闸室的结构计算

第七节 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 工程级别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 规模 大（1）型 大（2）型 中型 小（1）型 小（2）型 最大过闸流量 5000 500～1000 1000～100 100～20 <20 防护对象的重要性 特别重要 重要 中等 一般   水闸枢纽建筑物级别划分表 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 Ⅰ 1 3 4 Ⅱ 2 3 4 Ⅲ 3 4 5 Ⅳ 4 5 5 Ⅴ 5 5   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 1 2 3 4 5 洪水重现期 设计 100～50 50～30 30～20 20～10 10 校核 300～200 200～100 100～50 50～30 30～20 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）：   水闸级别 1 2 3 4.5 挡水时 正常蓄水位 0.7 0.5 0.4 0.3 最高挡水位 0.5 0.4 0.3 0.2 泄水时 设计洪水位 1.5 1.0 0.7 0.5 校核洪水位 1.0 0.7 0.5 0.4 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。 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Ix、Iy，面积矩Sx、Sy。 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。 图9-26  倒置梁法及反力直线分布法简图              图9-27  分离式底板接缝型式 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。 ⒉反力直线分布法 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。 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，当地基为相对紧密度Dr≤0.5的砂土时，可用反力直线分布法计算。 ⑵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。 *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。               ，b=1m，对既定截面，Q/I是常数，τ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′。 ⑤计算底板内力并进行配筋。 ⒊弹性地基梁法 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，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。 图9-28  闸底板结构计算图   ⑵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 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：规范7.5.4规定，当采用弹性地基梁法时，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，则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，则侧向土压力、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，从安全考虑，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 0 100％ ⑤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′<0.25）         →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′=0.25–2） 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。这是因为岩基弹性模量较大，其单位面积上的沉降变形与所受压力之间的关系比较符合文克尔的假定。 *文克尔假定下的基础梁： 假定地基单位面积上所受的压力与该单位面积上的地基沉降成正比。按此假定，基底应力值计算显然未考虑基础范围以外的地基变形的影响，即边荷载并不引起梁的内力；同时，在文克尔假定下，当全梁受均布荷载q时，地基反力也均匀分布，它的集度p就等于均布荷载集度q，因此基础梁并不弯曲，梁截面上并不发生弯矩。 具体计算时可以采用查表法，先计算出柔度系数 然后查表（《水工设计手册（1）》得弯矩系数，然后计算弯矩。 *半无限深弹性地基梁： 先计算出柔度系数 然后查表（《水工设计手册（1）》得弯矩系数，然后计算弯矩。需考虑全梁受均布荷载、梁上受弯矩荷载、梁上受集中荷载、集中边荷载、均布边荷载的情况。 *有限深弹性地基梁： 先计算出柔度系数 然后查表《水闸设计（ 上册 三年级上册必备古诗语文八年级上册教案下载人教社三年级上册数学 pdf四年级上册口算下载三年级数学教材上册pdf ）》，华东水利学院编得地基反力系数，然后计算弯矩。 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，因此不论是粘性土地基还是砂性土地基，都可以不考虑底板自重对其的影响，但当不计底板自重时致使作用在底板基底面上的均布荷载为负值时，则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零为限度