闸室的结构计算

1、第一节概述一、概念水闸是调节水位、限制流量的低水头水工建筑物,主要依靠闸门限制水流,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1 .按担负的任务作用分：节制闸拦河闸：拦河兴建,调节水位,限制流量.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、预防洪水倒灌.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,预防海潮倒灌.冲沙闸：静水通航,动水冲沙,减少含沙量,预防淤积.排冰闸：在堤岸上建闸预防冬季冰凌堵塞.图1卜1水同分

2、类示意图2 .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)3 .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工程级别InmV规模大1型大2

3、型中型小1型小2型最大过闸流量之500050010001000100100 20<20防护对象的重要性特别重要重要中等水闸枢纽建筑物级别划分表程等别永久性建筑物级别临时性建筑物级别主要建筑物次要建筑物I134n234出345卜455卜552.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,并考虑远景开展要求,按下表所列标准综合分析确定.K闸级别12345共水重现期设计1005050 3030 20201010校核300200200100100 5050 3030 20四.水闸的组成及各局部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

4、节水位和流量消能、防冲L闸室：底板、 闸墩、闸门、胸墙、工作桥、交通桥.2 .上游连接段：翼墙、铺盖、护底、上游防冲槽、上游护坡.3 .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 一闸墩 一 底板 一 地基承受水压力承受上部结构重量较均匀地传给2 .地基：平原地区水闸大局部建在土基上.土基的特点(1)抗剪强度低f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,抗冲刷水平低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

5、(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,闸门限制运用方式的拟定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*标准:?水闸设计标准?SL265-2001 ?水闸施工标准?SL27-91?水

6、闸工程治理设计标准?SL170-96?水闸技术治理规程?SL75-94?水闸平安鉴定规定?SL214-98第五节闸室的布置与构造1 .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2 .底板：L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.一底板是传力结构,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.别离式：底板与闸墩用沉陷缝分开.一闸墩传力,底板仅防渗抗冲,一

7、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.整体式(b)分舟式图9-18底板型式2.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别离式底板材料：混凝土或浆砌石厚度：满足自身稳定要求三.闸墩：L材料：混凝土小型工程常用浆砌块石2 .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

8、正常蓄水位或最高挡水位加波浪计算高度与相应平安超高值之和；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平安超高值之和.水闸平安超高低限值nj水闸级别123挡水时正常蓄水位最高挡水位泄水时设计洪水位校核洪水位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.3 .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.4 .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.5 .外形：应使水流平顺、侧向收缩小,过流水平大.图9-19闸墩布置示意图四.闸门L宽度：与孔口一致2.露顶式闸门顶部在可能出现的最高挡水位以上应有0

9、.5m的超高.3.型式：最常用的有平面闸门和弧形闸门.4.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.直升式平面阳门th外卧式半看闸门图9-20 平面闸门示意图悔,隼用?,上用总的用口口1530m设一道图9-21弧形闸门示意图五、分缝和止水沉陷缝、伸缩缝：预防闸室因地基不均匀沉陷或温度变化而产生裂缝.每隔止水：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、结构应力分析校核闸室沿地基外表的抗滑稳定水闸结构设计时要校核土基所受压力是否超过其承载水平

10、;性和闸室连同局部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平安可靠的保证的前提下,再进行闸室各局部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、荷载根本荷载：自重；水重；相应于正常蓄水位和设计洪水位情况下的静水压力；相应于正常蓄水位和设计洪水位情况下的扬压力 ；相应于正常蓄水位和设计洪水位情况下的波浪压力；土压力和泥沙压力；风压力、冰压力、土的冻胀力、其他出现时机较多的荷载.特殊荷载:相应于校核洪水位情况下水闸底板上的水重;相应于校核洪水位情况下的静水压力；相应于校核洪水位情况下的扬压力；相应于校核洪水位情况下

11、的波浪压力；地震荷载；其他出现时机较少的荷载.第七节闸室的结构计算f分解成假设干部件进行计算一、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

12、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.3.平面闸门的闸墩的应力分析步骤I y,面积矩So Syo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Ix图9-25闸墩结构计算示意图P1.P上下游水平水压力；G1-懒墩自重：P3/47两墩的倒横向水压力;G2-工作福童及闸门重；P5-交通桥上车辆刹车制动力；G3-交通桥重计算墩底水平截面上的正应力与剪应力顺水流方向纵向：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.中闸擞g至+ 0> A二空.J二至最大翦应力

13、发生在工-声由上.la 2aL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: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.一闸墩两侧有水头差,同时受到横向水压力和车辆刹车制动力等荷载.凡W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得出,均属,由静力平衡条件可求出任一垂直截面上的Z 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

14、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.倒置梁法无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Drw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的砂土时,可采用弹性地基梁法计算.1.倒置梁法计算模型及根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

