黄河下游涵闸安全复核软件的研发

高 迪，齐 清，周兰庭，路志阳

(1.聊城黄河河务局， 山东 聊城 252000； 2.河海大学 水利水电学院， 江苏 南京 210098)

黄河下游涵闸安全复核软件的研发

高 迪1，齐 清1，周兰庭2，路志阳2

(1.聊城黄河河务局， 山东 聊城 252000； 2.河海大学 水利水电学院， 江苏 南京 210098)

涵洞式水闸作为取水输水工程中水闸的一种常见形式，在黄河下游得到了广泛的应用。在水闸安全评价工作中，其安全复核部分涉及内容多、过程复杂，需付出大量时间和精力。结合水闸安全复核的流程和实际工作中所涉及到的问题，依照现行强制性条文和最新规范，针对黄河下游涵闸进行了安全复核软件的初步研发。目前该软件可以对涵闸的防洪标准、渗流、闸室、机架桥、闸墩、涵洞及消能防冲进行安全复核，大大减少了人工工作量，提高了安全复核的质量和速度，这对水闸安全复核的现代化、科学化、高效化和规范化有着极大的促进作用。

黄河；涵闸；安全复核；软件研发

在岸堤较高、引(排)水流量不是很大的渠道上修筑水闸时，通常选用涵洞式水闸，这些水闸按照水力条件的不同又分为有压涵洞式水闸和无压涵洞式水闸。与其它类型水闸相比，涵洞式水闸具有结构简单，适应地基沉陷的能力较强，且与两侧堤防连接处不需要减载措施、施工方便等特点，使得其广泛的应用在了取水、输水工程中[1]。在黄河下游，已修建了近二百座涵洞式水闸，这些建在大堤上的穿堤建筑物，具有防洪标准和建筑物等级高、基础软弱、闸室段结构复杂、洞身较长和侧向引水等特点[2-3]。

而在2015年1月21日，水利部发布了最新的《水闸安全评价导则》[4](SL 214—2015)，取代先前的《水闸安全鉴定规定》[5](SL 214—98)，并已于2015年4月21日正式开始实施。其中，水闸的安全复核部分得到了进一步的规范和调整，这对以后的水闸安全复核工作提出了新的要求。

1 软件研发目的

水闸安全复核是在水闸运行了一定年限之后，结合水闸现状调查和安全检测的情况，对其整体进行安全复核[6]。在水闸安全复核中，水闸的地基条件、结构形式及选用材料等均已固定[7]，故其不同于水闸设计，而是一个验证已有结构是否满足规范要求的过程，这与设计流程是相反的，相关理论、程序等并不完全通用，目前这方面的相关研究较少。但在实际工作中，水闸安全复核部分步骤繁琐，重复性工作较多，对安全复核软件化、电子化有着迫切的需求。

本研究旨在以黄河下游涵闸为基础，选用合理的复核方法，并参照最新规范开发搭建出一套具有实用性、规范性、便捷性的安全复核软件。该软件将大大减少安全复核部分的人工工作量，提高安全复核的质量和速度，对促进水闸安全复核现代化、科学化、高效化、规范化有重要意义。

2 软件的结构设计

安全复核软件以Windows操作系统作为平台，并选择Visual Basic 6.0作为开发工具进行软件研发。软件依照最新规范共设防洪标准复核、渗流安全复核、结构安全复核、抗震安全复核、金属结构安全复核和机电设备安全复核6个子窗体。软件的主体框架见图1。

图1 软件主体框架图

3 软件的功能实现

软件的研发参照了《水闸安全评价导则》[4](SL 214—2015)、《水闸设计规范》[8](SL 265—2001)、《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》[9](SL 482—2011)、《水工混凝土结构设计规范》[10](SL 191—2008)等多项规范和资料，将水闸安全复核方法转换为程序语言。由于篇幅原因，对水闸安全复核的计算理论、原则以及程序语言的编写不再详述。

在软件的设计过程中，始终遵循着“边设计边论证”的设计思路。在完成某一阶段的工作之后均代入实际工程数据，观察软件是否能正常运行，同时将所得数据、结论与《水闸安全复核报告》中先前复核所得结果进行对照，当两次结果差别较大时及时寻找原因，反复调试，只有二者基本一致时方进行下一步的设计。经初步开发，目前防洪标准、渗流安全和结构安全三个部分的设计工作基本完成，软件已集防洪、渗流、闸室稳定、机架桥、闸墩、涵洞、消能防冲等多个要素和构件的安全复核于一体，将先前复杂、繁琐的复核工作都整合到软件中，并实现了各个部分间的数据共享，提高了数据输入效率。下面以黄河支流沁河上的石荆闸为例，对软件展开介绍。

