水闸两岸的连接建筑设计

1、水闸两岸的连接建筑设计1连接建筑物的作用水闸两端与河岸（或堤、坝）连接时，应设置连接建筑物，其组成部分有上、下游翼墙（图7-60）和边墩（或岸墙），有时还有刺墙。连接建筑物的作用是：挡住两岸填土，保证河岸（或堤、坝）稳定，免受过闸水流冲刷；上游翼墙引导水流平顺过闸，下游翼墙使出闸水流均匀扩散；控制闸室侧向绕流，防止绕流引起渗透变形；在软弱地基上有时需设岸墙，岸墙与边墩之间用沉降缝分开，以减小两岸地基沉降对闸室应力的有害影响。2连接建筑物的形式和布置1. 上、下游翼墙上、下游翼墙的平面布置，通常有以下几种形式。（1）反翼墙。翼墙自闸室向上、下游延伸一段距离后，再转弯90插入堤岸内，转弯圆弧半径约

2、为25m图7-60（a）。为了使出闸水流均匀扩散，下游翼墙的每侧平均扩散角宜采用712（即扩散度约为1518），如12，过闸水流容易脱离翼墙表面，在主流与墙面之间产生回流，而且，回流压缩主流，使主流单宽流量加大，对消能非常不利。上游翼墙的每侧收缩角可以大于12，但为了保证水流平顺，不宜大于30。这种反翼墙布置可以保证墙后有足够的侧向渗径长度，防渗效果较好，但翼墙工程量大，一般用在大、中型水闸。对于小型水闸，翼墙可自闸室上、下两端直接转弯90插入河岸，这种形式通常称为一字墙图7-60（b），虽然一字墙的进流及出流条件较差，但在小型水闸中，这种矛盾不突出，况且工程量也较省。图 7-60 翼墙布置形

3、式（第5版 图7-57 图名相同）（a）反翼墙；（b）一字墙；（c）扭曲面墙；（d）斜降墙（2）扭曲面翼墙。迎水面在靠近闸室处为铅直面，随着翼墙向上、下游延伸而逐渐增加墙面倾斜度，一直变到与相连的河床（或渠道）坡度相同为止图7-60（c）。扭曲面翼墙的进流与出流都较反翼墙好，工程量也较省，但施工较为麻烦，墙后回填土夯实不够时，扭曲面常易产生裂缝。扭曲面翼墙在坚硬的黏性土和岩石地基上可以采用，在小型渠道工程中则广泛采用。（3）斜降翼墙。平面形状为八字形，随着翼墙向上、下游延伸，其高度逐渐降低图7-60（d）。这种布置形式不仅工程量小，而且施工方便，但水流容易在闸孔附近产生立轴漩涡，对进出水流均不

4、利，并易冲刷堤岸。斜降翼墙可用在坚硬的黏性土地基上，也常用在小型水闸中。（4）圆弧翼墙。从闸室上、下游两端开始，上游翼墙宜采用圆弧形(或椭圆弧形)的铅直翼墙与河岸连接（图7-61），下游翼墙宜采用圆弧（或椭圆弧）与直线组合式或折线式。上游圆弧半径为1530m，下游为3540m。圆弧翼墙的水流条件好，适用于上、下游水位差较大、单宽流量较大的大、中型水闸中。图 7-61圆弧翼墙布置（第5版 图7-58 图名相同）上述各种翼墙（除一字翼墙外）自闸室向上游延伸的距离应大于或等于铺盖长度，下游翼墙则应延伸到护坦末端或更长些。上、下游翼墙顶部高程（除斜降翼墙外）应分别高于最不利的上、下游运用水位，如为了节

5、省工程量而将翼墙高程降低，则应在翼墙顶部设置挡浪板，或使翼墙顶部过水，并加强岸坡保护。（5）斜坡式。这种形式与上述四种均不相同，它是将直立式的翼墙和边墩做成倾斜的护坡形式（图7-62）。这种护坡具有防渗、防冲和防冻的作用，构造上和闸底板相同。为了挡水和泄水，在斜坡上应设置闸孔。斜坡式连接布置能扩大过水面积，加大泄水能力，而且工程量小，经济效果好，适用于各种软硬地基。特别是挡土高度大、地基承载力小的情况，宜采用此种形式。其缺点是在斜面上形成几个不规则的闸孔，施工较麻烦，同时还延长了闸顶上的交通桥和工作桥。此外，斜坡上的底板露出水面，在严寒地区容易产生裂缝。斜坡式布置首先在治理海河的水闸工程中采用

