閘室的結(jié)構(gòu)計算

-.z.第一節(jié)概述一、概念水閘是調(diào)節(jié)水位、控制流量的低水頭水工建筑物，主要依靠閘門控制水流，具有擋水和泄（引）水的雙重功能，在防洪、治澇、灌溉、供水、航運、發(fā)電等方面應(yīng)用十分廣泛。二、水閘的類型⒈按擔(dān)負(fù)的任務(wù)（作用）分：節(jié)制閘（攔河閘）：攔河興建，調(diào)節(jié)水位，控制流量。進水閘（渠首閘）：在河、湖、水庫的岸邊興建，常位于引水渠道首部，引取水流。排水閘（排澇閘、泄水閘、退水閘）：在江河沿岸興建，作用是排水、防止洪水倒灌。分洪閘：在河道的一側(cè)興建，分泄洪水、削減洪峰洪、滯洪。擋潮閘：建于河流入海河口上游地段，防止海潮倒灌。沖沙閘：靜水通航，動水沖沙，減少含沙量，防止淤積。排冰閘：在堤岸上建閘防止冬季冰凌堵塞。⒉按閘室結(jié)構(gòu)分（1）開敞式：閘室露天，又分為有胸墻；無胸墻兩種形式（2）涵洞式：閘室后部有洞身段，洞頂有填土覆蓋。（有壓、無壓）⒊按操作閘門的動力分（1）機械操作閘門的水閘（2）水力操作閘門的水閘三、水閘等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)（以平原區(qū)水閘樞紐為例）1、工程等別及建筑物級別平原區(qū)水閘樞紐工程是以水閘為主的水利樞紐工程，一般由水閘、泵站、船閘、水電站等水工建筑物組成，有的還包括涵洞、渡槽等其它泄（引）水建筑物，應(yīng)根據(jù)水閘最大過閘流量及其防護對象的重要性劃分等別。其中水工建筑物的級別應(yīng)根據(jù)其所屬樞紐工程的等別、作用和重要性劃分。平原區(qū)水閘樞紐工程分等指標(biāo)表工程級別ⅠⅡⅢⅣⅤ規(guī)模大（1）型大（2）型中型?。?）型小（2）型最大過閘流量5000500～10001000～100100～20<20防護對象的重要性特別重要重要中等一般

水閘樞紐建筑物級別劃分表工程等別永久性建筑物級別臨時性建筑物級別主要建筑物次要建筑物Ⅰ134Ⅱ234Ⅲ345Ⅳ455Ⅴ55

2.洪水標(biāo)準(zhǔn)平原區(qū)水閘的洪水標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)所在河流流域的防洪規(guī)劃規(guī)定的防洪任務(wù)，以近期防洪目標(biāo)為主，并考慮遠(yuǎn)景發(fā)展要求，按下表所列標(biāo)準(zhǔn)綜合分析確定。水閘級別12345洪水重現(xiàn)期設(shè)計100～5050～3030～2020～1010校核300～200200～100100～5050～3030～20四．水閘的組成及各部分的功用上游連接段→閘室段→下游連接段（引導(dǎo)水流平順進入閘室）（調(diào)節(jié)水位和流量）（消能、防沖）⒈閘室：底板、閘墩、閘門、（胸墻）、工作橋、交通橋。⒉上游連接段：翼墻、鋪蓋、護底、上游防沖槽、上游護坡。⒊下游連接段：翼墻、護坦、海漫、下游防沖槽、下游護坡、下游排水（反濾、排水孔）。圖9-2

土基上水閘立體示意圖五．水閘的工作特點1．水閘的傳力過程閘門→閘墩→底板→地基（承受水壓力）（承受上部結(jié)構(gòu)重量）(較均勻地傳給)2．地基：平原地區(qū)水閘大部分建在土基上。土基的特點:（1）抗剪強度低→穩(wěn)定性差（2）壓縮性較大→容易產(chǎn)生不均勻沉降（3）易產(chǎn)生滲透變形，抗沖刷能力低3．水流（1）.靜水（關(guān)閘）：水平水壓力、土基→滑動水位差產(chǎn)生滲透壓力→不利于穩(wěn)定繞岸滲流→不利于翼墻穩(wěn)定（2）.開閘泄水：水位差→流速大→對下游河床、岸坡沖刷水位變幅較大→流態(tài)多（堰流、孔流），淹沒出流、自由出流閘門全開時，水位差小→易形成波狀水躍閘門開啟順序不合理時→產(chǎn)生折沖水流4．結(jié)構(gòu)：防滲排水，消能防沖，閘室結(jié)構(gòu)

