TRIZ创新方法在软基水闸消能工布置中的应用

李春贵，吴 辉，周盛侄

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

水闸是建在河道、渠道及水库、湖泊岸边，具有挡水和泄水功能的低水头水工建筑物。关闭闸门，可以拦洪、挡潮、抬高水位，以满足上游取水或通航的需要；开启闸门，可以泄洪、排涝、冲沙、取水或根据下游用水需要调节流量。在平原河网以及滨海地区常见的是节制闸和排涝挡潮闸，其中河床底质往往是比较松散的河相沉积物或海相沉积物，比较常见的有粉砂或淤泥质粉砂，也有些是砂砾石层，总体抗冲能力差，因此要求闸下设置消能设施，包括消力池、护坦、海漫、防冲槽等。在实际工程运行中，常常遇到这样的问题，受建设条件限制，不允许修建多级消力池和布置长距离的护坦和海漫，也时有发生闸下损毁现象，危及工程安全。

对于上述问题，技术人员通常通过查阅规范、论文文献、请教专家或头脑风暴等方法寻求解决思路。本文运用TRIZ创新方法，希望可以打破思维定势，快速聚焦所要解决的技术问题，高效地得出解决方案。

2 TRIZ创新方法简介

TRIZ是前苏联发明家阿奇舒勒所创的“发明问题解决理论”的拉丁文缩写，是当前最高效的实用性创新方法之一。TRIZ理论认为，很多原理和方法在发明过程中是重复使用的；技术系统的进化和发展并不是随机的，而是遵循一定的客观趋势。应用TRIZ理论来解决技术问题，可以直接采用系统化的思维方式和结构化的工具来构建解决方案[1]。

3 创新方法运用

运用TRIZ创新方法解题的基本思路和步骤见图1。

图1 TRIZ解决问题的基本思路图

针对本文提出的“水闸闸下冲刷”问题，运用TRIZ创新方法，按图1的解题步骤，具体如下。

3.1 具体问题转化为典型问题

对拟解决的问题进行准确的定位和描述。首先，确定问题发生的技术系统（即现有系统）。技术系统是为了实现某种目的或某种功能而人为制造出来的，由多个组件组成的集合。根据背景交代，把闸门、闸墩、底板、消力池、水等所有相关因素按照相互作用的关系联系在一起，构成待解决问题所在的技术系统—水闸泄水系统。采用“SVOP”结构即“技术系统+动作+作用对象+参数”对问题进行准确的描述，将问题描述为“水闸泄水系统控制水闸泄水对闸下的冲刷力度”。由背景资料可知，水闸泄流的冲刷力太大，导致闸下河床的破坏。因此，拟解决问题的目标设定为“减少水闸泄水对闸下的冲刷力度”。

3.2 运用TRIZ工具得到典型问题的解决方案

（1）构建一个新系统，并用新系统替代现有系统以解决存在的问题。

理想度=有用功能之和/（负面功能之和+成本之和） （1）

根据（1）式，按照理想度最大化的目标要求新系统：水闸的泄流作用最大，但水流对基础的冲刷作用最小，成本最小。

（2）资源分析。通过对现有系统及相关的资源及资源参数的充分挖掘和分析，找出解决问题的可能思路。要求新系统尽可能利用现有资源，不增加新的资源。对于一座运行中的水闸，具有的资源见表1。

表1 现有系统资源分析表

通过分析发现，水流动能是泄流必不可少的资源，同时，过多的水流动能又会造成基础的冲刷破坏。因此，从如何让水的动能发挥泄流作用、而降低冲刷作用作为解决问题的一个切入点。此外，水闸闸墩、底板这些常规上都是实体的钢筋混凝土占据的空间，也可以进一步挖掘利用。

（3）系统功能分析。把组成现有系统的各部分相互作用的组件绘制成系统功能模型图（见图2）。通过系统功能模型图可以看到，消力池的消能作用不足，导致消能后的水流速度和动能有所下降但还是有很大的冲刷力，容易造成闸下的冲刷破坏。