15、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.图 9-26倒置梁法及反力直线分布法简图小底板哥骥曼图9-27 别离式底板接缝型式大、中型水闸,当地基为相对紧密度Drw的砂土时,可用反力直线分布法计算.均布荷载扬压力中土地基反力必水重比-底板自重/其中F- C2L' -dr2dj 2Lf用偏心受压公式计算纵向(顺水流方向)地基反力.%1t 一俄一EI?取横向单宽板条,按倒置连续梁计算内力并进行配筋.2.反力直线分布法计算模型

16、及根本假定以垂直水流方向截取的单宽板条作为计算对象,把闸墩当作底板的荷载进行计算.假定 (a)地基反力在顺水流方向直线分布.(b)地基反力在垂直水流方向均匀分布.(c)把闸墩当作底板的荷载,闸墩对底板无约束,底板可以自由变形.分nN+/QnN?+/Ql"扬压力地基反力TLr均布荷载q二场压力+地基反力4水里比底板自重/QJ2U其中q一2Lr YVd'用偏心受压公式计算纵向顺水流方向地基反力.取横向单宽板条,计算不平衡剪力/Q+ 2/1 +电 +4J -4$ 一存4 , 2LifJhQ = 0AQ = Q2*式中假定不平衡剪力/ Q的方向向下,如其计算结果为负值,说明Q的实际方

17、向向上.对不平衡剪力进行分配.不平衡剪力Q应由闸墩和底板共同承当.b= , b=1m对既定截面,Q/I是常数,.与S (y')成正比,设闸墩和底板对应的 S (y'的面积分别为 Ai和A2,那么闸墩和底板分担的不平衡剪力分别为:同域= * %匕Qj +- j4 j底板 A g 2 A QQ还要由中墩和缝墩按厚度再进行分配,两者分配的Q '和Q 分别为:计算作用在底板上的荷载分配给闸墩的不平衡剪力连同包括上部结构的闸墩重力可示为集中力作用在梁上,将分配给底板的不平衡剪力转化为均布荷载,那么作用在底板梁上的均布荷载为：均布荷载q=q3+地基反力q4-水重q2' -q

18、 1-Q/2L '.计算底板内力并进行配筋.3.弹性地基梁法计算模型及根本假定以垂直水流方向截取的单宽板条作为计算对象,按平面应变的弹性地基梁,利用静力平衡条件及底板与地基的变形协调条件,计算地基反力和底板内力.假定 a地基反力在顺水流方向直线分布.b地基反力在垂直水流方向呈弹性曲线分布,为待求未知数.把闸墩当作底板的荷载,闸墩对底板无约束,底板可以自由变形.当地基为粘性土或 Dr的砂土时,可采用弹性地基梁法计算.图9-28闸底板结构计算图计算步骤均布荷载q=4S压力q/水重,底板自童“Q/2U 其中 文, 5sqi2口回-口4f2U 此时地基反力的横向分布为待求未 知荷找用偏心受压公

19、式计算纵向顺水流方向地基反力.取横向单宽板条,计算不平衡剪力Q与反力直线分布法中相同.+ 2/1 +电 +4J -4$ 一存4 , 2LifJhQ = 0AG = Si - QQ应由闸墩和底板共同承当.与反力直线分布法中对不平衡剪力进行分配.不平衡剪力力 相同.计算作用在底板(弹性根底梁)上的荷载分配给闸墩的不平衡剪力连同包括上部结构的闸墩重力可示为集中力作用在梁上,将分配给底板的不平衡剪力转化为均布荷载,那么作用在底板梁上的均布荷载为：均布荷载q=扬压力q3 -水重q2 -底板自重qi-Q/2L '.此时地基反力的横向分布为待求未知荷载.注意：标准7.5.4规定,当采用弹性地基梁法时

20、,可不计闸室底板的自重,但当作用在基底面上的均布荷载为负值时,那么仍应计及底板自重的影响,计及的百分数以使作用在基底面上的均布荷载值等于 0为限度确定.注意：(a)如果计算对象包括直接挡土的边墩,那么侧向土压力、侧向水压力等引起的弯矩对弹性地基梁也有影响.在有些水闸工程设计中,从平安考虑,当弯矩使梁内力减小时,考虑弯矩计算值的50%使梁内力增加时,考虑弯矩计算值的100%表7.5.5边荷载计算百分数地基类别边荷载使计算闸段底板内力减小边荷载使计算闸段底板内力增加砂性土50%100%粘性土0100%计算底板内力并进行配筋.具体算法及其理论假定要适应底板及地基的具体条件：i .对于土基上的水闸的整体式平底板：a当地基可压缩层厚度为 T很厚即厚度远大于梁的最大水平尺寸时 T/L ' >2可将地基视为半无限弹性体 进行计算.b当地基可压缩层较薄时T/L ' <一可按反力与地基变形成正比的文克尔假定即基床系数法进行计算.c当地基可压缩层厚度与梁的最大尺寸同量级时 T/L ' = - 2可按有限深弹性地基梁用链杆法进行计算.ii .对于岩基上水闸的整体式平底板的应力分析,可按基床系数法计算.这是由于岩基弹性模量较大,其单位面积上的沉降变形与所受压力之间的关系比拟符合文克尔的假定.* 文克尔假定下的根底梁：假定地基单