圖9-3

波狀水躍沖刷示意圖圖9-4

閘下沖折水流*水閘設(shè)計內(nèi)容：1.閘址選擇2.總體布置3.水力設(shè)計：閘孔型式和尺寸確定√消能防沖設(shè)施的設(shè)計計算√閘門控制運用方式的擬定4.防滲和排水設(shè)計√⊿5.水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計：閘室穩(wěn)定計算√岸、翼墻穩(wěn)定計算結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析√6.地基處理及處理設(shè)計7.觀測設(shè)計*規(guī)*：《水閘設(shè)計規(guī)*》（SL265-2001）《水閘施工規(guī)*》（SL27-91)《水閘工程管理設(shè)計規(guī)*》（SL170-96)《水閘技術(shù)管理規(guī)程》（SL75-94)《水閘安全鑒定規(guī)定》（SL214-98）第五節(jié)閘室的布置與構(gòu)造一．閘室結(jié)構(gòu)布置1.閘室結(jié)構(gòu)2.閘頂高程，閘檻高程3.閘孔總凈寬，閘孔孔徑4.底板型式、厚度、順?biāo)飨蜷L度、垂直水流方向分段長度5.閘墩型式、厚度、長度6.閘門型式、啟閉機型式7.胸墻結(jié)構(gòu)8.工作橋、檢修便橋、交通橋二.底板：⒈型式（1）按底板與閘墩的連接方式分整體式：閘墩和底板澆筑成整體，有分段縫時縫設(shè)在閘墩上。→底板是傳力結(jié)構(gòu)，將荷載較均勻地傳給地基。閘室整體性較好，適用于松軟地基。分離式：底板與閘墩用沉陷縫分開?！l墩傳力，底板僅防滲抗沖，一般適用于巖基或壓縮性小的土基。（2）按底板的結(jié)構(gòu)型式分平底板反拱底板空箱式底板等整體式平底板用得最廣泛。圖9-18

底板型式⒉布置（1）整體式平底板材料：（鋼筋）混凝土高程：考慮運用、經(jīng)濟和地質(zhì)條件確定順?biāo)鞣较蜷L度：需滿足穩(wěn)定、強度及上部結(jié)構(gòu)布置要求，一般與閘墩長度相同厚度：根據(jù)地基條件、作用荷載和閘孔凈寬等因素，滿足強度和剛度要求垂直水流方向分段長度：（2）分離式底板材料：混凝土或漿砌石厚度：滿足自身穩(wěn)定要求三.閘墩：⒈材料：混凝土（小型工程常用漿砌塊石）⒉閘頂高程：閘頂高程通常指閘室胸墻或閘門擋水線上游閘墩和閘墻的頂部高程。應(yīng)根據(jù)擋水和泄水兩種運用情況確定。擋水時閘頂高程不低于水閘正常蓄水位（或最高擋水位）加波浪計算高度與相應(yīng)安全超高值之和；泄水時閘頂高程不應(yīng)低于設(shè)計洪水位（或校核洪水位）與相應(yīng)安全超高值之和。水閘安全超高下限值（m）：

水閘級別1234.5擋水時正常蓄水位0.70.50.40.3最高擋水位0.50.40.30.2泄水時設(shè)計洪水位1.51.00.70.5校核洪水位1.00.70.50.4位于防洪（擋潮）堤上的水閘，其閘頂高程不得低于防洪（擋潮）堤堤頂高程。⒊長度：與底板長度相同或比底板長度稍短，取決于上部結(jié)構(gòu)布置和閘門型式。⒋厚度：根據(jù)閘孔孔徑、受力條件、結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求和施工方法等確定，平面閘門閘墩門槽處不宜小于0.4m。⒌外形：應(yīng)使水流平順、側(cè)向收縮小，過流能力大。圖9-19