6、，现已推广到湖南、江苏、山东等省。图 7-62斜坡式连接布置（单位：m）（第5版 图7-59 图名相同）2. 岸墙闸室边孔常通过边墩与两岸连接，此时边墩是岸墙，当边墩与岸墙分开时，边墩为闸室的一部分，岸墙为连接建筑物的一部分。岸墙布置形式常有以下几种：（1）岸墙与边墩结合。这是最常用的形式，利用边墩直接挡土，边墩与闸室连成整体或用缝分开（图7-63）。这种布置形式一般用于闸室高度较低（如小于6m）、地基承载力较大的情况。当闸室较高时，边墩承受的土压力较大，并传给底板，使边墩与底板产生较大的弯矩，相应地加大了边墩与闸室底板的厚度，并增加了钢筋用量。此外，当闸室较高时，两岸填土荷载很大，与闸室传给

7、地基的荷重相差悬殊，这在软土地基上有可能产生过大的不均匀沉降，并使闸室底板产生较大的附加应力，严重时会使底板断裂。因此，对于孔数较少、闸墩不分缝的水闸，可在闸室中设置横撑，利用闸室两侧土压力对称的作用，改善边墩与底板的受力条件。如孔数较多，可采用岸墙与边墩分开的形式。图 7-63岸墙与边墩结合的布置（第5版 图7-60 图名相同） （2）岸墙与边墩分开。当闸室较高、孔数较多及地基软弱时，可在边墩后另设岸墙（图7-64及图7-61中的剖面），起挡土作用。此时，岸墙与边墩之间需设沉降缝。这种布置形式可以大大减轻边墩的负担，闸室受力条件也较好。图7-61是在边墩后面设置空箱岸墙，利用空箱较轻的特点，

8、使地基表面上的荷重从较轻的闸室向较重的两岸逐渐过渡，以减小岸墙与边墩以及岸墙与回填土之间的不均匀沉降，并避免产生整体滑动。在空箱上还可以设置管道与上（或下）游相通，利用阀门控制管道向空箱内充水或放水，以调节空箱作用于地基上的压力分布，使之在任何水位时都接近于均匀分布。另外，由于空箱岸墙刚度大，其本身也可以适应较大的不均匀沉降。图 7-64 岸墙与边墩分开的布置（第5版 图7-61 图名相同）（3）岸墙部分挡土。利用岸墙的下部挡土，并在岸墙后面设置垂直于岸墙的刺墙进行挡水。岸墙后面填土至一定高度后再以一定的坡度到达堤（或岸）顶（图7-65）。由于刺墙挡水，其插入堤（或岸）内的长度应满足绕流渗径的

9、要求，同时也要保证刺墙底部有足够的渗径长度，故刺墙上游需设置铺盖。由于两岸填土高度是逐渐增加的，这种布置形式可以较为有效地减小地基的不均匀沉降，并可防止两岸填土过重而产生整体滑动，故多用于闸室较高而地基承载力又较低的水闸工程中。当地基承载力过低，岸墙后面部分填土仍不能满足要求时，则岸墙可以不挡土，而将填土从闸室底板高程处以一定的坡度填筑至堤（或岸）顶。此时，上、下游翼墙后面也不填土，翼墙只起导水作用。墙身一般留有过水孔，使墙内水位与相应的上、下游水位齐平，保证岸墙与翼墙承受的内、外水压力互相抵消。在这种布置中，刺墙上游仍应设置防渗铺盖。图 7-65 岸墙部分挡土的布置(单位：m) （第5版 图

10、7-62 图名相同）1上游翼墙；2下游翼墙；3扶壁式刺墙；4黏土铺盖（厚1.5m） 3连接建筑物的结构形式和构造两岸连接建筑物主要是挡土墙（或挡水墙），有重力式、悬臂式、扶壁式及空箱式4种形式。1. 重力式重力式挡土墙主要依靠本身重力维持稳定，可用混凝土或浆砌块石建成（图7-66）。墙身顶宽0.30.5m，临水面直立，背水面坡度系数m=0.250.50。为了改善基底的压力分布，常将基础底部面积扩大，如伸出部分较长，混凝土所受的拉应力大于其允许值时，还需配置一定数量的钢筋。为了提高挡土墙的稳定性，可设置排水设施，以减小墙背面的水压力。排水孔直径为45cm，孔距为25m，孔后设滤层图7-67（a）

