闸室的结构计算

闸室的结构计算

第⼀节概述

⼀、概念

⽔闸是调节⽔位、控制流量的低⽔头⽔⼯建筑物，主要依靠闸门控制⽔流，具有挡⽔和泄（引）⽔的双重功能，在防洪、治涝、灌溉、供⽔、航运、发电等⽅⾯应⽤⼗分⼴泛。

⼆、⽔闸的类型

⒈按担负的任务（作⽤）分：

节制闸（拦河闸）：拦河兴建，调节⽔位，控制流量。

进⽔闸（渠⾸闸）：在河、湖、⽔库的岸边兴建，常位于引⽔渠道⾸部，引取⽔流。

排⽔闸（排涝闸、泄⽔闸、退⽔闸）：在江河沿岸兴建，作⽤是排⽔、防⽌洪⽔倒灌。

分洪闸：在河道的⼀侧兴建，分泄洪⽔、削减洪峰洪、滞洪。

挡潮闸：建于河流⼊海河⼝上游地段，防⽌海潮倒灌。

冲沙闸：静⽔通航，动⽔冲沙，减少含沙量，防⽌淤积。排冰闸：在堤岸上建闸防⽌冬季冰凌堵塞。

⒉按闸室结构分

（1）开敞式：闸室露天，⼜分为有胸墙；⽆胸墙两种形式

（2）涵洞式：闸室后部有洞⾝段，洞顶有填⼟覆盖。（有压、⽆压）

⒊按操作闸门的动⼒分

（1）机械操作闸门的⽔闸

（2）⽔⼒操作闸门的⽔闸

三、⽔闸等级划分及洪⽔标准（以平原区⽔闸枢纽为例）1、⼯程等别及建筑物级别

平原区⽔闸枢纽⼯程是以⽔闸为主的⽔利枢纽⼯程，⼀般由⽔闸、泵站、船闸、⽔电站等⽔⼯建筑物组成，有的还包括涵洞、渡槽等其它泄（引）⽔建筑物，应根据⽔闸最⼤过闸流量及其防护对象的重要性划分等别。其中⽔⼯建筑物的级别应根据其所属枢纽⼯程的等别、作⽤和重要性划分。

平原区⽔闸枢纽⼯程分等指标表5000⽔闸枢纽建筑物级别划分表

2. 洪⽔标准

平原区⽔闸的洪⽔标准应根据所在河流流域的防洪规划规定的防洪任务，以近期防洪⽬标为主，并考虑远景发展要求，按下表所列标准综合分析确定。

四．⽔闸的组成及各部分的功⽤

上游连接段→闸室段→下游连接段

（引导⽔流平顺进⼊闸室）（调节⽔位和流量）（消能、防冲）

⒈闸室：底板、闸墩、闸门、（胸墙）、⼯作桥、交通桥。

⒉上游连接段：翼墙、铺盖、护底、上游防冲槽、上游护坡。⒊下游连接段：翼墙、护坦、海漫、下游防冲槽、下游护坡、下游排⽔（反滤、排⽔孔）。

图9-2 ⼟基上⽔闸⽴体⽰意图

五．⽔闸的⼯作特点1．⽔闸的传⼒过程

闸门→闸墩→底板→地基

（承受⽔压⼒）（承受上部结构重量）(较均匀地传给)2．地基：平原地区⽔闸⼤部分建在⼟基上。⼟基的特点:

（1）抗剪强度低→稳定性差

（2）压缩性较⼤→容易产⽣不均匀沉降

（3）易产⽣渗透变形，抗冲刷能⼒低3．⽔流

（1）.静⽔（关闸）：

⽔平⽔压⼒、⼟基→滑动

⽔位差产⽣渗透压⼒→不利于稳定

绕岸渗流→不利于翼墙稳定

（2）.开闸泄⽔：

⽔位差→流速⼤→对下游河床、岸坡冲刷

⽔位变幅较⼤→流态多（堰流、孔流），淹没出流、⾃由出流

闸门全开时，⽔位差⼩→易形成波状⽔跃

闸门开启顺序不合理时→产⽣折冲⽔流4．结构：防渗排⽔，消能防冲，闸室结构

图9-3 波状⽔跃冲刷⽰意图图9-4 闸下冲折⽔流*⽔闸设计内容：1.闸址选择

2.总体布置

3.⽔⼒设计：闸孔型式和尺⼨确定√

消能防冲设施的设计计算√

闸门控制运⽤⽅式的拟定4.防渗和排⽔设计√⊿

5.⽔闸结构设计：闸室稳定计算√

岸、翼墙稳定计算

结构应⼒分析√6.地基处理及处理设计

7.观测设计

*规范：

《⽔闸设计规范》（SL265-2001）《⽔闸施⼯规范》（SL27-91)

