闸室稳定计算

一、根据给定相关资二、1《水闸设计规范》2《水工建筑物抗震3《水闸》水利水电三、四、1水闸等级为4级，2345678系数:基9该地基土质属岩基五、1结构自重G =γV 式中：G ——结构自重γ——砼容重，25kN/m 3；V ——结构体积汤南干渠渠首进水闸闸室稳定计算2水重式中：W ——水重标准γ'——水的容10kN/m 3B 0——闸室总净3mh ——水深(m)，l ——闸门中线3水压力式中：P ——水压力标B ——水压力计6m；其它符号意义同4浮托力式中：U 1——浮托力标V ——底板体积h ——上游或下其它符号意义同5渗透压力式中：U 2——渗透压力'W Bhlγ=21'2P Bh γ=10'()U V hB γ=+21'2U hLBγ=∆Δh ——闸室上下L ——闸室长7m；其它符号意义同上6地震惯性力式中:F i ——作用在质点i 的水平a h ——水平向设计地震加速0.25G Ei ——集中在质点i 的重力αi ——质点i 的动态分布系g ——重力加速度。

9.81m/s 27地震动水压力式中:F——单位宽度动水压力标ρw ——水体质量密度标准1kN/m 3h——计算水深， 1.8m；其它符号意义同上六、1 基地压力计算ξ——地震作用的效应折减系数，取值为F=0.65a h ξρw h 2＝ 1.03kN/mξWMAG ∑∑±=max min σi h Ei F =a G ig αξA=BL式中：——闸室基底∑G——作用在闸∑M——作用在闸矩之和(kNA——底板面积W——闸室基底B——闸底板垂L——闸底板顺2闸室抗滑稳定式中：K c——沿闸室底f——闸室基底∑H——作用在闸∑G——作用在闸2闸室抗浮稳定式中：K f——闸室抗浮∑V——作用在闸∑U——作用在闸maxminσ∑∑=HGfKC∑∑=UVKfWMAG∑∑±=maxminσ216W BL=。

[附录一：泄洪冲砂闸及溢流堰的水力计算1.1设计资料：根据设计任务书中提供的资料和该枢纽布置段的基本地形资料本工程中的河流属于山溪性河流天然来水量多集中在洪水季节，平时来水量仅占全年来水量的10%；河水中泥沙含量较大尤其是伴随洪水中的泥沙较多；再根据其地形资料来看本工程布置段的地形坡度比较合适，因此在选择泄洪冲砂闸地板高程1852.40m。

根据上述本工程中的泄洪冲砂闸为宽顶堰，堰顶高程1852.40m，过闸水流流态为堰流。

汛期通过闸室的设计洪水流量Q设=1088m3/s,校核洪水流Q校=1368m3/s。

因为泄洪冲砂闸为宽顶堰所以尺寸拟定用堰流公式：δ- 为淹没系数，取为1.0；m---为流量系数，因为是前面无坎的宽顶堰所以m=0.385；ε--为侧收缩系数，先假定为1.0；H--- 位总水头，初设阶段不考虑行进流速，即假设的堰上水头；b—闸门净宽；来洪水时洪水将由溢流堰和泄洪冲砂闸两部分共同承担，这样可减去一部分闸孔的净宽并设置溢流侧堰初步拟定溢流堰为折线形实用堰。

初步拟定溢流堰堰顶高程=进水闸设计流量的堰顶水头对应的水位+（0.2—0.3m）=进水闸闸底高程1853.60m +闸前水位1.40m +超高0.2m =1856.4m 采用共同水位法和堰流公式计算两种工作情况下的特征洪水位：先假设一个水位，用堰流公式分别计算过堰流量和过闸流量，二者相加等于实际流接近计算工作情况下的洪水流量时，该水位就为所求。

