水工建筑物-任旭华-第五章土基上的水闸

第五章土基上的水闸第一节 概述一、水闸的定义二、水闸的类型三、平原区水闸枢纽等级划分及洪水标准四、水闸的组成及各部分的功用五、水闸的工作特点六、水闸的设计内容第二节 水闸的孔口设计一、水闸孔口设计的主要内容二、开敞式水闸的闸孔型式三、确定底板高程四、水闸闸孔设计的具体步骤第三节 土基上水闸的消能防冲设计一、闸下泄流的特点和闸下冲刷的原因二、消能工设计1、消能方式2、消力池布置与设计3、辅助消能工4、闸下防护第四节 闸基的渗流分析与防渗措施一、闸基渗流的主要危害二、防渗设计的任务及设计内容三、闸基防渗措施四、闸基渗流分析第五节 闸室的布置与构造一、闸室结构布置内容二、底板三、闸墩四、闸门五、分缝和止水第六节 闸室稳定分析一、闸室结构设计的内容二、荷载及荷载组合三、闸室稳定计算的要求四、闸室沿闸基底面抗滑稳定分析五、闸室连同闸基的深层抗滑稳定验算六、基底压力验算七、闸基沉降计算八、软基处理第七节 闸室的结构计算一、闸墩结构计算二、底板结构计算（开敞式闸室整体式平底板）第八节 水闸与两岸的连接结构一、连接结构的作用及种类二、连接结构的布置三、连接结构的剖面型式及结构计算一、定义水闸——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。第一节概述

低水头水工建筑物：

一般指水头不超过30m的水工建筑物，主要有水闸、低坝、橡胶坝、船闸等。二、水闸的类型1、按担负的任务（作用）分2、按闸室结构分3、按操作闸门的动力分节制闸：拦河兴建，调节水位，控制流量；进水闸：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：在江河沿岸兴建，作用是排水、防止洪水倒灌，双向挡水；分洪闸：在河道的一侧兴建，分泄洪水、削减洪峰、分洪、滞洪；挡潮闸：建于河流入海河口上游地段，防止海潮倒灌，双向挡水；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。江苏水闸:江都水利枢纽：有万福闸、芒稻闸等12座节制闸；洪泽湖枢纽：有三河闸、二河闸、高良涧闸等。淮安水利枢纽：在京杭运河与苏北灌溉总渠交汇处，有运东分水闸、运南闸、运北闸等。京杭运河（苏北段）沿线涵闸沿海挡潮涵闸沿江涵闸二河闸：节制闸，在洪泽县高良涧镇北，是淮沭新河渠首,设计流量3000m3/s，设计水头2m。弧形闸门。江都西闸：淮河流域新通扬运河上节制闸，设计流量505m3/s，设计水头7.8m。弧形钢闸门。沭阳闸：淮河流域淮沭河上节制闸，设计流量3000m3/s，设计水头3m。弧形闸门。泗阳闸：淮河流域大运河上节制闸，设计流量1000m3/s，设计水头8m。平面闸门。高良涧闸：进水闸在洪泽县高良涧镇北，是苏北灌溉总渠首，设计流量800m3/s，平面闸门。淮阴闸：淮河流域淮沭河上节制闸，设计流量3000（m3/s），设计水头7m。弧形闸门。芒稻闸：淮河流域芒稻河上节制闸，设计流量830（m3/s），设计水头10.2m。弧形钢闸门。秦淮河新闸皂河闸：淮河流域中运河上节制闸，设计流量500（m3/s），设计水头3m。平面闸门。金湾闸：淮河流域中入江水道金湾河上节制闸，设计流量3200（m3/s），设计水头7.7m。双曲扁壳钢丝网水泥闸门，钢筋砼平面门。万福闸：淮河流域中入江水道廖家沟上节制闸，设计流量7460（m3/s），设计水头8.1m。平面闸门。太平闸：淮河流域中入江水道太平河上节制闸，设计流量1950（m3/s），设计水头7.5m。钢筋砼波浪板、钢筋砼双曲扁壳门。新沂河海口控制北深泓闸