3.1 工程基本资料

石荆闸为沁河上的引水闸，位于河南省焦作市武涉县西陶乡石荆村西北，沁河右岸大堤桩号54+934处，结合当年引沁灌溉情况，并根据地方水利局的灌区规划，设计流量提高到2.00 m3/s，设计灌溉面积1396.67 hm2。该闸设计为单孔钢筋混凝土箱型涵洞结构，经水力计算，闸底板高程为102.00 m(黄海系，下同)，闸前灌溉引水水深1.00 m，闸孔净宽1.30 m，洞高考虑河滩淤积及净空需要，定为 2.00 m。闸室段长10.00 m，涵洞分四节，每节8.00 m，共长32.00 m。根据防渗需要，闸前设12.00 m长防渗铺盖，上游渠道干砌石护坡长5.00 m，下游消能建筑物长26.00 m，上下游连接建筑物均为浆砌石结构，建筑物总长85.00 m。

该闸为1级建筑物，设计防洪水位108.20 m，校核防洪水位109.20 m，设计灌溉水位103.00 m，设计流量2.0 m3/s，边墩厚0.50 m，建筑物总宽2.30 m。

闸室底板顺水流方向长10.00 m，边墩长10.00 m，墩顶高程106.40 m，前段有工作门槽，上部有机架桥，桥面高程109.80 m。

上游黏土铺盖长12.00 m，黏土厚度为0.60 m，上游干砌石护坡5.00 m。

下游消力池起始为1∶2.3斜坡段，长5.00 m，表层为0.20 m厚的混凝土，其下为0.50 m厚浆砌石。后接消力池，长8.50 m，底板高程均为100.70 m。浆砌石及干砌海漫各长9.50 m，高程为101.20 m，最后有3.00 m长抛石槽。闸下游两侧为浆砌石翼墙及扭坡，以浆砌石裹头与两岸连接，墙顶高程103.20 m。

闸室上游黏土铺盖与浆砌石挡土墙后回填黏土连成一体，从上游向上游延伸12.00 m，地下不透水轮廓线总长59.73 m。

3.2 防洪标准复核

在防洪标准复核子窗体中(见图2)，共分洪水标准复核、闸顶及堤顶高度复核、过流能力复核三部分。在该界面输入目标水闸相关参数，软件经过运算、分析后，输出结果并显示相应结论。其中，在白色文本框填入相关数据，点击“确定”按钮后，其它文本框分别显示计算结果和相关结论，且二者均不可编辑。

图2 防洪标准复核界面

3.3 渗流安全复核

在渗流安全复核子窗体中(见图3)，共分为基础防渗排水布置复核和渗流稳定复核两部分[11]。考虑到通过改进阻力系数法对水闸进行渗流安全复核需要进行大量的数据输入，且运算复杂繁琐[12-13]，故在渗流安全复核子窗体的设计中采用了“软件+Excel表格”的模式，事先设计好表格模板，利用软件对Excel表格的读写功能，并在白色区域补充相关数据后，即可得到所需的“水平段渗流坡降计算结果汇总表”和“出口段渗流坡降计算结果表”见图4、图5。

图3 渗流安全复核界面

3.4 闸室安全复核

结构安全复核部分包括闸室、机架桥、闸墩、底板、涵洞和消能防冲六部分，故在结构安全复核子窗体中采用了“选项卡控件(SSTab)”，将6部分的复核内容放在了一个包含6个页面的SSTab控件中(见图6)。

闸室安全复核分检修期、设计洪水位、校核洪水位和设计引水位4个计算工况，闸室稳定通过分块统计的思想，对闸室进行荷载统计，最后求出合力和合弯矩，从而再得出所需的各指标[14-15]。该部分仍采用了“软件+Excel表格”的模式，在软件界面对闸底板的形心位置进行计算，求出其形心位置，再通过事先设计好的表格模板，得到所需的“闸室基底应力计算结果表”和“抗滑稳定系数计算成果表”，从而完成闸室的安全复核工作，见图7、图8。

图4 水平段渗流坡降计算结果汇总表

图5 出口段渗流坡降计算结果表

图6 闸室安全复核界面

3.5 机架桥、闸墩、涵洞安全复核

机架桥、闸墩和涵洞的安全复核(见图9～图11)主要通过“单宽截面法”对构件各工况下的正截面最大裂缝宽度、抗弯承载力、抗压承载力及斜截面抗剪承载力进行复核[16-19]。通过输入构件和相应截面的尺寸、混凝土及配筋等信息，即得到构件的正截面最大裂缝宽度、抗弯承载力、抗压承载力及斜截面抗剪承载力等指标，将其与截面的内力最大值对比后输出相应结论。

3.6 消能防冲复核

消能防冲复核界面(见图12)分为消力池复核和海漫长度复核两部分，输入相关数据后，软件通过求解三元一次方程

(1)

图7 闸室基底应力计算结果表

图8 抗滑稳定系数计算成果表

图9 机架桥安全复核界面

4 结 语

本软件选择Visual Basic 6.0为开发工具，可在Windows环境下运行，共设防洪标准复核、渗流安全复核、结构安全复核、抗震安全复核、金属结构安全复核和机电设备安全复核6个子窗体，目前防洪标准复核、渗流安全复核和结构安全复核三个部分的设计已基本完成。软件界面清晰直观、输入方便，其运行结果和所输出结论也具有一定的可靠性，可在黄河下游涵闸的安全复核工作中逐步对其加以运用。

