《Sustainability》：Hydraulic and Structural Numerical Assessment of a Smart Rubber and Steel Movable Weir for Selective Gate Operation
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常规全跨活动堰在泄放泥沙或漂浮物时可能需要完全降下，这会削弱上游水位控制能力并限制运行效率。本研究通过采用环境流体动力学代码（EFDC）与MIDAS Civil构建的单向耦合液压-结构框架，评估了一种可实现选择性闸门操作的智能橡胶与钢（SRS）组合式活动堰。研
常规全跨活动堰在泄放泥沙或漂浮物时可能需要完全降下，这会削弱上游水位控制能力并限制运行效率。本研究通过采用环境流体动力学代码（EFDC）与MIDAS Civil构建的单向耦合液压-结构框架，评估了一种可实现选择性闸门操作的智能橡胶与钢（SRS）组合式活动堰。研究分析了四种闸门操作情景以及0.5、1.0、1.5和2.0 m四种闸门高度，以表征流量再分布、液压荷载、闸门响应、纵向肋板性能以及锚栓、夹板和气囊系统的安全性。选择性降下操作显著改变了流量分布，其中侧闸降下产生最不利工况，在2.0 m闸门高度下最大流速较全升状态增加约267%。液压需求强烈集中于降下闸门及其相邻升起跨段附近，尽管控制性静力荷载仍以静水压力为主导。肋板对比研究表明，通过增设纵向加劲肋重新分配刚度可在不单纯依赖增加板厚的情况下降低应力和变形，而所有构件层面的静力校核均满足所采用的安全准则。结果表明，将跨段特异性水力再分布与结构响应相结合，为河流基础设施的结构安全与材料高效设计提供了实用依据。
# 智能橡胶与钢组合式活动堰选择性闸门操作的液压与结构数值评估：研究解读
## 1. 研究背景与问题提出
活动堰作为河流中的控制性水工建筑物，承担着发电、防洪及水资源调配等功能。然而，传统固定堰和全跨式活动堰在运行中面临一个核心矛盾：当需要泄放泥沙或漂浮物时，往往必须将整个堰体完全降下，这会导致上游水位控制能力显著下降，即使泥沙仅在局部河段积聚，也不得不牺牲全断面的挡水功能。此外，细颗粒泥沙的长期淤积会引发水质恶化、污染物迁移、栖息地改变及河流生态胁迫等一系列问题。在受调控的河流中，泥沙输移的中断还会减少有效库容、改变河道形态，进而降低水控基础设施的长期功能。因此，现代河流控制结构不仅需要具备良好的水力性能，更需发展能够在维持稳定挡水条件的同时有效释放淤积泥沙的运行策略。
针对这一需求，智能橡胶与钢（Smart Rubber and Steel，SRS）组合式活动堰通过独立控制支撑各闸跨的气囊，实现了选择性泄流。通过调节内部气压，可在漂浮物或泥沙积聚的局部位置单独降下对应闸跨，从而避免常规活动堰全降带来的上游水位大幅降低。然而，选择性闸门降下可能产生集中水流、不对称水荷载以及局部结构需求，这些效应无法仅通过水位控制来充分评估。已有研究表明，即使泄流量或水位条件相近，水工结构周围的局部流态也可能显著不同，进而影响冲刷、振动和运行安全。因此，必须针对不同选择性运行工况，系统评估闸门本体、纵向加劲肋、锚栓、夹板及气囊系统的结构安全性。