黄墩湖滞洪闸三河闸：三河闸在洪泽湖东南蒋坝，是淮河洪泽湖出口进入江水道的咽喉控制工程，淮河流域中三河上节制闸，设计流量12000m3/s，设计水头6m。弧形闸门。2、按闸室结构分(1)开敞式：闸室露天——有胸墙、无胸墙(2)涵洞式：闸室后部有洞身段，洞顶有填土覆盖。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。三、平原区水闸枢纽等级划分及洪水标准

表1.1平原区水闸枢纽工程分等指标工程等别IIIIIIIVV规模大（1）型大（2）型中型小（1）型小（2）型最大过闸流量（m3/s）≥50005000~10001000~100100~20<20防护对象的重要性特别重要重要中等一般

表1.2水闸枢纽建筑物级别划分工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Ⅰ134Ⅱ234Ⅲ345Ⅳ455Ⅴ55\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。水闸级别12345洪水重现期(年)设计100~5050~3030~2020~1010校核300~200200~100100~5050~3030~20土基上水闸立体示意图四、水闸的组成及各部分的功用上游连接段（引导水流平顺进入闸室）闸室段（调节水位和流量）下游连接段（消能、防冲）1.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）（整体式平底板）水闸的传力过程：

闸门（承受水压力）→闸墩（承受上部结构重量）→底板（将荷载较均匀地传给地基）→地基五、水闸的工作特点1、地基：平原地区水闸大部分建在土基上。

抗剪强度低→稳定性差； 压缩性较大→容易产生不均匀沉降； 易产生渗透变形，抗冲刷能力低。2、水流(1)静水（关闸）：水平水压力、土基→滑动；水头差产生渗透压力→不利于稳定；绕岸渗流→不利于翼墙稳定。

(2)开闸泄水：水头差→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，水头差小→易形成波状水跃；闸门开启顺序不合理时→产生折冲水流。3、结构

防渗排水结构 消能防冲结构 闸室结构闸址选择总体布置枢纽布置（闸室布置、防渗排水布置、消能防冲布置）两岸连接布置水力设计（闸孔型式和尺寸确定、消能防冲设施的设计、闸门控制运用方式的拟定）六、水闸的设计内容防渗和排水设计水闸结构设计（闸室稳定计算、岸、翼墙稳定计算、结构应力分析）地基处理及处理设计观测设计水闸设计的规范：《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)一、水闸孔口设计的主要内容确定闸孔型式拟定闸底板高程（即堰顶高程）计算孔口尺寸及溢流前沿总宽泄流能力验算第二节 水闸的孔口设计二、水闸闸孔的型式1、根据结构型式分（1）宽顶堰（2）实用堰（3）胸墙式2、根据水流流态分（1）堰流式（2）孔流式（1）宽顶堰：

2.5H<堰顶厚度δ<4H或无坎，常用于平原地区，自由泄流范围大且稳定；施工简单；流量系数较小，易产生波状水跃。（2）实用堰：

0.67H<堰顶厚度δ<2.5H，常用于上游水位允许有较大雍高的山区，自由泄流时流量系数m较大，流量Q受下游水位影响较大。（3）胸墙式：

用于上游水位变幅较大时；可减小闸门及工作桥高度，增加闸室刚度；不利于排冰排污和通航。（1）堰流对于宽顶堰式的闸坝，e/H≥0.65时，为堰流；对于实用堰式的闸坝，e/H≥0.75时，为堰流。（2）孔流式对于宽顶堰式的闸坝，e/H<0.65时，为孔流；对于实用堰式的闸坝，e/H<0.75时，为孔流。三、确定底板高程：