因为泄洪冲砂闸为宽顶堰所以尺寸拟定用堰流公式：δ- 为淹没系数，取为1.0m---为流量系数，因为是前面无坎的宽顶堰所以m=0.385；计算溢流堰时因为溢流堰为折线形实用堰m=0.3.ε--为侧收缩系数，先假定为1.0；H--- 位总水头，初设阶段不考虑行进流速，即假设的堰上水头。

b—闸门净宽计算结果如附表1-1，1-2（a）设计洪水情况下：洪水流量Q=1018 m3/s。

（b）校核洪水情况下：洪水流量Q=1368 m3/s经过计算泄洪冲砂闸净宽96m，溢流堰长度95m，设计洪水位1855.8m校核洪水位1856.30m。

水闸闸室的稳定分析和地基处理闸室在运用、检修或施工期都应该是稳定的。

在运用期，闸室受到水平推力等荷载作用，有可能沿着地基面滑动（通常称为表层滑动），还可能连同一部分地基土体滑动（通常称为深层滑动）。

闸室竣工时，一般地，闸室地基表面所受的应力很大，或者应力分布很不均匀，这不但使闸室高程降低，而且会使闸基倾斜甚至断裂，地基也有可能失去稳定性。

因此，必须验算闸室的稳定性，以保证在各种情况下闸室均能安全可靠地运用。

1荷载计算及组合1.1荷载计算闸室荷载主要有以下7种（图7-44）。

1. 自重自重指闸室自身重力，包括底板、闸墩、胸墙、工作桥及桥墩、交通桥、便桥、闸门及启闭设备等的重力。

2. 水重水重指闸室范围内作用在底板上面的水体重力。

3. 水平水压力水平水压力指胸墙、闸门及闸墩侧面所受到的水平水压力。

当有钢筋混凝土铺盖时（图7-45），止水片以上的水平水压力按静水压力分布考虑；止水片以下缝内的水平水压力按下述方法计算：由于渗流区内任一点的水压力强度等于该点的静水压强（相对于下游水位）与渗透压强之和，在止水片以下的缝内水流状态可以认为是静止的，所以，缝内渗透压强处处相等，其数值即为缝底这一点（图7-45中的第7点）的渗透压强，而缝内静水压强按一般方法计算。

图 7-44 闸室荷载（第5版 图7-41 图名相同）1p 、2p 、3p —水平水压力；zl p —波浪压力；G —底板重；1G —启闭机重；2G —工作桥及桥墩重；3G —胸墙重；4G —闸墩重；5G —闸门重；6G —交通桥重；1w G 、2w G —水重；b p —扬压力；fb p —浮托力；sb p —渗透压力；f F —地基反力；p h —波浪高度；z h —波浪中心线超出计算水位的高度；m L —波浪长度图 7-45 闸室上游水平水压力计算图（单位：m ）图7-45所示，已知第7点渗透压强为31.9kPa ，第8点渗透压强为30.5kPa ，通过上述计算即可获得闸室上游面各点水平水压强及其分布情况。

第15卷第2期1998年5月工 程 力 学EN GIN EERI NG M ECHAN ICSVol.15N o.2M ay. 1998水闸闸室抗滑稳定可靠度校核方法探讨许 萍 夏友明(扬州大学水利学院,扬州 225009) (扬州大学建工学院,扬州 225009)提 要 本文对五个已建水闸闸室抗滑稳定进行了可靠度校核,并把所得结果与安全系数法的结果相比较,表明现行设计规范不够合理,值得作进一步探讨。

关键词 安全系数,可靠指标一、前 言自六十年代以来,结构可靠性理论及其在各个领域中的应用得到了很大的发展。

特别是随着 建筑结构设计统一标准 (GBJ68 84)、 水利水电工程结构可靠度设计统一标准 (GB50199 94)和 港口工程结构可靠度设计统一标准 等新规范的颁布,标志着我国的工程结构设计全面地自定值设计法步入概率设计法。