閘墩布置示意圖四．閘門⒈寬度：與孔口一致⒉露頂式閘門頂部在可能出現(xiàn)的最高擋水位以上應(yīng)有0.3~0.5m的超高。⒊型式：最常用的有平面閘門和弧形閘門。⒋布置：要考慮對閘室穩(wěn)定、閘墩和地基的應(yīng)力以及對上部結(jié)構(gòu)布置的影響。圖9-20

平面閘門示意圖圖9-21

弧形閘門示意圖五、分縫和止水沉陷縫、伸縮縫：防止閘室因地基不均勻沉陷或溫度變化而產(chǎn)生裂縫。每隔15~30m設(shè)一道縫。止水：防滲，有水平止水和垂直止水。圖9-22

閘室沉陷縫布置圖*水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)受力條件及工程地質(zhì)條件進行，其內(nèi)容應(yīng)包括：1、荷載及其組合；2、閘室和岸、翼墻的穩(wěn)定計算；3、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計時要校核土基所受壓力是否超過其承載能力；校核閘室沿地基表面的抗滑穩(wěn)定性和閘室連同部分地基的深層滑動可能性；計算閘基的沉降并考查其是否影響水閘的正常工作。在這些驗算校核得到安全可靠的保證的前提下，再進行閘室各部分的內(nèi)力計算和應(yīng)力分析，并進行結(jié)構(gòu)配筋。第六節(jié)閘室和閘基的穩(wěn)定分析一荷載及荷載組合1、荷載

⑴基本荷載：

①自重；

②水重；

③相應(yīng)于正常蓄水位和設(shè)計洪水位情況下的靜水壓力；

④相應(yīng)于正常蓄水位和設(shè)計洪水位情況下的揚壓力；

⑤相應(yīng)于正常蓄水位和設(shè)計洪水位情況下的波浪壓力；

⑥土壓力和泥沙壓力；

⑦風(fēng)壓力、冰壓力、土的凍脹力、其他出現(xiàn)機會較多的荷載。

⑵特殊荷載：

①相應(yīng)于校核洪水位情況下水閘底板上的水重；

②相應(yīng)于校核洪水位情況下的靜水壓力；

③相應(yīng)于校核洪水位情況下的揚壓力；

④相應(yīng)于校核洪水位情況下的波浪壓力；

⑤地震荷載；

⑥其他出現(xiàn)機會較少的荷載。第七節(jié)閘室的結(jié)構(gòu)計算→分解成若干部件進行計算一、閘墩結(jié)構(gòu)計算：1.計算模型：(1)平面閘門的閘墩→固定于底板的懸臂梁→材料力學(xué)法(2)弧形閘門的閘墩→一邊固定、三邊自由的彈性矩形板→彈性力學(xué)法2.主要荷載及荷載組合⑴主要荷載結(jié)構(gòu)自重；水壓力：縱向（順?biāo)鞣较颍?，橫向（垂直水流方向）；地震慣性力；交通橋上車輛剎車制動力⑵荷載組合

(a)正?；蚍浅跛畷r期，閘門全關(guān)。→主要核算順?biāo)鞣较颍v向）的應(yīng)力分布。平面閘門：閘墩底部應(yīng)力，門槽處應(yīng)力弧形閘門：閘墩牛腿及整個閘墩的應(yīng)力

(b)正?；蚍浅跛畷r期，一孔檢修，相鄰孔過水?！l墩兩側(cè)有水頭差，同時受到橫向水壓力和車輛剎車制動力?！饕怂愦怪彼鞣较颍M向）應(yīng)力分布

(c)正常擋水時期閘門全關(guān)，遭遇強震?！饕怂愦怪彼鞣较颍M向）的應(yīng)力分布。⒊平面閘門的閘墩的應(yīng)力分析步驟⑴計算邊閘墩和中閘墩的形函數(shù)：墩底水平截面形心位置和慣性矩I*、Iy，面積矩S*、Sy。圖9-25