除考虑运用条件外，还要考虑地质条件和经济要求。

1、运用条件：底板高程低→q↑，底板上水深↑→闸室总宽度↓节制闸与河底齐平或略高；进水、分洪闸比河底略高，排涝闸低。2、经济要求：底板高程低→q↑，底板上水深↑→闸室总宽度↓，但增大闸身和两岸结构高度，消能防冲费用↑，泥沙淤积。3、地质条件：应避免复杂地基处理；考虑抗冲刷能力q。在水闸的可行性研究阶段，过闸单宽流量q可按下列数据选用：粉砂、细砂、粉土和淤泥——5~10m2/s；砂壤土——10~15m2/s；壤土——15~20m2/s；粘土——15~25m2/s。四、水闸孔口设计的具体步骤：1、确定设计流量Q和上、下游设计水位2、确定孔口型式3、确定底板高程4、计算闸孔净宽B及闸室总宽L5、验算泄流能力1、水闸孔口设计的基本资料：过闸Q设、Q校上下游河道水力要素及水位-流量曲线引水角度及分流比率河床及两岸地质条件和土壤抗冲刷能力特殊运用要求（过船、过木、过鱼、排冰、排砂、防淤等）4、计算闸孔净宽B及闸室总宽L（开敞式）规范（SL265-2001）中介绍了平底闸闸孔自由堰流、淹没式堰流、孔流的计算公式；闸孔数n=B/b，如果运用上无特殊要求，一般b=8~12m，n<8时n一般取奇数；溢流前缘总宽L=nb+（n-1）d，d为闸墩厚度。5、验算泄流能力平底闸堰流：平底闸孔流：一、闸下泄流的特点和闸下冲刷的原因1、闸下泄流的特点（1）分洪闸：

开始泄流时下游无水或水位很低；始流条件差：Qmax→⊿Zmax；水位升高，Fr较小，易产生波状水跃；进口流态不对称时会产生折冲水流。第三节 土基上水闸的消能防冲设计（2）节制闸

闸门开启不对称时会产生折冲水流；水头最大时流量并非最大，流量最大时水头最小。2、闸下冲刷的原因：

q大而土壤的抗冲刷能力低； 河道收缩，水流未充分扩散； 运用不合理，产生折冲水流； 消能工设计不合理。二、消能工设计改善水流与固体边界的接触条件，防护加固下游河床。消能防冲设施必须在各种可能出现的水力条件下，都能满足消散动能与均匀扩散水流的要求，且应与下游河道有良好的衔接。

1、消能方式：大多数采用底流消能，“我国已建的大、中型水闸，多数建在平原、滨海地区，一般在软基上建闸，且承受的水头不高，闸下跃前Fr较低，宜采用底流式水跃消能。”2、消力池布置与设计：消力池的作用：造成产生淹没式水跃必需的尾水深度，保护水跃内河床免受冲刷。⑴设计情况：不同类型的水闸，其泄流特点各不相同，因此控制消能设计的水力条件也不尽相同，并不一定是Qmax的情况，应选取可能的q、⊿H的组合，取不利情况。拦河节制闸宜以在保持闸上最高蓄水位的情况下，排泄上游多余来水量为控制消能设计的水力条件；分洪闸宜以闸门全开，通过最大分洪流量为控制消能设计的水力条件；排水闸宜以冬、春季蓄水期通过排涝流量为控制消能设计的水力条件；挡潮闸宜以蓄水期排泄上游多余来水量时，有时需用闸门控制泄水，上、下游可能出现较大的水位差作为控制消能设计的控制条件。

(2)计算消力池长度、深度及消力池底板的厚度①消力池深度：按水跃动量平衡方程试算求解，需经过试算确定。②消力池的长度：用经验公式计算。③消力池护坦厚度：根据抗冲和抗浮要求确定。①消力池深度计算：

实际工程设计中，往往是计算出各种不同水位组合、闸门开度时要求的消力池深度，取其最大值作为设计值。消力池池深一般为1~3m。

对每种情况进行计算时，先判断是否需要设消力池：先取d=0，算出T0，带入（3）式求跃前水深hc；然后将hc带入（2）式求出跃后水深hc″；如果hc″>hs′，则需要设置消力池。如果需要设置消力池，则需试算：先假定池深d，求出T0；然后带入（3）式求跃前水深hc；然后将hc带入（2）式求出跃后水深hc″；再带入（4）式求出出池落差△Z；最后将d、hs′、hc″带入（1）式计算水跃淹没度，看它是否在1.05~1.10的范围内。②消力池的长度：用经验公式计算

Lj为水跃长度，规范（SL265-2001）中推荐采用欧勒佛托斯基公式计算：③消力池底板（护坦）厚度：要求满足抗浮和抗冲要求，且不小于0.5m。抗冲：抗浮：下挖式消力池与闸室底板之间直接用斜坡段连接即可，规范规定消力池斜坡段坡度不应陡于1：4。倾斜段不宜设排水孔，护坦后部设铅直排水孔以降低池底板渗透压力，并在该部位底面铺设反滤层。1:4~1:5⑶消力池布置3、辅助消能工(1)作用：