这是可靠度理论在工程结构设计方面的重要应用。

致于水工结构的可靠度问题,目前国内外的研究尚局限于对重力坝的研究,而对水闸可靠性的研究尚较少,因此,本文仅对水闸闸室抗滑稳定可靠度分析方法作一些探讨。

二、闸室抗滑稳定不定性因素分析一般说来,影响闸室抗滑稳定的主要因素[1]有:闸室结构的自重,上、下游水重,水平水压力,扬压力,浪压力,泥沙压力和地震影响等,考虑到统计资料的缺乏,且本文只作可靠性分析方法具体应用的探讨,因此,在下面的校核中,只取自重、上游水位、下游水位及闸底板与地基土之间的摩擦系数作为随机变量(见图1)。

实际应用时应加上所有的主要影响,其本文收稿日期:1996年10月研究方法是相同的。

1.钢筋混凝土的容重闸室结构都是钢筋混凝土结构,闸室结构的自重与各构件的体积和容重有关,而各构件的具体体积和容重与施工队伍、施工质量有关。

所以,各构件的自重不是一个常量,而是一个随机变量。

据文献[2],不计体积的随机性,仅以容重代表自重的随机性时,均值为2.447t/m 3,其变异系数为0.025,服从正态分布。

.1.1 设计资料：根据设计任务书中提供的资料和该枢纽布置段的基本地形资料本工程中的河流属于山溪性河流天然来水量多集中在洪水季节,平时来水量仅占全年来水量的10%；河水中泥沙含量较大特别是伴有洪水中的泥沙较多；再根据其地形资料来看本工程布置段的地形坡度比较合适, 因此在选择泄洪冲砂闸地板高程1852.40m.根据上述本工程中的泄洪冲砂闸为宽顶堰,堰顶高程1852.40m,过闸水流流态为堰流. 汛期通过闸室的设计洪水流量Q =1088m3/s,校核洪水流Q =1368设校m3/s.因为泄洪冲砂闸为宽顶堰所以尺寸拟定用堰流公式：δ- 为淹没系数,取为1.0；m ---为流量系数, 因为是前面无坎的宽顶堰所以m=0.385；ε--为侧收缩系数,先假定为1.0；H--- 位总水头,初设阶段不考虑行进流速, 即假设的堰上水头；b—闸门净宽；来洪水时洪水将由溢流堰和泄洪冲砂闸两部份共同承担,这样可减去一部份闸孔的净宽并设置溢流侧堰初步拟定溢流堰为折线形实用堰.初步拟定溢流堰堰顶高程=进水闸设计流量的堰顶水头对应的水位+ 〔0.2—0.3m〕=进水闸闸底高程1853.60m +闸前水位1.40m +超高0.2m =1856.4m 采用共同水位法和堰流公式计算两种工作情况下的特征洪水位：先假设一个水位,用堰流公式分别计算过堰流量和过闸流量,二者相加等于实际流接近计算工作情况下的洪水流量时,该水位就为所求. 因为泄洪冲砂闸为宽顶堰所以尺寸拟定用堰流公式：δ- 为淹没系数,取为 1.0m ---为流量系数, 因为是前面无坎的宽顶堰所以 m=0.385；计算溢流堰时因为溢流堰为折线形实用堰 m=0.3.ε--为侧收缩系数,先假定为 1.0；H--- 位总水头,初设阶段不考虑行进流速, 即假设的堰上水头. b — 闸门净宽计算结果如附表 1-1,1-2〔a 〕设计洪水情况下：洪水流量 Q=1018m 3/s.附表 1- 1 设计洪水情况下泄洪冲砂闸水力计算表〔b 〕校核洪水情况下：洪水流量 Q=1368m 3/s附表 1-2 校核洪水情况下泄洪冲砂闸水力计算表经过计算泄洪冲砂闸净宽 96m,溢流堰长度 95m,设计洪水位 1855.8m 校核洪 水位 1856.30m.泄洪冲砂闸净宽为 96m,每孔取净宽 8m,边墩宽 0.8m , 中墩宽 1.0m 缝墩 1m.1.2 泄洪冲砂闸地板渗透稳定计算1〕地板渗流计算2 / 9过堰总流量 〔m 3/s 〕1856.3 1251.7 118.6 1370.3实际总流量 〔m 3/s 〕过闸总流量 〔m 3/s 〕 〔m 〕水位过堰总流量 〔m 3/s 〕1018.9 实际总流量 〔m 3/s 〕过闸总流量 〔m 3/s>水位 <m>1855.835.1 10541、确定地基计算深度〔1〕计算Te水平投影长度L =10m,铅直投影长度S =1.5m ；0 0因为L 0 =6.67>5；所以T = 0.5 L =0.5 10=5m ；e 0所以地基不透水层的有效计算深度为 5.0m.