閘墩結(jié)構(gòu)計算示意圖⑵計算墩底水平截面上的正應(yīng)力與剪應(yīng)力①順?biāo)鞣较颍v向）：最不利情況是閘門全關(guān)擋水、閘墩承受最大上下游水位差。產(chǎn)生的水壓力。邊閘墩或受力不對稱的中墩水平截面上有扭矩作用。閘墩邊緣位于*—*軸上點的最大扭剪力可近似為：②垂直水流方向（橫向）：最不利情況是一孔檢修的情況，此時該孔上下游檢修閘門關(guān)閉而相鄰孔過水?！l墩兩側(cè)有水頭差，同時受到橫向水壓力和車輛剎車制動力等荷載。⑶垂直截面上的應(yīng)力計算（門槽處應(yīng)力計算）對任一垂直截面位置，在任一高程取高度為1m的閘墩作為脫離體，其頂面、底面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分布已由⑵得出，均屬已知，由靜力平衡條件可求出任一垂直截面上的N、M、Q，從而可以求出該垂直截面上的平均剪應(yīng)力和平均正應(yīng)力。在門槽處截取脫離體（取上游段閘墩或下游段閘墩都可以），將其作為固結(jié)于門槽位置的懸臂梁，同理可求得門槽處垂直截面上的應(yīng)力。二.底板結(jié)構(gòu)計算（開敞式閘室整體式平底板）常用方法：倒置梁法、反力直線分布法、彈性地基梁法。各種算法都是以垂直水流方向截取的單寬板條作為計算對象，簡化為平面問題進行計算。倒置梁法忽視了閘墩處變位不等的重要因素，誤差較大，因此不宜在大、中型水閘設(shè)計中采用；大、中型水閘，當(dāng)?shù)鼗鶠橄鄬o密度Dr≤0.5的砂土?xí)r，由于變形容易得到調(diào)整，可用反力直線分布法計算，當(dāng)?shù)鼗鶠檎承酝粱駾r>0.5的砂土?xí)r，可采用彈性地基梁法計算。1.倒置梁法⑴計算模型及基本假定以垂直水流方向截取的單寬板條作為計算對象，把閘室底板作為固支于閘墩的連續(xù)梁進行計算。即把閘墩作為底板連續(xù)梁的支座。假定：ⅰ.地基反力在順?biāo)鞣较蛑本€分布ⅱ.地基反力在垂直水流方向均勻分布ⅲ.相鄰閘墩間無任何相對位移倒置梁法計算十分簡便，但假定地基反力在橫向為均勻分布與實際情況不符，而且支座反力與閘墩鉛直荷載也不相等，故只能在小型水閘中采用。圖9-26

倒置梁法及反力直線分布法簡圖圖9-27

分離式底板接縫型式用偏心受壓公式計算縱向（順?biāo)鞣较颍┑鼗戳?。②取橫向單寬板條，按倒置連續(xù)梁計算內(nèi)力并進行配筋。⒉反力直線分布法⑴計算模型及基本假定以垂直水流方向截取的單寬板條作為計算對象，把閘墩當(dāng)作底板的已知荷載進行計算。假定

(a)地基反力在順?biāo)鞣较蛑本€分布。

(b)地基反力在垂直水流方向均勻分布。

(c)把閘墩當(dāng)作底板的已知荷載，閘墩對底板無約束，底板可以自由變形。大、中型水閘，當(dāng)?shù)鼗鶠橄鄬o密度Dr≤0.5的砂土?xí)r，可用反力直線分布法計算。⑵計算步驟①用偏心受壓公式計算縱向（順?biāo)鞣较颍┑鼗戳?。②取橫向單寬板條，計算不平衡剪力⊿Q。*式中假定不平衡剪力⊿Q的方向向下，如其計算結(jié)果為負(fù)值，說明⊿Q的實際方向向上。③對不平衡剪力進行分配。不平衡剪力⊿Q應(yīng)由閘墩和底板共同承擔(dān)。，b=1m，對既定截面，Q/I是常數(shù)，τ與S（y′）成正比，設(shè)閘墩和底板對應(yīng)的S（y′）的面積分別為A1和A2，則閘墩和底板分擔(dān)的不平衡剪力分別為：⊿Q1還要由中墩和縫墩按厚度再進行分配，兩者分配的⊿Q1′和⊿Q1″分別為：④計算作用在底板上的荷載分配給閘墩的不平衡剪力連同包括上部結(jié)構(gòu)的閘墩重力可示為集中力作用在梁上，將分配給底板的不平衡剪力轉(zhuǎn)化為均布荷載，則作用在底板梁上的均布荷載為：均布荷載q=q3+地基反力q4-水重q2′-q1-⊿Q2/2L′。⑤計算底板內(nèi)力并進行配筋。⒊彈性地基梁法⑴計算模型及基本假定以垂直水流方向截取的單寬板條作為計算對象，按平面應(yīng)變的彈性地基梁，利用靜力平衡條件及底板與地基的變形協(xié)調(diào)條件，計算地基反力和底板內(nèi)力。假定