①加大水流阻力；②加强水流紊动和撞击；③稳定水跃；④利于扩散水流(2)类型：

消力墩，池首坎，消力梁，散流墩等4、上下游防护(1)闸下防护：

①护坦、反滤层②海漫③海漫末端设大块石防冲槽：限制冲刷向上游扩展，保护海漫。深度一般为1.0~2.0m，上下游坡度可采用1：2~1：4；④下游两岸护坡长度应大于护底长度。(2)上游防护：齿墙/防冲槽→护底→铺盖为了防止水流冲刷，必要时上游护底首端应设防冲槽（或防冲墙），其深度一般采用1.0m即可。②海漫紧接护坦，进一步消除余能，调整流速分布，达到不冲流速；要求：抗冲、有一定柔性、表面粗糙、透水；材料：浆砌石、干砌石；长度：按经验公式计算河床土质粉砂、细砂中砂、粗砂、粉质壤土粉质粘土坚硬粘土Ks14~1312~1110~98~7海漫布置：浆砌石布置在海漫前部，厚度为30~50cm，其抗冲能力较高，抗冲流速一般为3~6m/s，浆砌块石内应设排水孔，底部设反滤层或垫层；干砌块石布置在海漫的后部，其下部一般铺设10cm的碎石垫层设反滤层，规范规定干砌块石海漫应做成等于或缓于1：10的斜坡。河床冲刷深度计算：海漫末端河床冲刷深度：上游护底首端河床冲刷深度：土壤名称粉土细砂粗砂细砾石粗砾石小卵石中等紧密粘土粘土紧密允许平均流速（m/s）0.19~0.260.26~0.400.7~0.80.8~0.951.2~1.41.4~1.81.11.5不冲流速v0：（水深为3m以上时）一、闸基渗流的主要危害沿闸基的渗流对建筑物产生向上的压力，减轻建筑物有效重量，降低闸身抗滑稳定性，沿两岸的渗流对翼墙产生水平推力；由于渗透力的作用，渗透力可能造成土的渗透变形；严重的渗漏将造成大量的水量损失；渗流可能使地基内可溶解的物质加速溶解。第四节闸基渗流分析与防渗措施二、防渗设计的主要任务：寻求合理经济的防渗措施，合理拟定地下轮廓尺寸，消除渗流不利影响，保证水闸安全。防渗设计的内容包括：渗透压力计算抗渗稳定性验算滤层设计防渗帷幕及排水设计永久缝止水设计三、闸基防渗措施1、闸基的防渗长度L：地下轮廓线（闸基渗流第一根流线，即铺盖和垂直防渗体等防渗结构以及闸室底板与地基的接触线）的长度。应满足粉砂细砂中砂粗砂中砾细砂粗砾夹卵石轻粉质砂壤土砂壤土壤土粘土有反滤时13~99~77~55~44~33~2.511~79~55~33~2无反滤时————————————————7~44~3

2、防渗地下轮廓布置(1)布置原则：先阻后排，防渗与导渗相结合。(2)防渗排水设施水平防渗→铺盖、水平铺设土工膜垂直防渗→钢筋砼板桩、砼防渗墙、灌注式水泥砂浆帷幕、土工膜垂直防渗结构、高压喷射灌浆、定喷板墙导渗→排水反滤

(3)不同情况下防渗布置①粘性土地基：→降低渗透压力，增加闸身有效重量。→闸室上游宜设置水平钢筋砼或粘土铺盖，或土工膜防渗铺盖，闸室下游护坦底部应设滤层，下游排水可延伸到闸底板下。②砂性土地基：→防止渗透变形→通过延长渗径来降低渗透流速和坡降，对降低渗透压力的要求较低。→砂层很厚→闸室上游可采用铺盖和悬挂式防渗墙相结合的形式，闸室下游渗流出口处应设置滤层，排水布置在护坦之下。砂层较浅→闸室底板上游端设置截水槽或防渗墙（嵌入相对不透水层深度不应小于1.0m），闸室下游渗流出口处应设置滤层，排水布置在护坦之下。③粉细砂地基（或粉土、轻砂壤土、轻粉质砂壤土）：→闸室上游宜采用铺盖和垂直防渗体相结合的布置形式。→在地震区的粉细砂地基上，有震动液化问题，宜采用封闭式布置（闸室底板下布置的垂直防渗体宜构成四周封闭的形式），垂直防渗体的长度应超过粉砂地基液化深度。