〔2〕计算各段 Aa 阻力系数1 ：S=1.5m,T=5m ；2：L=0.75m,T=5m, S = S = 0 ；1 2L 0.7(S + S )= 1 2 = 0.15 X T3 ：S=0.5m,T=5m, = 3.1416 ；4 ：L=8.5m,S 1 =0.5m,T=5m, S 2= 0.5m ；L 0.7(S + S )= 1 2 = 1.36 X T5 ：S=0.5m,T=5m, = 3.1416 ；6 ：L=0.75m,T=5m, S = S = 0 ；1 2L 0.7(S + S )= 1 2 = 0.15 X T7 ：S=1.5m,T=5m ；<3>计算各段水头损失h i ：S.总水头损失编H =3.90m ；h = 飞 ； 在x 飞 = 3.234列表计算各段水头损失 h i ；附表 1-3 水头损失计算表：〔4〕进出口水头损失值的修正1 进口处修正系数B 1；1B = 1.21-112 (|( T T ' ))|2 + 2 T S+ 0.059；式中 S=1.5m,T=5m,T ' =5m;代入得B 1=1.01；B 1>1 所以不用进行修正；2 出口处修正系数 B2T ' =3.5m, T=5m, S=1.5m ；B =0.857〈1.0,所以出口处要修正. 2出口段水头损失减小值为： H =0.828 根 0.857=0.710m ；编h =0.828-0.710=0.118m ；H 6=0.181+0.118=0.299〔5〕计算各角隅点的渗压水头并列表：41.3601.64 30.1000.121 50.1000.121 10.6870.828 20.1500.181 60.1500.181 70.6870.828序 号飞ihi编H7i x 飞 i附表 1-5 各角隅点渗压水头h13.07 2 h22.8 91 h32.77 0 h41.13 0 h51.00 9 h60.71 0h7〔6〕绘制渗压水头分布图〔7〕闸底板水平段渗透坡降和渗流坡降的计算：1 闸底板水平段平均渗透坡降J ：x闸底板的轮廓线由 6 点至 11 点,水平投影L = 8.50m .J =H H6 11 = 1.64= 0. 193 [0.22 ~ 0.28]；xL 8.52 出口处得出逸坡降J ：出口处既 11 点至 12 点,渗透距离为S ' = 1.50m .J = H H 11 12 = 0.71 = 0.47 <[0.50 ~ 0.55]；0 S ' 1.5[J ] [J ]、 x 参见 SL265—2001 《水闸设计规 X 》所以满足允许渗透比降.1.3 泄洪冲砂闸地板抗滑稳定计算计算单元的确定根据 《水闸设计规 X 》SL265——2001 闸室稳定计算宜取相邻顺水流向永久 缝之间的闸段为计算单元,选取中间两孔闸室作为计算单元.附图 1-4 计算单元选取示意图：6 / 9承载力计算自重荷载：根据《水工钢筋混凝土结构学》中钢筋混凝土按线性分布荷载为25KN/m 3. 根据水闸的基本尺寸设计对其进行荷载计算.作用在水闸上的自重荷载有：底板： G = [10 根1.0 + 2 根 (0.5 根1.5 根 0.5)]根 25 = 268.75KN闸墩： G = [(0.5 根 5.4)+(0.5 根 4.5)]根10 根 25 = 1237.5KN闸门：根据《水闸》闸门为弧形露顶式 B 共 10m,所以G = K K B 0.33H H 0.42c b sHs ——设计水头；Kc ——材料系数,本工程取 1；Kb ——孔门宽度系数,本工程 Kb=0.472；H ——孔口高度；闸门： G = K K B 0.33H H 0.42 = 1.0 根 0.472 根 80.33 根 2.9 根 4. 10.42 = 4. 16(吨)c b sG=4.16×10=41.6KN工作桥,交通桥与其梁： G = 19 根 4 根 0.3根 25 + 5 根19 根 0.3根 0.5 根 25 = 926.25KN根据算 出的 闸门 的数据 参考《 闸 门与启闭设 备 》采用双 吊 点卷扬式6 根 37 +1 - 0 24 - 160 型启闭机,该启闭机的自重为 2.55 吨.