11、。墙身高度不大时，可采用一列排水孔，孔口应高出底板顶面（或墙外地面）1030cm。当墙体不宜开孔排水时，可采用墙后暗管排水图7-67（b）。傍山修建挡土墙时，要在山坡修筑截水沟，以便引走地表面水。图 7-66重力式挡土墙 图 7-67挡土墙的排水设施重力式挡土墙适用于坚实或中等坚实的地基，墙身可以不用钢筋，施工方便，墙高在6m以下较为经济。浆砌块石挡土墙在中、小型工程应用很广。当墙身较高时，重力式挡土墙体积太大，可采用半重力式混凝土挡土墙（图7-68），这种挡土墙的宽度较小，在墙背面会产生较大的拉应力，此时需配置少量钢筋。为了有足够的宽度，迎水面悬臂部分做得较长，该处也需要布置少量钢筋。 图

12、7-68半重力式挡土墙（第5版 图7-65 图名相同）图 7-69悬臂式挡土墙（单位：m）（第5版 图7-66 图名相同）1直墙；2前趾；3后趾2. 悬臂式悬臂式挡土墙是钢筋混凝土轻型结构，厚度小，自重轻，形状一般为形、U形，由直墙和底板两部分组成。直墙顶部厚度一般不小于15cm，底部厚度由计算确定，一般为挡土高度的1/101/12。底板前后边缘厚度不小于15cm。底板宽度由挡土墙稳定条件和基底压力分布条件确定，如图7-69所示，可以调整后趾长度，以改善抗滑稳定条件；调整前趾长度，以改善基底压力分布。底板宽度一般取为挡土墙高度的0.60.8倍，前趾长度与底板宽度的比值，一般为0.150.30。

13、对于小跨度的水闸（闸室总宽为610m），挡土墙和底板常连成整体而形成U形结构，用直墙挡住两岸回填土，底板可作为铺盖或护坦。悬臂式挡土墙多用在坚实或中等坚实地基上，直墙一般不能太高，如超过610m，往往不经济，此时可考虑采用扶壁式挡土墙。3. 扶壁式扶壁式挡土墙与悬臂式一样，均属于轻型结构，由直墙、底板及扶壁三部分组成，主要利用底板上的填土重力维持稳定，并调整前趾长度使基底压力分布均匀。若采用浆砌石砌筑时，一般墙高在6.5m以内；若采用钢筋混凝土结构，墙高以大于910m较为经济。直墙与底板所需的厚度与扶壁间距成正比。扶壁间距 l 确定是设计中的一个关键问题，对于钢筋混凝土结构，为了施工方便，l

14、值不宜小于3.0m，一般为3.04.5m。为了适用不均匀沉降，可以把36跨作为一段，每段长1020m，段与段之间设有沉降缝。扶壁厚度多为3040cm，如扶壁很高，下部厚度可适当加大。直墙顶厚一般为1520cm，但不宜小于12cm，下部厚度由计算确定。浆砌石扶壁式挡土墙的扶壁间距 l 一般为（1/21/3）h hb，h为直墙高，扶壁厚度为6070cm。直墙顶厚约为60cm，其迎水面直立，墙背倾斜，坡度系数约为0.1。底板宽度b=（0.80.9） h，前趾长度约为（1/31/5） b，底板厚度为（1/101/12）h4. 空箱式空箱式挡土墙是扶壁式挡土墙的特殊形式（图7-71），由顶板、底板、前墙