《⽔闸⼯程管理设计规范》（SL170-96)

《⽔闸技术管理规程》（SL75-94)

《⽔闸安全鉴定规定》（SL214-98）

第五节闸室的布置与构造⼀．闸室结构布置1.闸室结构

2.闸顶⾼程，闸槛⾼程

3.闸孔总净宽，闸孔孔径

4.底板型式、厚度、顺⽔流向长度、垂直⽔流⽅向分段长度

5.闸墩型式、厚度、长度

6.闸门型式、启闭机型式

7.胸墙结构

8.⼯作桥、检修便桥、交通桥

⼆.底板：

⒈型式

（1）按底板与闸墩的连接⽅式分

整体式：闸墩和底板浇筑成整体，有分段缝时缝设在闸墩上。

→底板是传⼒结构，将荷载较均匀地传给地基。闸室整体性较好，适⽤于松软地基。分离式：底板与闸墩⽤沉陷缝分开。

→闸墩传⼒，底板仅防渗抗冲，⼀般适⽤于岩基或压缩性⼩的⼟基。

（2）按底板的结构型式分

平底板

反拱底板

空箱式底板等整体式平底板⽤得最⼴泛。

图9-18 底板型式

⒉布置

（1）整体式平底板

材料：（钢筋）混凝⼟

⾼程：考虑运⽤、经济和地质条件确定顺⽔流⽅向长度：需满⾜稳定、强度及上部结构布置要求，⼀般与闸墩长度相同厚度：根据地基条件、作⽤荷载和闸孔净宽等因素，满⾜强度和刚度要求

垂直⽔流⽅向分段长度：

（2）分离式底板

材料：混凝⼟或浆砌⽯

厚度：满⾜⾃⾝稳定要求

三.闸墩：

⒈材料：混凝⼟（⼩型⼯程常⽤浆砌块⽯）

⒉闸顶⾼程：

闸顶⾼程通常指闸室胸墙或闸门挡⽔线上游闸墩和闸墙的顶部⾼程。应根据挡⽔和泄⽔两种运⽤情况确定。

挡⽔时闸顶⾼程不低于⽔闸正常蓄⽔位（或最⾼挡⽔位）加波浪计算⾼度与相应安全超⾼值之和；

泄⽔时闸顶⾼程不应低于设计洪⽔位（或校核洪⽔位）与相应安全超⾼值之和。

⽔闸安全超⾼下限值（m）：

位于防洪（挡潮）堤上的⽔闸，其闸顶⾼程不得低于防洪（挡潮）堤堤顶⾼程。

⒊长度：与底板长度相同或⽐底板长度稍短，取决于上部结构布置和闸门型式。

⒋厚度：根据闸孔孔径、受⼒条件、结构构造要求和施⼯⽅法等确定，平⾯闸门闸墩门槽处不宜⼩于0.4m。⒌外形：应使⽔流平顺、侧向收缩⼩，过流能⼒⼤。

图9-19 闸墩布置⽰意图

四．闸门

⒈宽度：与孔⼝⼀致

⒉露顶式闸门顶部在可能出现的最⾼挡⽔位以上应有0.3~0.5m的超⾼。

⒊型式：最常⽤的有平⾯闸门和弧形闸门。

⒋布置：要考虑对闸室稳定、闸墩和地基的应⼒以及对上部结构布置的影响。

图9-20 平⾯闸门⽰意图

图9-21 弧形闸门⽰意图

五、分缝和⽌⽔

沉陷缝、伸缩缝：防⽌闸室因地基不均匀沉陷或温度变化⽽产⽣裂缝。每隔15~30m设⼀道缝。

⽌⽔：防渗，有⽔平⽌⽔和垂直⽌⽔。

图9-22 闸室沉陷缝布置图*⽔闸结构设计应根据结构受⼒条件及⼯程地质条件进⾏，其内容应包括：

1、荷载及其组合；

2、闸室和岸、翼墙的稳定计算；

3、结构应⼒分析

⽔闸结构设计时要校核⼟基所受压⼒是否超过其承载能⼒；校核闸室沿地基表⾯的抗滑稳定性和闸室连同部分地基的深层滑动可能性；计算闸基的沉降并考查其是否影响⽔闸的正常⼯作。在这些验算校核得到安全可靠的保证的前提下，再进⾏闸室各部分的内⼒计算和应⼒分析，并进⾏结构配筋。