启闭机： G=2.55*10=25.5KN根据 SL265—2001 《水闸设计规 X 》中应该选取不同的荷载组合作为不同的 工况对闸室的稳定进行验算看闸室是否安全.第一种工况选为完建无水的状况附表 1-6 泄洪闸荷载计算成果表〔完建无水期〕力矩 M <KN ·M>荷载名 称垂直力 M<KN>力臂 L<M>- 〔顺时针〕 5106.253712.5 2316.25926.2541.625.5 10738.35完建无水工况下的闸室稳定计算根据 SL265-2001 《水闸设计规 X 》中地基承载力公式：Pmax式中 min —完建无水期基底压力的最大和最小值,kPa ；G —作用在闸室上的全部竖向荷载, 〔包括基础底面的上的扬压力〕 KN ；M —作用在闸室上的竖向和水平荷载对于闸底板垂直于水流方向的形心轴的力矩〔kN.m 〕；A —闸室基底的面积〔m 2〕；W — 闸室基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩〔m 3〕；地基承载力不均匀性验算公式： ν = p max [ν]pmin根据计算结果,判断是否满足要求.根据 SL265-2001 《水闸设计规 X 》野云沟河床多是漂石、卵、碎石、角石、 砾砂与少量的粉土,粉砂胶结而成,所以属于中等坚实ν 取 2.0所以满足要求0.00 0.00 0.001852.50.000.00 1852.5底 板闸 墩 工作桥交通桥闸 门启闭机∑+ 〔逆时针〕0 0 ↑0.00 0.00 0.000.000.000.00 083.251 2450.450 0 2.5222 926.25 ↓第二种工况为上游为正常引水为下游无水的工况〔此工况为最不利工况〕 正常当水期荷载计算与抗滑稳定验算：附图 1—5 水闸稳定计算水重作用力意图：S = 2.7 3.9 + 0.8 2.3 0.5 = 11.45m 2水水重： G = 11.45 16 10 = 1832KN附图 1-6 水闸稳定计算水平压力作用力意图：水平压力：渗透压力： W = (3.07 + 0.71)10 / 2 19 10 = 3591KN浮托力： W = (10 1 + 2 0.375) 9.5 10 = 1045KN计算结果列于表:附表 1-7 泄洪闸闸室荷载计算成果表<正常挡水期>根据 SL265-2001 《水闸设计规 X 》中地基承载力公式：Pmax式中 min —完建无水期基底压力的最大和最小值,kPa ；G —作用在闸室上的全部竖向荷载, 〔包括基础底面的上的扬压力〕 KN ；水平力 P <kN>← →力臂 <m>力矩 M0 <kNm>+〔逆时针〕 － 〔顺时针〕27481581.8498.8652748 1680.711067.30垂直力 M 〔kN 〕 ↓10738.3518321045359112570.35 46367934.35 荷载名称闸室水重上游水压力浮托力渗透压力合计1216.876.051.51.3 1292.851292.851.3↑M —作用在闸室上的竖向和水平荷载对于闸底板垂直于水流方向的形心轴的力矩〔kN.m〕；A —闸室基底的面积〔m2〕；W —闸室基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩〔m3〕；地基承载力不均匀性验算公式：根据计算结果,判断是否满足要求.不均匀系数验算故满足要求.闸室基底面的抗滑稳定计算：根据SL265-2001 《水闸设计规X》中的闸室抗滑稳定计算公式：式中：f —闸室与地基的磨擦系数；由X 世儒《水闸》查表7-8.G —作用在闸室上的全部竖向荷载,kN；P —作用在闸室上的全部水平荷载,kN；根据喀拉沟渠首的不同运行工况选最不利工况〔上游为设计引水为时〕对闸室抗滑稳定进行验算.因为喀拉沟河床多是漂石、卵、碎石、角石、砾砂,再根据SL265-2001 《水闸设计规X》表f 取0.4.因为喀拉沟渠首工程水闸为3 级,根据SL265-2001 《水闸设计规X》在基本荷载工况下抗滑稳定安全系数为[K ]= 1.25 .cK = 2.45 >[K ]= 1.25 所以,满足抗滑稳定要求.c c。