15、、后墙、扶壁与隔墙6部分组成。空箱底板宽度与空箱高度的比值多为0.81.2，若地基土质特别软弱，该比值可能大于1.2。底板前趾伸出的长度很小，如与边墩连接时则无伸出长度。确定扶壁间距和厚度的原则，与扶壁式挡土墙相同。隔墙与扶壁相连，两者的间距一样，但厚度稍有不同，因隔墙主要受压，受力条件比扶壁好，所以其厚度可以薄些，但也不宜小于20cm。扶壁和隔墙均按构造要求配置钢筋。前墙厚度不宜小于2530cm，后墙厚度常不小于2030cm。图 7-70扶壁式挡土墙（单位：cm）（第5版 图7-67 图名相同） 图 7-71空箱式挡土墙(单位：cm) （第5版 图7-68 图名相同）1扶壁；2后墙；3前墙；

16、4通气孔；5底板；6排水孔；7顶板；8隔墙空箱式挡土墙可以利用空箱充水或填土来调整地基应力，因此具有重力轻和基底压力较均匀的优点。但由于墙后填土重力大，容易使空箱向填土方向倾斜，同时，这种形式结构复杂，模板和钢筋用量大，施工麻烦，造价高，因此仅在某些地基较差的大型水闸中使用。空箱式挡土墙的另一种形式是连拱空箱式，它是伴随着反拱闸室底板而诞生的，其特点是空箱后墙用拱圈代替。因为这种形式挡土墙的整体性及防渗性能较差，工程中已几乎停止采用。上述连接建筑物的四种结构形式在稳定要求方面与闸室基本相同，所不同的是，对于岩基上翼墙还需验算抗倾覆稳定，即 K0=式中：K0为翼墙抗倾覆稳定安全系数；Mm；MH不

17、论水闸级别，基本荷载组合时，K0不应小于1.50；特殊荷载组合时，K应小于1.30。当沿岸墙、翼墙基底面的抗滑稳定安全系数小于允许值时，可采用下列一种或几种抗滑措施：适当增加底板宽度；在基底增设凸榫；在墙后增设阻滑板或锚杆；在墙后更换成内摩擦角较大的填料，并增设排水；适当限制墙后的填土高度。4连接建筑物的防渗设计水闸挡水后，上游水不仅通过闸基渗向下游，同时也绕过两岸连接建筑物向下游渗透（图7-72），后者称为绕流渗透或侧向绕流。图 7-72 侧向绕流图（第5版 图7-69 图名相同）闸基渗流没有自由水面，属于有压渗流；侧向绕流具有自由水面，属于无压渗流，并且又是典型的三维问题。当河岸为均质土壤

18、，地基有水平不透水层时，可以近似地认为同一铅直线上各点的渗流速度相等，这样，可将三维问题简化为二维问题，按此对绕流渗透场中的渗流要素进行分析。如图7-73所示，h为不透水层以上的水深，在z方向上任一点的流速为：v （7-56）v图 7-73渗流微分体通过渗流微分体的单宽流量为：q （7-57）q根据水流连续条件，有：x将式（7-57）代入式（7-58），得：2h如果令势函数=h2，并代入式（7-59），则得取边界条件时，可把边墩和顺水流方向的翼墙作为闸室板看待，把垂直水流方向的翼墙和刺墙作为板桩或齿墙看待，连接建筑物背面的轮廓线为第一根流线，上游水面与河岸交线为上游等势线（即图7-72中的第1

19、0号等势线），下游水面与河岸的交线为下游等势线（即图7-72中0号等势线）。需要说明的是，图7-72中的流网并不与闸基中流网等同，主要区别在于势函数的含义不同。闸基有压渗流中的势函数是水头函数，即= h （此处h是水头值），而侧向绕流是无压流，其势函数为=h2（此处h为不透水层以上的水深），所以，不能直接由图7-72中的流网等势线来确定连接建筑物的渗透压强，需要通过换算。图7-72有11根等势线，把绕流场分成势能差（）相等的10个部分，任一根等势线的势能为，而第0、10号等势线的势能分别为d及u。如令r=(-dr经过整理后，得h=式中：h为任一根等势线上各点水面在不透水层以上的高度；hu、h、下游水面在不透水层以上的高度。计算h值时可先从流网中按等势线的编号确定r，即得该等势线上各点的水深。知道某点水深后，再减去下游水深hd，便得到该点的渗透水头。以上计算方法的先决条件之一，是假定连接建筑物的回填土及地基土有着相同的渗透系数。如两岸墙后回填土的渗透系数Kb大于地基土的渗透系数Kf的4050倍以上，在上述计算中可将