④特殊地基：弱透水地基下有透水层，地基为不同性质冲积层，KH>>KV。→闸室下游设置铅直排水，并防止淤堵。⑤双向水头作用→合理地进行双向布置形式，并以水位差较大的一向为主。规范中对水平防渗的要求：铺盖长度采用上、下游最大水头差的3~5倍；砼或钢筋砼铺盖的厚度，一般根据构造要求确定，最小厚度不宜小于0.4m，一般作成等厚；为了减小地基不均匀沉降和温度变化的影响，通常设顺水流向的永久缝，缝距可采用8~20m。粘土或壤土铺盖的厚度应根据铺盖土料的允许水力坡降值计算确定，为了保证铺盖碾压施工质量，粘土或壤土铺盖前端最小厚度不宜小于0.6m，铺盖与底板之间应设油毛毡止水，铺盖上面应设保护层。水平铺设土工膜厚度应根据作用水头、膜下土体可能产生裂缝宽度、膜的应变和强度等因素确定，但不宜小于0.5mm，上部应设保护层。钢筋砼板桩最小厚度不宜小于0.2m，宽度不宜小于0.4m；水泥砂浆帷幕或高压喷射灌浆帷幕的最小厚度不宜小于0.1m；砼防渗墙的最小厚度不宜小于0.2m；规范中对垂直防渗的要求：地下垂直防渗土工膜厚度不宜小于0.25mm，重要工程可采用复合土工膜，其厚度不宜小于0.5mm。闸室底板的上、下游端均宜设置齿墙，齿墙深度可采用0.5~1.5m。四、闸基的渗流分析：

决定渗透压力、渗透坡降及渗流量。1、假定：渗流符合达西定理；运动符合拉普拉斯方程。2、分析方法(1)直线比例法：计算精度较差，特别是对于进、出口部分，不宜采用；(2)直线展开法和加权直线法：适用于防渗布置简单、地基不复杂的中小型水闸；(3)流网法：图解法，适用于均质和非均质地基，不同的地下轮廓布置；(4)改进阻力系数法：较精确的近似计算方法，但不能解决非均质地基渗流问题；(5)有限单元法和电拟试验法：用于地基条件较复杂时。规范中推荐采用改进阻力系数法和流网法作为求解土基上闸基渗透压力的基本方法。复杂土基上重要水闸，应采用数值计算法求解。岩基上水闸的渗透压力，采用全截面直线分布法计算。上游设防渗帷幕和排水孔时，考虑渗透压力折减。

3、改进阻力系数法

(1)基本原理：把闸基的渗流区域按可能的等水头线划分为几个典型流段，根据渗流连续性原理，流经各流段的渗流量相等，各段水头损失与其阻力系数成正比，各段水头损失之和等于上下游水头差；对进出口段和齿墙不规则部位水头损失进行修正。(2)具体计算步骤①确定地基有效深度Te②分段并计算各段的阻力系数③求出各段水头损失，初绘渗压图④进行进、出口段水头损失修正⑤齿墙不规则部位修正⑥闸基抗渗稳定性验算①确定地基有效深度Te若计算深度Te<地基的透水深度T，则按Te计算；若计算深度Te>地基的透水深度T，则取Te=T计算。令L0为地下轮廓的水平投影长度，T0为地下轮廓的垂直投影长度：②分段并计算各段的阻力系数按可能的等水头线划分为几个典型流段（进口段、出口段、水平段、内部垂直段）按规范中基本公式计算各段的阻力系数。③求出各段水头损失，初绘渗压图；④进行进、出口段水头损失修正TS′T′⑤齿墙不规则部位修正（当齿墙宽度<a时，需对齿墙再做修正）⑥闸基抗渗稳定性验算：要求水平段及出口段的渗透坡降必须小于规范规定的允许坡降；水平段的平均渗透坡降根据各水平段的长度和水头损失计算；出口段的平均出逸坡降：TS′T′水平段的允许渗透坡降及出口段防止流土破坏的允许渗透坡降见规范；验算砂砾石闸基出口段抗渗稳定性时，应首先判别可能发生的渗流破坏型式，为管涌破坏时，其允许坡降为：

