TRIZ創新方法在軟基水閘消能工布置中的應用

李春貴，吳 輝，周盛侄

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

水閘是建在河道、渠道及水庫、湖泊岸邊，具有擋水和泄水功能的低水頭水工建筑物。關閉閘門，可以攔洪、擋潮、抬高水位，以滿足上游取水或通航的需要；開啟閘門，可以泄洪、排澇、沖沙、取水或根據下游用水需要調節流量。在平原河網以及濱海地區常見的是節制閘和排澇擋潮閘，其中河床底質往往是比較松散的河相沉積物或海相沉積物，比較常見的有粉砂或淤泥質粉砂，也有些是砂礫石層，總體抗沖能力差，因此要求閘下設置消能設施，包括消力池、護坦、海漫、防沖槽等。在實際工程運行中，常常遇到這樣的問題，受建設條件限制，不允許修建多級消力池和布置長距離的護坦和海漫，也時有發生閘下損毀現象，危及工程安全。

對于上述問題，技術人員通常通過查閱規范、論文文獻、請教專家或頭腦風暴等方法尋求解決思路。本文運用TRIZ創新方法，希望可以打破思維定勢，快速聚焦所要解決的技術問題，高效地得出解決方案。

2 TRIZ創新方法簡介

TRIZ是前蘇聯發明家阿奇舒勒所創的“發明問題解決理論”的拉丁文縮寫，是當前最高效的實用性創新方法之一。TRIZ理論認為，很多原理和方法在發明過程中是重復使用的；技術系統的進化和發展并不是隨機的，而是遵循一定的客觀趨勢。應用TRIZ理論來解決技術問題，可以直接采用系統化的思維方式和結構化的工具來構建解決方案[1]。

3 創新方法運用

運用TRIZ創新方法解題的基本思路和步驟見圖1。

圖1 TRIZ解決問題的基本思路圖

針對本文提出的“水閘閘下沖刷”問題，運用TRIZ創新方法，按圖1的解題步驟，具體如下。

3.1 具體問題轉化為典型問題

對擬解決的問題進行準確的定位和描述。首先，確定問題發生的技術系統（即現有系統）。技術系統是為了實現某種目的或某種功能而人為制造出來的，由多個組件組成的集合。根據背景交代，把閘門、閘墩、底板、消力池、水等所有相關因素按照相互作用的關系聯系在一起，構成待解決問題所在的技術系統—水閘泄水系統。采用“SVOP”結構即“技術系統+動作+作用對象+參數”對問題進行準確的描述，將問題描述為“水閘泄水系統控制水閘泄水對閘下的沖刷力度”。由背景資料可知，水閘泄流的沖刷力太大，導致閘下河床的破壞。因此，擬解決問題的目標設定為“減少水閘泄水對閘下的沖刷力度”。

3.2 運用TRIZ工具得到典型問題的解決方案

（1）構建一個新系統，并用新系統替代現有系統以解決存在的問題。

理想度=有用功能之和/（負面功能之和+成本之和） （1）

根據（1）式，按照理想度最大化的目標要求新系統：水閘的泄流作用最大，但水流對基礎的沖刷作用最小，成本最小。

（2）資源分析。通過對現有系統及相關的資源及資源參數的充分挖掘和分析，找出解決問題的可能思路。要求新系統盡可能利用現有資源，不增加新的資源。對于一座運行中的水閘，具有的資源見表1。

表1 現有系統資源分析表

通過分析發現，水流動能是泄流必不可少的資源，同時，過多的水流動能又會造成基礎的沖刷破壞。因此，從如何讓水的動能發揮泄流作用、而降低沖刷作用作為解決問題的一個切入點。此外，水閘閘墩、底板這些常規上都是實體的鋼筋混凝土占據的空間，也可以進一步挖掘利用。

（3）系統功能分析。把組成現有系統的各部分相互作用的組件繪制成系統功能模型圖（見圖2）。通過系統功能模型圖可以看到，消力池的消能作用不足，導致消能后的水流速度和動能有所下降但還是有很大的沖刷力，容易造成閘下的沖刷破壞。