图10 闸墩安全复核界面

图11 涵洞安全复核界面

图12 消能防冲复核界面

但水闸的安全复核涉及到水文、地质、结构等多方面的内容，同时水闸结构复杂、构件较多，目前通过单一软件很难解决所有类型水闸的安全复核问题，所研发的软件当前也只能解决黄河下游涵闸安全复核中的部分问题，今后还需在很多方面作进一步的研究，比如增设闸室底板的安全复核、抗震安全复核、图形处理等部分，从而不断完善软件的功能，并逐步提高其适用性，使其能针对更多类型的水闸展开安全复核工作。

[1] 熊启钧.涵洞[M].北京:中国水利水电出版社,2006:3.

[2] 尚 锋,周益民,陈书涛,等.黄河下游涵闸基坑的主要工程地质问题[J].岩土工程学报,2006,28(S1):1785-1788.

[3] 吴韵侠,郑兰霞,吴汉雄.黄河下游引黄涵闸运行养护技术研究与应用[J].水利水电技术,2010,41(12):82-84.

[4] 中华人民共和国水利部.水闸安全评价导则：SL 214—2015[S].北京：中国水利水电出版社，2015.

[5] 中华人民共和国水利部.水闸安全鉴定规定：SL 214—98[S].北京：中国水利水电出版社，1998.

[6] 宋志权.水闸安全鉴定技术研究与实践[D].郑州：郑州大学,2012.

[7] 孙琪琦.水闸安全检测与评价[D].南京：河海大学,2006.

[8] 中华人民共和国水利部.水闸设计规范：SL 265—2001[S].北京：中国水利水电出版社，2001.

[9] 中华人民共和国水利部.灌溉与排水渠系建筑物设计规范：SL 482—2011[S].北京：中国水利水电出版社，2011.

[10] 中华人民共和国水利部.水工混凝土结构设计规范：SL 191—2008[S].北京：中国水利水电出版社，2008.

[11] 李杨红.水闸计算机辅助设计及闸基渗流研究[D].南京：河海大学,2005.

[12] 毛昶熙,周保中.闸坝地基渗流计算的改进阻力系数法[J].水利学报,1980(5):51-59.

[13] 顾小芳.水闸渗流计算方法分析研究[J].中国农村水利水电,2012(8):137-139.

[14] 许 萍,夏友明.水闸闸室抗滑稳定可靠度校核方法探讨[J].工程力学,1998,15(2):123-128.

[15] 董建华,张 林,杨宝全,等.复杂地基上重力坝深层抗滑稳定降强法试验研究[J].水利与建筑工程学报,2014,12(4):72-76.

[16] 赵羽习,金伟良.正常使用极限状态下混凝土结构构件可靠度的分析方法[J].浙江大学学报(工学版),2002,36(6):674-679.

[17] 张玘璐,王立成.裂纹尺寸对混凝土抗压强度的影响规律和动态断裂韧度计算方法研究[J].水利与建筑工程学报,2014,12(6):26-31.

[18] 薛伟辰,郑乔文,杨 雨.FRP筋混凝土梁正截面抗弯承载力设计研究[J].工程力学,2009,26(1):79-85.

[19] 王 峥.钢筋混凝土梁斜截面受剪承载力研究[D].西安:西安建筑科技大学,2012.

[20] 陈立新,聂世虎,王子朝.水闸消力池深度与长度计算中应注意的问题[J].水利技术监督,2005,13(4):16-19.

[21] 张志昌,李若冰.基于动量方程的挖深式消力池深度的计算[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2012,40(12):214-218.

Development of a Safety Check Software Applicable to Culvert Sluice Located in the Downstream of the Yellow River

GAO Di1, QI Qing1, ZHOU Lanting2, LU Zhiyang2

(1.LiaochengBureauofYellowRiver,Liaocheng,Shandong252000,China；2.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu210098,China)

As a common form of sluice in water diversion project, the culvert sluice has been widely used in the downstream of the Yellow River. In its safety assessment, safety check contains many contents thus its process is very complicated and usually takes a lot of time and energy. In this paper a safety check software for culvert sluice located in the downstream of the Yellow River is preliminarily developed in accordance with the existing mandatory provisions and the latest specifications. The software can complete the safety check of flood control standard, seepage, lock chamber, frame bridge, pier, culverts and energy dissipation, thus manual work was reduced greatly. Meanwhile quality and speed of the safety check are improved greatly as well. And the software is helpful for promoting modernization, scientific, high efficiency and standardization of the safety check for culvert sluice.

Yellow River; culvert sluice; safety check; software development

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.044

2016-12-07

2017-02-06

国家自然科学基金项目(51209078)

高 迪(1992—)，男，山东聊城人，硕士，主要从事水工结构、水闸的研究工作。 E-mail：1058260494@qq.com

TV66

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1672—1144(2017)02—0230—07