【關鍵詞】水利工程；水閘 

　　1 水閘的類型及組成 

　　1.1 水閘的發(fā)展和類型 

　　水利工程中，作為水工建筑物來說，除堤防外，閘壩工程出現(xiàn)得最早了�！端�經·濁漳水注》就有了相關記載。近代我國建造最早的閘壩工程是上個世紀30年代初陜西省規(guī)劃建造的“關中八惠”灌溉樞紐工程。到了上世紀50年代淮河上修建了很多水閘。隨著材料結構，特別是建材工業(yè)和設計施工技術的發(fā)展，大型水閘建造得越來越多，在防洪、灌溉、航運等發(fā)面發(fā)揮著重要作用。據(jù)統(tǒng)計，我國建國以來已建水閘已經超過3萬座，水閘面廣量大，是水利樞紐工程中必不可少的重要組成部分。 

　　水閘是一種具有擋水和泄水雙重作用的低水頭水工建筑物。它通過閘門的升降啟閉來控制水位和調節(jié)流量，在防洪、灌溉、排水、航運和發(fā)電等水利工程中應用十分廣泛。水閘型式分開敞式水閘和封閉（涵洞）式水閘兩類，按照其承擔的任務可分為進水閘，節(jié)制閘，分洪閘，排水閘，沖砂閘等。 

　　1.2 水閘的組成部分及其作用 

　　水閘：閘室是水閘擋水和泄水的主體部分。通常包括底板、閘墩、閘門、胸墻、工作橋及交通橋等。底板是閘室的基礎，承受閘室的全部荷載，并較均勻地傳給地基，此外，還有防沖、防滲等作用。閘墩的作用是分隔閘孔并支承閘門、工作橋及交通橋等上部結構。閘門的作用是擋水和控制下泄水流。胸墻是用來擋水以減小閘門高度。工作橋供安置啟閉機和工作人員操作之用。交通橋是為連接兩岸交通設置的。上游連接段：上游連接段的主要作用是引導水流平順地進入閘室，保護上游河床及河岸免遭沖刷并有防滲作用。一般有上游護底、防沖槽、翼墻及護坡等部分組成。上游翼墻的作用是引導水流平順進入閘孔并起側向防滲作用。鋪蓋緊靠閘室底板，其作用主要是防滲，應滿足抗沖要求。護坡、護底和上游防沖槽是用來防止進閘水流沖刷、保護河床和鋪蓋。 

　　下游連接段：下游連接段具有消能和擴散水流的功能。使出閘水流在消力池中形成水躍消能，再使水流平順地擴散，防止閘后水流的有害沖刷。下游連接段通常包括下游翼墻、護坦、消力池、海漫、下游防沖槽以及護坡、護底等。下游防沖槽（齒墻）是海漫末端的防沖保護設施。 

　　2 軟土地基水閘結構設計方法 

　　2.1 半解析法 

　　在一般的水閘結構設計中，可以采用截條法，將水閘結構簡化為彈性地基上的平面框架結構，采用半解析法進行計算。該法將上部桿系結構和平面地基看成兩個子結構。用剛性鏈桿代替底梁和地基之間的聯(lián)系。用桿系有限單元法求解上部結構底梁的單位位移，用解析法求解各種平面地基模型的單位沉陷系數(shù)，根據(jù)底梁和地基接觸面間的變形協(xié)調和整體平衡條件、建立求解地基反力的混合法典型方程，據(jù)此求出地基反力，再根據(jù)疊加原理，用有限單元法求解整個結構的位移和內力。 

　　在地基模型的實際應用中，必須注意其應用范圍，應當根據(jù)不同的地質條件選用。理論計算和現(xiàn)場測量表明，文克爾地基模型適用于地基可壓縮土層與基礎水平尺寸之比H/L<0.25的情況，半無限大彈性地基模型適用于地基H/L>1.5的土層，而在一般情況下都屬于有限深地基模型和多層地基模型。對于復雜的地基條件或進行加固后的地基一般要采用空間有限元法進行計算。 

　　平面水閘結構計算的半解析法充分利用了數(shù)值法和解析法的優(yōu)點，可以有效的考慮水閘閘墩、底板和地基的相互作用，適合于各種軟土地基上不同形式的水閘結構，可以方便的求出水閘設計時所關心的地基反力、結構的位移、軸力、剪力和彎矩，其計算結果可以直接用于結構配筋。 

　　2.2 有限元法 

　　有限元法是一種可以用來求解復雜工程問題的近似解的方法。該法在解決不同類型的應用科學和工程問題中的潛力逐漸被人們所認識，經過多年的發(fā)展，有限元法得到發(fā)展和完善，它被認為是有效求解各種實際問題的最好方法之一。在水利水電工程中有限元方法也得到了廣泛的應用。 