图2 系统功能模型图

（4）因果链分析。对现有的系统从问题的结果出发向原因进行层层剖析，并绘制因果链分析图（见图3）。经分析得出，下泄水流流速过大和基础松散、抗冲能力差是造成基础破坏的主要原因。对于基础松散抗冲能力差的问题，现已有在闸下部采用更深的桩基础以及浇筑混泥土护坦的解决方案，这是从加强基础的角度来解决，本文拟从另一个方面，即削减下泄水流动能的角度予以解决。

图3 因果链分析图

（5）矛盾分析。通过前面分析的结果不难发现，为了快速排水，水闸泄流需要流速大，会对闸下基础造成冲刷破坏。这在TRIZ里面是一个技术矛盾，可以通过查矛盾矩阵来求解（由于篇幅原因，本文对技术矛盾求解不再展开）。同时，还可以看出，为了快速排水，水闸泄流需要流速大，为减少泄流对闸下基础的冲刷破坏，水闸泄流需要流速小，也就是对“流速”参数而言，既要“大”又要“小”，这在TRIZ里面构成了一个物理矛盾，即对一个事物的同一个属性提出相反的要求。解决物理矛盾要用分离原理，包括空间分离、时间分离、条件分离、系统分离几种形式。

综合前面的分析，利用空间分离的原理，并充分利用现有系统已有的资源，包括水、闸墩空间等，按照理想度最大的目标，构建了2个概念方案。概念方案1：通过下泄水流对冲的方式来消能；概念方案2：利用下泄水流部分反冲消能（TRIZ里面可利用的工具很多，得出的解决方案也很多，本文只选用了其中几种）。

3.3 解决方案及评价

3.3.1 方案1：水闸泄流对冲消能布置方案

2个泄水闸构成一组，两两相对布置，向上游水体内凸出。闸门下游侧为较短的泄流槽，泄流槽尽头与导流槽相接。导流槽向排出口方向小角度倾斜。泄流时，相对的2个水闸同时开启，下泄水流在底部对冲消能，再从导流槽汇流排出。当从导流槽排水的水流流速仍然较大时，可在导流槽下游再设置一个消力池，经过消力池二次消能后排出。图4为方案1水闸布置俯视图（箭头所示为水流方向）。

图4 水闸布置俯视图（方案1）

3.3.2 方案2：利用泄流部分反冲消能的方案

本方案与普通闸门不同之处在于，在左右两侧闸墩内部建有排水通道，排水通道上游进口始终埋设在水面以下，采用闸阀控制，排水通道在泄水槽导墙内部埋设或沿着泄水槽导墙外侧铺设，排水通道下游端通过弯管与底板下游端内埋设的管槽相连，管槽向上游侧开口。泄流时，排水通道进口的闸阀略早于闸门开启，经过排水通道的水流通过弯管后进入底板下游端内的管槽，高速水流从管槽开口处向上游方向冲出，与经过泄流槽下泄的水流对冲，使得下泄水流的动能大幅消减，当水流流速仍然较大时，可在导流槽下游再设置一个消力池，经过消力池二次消能后排出。图5为方案2水闸布置俯视及断面图。

图5 水闸布置俯视及断面图（方案2）

3.3.3 方案评价

从可行性上看，方案1占地较大，适用于河道开阔、原本就布置多个排水闸的情形，不适用单一水闸的情形。另外，闸门不是正对迎水面布置，可能会一定程度上影响排涝能力。方案2所需空间与原有的设计方案相比基本不变，适用性更广泛。从造价投资和施工难度上看，方案1基本不变，方案2略有增加。由于没有具体应用案例，具体的消能效果以及工程参数，需要通过结构计算和模型实验进一步验证。

4 结 语

本文运用TRIZ创新方法，尝试对软基水闸消能工布置问题进行探讨，得出的方案具有削减水闸泄流动能的效果，对减小水闸排涝导致闸下冲刷问题具有一定的创新性和实用性，一定程度上可为减少软基水闸排涝导致的闸下冲刷过大的问题提供借鉴。而且提出解决方案的时间短、资源消耗少，体现TRIZ创新方法解决问题上快速、准确、高效的优势。