立的角度我们发现，基本计算以及有限元分析是现阶段较为常见的方法之一，这需要我们从如下几个方面来加以应用实现与注意事项把控。
第一，传感位点的确定。无论是何种监测体系均需要我们通过合理的手段与方式来获得应力数据。闸室的建设属于一体化工程，且在大量的老旧工程中由于在建设时期缺乏必要的技术手段与监测意识而没有加装相应的传感器，这也为后续的改造提出了一定的挑战。在实际传感器位点确定与安装的过程中我们可以从上述两种横向及纵向应力监控数据分布特征中找到答案，即仅需要完成对断面的监测，配合工程材料及设计方案所提供的固定参数来进行推算，这进一步降低了传感器安装的难度与可行性。
第二，监测体系的建立。我们通过监测所需要获得的数据不是零散的传感器数据，而是需要通过一定方法与方式进行整合，进而形成可供对比、可供评价的综合应力指标。在此方面建设过程中一般采用综合模型计算或者有限元分析等两种模式来进行。其中有限元分析在现代闸室底板应力监测体系中较为常见，同时也是未来智能化建设的基本方向。在此种方法应用的过程中主要分为如下步骤：一是以闸室设计图为蓝本形成其剖面图，并按照不同传感器位点的安装位置确定多组剖面图，以此为单元按照力的传导与削减原则（软件一般可以自动生成）形成3D的全景解剖图像；二是在带入自身自重的情况下（不考虑水流及其它工况带来的扰动）构建出有限元模型图。值得我们注意的是，就一般情况而言有限元模型图不仅需要包括底板等闸室单元，还需要包括其周边一定范围内的回填挡土及混凝土部分；三是通过传感器的实时数据生成器应力示意图，以便在人机互动及可视化操作的情况下实施监测。
五、总结
闸室是水利工程中的重要通行单位，是保障水资源综合应用以及航道资源保障的关键设施。其底板应力决定了相关设备的使用安全，并对坝体的整体质量监控具有积极意义。本文以此为背景，对闸室底板应力的计算模式进行了总结，并结合现阶段高效的有限元分析方式进行监测体系建立与分析。希望通过本文的研究能够为今后的相关体系建设提供必要指导。
参考文献
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论文作者:田旺
论文发表刊物:《电力设备》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/9
标签：应力论文; 底板论文; 剪力论文; 水闸论文; 过程中论文; 方式论文; 水流论文; 《电力设备》2017年第18期论文;