　　有限元法的基本思想是用一個簡單問題代替復雜問題后再求解。由于在求解中實際問題己經被較簡單的問題所替代。因此，只能求出近似解，而不是準確解。有限元法通�？梢酝ㄟ^多花費一些計算工作量來改善或改進近似解。在有限元法中，把求解域看成是由許多被稱為有限元的小的互連子域組成的。在有限元法中把結構近似分成若干元件，先對每一個元件或單元假定一個合適的近似解，然后推導結構總的平衡條件，滿足這些條件，就可以得到位移和應力的近似解。 

　　在有限元法中，把真實連續(xù)介質或物體表示為一些小部分的集合。這些單元可認為是在節(jié)點處彼此連接的。這些節(jié)點通常是位于單元的邊界上，并認為相鄰單元就是在這些邊界上與它相連接的。由于不知道介質內部的場變量真實的變化，因此，我們假設有限元內場變量的變化可以用一種簡單的函數(shù)來近似表示。這些近似函數(shù)可由場變量在節(jié)點處的值確定。當對整個連續(xù)介質寫出場方程組時新的未知量就是場變量的節(jié)點值。求解方程，得到場變量的節(jié)點值。一旦知道了這些節(jié)點值則可由近似函數(shù)確定整個單元集合體的場變量。用有限元法求解一般的連續(xù)介質問題時，總是依次逐步進行的。步驟1：把結構分割成許多單元，因而分析時，必須用適當?shù)挠邢拊獙⒔Y構模式化，并確定單元的數(shù)量、類型、大小和分布。步驟2：選擇適當?shù)牟逯的Ｊ交蛭灰颇Ｊ�。由于在任意給定的荷載作用下，復雜結構的位移解不可能預先準確的知道，因此，我們假設用單元內的一些適當解來近似未知解。從計算的觀點來看假設的解必須簡單，而且需滿足一定的收斂性要求。通常把解或插值模式取為多項式形式。步驟3：剛度矩陣和荷載向量的推導。步驟4：由集合單元方程得到總的平衡方程組。 

　　在用有限元法的基本原理分析水閘結構計算時，將整個水閘和地基作為一個整體，按照空間有限元方法對結構進行靜動力分析，采用直接濾頻法計算結構的自振特性，根據(jù)規(guī)范利用振型分解反應譜法進行抗震分析，并將空間應力轉換為符合工程設計要求和習慣的平面內力。這種模型可以有效地考慮閘墩、底板和地基的相互作用，可以方便地處理各種復雜的幾何條件、物理條件和荷載條件。所得到的靜力或動力計算結果可以比較精確的反映實際工程情況。但有限元計算復雜，對于基層設計人員較難掌握，對于重要的水閘結構和地基基礎條件復雜的，可按照這種模型進行空間靜動力計算或校核。 

　　3 樁基水閘結構設計方法 

　　水閘的深基礎是指樁基礎和沉井基礎。在軟基上建閘，如果天然的或者經過簡單處理的地基，其承載能力和穩(wěn)定性能滿足水閘運用的要求，一般都采用筏式基礎。在天然地基上不能滿足承載要求時必須采用深基礎。 

　�。�1）水閘擋水水頭很高，承受水平推力過大，地基的淺層抗滑穩(wěn)定性難以保證時，采用深基礎可以得到滿意的解決。

　�。�2）與水閘下游的防沖問題結合考慮。水閘底板下臥層有承載力高的堅實粘土層時，采用深基礎（特別是沉井基礎）坐落在持力層上，不僅可以減少下游的消能防沖工程量，也可以保證閘基的穩(wěn)定，在技術經濟上也是合理的。 

　�。�3）水閘要通航時，必須采用較大的閘孔跨度，在閘墩下采用深基礎，可以改善閘室中的底板受力條件，減少底板工程數(shù)量。 

　�。�4）水閘上部構造或者其它運用要求對基礎變形必須嚴格限制時，采用深基礎可以減小基礎的沉降和不均勻沉降。 

　　由于深基礎的施工技術和工藝比筏式基礎復雜，鋼材用量亦較多，在決定采用之前，必須從技術上和經濟上進行充分的論證。 

　　此外有試驗資料表明：（1）樁頂自由、樁長不同、其它條件相同的長樁，樁長（第一彎曲零點以下部分）對水平承載力影響不顯著。（2）其它條件相同樁頂有垂直荷載比無垂直荷載的水平承載力大25%左右。