尽管已有研究分别从水力学和结构力学角度对活动堰进行了探讨，但将独立控制混合橡胶-钢闸跨的选择性操作与三维跨段特异性水荷载及后续结构评估直接耦合的数值研究仍然有限。多数研究将闸门操作视为纯水力学问题，较少关注单个闸跨降下如何导致三维水荷载在降下闸跨与相邻闸跨之间重新分布，并如何传递至结构构件。此外，河流基础设施的可持续性不仅取决于水力功能，还涉及材料高效的结构设计、构件可靠性、维护需求及使用寿命。加劲板研究表明，加劲肋布置对应力分布、抗屈曲能力和结构重量有显著影响，表明合理的肋板配置可成为增加板厚的材料高效替代方案。因此，本研究旨在通过耦合环境流体动力学代码（EFDC）与MIDAS Civil结构分析，填补选择性操作下跨段特异性水动力荷载与构件级结构响应之间的研究空白。
## 2. 研究内容与技术方法
研究人员采用EFDC（EFDC+ 版本12.5，DSI LLC，美国）进行三维水动力模拟，获取四种选择性闸门操作情景下的流速和水位分布，进而通过冲量-动量关系推导作用在各闸跨上的水流诱导外力。随后，将计算得到的水力荷载（包括静水压力、闸门自重分量及水流诱导力）作为等效静力荷载输入MIDAS Civil 2026（MIDAS Information Technology Co., Ltd.，韩国）进行结构分析，评估闸门板、纵向肋板、锚栓、夹板及气囊系统的安全性能。河流条件基于韩国河川目录及水资源信息系统（WAMIS）的流量历时数据设定，模型河长150.0 m（堰上游75.0 m，下游75.0 m），河宽25.0 m，底坡0.004，恒定流量0.146 m3/s（代表普通径流条件）。四种情景包括：情景1为全部五跨升起（基准状态）；情景2为中心闸降下（Gate 3降下）；情景3为侧闸降下（Gate 1降下）；情景4为双侧闸降下（Gates 1和5降下）。结构模型考虑了四种纵向肋板配置（8EA-10 mm、8EA-20 mm、9EA-10 mm、10EA-10 mm），以比较肋板数量与板厚对结构效率的影响。锚栓、夹板和气囊的构件级安全校核采用基于许用应力法和静力力矩平衡的简化程序。
## 3. 主要研究结果
### 3.1 闸门操作情景下的水流特性
EFDC模拟结果显示，闸门操作情景对SRS堰附近的流型和流速分布具有显著影响。全升情景（情景1）下，上游来流均匀分布并溢流通过堰体，最大溢流流速从2.0 m闸高时的0.448 m/s降至0.5 m时的0.363 m/s。中心降下情景（情景2）中，水流集中向河道中心并经由降下的Gate 3泄放，2.0 m闸高时最大流速达1.153 m/s。侧闸降下情景（情景3）中，水流集中于右岸并经由降下的Gate 1泄放，在所有情景中产生最高最大流速，2.0 m闸高时为1.646 m/s。双侧降下情景（情景4）中，入流分流至两侧降下闸跨，最大流速为1.309 m/s（2.0 m闸高）。情景3被确定为最不利流速条件，对后续外力及结构安全评估具有控制性意义。
### 3.2 作用于SRS闸门上的外力分布
基于EFDC速度场通过冲量-动量法推导的外力分布表明，全升状态下各闸跨上的力分布相对均匀；而一旦引入选择性降下，力分布强烈集中于降下闸门相邻的升起闸跨上。情景3（侧闸降下）中，Gate 1附近水流集中使相邻的Gate 2承受最大外部力；情景2（中心降下）产生对Gate 2和Gate 4的对称集中；情景4（双侧降下）则将附加需求分配至与降下侧闸相邻的内部闸跨。尽管情景3在1.5 m闸高时产生最大局部外力（50.88 N），但由于静水荷载随闸高增加，2.0 m闸高工况产生最大的组合结构荷载，故被选为控制性荷载工况。该工况下静水荷载为179.10 kN，自重分量2.20 kN，水流诱导力4.94 kN，总荷载186.25 kN。