直线比例法又称渗径系数法，即勃莱系数法和莱因系数法；勃莱提出了各种土基上水闸的允许渗径系数，认为水平防渗和垂直防渗的防渗效果相同；莱因对各种土质地基提出了防渗长度与水头的允许比值及允许渗透坡降值，认为垂直防渗板桩的防渗效果是水平底板的3倍，即加权直线法：加权直线法与勃莱法基本相同，不同点在于把地下轮廓上下游端的铅直渗径扩大一个倍数n，而其他部分仍保持不变。假定端板桩（或齿墙）的长度为S，地下轮廓水平投影长度为L，计算用透水层深度为T，则同时满足S/T<0.1和S/L<0.1的为短板桩，取n=4；如果不能同时满足或都不满足，则视为长板桩，取n=2。直线展开法：直线展开法把地下轮廓线垂直段展开为相同效应的水平轮廓，再按线性关系求各点的渗透水头。Al1l2DCBsA′B′C′D′E′ss第五节闸室的布置与构造一、闸室结构布置：闸室结构闸顶高程，闸槛高程闸孔总净宽，闸孔孔径底板型式、厚度、顺水流向长度、垂直水流方向分段长度闸墩型式、厚度、长度闸门型式、启闭机型式胸墙结构工作桥、检修便桥、交通桥二、底板： 1、型式(1)按底板与闸墩的连接方式分①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。②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2、布置(1)分离式底板材料：混凝土或浆砌石厚度：满足自身稳定要求(2)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。通常是等厚度的，也有变厚度的。对于大、中型水闸，平底板厚度可取闸孔净宽的1/6~1/8，约为1~2m，一般不小于1m。垂直水流方向分段长度：土基上的分段长度不宜超过35m。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。

地基土质底板顺水流向长度/上、下游最大水头差碎石土和砾（卵）石1.5~2.5砂土和砂壤土2.5~3.5粉质壤土和壤土2.0~4.0粘土2.5~4.5闸室底板顺水流向长度与上、下游最大水位差的比值三、闸墩：1、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）水闸级别1234、5挡水时正常蓄水位0.70.50.40.3最高挡水位0.50.40.30.2泄水时设计洪水位1.51.00.70.5校核洪水位1.00.70.50.4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，过流能力大。四、闸门1、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0.3~0.5m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。土基上的分段长度不宜超过35m。止水：防渗，有水平止水和垂直止水。第六节闸室和闸基的稳定分析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 一、闸室结构设计内容

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。二、荷载及荷载组合

1、荷载(1)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。(2)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。P1、P2、P3——水压力WB——波浪压力G——底板重G1——启闭机重G2——工作桥重G3——胸墙重G4——闸墩重G5——闸门重G6——交通桥重W1、W2——水重PF——浮托力PS——渗透压力闸室的作用力图计算荷载时应注意：扬压力=浮托力+渗透压力，渗透压力由渗流分析得到。水平水压力的计算：

采用粘土铺盖时，底板与铺盖连接处的水压力可近似按梯形分布计算，a点处按静水压强计算，b点取该点的扬压力强度值，a、b之间按直线变化计算。采用钢筋混凝土铺盖时，止水片以上的水平水压力按静水压力分布计算，以下按梯形分布计算，a点处的水平水压力强度等于该点的浮压强加b点的渗透压强，b点取该点的扬压力强度值，a、b之间按直线变化计算。底板上、下游浅齿内侧上的水压力常略去不计。