水闸渗流稳定及闸室稳定分析◎ 常聪聪 中交四航局港湾工程设计院有限公司摘 要：水闸在水利建设中扮演着重要的角色，本文结合闸坝的具体工程实例，详细介绍了水闸渗流稳定和闸室稳定的计算原理及计算步骤，计算结果表明该项目的结构设计方案较安全但偏保守，可进一步优化方案。

本文中所涉及的相关计算可为相似工程案例提供一定的参考。

关键词：水闸；渗流；闸室稳定1.引言水闸作为一种用来调节水位、控制流量且通常水头差不超过30m的低水头水工建筑物，具备挡水和泄水的两重作用，在水利工程建设中得到广泛应用。

水闸的渗流分析和闸室的稳定分析是水闸设计中两个重要部分，国内外众多学者针对该课题做了丰富的研究。

梁佳铭[1]、王建华[2]运用可靠度理论分析了水闸安全的主要影响因素，申向东[3]分析了单孔水闸的抗滑稳定，也有众多学者结合工程实例对水闸闸室的稳定进行了计算分析[4~7]。

改进阻力系数法是计算水闸闸基渗流稳定的重要方法，适应性广，众多水闸案例以此方法为基础进行设计验算[8~10]。

学者们还将水闸渗流分析的有限元分析法和改进阻力系数法作对比[11~14]，表明两种方法在计算闸基渗流问题上均可靠，有限元分析法则更偏保守。

本文结合具体工程实例，按照现行规范[15]，对水闸的闸基渗流及闸室稳定进行了具体计算分析，对相似案例工程具有一定的借鉴与参考意义。

2.工程概况本工程案例为广东某水闸的重建方案，泄水闸闸孔孔数为12孔，单孔净宽14m，总净宽168m。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）和《渠化工程枢纽总体设计规范》（JTS 181-1-2009），枢纽按库容分等指标，为Ⅲ等中型工程，建筑物级别为4级。

正常蓄水位为35m，中墩厚2.5m，边墩厚2.0m，上游铺盖长15m，闸室长度25.5m，消力池长30m。

地质条件：工程区域地震活动性较弱，区域地质稳定性良好，工程范围内本枢纽的地层主要有第四系填土层（Q4ml）、第四系冲积层（Q4al）、第四系冲洪积层（Q4al+pl）及石炭系下统大塘阶石磴子段（C1ds），中风化岩物理力学性质好，岩石强度高，分布较稳定，地基承载力较高。