闸室一般由闸底板、闸墩、启闭机台、交通桥等结构物所组成。在其上下游及左右两侧分别为进、出口段及岸边联接建筑物。设置闸孔及闸门以控制水流的水闸主体段。

溢洪道闸室为常用水工结构，主要由过水堰体和闸墩组成，此外还有其他一些关键部位，如牛腿、吊孔等。闸室的体形设计是闸室整体设计的主要内容，其尺寸直接影响结构的安全稳定以及工程投资。闸室结构厚重则安全，但无疑增加了工程投资; 而结构过于单薄，工程投资相应减少，结构安全又受到影响。

所以，安全经济是对闸室结构体形优化的前提。在以往的闸室结构优化分析中，常以结构满足稳定、应力、抗裂等为约束条件，使工程造价(或工程量) 最小为目标建立多变量单目标的优化数学模型，并结合ANSYS 等有限元分析软件，确定闸室结构各构件尺寸，得到安全经济的结构体形。闸室堰体作为闸室重要组成部分，其厚度不仅决定了地基开挖量和堰体的混凝土浇筑量，而且对闸室上部各构件的应力有着较大影响。溢流堰体较厚，对防冲蚀和结构的抗振有利，但相应地增加了工程投资；若堰体较薄，工程投资相应减少，但可能产生结构冲蚀和振动方面的问题。对关键部位牛腿来讲，当开挖量增大时，溢流堰体较厚，削弱牛腿部位应力集中；若开挖量减小，堰体较薄，可能引起牛腿部位过大的应力集中。在以往的文献中鲜见在闸室结构主要构件(如闸墩、牛腿及吊孔等)尺寸确定的前提下，单独对闸室堰体厚度进行优化分析。鉴于此，在确定某溢洪道闸室结构主要构件尺寸的前提下，以地基开挖量为变量，以闸室牛腿吊孔等关键部位的应力最小为目标函数，建立单变量多目标的优化数学模型，采用分层序列法研究地基开挖量(直接影响堰体厚度)的变化对上部结构关键构件应力影响，检验闸室结构各关键构件的应力是否满足规范要求，并获得较为经济安全的堰体体形尺寸。

某水电站溢洪道闸室为2 孔整体开敞式结构，长36.0 m，宽31.0m，高33.0～36.5m；闸孔采用低实用堰过流，堰顶高程631.5m，闸顶高程651.0m，中墩、边墩厚均为3.0m；孔口尺寸11.0m×16.0m(宽×高)，每孔设1扇弧形工作门，采用闸顶液压式启闭机启闭；溢流堰堰面采用“WES”型曲线，曲线方程为y =0.046 117175x1.85，堰顶上游面由3段圆弧组成，堰顶下游接反弧段，反弧半径40. 0m，圆心角22°38'31″；因水库为年调节水库，其水位每年至少有2～3个月时间低于堰顶高程，故不设检修门。

设计洪水重现期100年，校核洪水重现期2000年，建筑物场区地震基本烈度为VI度(根据《水工建筑物抗震设计规范》(SL 203—1997)，不考虑地震荷载) 。

为获得安全经济的堰体结构，根据工程经验，提出以下6种堰体体形方案：

① 方案1：闸室上游建基面高程618.000m，下游建基面高程614.500m，堰体宽度11m。

② 方案2：在方案1基础上，将闸室上游建基面抬高1m，下游建基面高程保持不变，沿闸室底部1∶2的斜坡面的垂直方向削去1m，同时抬高闸室堰前底板高程至623.500m。

③ 方案3：在方案2基础上，将闸室上游建基面抬高1m；沿闸室底部1∶2的斜坡面的垂直方向削去1m，并将闸室堰前底板高程抬高至624.500m。

④ 方案4：在方案3基础上，将闸室上游建基面抬高1m，并将闸室堰前底板高程抬高至625. 500m。

⑤方案5：在方案1基础上，闸室上游建基面保持不变，将闸室堰前底板高程降低至617.000m。

⑥方案6：在方案5基础上，闸室上游建基面保持不变，将闸室堰前底板高程降低至616.000m。

利用有限元软件ANSYS建立溢洪道闸室结构几何模型并进行网格划分。几何模型的坐标原点为右边墩右侧面和溢流堰堰面(WES 堰形曲线) 的闸门槽交线(高程为631. 249 m) ，X 向为顺闸室水流方向，Y向铅直向下，Z向为垂直闸室水流方向且指向左岸。闸室和地基单元类型均采用8节点空间BRICK等参单元，单元的分布充分考虑了应力梯度大小的变化；划分后的有限元网格模型的单元总数为127158个，节点总数为149452个。

有限元模型地基底面为三向约束，上、下游面和侧面均为法向约束; 闸室右边墩兼作大坝挡墙，左边墩与山岩垂直相接，闸室两边墩外侧均为法向约束。闸室在水面以下且与水接触部位，自水面起竖直向下施加梯度荷载，主要接触部位有：闸墩、溢流堰表面和上游建基面等。当弧形闸门处于全关闭状态以及闸门启闭过程中，库水压力经门叶、支臂、支铰、支座、牛腿预埋钢板，最终以面作用力的形式传递到牛腿，故在牛腿与钢板接触面施加面荷载。闸室堰体混凝土材料和地基岩石材料的本构模型为线弹性本构模型。

根据设计要求，拟定正常蓄水位工况和校核洪水位工况作为计算工况，对堰体体形方案一的闸室结构应力进行有限元计算分析。

闸室结构的牛腿、吊头、闸墩等关键构件的第一主应力(拉应力)分别为：0.83，0.25，1.27MPa(正常蓄水位工况)和2.94，3.26，3.25MPa(校核洪水位工况)。由第一主应力可知，正常蓄水位工况下牛腿、吊头、闸墩等关键构件的拉应力均小于校核洪水位工况下的拉应力。因此，选取校核洪水位工况为控制工况，分别对6 种堰体体形方案进行有限元应力分析。

溢洪道堰体厚度优化是1个单变量多目标优化问题，对该类问题的求解方法主要是目标法、加权组合法等，这些方法具有解速快、工作量小等特点。分层序列法除了具备处理同类优化问题的其他方法的优点外，还避免了权大小取值等主观因素影响，故本文采用分层序列法求解溢洪道堰体厚度优化问题。分层序列法的基本思想是将多目标优化问题中的几个目标函数分清主次关系，按其重要程度逐一排队，依次求得各个目标函数的最优解。应该注意的是，后一目标应在前一目标最优解的集合域内寻求。

而当采用分层序列法求解到第i 个目标函数的最优解是唯一时，就会出现求解中断现象，使求解过程无法继续下去，之后的目标函数求解就完全没有意义了，为此引入“宽容分层序列法”。

通过某对溢洪道闸室堰体厚度优化计算分析，得出以下几点结论：

(1)对闸室堰体厚度进行优化，在充分考虑堰体厚度对闸室各部位应力影响下，获得了以地基开挖量作为设计变量，牛腿、吊头及闸墩应力最小作为目标函数的单变量多目标优化的数学模型；

(2) 采用ANSYS 软件对闸室6 种堰体体形方案在校核洪水位工况下的应力进行三维有限元计算分析，分别获得了牛腿、吊头及闸墩各部位等效应力和相应材料抗拉强度的差值与地基开挖体积的函数关系曲线；

采用宽容分层序列法对堰体厚度进行优化，最终获得了优化的建基面高程为619.94m。

(3) 对优化后的闸室结构进行三维有限元应力分析，通过对比优化前结构的应力峰值，说明得到的堰体厚度优化效果较好。