(3)土压力和泥沙压力的计算：作用在水闸上的土压力是按静止土压力还是按主动土压力计算，应根据挡土结构在填土作用下产生的位移情况确定，规范规定：对于向外侧移动或转动的水闸挡土结构，可按主动土压力计算，对于保持静止不动的水闸挡土结构，按静止土压力计算。土基上一般按主动土压力计算，岩基上一般按静止土压力计算。泥沙压力一般按主动土压力计算。 (4)地震荷载7度及7度以上地震区的水闸除应认真分析地震作用和做好抗震计算外，尚应采取安全可靠的抗震措施。当地震烈度为6度时，可不进行抗震计算，但对6度地震区的1级水闸仍应采取适当的抗震措施。采用拟静力法计算地震荷载时，⑴基本组合

完建正常蓄水位情况设计洪水情况冰冻情况2、荷载组合⑵特殊组合

施工情况检修情况校核洪水位情况正常蓄水位+地震情况三、闸室稳定计算要求:

1、

计算对象

一般以两条横缝之间的闸体为一个计算单元，其中包括一个或几个闸孔，含闸底板、闸墩、闸门、胸墙乃至闸顶桥梁等，并常假定底板为刚性的。2、土基上的闸室稳定计算应满足以下要求：⑴在各种计算情况下，闸室的平均基底压力不大于地基允许承载力，最大基底压力不大于地基允许承载力的1.2倍；⑵闸室基底应力的最大值和最小值之比不大于规范规定的允许值；⑶沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数不小于规范规定的允许值。3、岩基上的闸室稳定计算应满足以下要求：⑴各种计算情况下，闸室的最大基底压力不大于地基允许承载力；⑵在非地震情况下，闸室基底不出现拉应力；在地震情况下，闸室基底拉应力不大于100kPa；⑶沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数不小于规范规定的允许值。四、闸室沿闸基底面的抗滑稳定验算：

1、计算公式地基类别f砂砾石0.40~0.50碎石土0.40~0.50软质岩石极软0.40~0.45软0.45~0.55较软0.55~0.60硬质岩石较坚硬0.60~0.65坚硬0.65~0.70表7.2土质地基φ0、c0值

注：表中φ为室内饱和固结快剪（粘性土）和饱和快剪（砂性土）试验测得的内摩擦角，c为室内饱和固结快剪试验测得的粘结力（kPa）。

土质地基类别φ0c0粘性土0.9φ(0.2~0.3)c砂性土(0.85~0.9)φ0表7.3岩石地基f′、c′值岩石地基类别f′c′（MPa）硬质岩石坚硬1.5~1.31.5~1.3较坚硬1.3~1.11.3~1.1软质岩石较软1.1~0.91.1~0.7软0.9~0.70.7~0.3极软0.7~0.40.3~0.052、Kc的允许值：计算出来的Kc应该大于或等于规范规定的允许值。荷载组合水闸级别1234、5基本组合1.351.301.251.20特殊组合Ⅰ1.201.151.101.05Ⅱ1.101.051.051.00表7.4土基上沿闸室基底面抗滑稳定安全系数的允许值表7.5岩基上沿闸室基底面抗滑稳定安全系数的允许值

荷载组合按公式（7.3.6-1）计算按公式(7.3.8)计算水闸级别12、34、5基本组合1.101.081.053.00特殊组合Ⅰ1.051.031.002.50Ⅱ1.002.303、提高闸室抗滑稳定性的工程措施(1)增加闸室底板的齿墙深度；(2)将闸门的位置向低水头一侧移动，或将水闸底板向高水位一侧加长；(3)适当增加闸室结构的尺寸；(4)增加防渗体的长度（铺盖、板桩），或在不影响防渗安全的前提下，将排水设施向闸室底板靠近，以减小渗透压力。

⑸设置阻滑板，其阻滑力S作为强度储备。如有钢筋混凝土铺盖，可将铺盖与底板以钢筋铰接起来，使铺盖兼起阻滑板的作用。加上阻滑板的阻滑力后，抗滑稳定安全系数应满足规范要求，还应注意的是，即使用阻滑板，不计其作用算出安全系数值不应小于1.0。

五、闸室连同闸基的深层抗滑稳定验算：

目前实践经验较丰富的方法是假定滑动面为圆弧面的滑弧法。六、基底压力验算（闸基承载能力验算）由于底板连同闸墩在顺水流方向的刚度很大，故顺水流方向底板下的压力可近似认为呈直线分布。对于结构布置和受力对称的闸段，底板下闸基面压应力的边缘最大值用偏心受压公式计算：