### 3.3 纵向肋板配置对结构响应的影响
通过对比四种肋板配置的反应力、弯矩、位移和应力，研究发现：8EA-10 mm配置产生最大弯矩需求（Mxx最大5.11 kN·m/m，Myy最大3.80 kN·m/m）和最大位移（17.58 mm）及最大应力（309.54 MPa）。将板厚从10 mm增加至20 mm（8EA-20 mm）可降低弯矩、位移（10.92 mm）和应力（179.49 MPa），但这是通过加倍板厚实现的材料代价。相比之下，在10 mm板厚条件下增加肋板数量（从8EA增至9EA和10EA）显著降低了Myy弯矩需求（从3.80降至2.64和2.27 kN·m/m），同时位移分别降至15.97 mm和13.51 mm，应力降至281.97 MPa和246.28 MPa。所有配置均满足ASTM A572 Grade 50钢的345 MPa屈服强度准则，但8EA-10 mm的应力利用率高达89.72%，剩余应力储备仅10.28%。综合比较，9EA-10 mm配置在应力安全、位移控制和肋材效率方面达到平衡，被选为优选方案。
### 3.4 构件级结构安全评估
**锚栓安全**：将每闸跨总荷载换算至单根锚栓后，各闸高下锚栓承受的荷载从7.45 kN（2.0 m）降至1.02 kN（0.5 m），对应安全系数介于6.77至49.49之间，均大于目标安全系数3.0。锚栓拉力校核考虑了设计荷载引起的拉力（2.98至0.41 kN）和螺母拧紧引起的拉力（恒定49 kN），总轴向拉力为51.98至49.41 kN，拉应力为147.25至139.96 MPa，拉应力安全系数为3.53至3.71，满足要求。
**夹板安全**：夹板总弯矩由拧紧弯矩（恒定110.25 kN·cm）和设计拉力弯矩（2.0 m闸高时13.41 kN·cm，0.5 m时1.83 kN·cm）组成，总弯矩从123.66降至112.08 kN·cm，相应最大弯曲应力为13.49至12.23 MPa，安全系数为15.57至17.17，远高于3.0的筛选准则。
**气囊内部压力**：基于静力矩平衡计算的气囊内部压力需求，随闸高降低而减小：总倾覆力矩从2.57 kN·m（2.0 m）降至0.18 kN·m（0.5 m），所需内部压力从0.073 MPa降至0.005 MPa，远低于气囊增强织物强度17.65 MPa（180 kgf/cm2），表明气囊阻力充足。
## 4. 讨论与结论
讨论部分指出，选择性闸门操作引起的水流集中效应与现有文献中关于可动闸门的水力行为研究一致，但侧闸降下产生的非对称收缩和近岸射流可能增加相邻岸坡及下游河床的冲刷易感性，需通过形态动力学模型或物理实验进一步验证。在材料效率方面，通过优化肋板布置而非单纯增加板厚，可实现结构性能提升与材料节省的双重目标，符合降低隐含碳的可持续设计理念。构件级安全校核确认了锚栓、夹板和气囊在评估工况下的充分安全性，但需注意这些静力校核仅为强度验证，不能预测构件使用寿命，未来应补充疲劳、预紧力变化、气囊老化及耐久性研究。
研究结论可概括为：（1）选择性闸门操作产生强烈非均匀水荷载，且水流集中效应延伸至降下闸跨相邻的升起闸跨，分段式活动堰设计应考虑跨段特异性荷载；（2）侧闸降下情景产生最不利水力需求，非对称操作导致最大外力条件；（3）通过增设纵向加劲肋而非单纯增加板厚，可有效降低应力与变形，肋板布置与板厚应协同优化；（4）闸门整体安全需辅以构件级荷载传递路径验证，锚栓、夹板和气囊应单独评估；（5）研究结果支持SRS活动堰在所分析静力条件下的结构可行性，但实际应用需考虑场地特定水力条件、连接行为、重复操作、耐久性及数值不确定性。该耦合框架为连接选择性闸门操作与跨段特异性水荷载及构件级结构响应提供了实用基础，未来可通过网格收敛分析、瞬态双向耦合、非线性接触建模及物理或现场验证进一步拓展。
本研究发表于《Sustainability》期刊。