圖2 系統功能模型圖

（4）因果鏈分析。對現有的系統從問題的結果出發向原因進行層層剖析，并繪制因果鏈分析圖（見圖3）。經分析得出，下泄水流流速過大和基礎松散、抗沖能力差是造成基礎破壞的主要原因。對于基礎松散抗沖能力差的問題，現已有在閘下部采用更深的樁基礎以及澆筑混泥土護坦的解決方案，這是從加強基礎的角度來解決，本文擬從另一個方面，即削減下泄水流動能的角度予以解決。

圖3 因果鏈分析圖

（5）矛盾分析。通過前面分析的結果不難發現，為了快速排水，水閘泄流需要流速大，會對閘下基礎造成沖刷破壞。這在TRIZ里面是一個技術矛盾，可以通過查矛盾矩陣來求解（由于篇幅原因，本文對技術矛盾求解不再展開）。同時，還可以看出，為了快速排水，水閘泄流需要流速大，為減少泄流對閘下基礎的沖刷破壞，水閘泄流需要流速小，也就是對“流速”參數而言，既要“大”又要“小”，這在TRIZ里面構成了一個物理矛盾，即對一個事物的同一個屬性提出相反的要求。解決物理矛盾要用分離原理，包括空間分離、時間分離、條件分離、系統分離幾種形式。

綜合前面的分析，利用空間分離的原理，并充分利用現有系統已有的資源，包括水、閘墩空間等，按照理想度最大的目標，構建了2個概念方案。概念方案1：通過下泄水流對沖的方式來消能；概念方案2：利用下泄水流部分反沖消能（TRIZ里面可利用的工具很多，得出的解決方案也很多，本文只選用了其中幾種）。

3.3 解決方案及評價

3.3.1 方案1：水閘泄流對沖消能布置方案

2個泄水閘構成一組，兩兩相對布置，向上游水體內凸出。閘門下游側為較短的泄流槽，泄流槽盡頭與導流槽相接。導流槽向排出口方向小角度傾斜。泄流時，相對的2個水閘同時開啟，下泄水流在底部對沖消能，再從導流槽匯流排出。當從導流槽排水的水流流速仍然較大時，可在導流槽下游再設置一個消力池，經過消力池二次消能后排出。圖4為方案1水閘布置俯視圖（箭頭所示為水流方向）。

圖4 水閘布置俯視圖（方案1）

3.3.2 方案2：利用泄流部分反沖消能的方案

本方案與普通閘門不同之處在于，在左右兩側閘墩內部建有排水通道，排水通道上游進口始終埋設在水面以下，采用閘閥控制，排水通道在泄水槽導墻內部埋設或沿著泄水槽導墻外側鋪設，排水通道下游端通過彎管與底板下游端內埋設的管槽相連，管槽向上游側開口。泄流時，排水通道進口的閘閥略早于閘門開啟，經過排水通道的水流通過彎管后進入底板下游端內的管槽，高速水流從管槽開口處向上游方向沖出，與經過泄流槽下泄的水流對沖，使得下泄水流的動能大幅消減，當水流流速仍然較大時，可在導流槽下游再設置一個消力池，經過消力池二次消能后排出。圖5為方案2水閘布置俯視及斷面圖。

圖5 水閘布置俯視及斷面圖（方案2）

3.3.3 方案評價

從可行性上看，方案1占地較大，適用于河道開闊、原本就布置多個排水閘的情形，不適用單一水閘的情形。另外，閘門不是正對迎水面布置，可能會一定程度上影響排澇能力。方案2所需空間與原有的設計方案相比基本不變，適用性更廣泛。從造價投資和施工難度上看，方案1基本不變，方案2略有增加。由于沒有具體應用案例，具體的消能效果以及工程參數，需要通過結構計算和模型實驗進一步驗證。

4 結 語

本文運用TRIZ創新方法，嘗試對軟基水閘消能工布置問題進行探討，得出的方案具有削減水閘泄流動能的效果，對減小水閘排澇導致閘下沖刷問題具有一定的創新性和實用性，一定程度上可為減少軟基水閘排澇導致的閘下沖刷過大的問題提供借鑒。而且提出解決方案的時間短、資源消耗少，體現TRIZ創新方法解決問題上快速、準確、高效的優勢。