式中∑Mx为所有荷载对垂直水流方向的形心轴x的力矩之和，B为计算闸段垂直于水流方向的宽度，L为底板顺水流方向的长度。对于结构布置和受力不对称的闸段（例如多孔闸的边闸段或不对称的单孔闸），底板下闸基面压应力的边缘最大值用双偏心受压公式计算：土基上闸室基底应力的最大值与最小值之比应满足规范的要求。基底压力平均值应不大于地基允许承载力。七、闸基沉降计算一般采用单向压缩的分层总和法计算土质地基的最终沉降量。式中：e1i为第i计算层土在平均自重应力作用下的孔隙比；e2i为第i计算层土在平均自重应力和平均水闸荷载附加应力作用下的孔隙比；n为分层数目；hi为闸基底面以下第i分层土层厚度；m为地基沉降量修正系数，可采用1.0-1.6。八、软基处理常采用换土垫层法、强力夯实法、桩基础、沉井基础、振冲砂（碎石）桩等处理方法。深层搅拌法、高压喷射法等其他处理方法，经论证后也可以采用。第七节闸室的结构计算一、闸墩结构计算：计算模型：平面闸门的闸墩→固定于底板的悬臂梁→材料力学法弧形闸门的闸墩→一边固定、三边自由的弹性矩形板→弹性力学法1、主要荷载及荷载组合水压力纵向（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结构自重(1)主要荷载⑵荷载组合①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②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③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2、平面闸门的闸墩的应力分析步骤(1)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、Iy，面积矩Sx、Sy。(2)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）②垂直水流方向（横向）(3)垂直截面上的应力计算（门槽处应力计算）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。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

地基反力在顺水流方向直线分布地基反力在垂直水流方向均匀分布相邻闸墩间无任何相对位移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。

(2)计算步骤①用偏心受压公式计算纵向（顺水流方向）地基反力。②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（截面法）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，把闸墩当作底板的已知荷载进行计算。(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)把闸墩当作底板的已知荷载，闸墩对底板无约束，底板可以自由变形。大、中型水闸，当地基为相对密度Dr≤0.5的砂土时，可用反力直线分布法计算。假定

(2)计算步骤①用偏心受压公式计算纵向（顺水流方向）地基反力；②取横向单宽板条，计算不平衡剪力⊿Q；③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担；④计算作用在底板上的荷载；⑤计算底板内力并进行配筋。②取横向单宽板条，计算不平衡剪力⊿Q。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的实际方向向上。③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担。

，

对既定截面，Q/I是常数，bτ与S（y′）成正比，设闸墩和底板对应的S（y′）的面积分别为A1和A2，则闸墩和底板分担的不平衡剪力分别为：⊿Q1还要由中墩和缝墩按厚度再进行分配，两者分配的⊿Q1′和⊿Q1″分别为：④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，则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′-q1-⊿Q2/2L′。3、弹性地基梁法

(1)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，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。(c)把闸墩当作底板的已知荷载，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>0.5的砂土时，可采用弹性地基梁法计算。(2)计算步骤①用偏心受压公式计算纵向(顺水流方向)地基反力；②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；③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担，与反力直线分布法中相同；④计算作用在底板(弹性基础梁)上的荷载；⑤计算底板内力并进行配筋。④计算作用在底板(弹性基础梁)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，则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q1-⊿Q2/2L′。此时地基反力的横向分布为待求未知荷载。注意：在分析底板应力时，底板自重q1的取值也应根据地基的具体情况确定。新规范指出：“原规范规定，在分析底板应力时，应根据不同的地基情况，分别考虑底板自重对其应力的影响，即在粘性土地基上，可采用底板自重的50%~100%，在砂性土地基上可不计底板的自重。经分析认为，这种考虑方法是不够全面的，因为水闸闸室底板绝大多数是挖埋式，底板自重远小于基坑开挖前的原压荷载，由底板自重引起的地基沉降是基坑开挖回弹后的再压缩，属于弹性压缩的性质，不象排水固结那样需要较长的时间，弹性变形可在很短时间内完成。规范7.5.4规定，当采用弹性地基梁法时，对于挖埋式底板，可不计闸室底板的自重，但