第六节闸室和闸基的稳定分析

⼀荷载及荷载组合1、荷载

⑴基本荷载：

①⾃重；

②⽔重；

③相应于正常蓄⽔位和设计洪⽔位情况下的静⽔压⼒；

④相应于正常蓄⽔位和设计洪⽔位情况下的扬压⼒；

⑤相应于正常蓄⽔位和设计洪⽔位情况下的波浪压⼒；

⑥⼟压⼒和泥沙压⼒；

⑦风压⼒、冰压⼒、⼟的冻胀⼒、其他出现机会较多的荷载。

⑵特殊荷载：

①相应于校核洪⽔位情况下⽔闸底板上的⽔重；

②相应于校核洪⽔位情况下的静⽔压⼒；

③相应于校核洪⽔位情况下的扬压⼒；

④相应于校核洪⽔位情况下的波浪压⼒；

⑤地震荷载；

⑥其他出现机会较少的荷载。第七节闸室的结构计算

→分解成若⼲部件进⾏计算⼀、闸墩结构计算：

1.计算模型：

(1)平⾯闸门的闸墩→固定于底板的悬臂梁→材料⼒学法

(2)弧形闸门的闸墩→⼀边固定、三边⾃由的弹性矩形板→弹性⼒学法

2.主要荷载及荷载组合

⑴主要荷载

结构⾃重；

⽔压⼒：纵向（顺⽔流⽅向），横向（垂直⽔流⽅向）；

地震惯性⼒；

交通桥上车辆刹车制动⼒

⑵荷载组合(a)正常或⾮常挡⽔时期，闸门全关。→主要核算顺⽔流⽅向（纵向）的应⼒分布。

平⾯闸门：闸墩底部应⼒，门槽处应⼒

弧形闸门：闸墩⽜腿及整个闸墩的应⼒(b)正常或⾮常挡⽔时期，⼀孔检修，相邻孔过⽔。

→闸墩两侧有⽔头差，同时受到横向⽔压⼒和车辆刹车制动⼒。

→主要核算垂直⽔流⽅向（横向）应⼒分布

(c)正常挡⽔时期闸门全关，遭遇强震。→主要核算垂直⽔流⽅向（横向）的应⼒分布。

⒊平⾯闸门的闸墩的应⼒分析步骤

⑴计算边闸墩和中闸墩的形函数：墩底⽔平截⾯形⼼位置和惯性矩I x、I y，⾯积矩S x、S y。

图9-25 闸墩结构计算⽰意图

⑵计算墩底⽔平截⾯上的正应⼒与剪应⼒

①顺⽔流⽅向（纵向）：最不利情况是闸门全关挡⽔、闸墩承受最⼤上下游⽔位差。产⽣的⽔压⼒。

边闸墩或受⼒不对称的中墩⽔平截⾯上有扭矩作⽤。闸墩边缘位于x—x轴上点的最⼤扭剪⼒可近似为：

②垂直⽔流⽅向（横向）：最不利情况是⼀孔检修的情况，此时该孔上下游检修闸门关闭⽽相邻孔过⽔。→闸墩两侧有⽔头差，同时受到横向⽔压⼒和车辆刹车制动⼒等荷载。

⑶垂直截⾯上的应⼒计算（门槽处应⼒计算）

对任⼀垂直截⾯位置，在任⼀⾼程取⾼度为1m的闸墩作为脱离体，其顶⾯、底⾯上的正应⼒和剪应⼒分布已由⑵得出，均属已知，由静⼒平衡条件可求出任⼀垂直截⾯上的N、M、Q，从⽽可以求出该垂直截⾯上的平均剪应⼒和平均正应⼒。在门槽处截取脱离体（取上游段闸墩或下游段闸墩都可以），将其作为固结于门槽位置的悬臂梁，同理可求得门槽处垂直截⾯上的应⼒。

⼆. 底板结构计算（开敞式闸室整体式平底板）

常⽤⽅法：倒置梁法、反⼒直线分布法、弹性地基梁法。

各种算法都是以垂直⽔流⽅向截取的单宽板条作为计算对象，简化为平⾯问题进⾏计算。倒置梁法忽视了闸墩处变位不等的重要因素，误差较⼤，因此不宜在⼤、中型⽔闸设计中采⽤；

⼤、中型⽔闸，当地基为相对紧密度Dr≤0.5的砂⼟时，由于变形容易得到调整，可⽤反⼒直线分布法计算，当地基为粘性⼟或Dr>0.5的砂⼟时，可采⽤弹性地基梁法计算。

1.倒置梁法

⑴计算模型及基本假定

以垂直⽔流⽅向截取的单宽板条作为计算对象，把闸室底板作为固⽀于闸墩的连续梁进⾏计算。即把闸墩作为底板连续梁的⽀座。

假定：ⅰ.地基反⼒在顺⽔流⽅向直线分布

ⅱ.地基反⼒在垂直⽔流⽅向均匀分布

ⅲ.相邻闸墩间⽆任何相对位移

倒置梁法计算⼗分简便，但假定地基反⼒在横向为均匀分布与实际情况不符，⽽且⽀座反⼒与闸墩铅直荷载也不相等，故只能在⼩型⽔闸中采⽤。