(a)地基反力在順?biāo)鞣较蛑本€分布。

(b)地基反力在垂直水流方向呈彈性（曲線）分布，為待求未知數(shù)。

(c)把閘墩當(dāng)作底板的已知荷載，閘墩對底板無約束，底板可以自由變形。當(dāng)?shù)鼗鶠檎承酝粱駾r>0.5的砂土?xí)r，可采用彈性地基梁法計算。圖9-28

閘底板結(jié)構(gòu)計算圖⑵計算步驟①用偏心受壓公式計算縱向（順?biāo)鞣较颍┑鼗戳?。②取橫向單寬板條，計算不平衡剪力⊿Q。與反力直線分布法中相同。③對不平衡剪力進行分配。不平衡剪力⊿Q應(yīng)由閘墩和底板共同承擔(dān)。與反力直線分布法中相同。④計算作用在底板(彈性基礎(chǔ)梁)上的荷載分配給閘墩的不平衡剪力連同包括上部結(jié)構(gòu)的閘墩重力可示為集中力作用在梁上，將分配給底板的不平衡剪力轉(zhuǎn)化為均布荷載，則作用在底板梁上的均布荷載為：均布荷載q=揚壓力q3-水重q2′-底板自重q1-⊿Q2/2L′。此時地基反力的橫向分布為待求未知荷載。注意：規(guī)*規(guī)定，當(dāng)采用彈性地基梁法時，可不計閘室底板的自重，但當(dāng)作用在基底面上的均布荷載為負(fù)值時，則仍應(yīng)計及底板自重的影響，計及的百分?jǐn)?shù)以使作用在基底面上的均布荷載值等于0為限度確定。注意：(a)如果計算對象包括直接擋土的邊墩，則側(cè)向土壓力、側(cè)向水壓力等引起的彎矩對彈性地基梁也有影響。在有些水閘工程設(shè)計中，從安全考慮，當(dāng)彎矩使梁內(nèi)力減小時，考慮彎矩計算值的50%，使梁內(nèi)力增加時，考慮彎矩計算值的100%。表邊荷載計算百分?jǐn)?shù)地基類別邊荷載使計算閘段底板內(nèi)力減小邊荷載使計算閘段底板內(nèi)力增加砂性土50％100％粘性土0100％⑤計算底板內(nèi)力并進行配筋。具體算法及其理論假定要適應(yīng)底板及地基的具體條件：ⅰ.對于土基上的水閘的整體式平底板：(a)當(dāng)?shù)鼗蓧嚎s層（厚度為T）很厚（即厚度遠(yuǎn)大于梁的最大水平尺寸）時（T/L′>2）可將地基視為半無限彈性體進行計算。(b)當(dāng)?shù)鼗蓧嚎s層較薄時（T/L′<0.25）→可按反力與地基變形成正比的文克爾假定（即基床系數(shù)法）進行計算。(c)當(dāng)?shù)鼗蓧嚎s層厚度與梁的最大尺寸同量級時（T/L′=0.25–2）可按有限深彈性地基梁用鏈桿法進行計算。ⅱ.對于巖基上水閘的整體式平底板的應(yīng)力分析，可按基床系數(shù)法計算。這是因為巖基彈性模量較大，其單位面積上的沉降變形與所受壓力之間的關(guān)系比較符合文克爾的假定。*文克爾假定下的基礎(chǔ)梁：假定地基單位面積上所受