水工建筑物2005-水闸C6

'6.1.1第六章水闸§6.1概述一、水闸的功能和分类©㈠水闸ò是一种利用闸门挡水和泄水的低水头水工建筑物，多建于河道、渠系及水库、湖泊岸坡。ò我国公元前六世纪的春秋时代于安徽的寿县城南的芍陂灌区就设有进水和供水用的5个水门。ò至1991年，我国建成2.9万座水闸，大型320座，葛洲坝二江水闸27孔，高33m，最大泄流量83900m3/s，为全国第一。©㈡水闸的分类ò按承担的任务分：主要分为节制、进水、分洪、排水、挡潮、冲沙闸6种。ò按结构形式分：开敞式、胸墙式、涵洞式等ò按过流量大小分：大型、中型、小型(Q>1000、100～1000、<100m3/s)。j1 6.1.2第六章水闸§6.1概述二、水闸的组成部分©㈠组成ò由闸室、上游连接段、下游连接段3部分组成。©㈡闸室ò为水闸的主体。ò含：闸门、闸墩、边墩(岸墙)、底板、胸墙、工作桥、交通桥、启闭机等ò闸门挡水及控流；闸墩分隔闸孔等；底板是基础并防渗；工作桥用于安装启闭机，交通桥用于过闸交通。©㈢上游连接段ò含：两岸翼墙、两岸护坡、河床部分的铺盖及防冲墙、护底等。ò目的：导流；防冲；防渗；护稳(Fig6-3)。©㈣下游连接段ò含：护坦、海漫、防冲槽、两岸翼墙、两岸护坡等。ò目的：消能；导流；调流；减速；防冲(Fig6-3)。j2 6.1.3第六章水闸§6.1概述三、水闸的工作特点©㈠建在软土地基上的水闸特点ò⑴软土地基的压缩性大，承载力低，细砂易液化，抗冲能力差。承载后沉降量或沉降差较大，易造床闸室倾斜、止水破坏、闸底断裂、甚至失事。ò⑵水闸泄流时,虽流速不高，但因土基的抗冲能力低，仍可能引起水闸下游的冲刷。且出流形成的波浪水跃、折冲水流，将进一步加剧河床、河岸的淘刷。下游水位变幅大，需设置防冲设施以满足各种水跃形式。ò⑶土基抗渗流变形的能力低，特别是粉砂、细砂地基，闸后易出现翻砂冒水现象，严重时闸基和两岸会被淘空，引起沉降、倾斜甚至倒坍.©㈡软土地基水闸设计中需要解决的问题ò⑴选择适宜的闸址ò⑵选择与地基条件相适应的闸室结构形式，保证闸室与地基的稳定ò⑶做好防渗设计，上游、两岸、下游、闸室等要在空间上形成防渗整体ò⑷做好消能、防冲设计，避免产生危害性冲刷。j3 6.1.4第六章水闸§6.1概述四、水闸设计的内容©水闸设计的主要内容包括：ò⑴闸址选择ò⑵孔口形式和尺寸设计ò⑶防渗、排水设计ò⑷消能、防冲设计ò⑸稳定性计算ò⑹沉降校核和地基处理ò⑺两岸连接建筑的型式和尺寸设计ò⑻结构设计je 6.2.1第六章水闸§6.2闸址选择和闸孔设计一、闸址选择©㈠总选择原则ò依据承担的任务，综合考虑地形、地质、水文、水工等因素，通过技术经济比较确定最佳方案。©㈡具体选择原则ò⑴壤土、中砂、粗砂和砂砾适于作闸基，尽量避开淤泥、粉砂、细砂地基ò⑵过闸水流的形态是影响闸址选择的主要因素，需出流平顺、均匀，不出现偏流和危害性冲刷和淤积。ò⑶拦河闸：宜选在河床稳定、水流顺直，闸上、下有一定长度的平直段ò⑷拦河闸、进水闸和船闸并存：宜选在稳定的弯段上，进水闸于凸岸，船闸于凹岸，拦河闸于中部。ò⑸无坝取水闸：选在弯段凹岸顶点或稍偏下，引水方向与主流夹角<30°ò⑹分洪闸：设在弯段凹岸或直段的深槽一侧。ò⑺排水闸：设在江河堤线上ò⑻冲沙闸：设在河槽最深的部位ò⑼注意综合和充分利用j1 6.2.2第六章水闸§6.2闸址选择和闸孔设计二、闸孔设计©㈠主要设计内容ò堰型、底板高程(堰顶或底板)、单孔尺寸、闸室总宽度。©㈡堰型选择ò⑴宽度堰：ò⑵低实用堰：©㈢底板高程的确定(051026)ò⑴与承担任务、过流量、落差、河床地质条件有关ò⑵底板高程需满足地基强度要求ò⑶底板较高时：单宽流量小，所需闸室宽度大，但两岸连接建筑低小型工程两岸连接工程量比重大，可能较经济大中型工程闸室工程量比重大，经济性差ò⑷底板较低时：单宽流量大，虽闸室宽度窄，但消能防冲的工程量增大，闸门高度增加，启闭机容量增加y 6.2.2第六章水闸§6.2闸址选择和闸孔设计二、闸孔设计©㈢底板高程的确定ò⑸一般经验：拦河闸和冲沙闸底板顶面与河底齐平；进水闸底板在满足引水量情况下尽可能高，已防底沙进入分洪闸底板较河床稍高；排水闸底板尽量低些，保证渍水迅速较低且充分排除；挡潮闸与排水闸作用基本一致，底板尽量低些。©㈣闸孔总净宽的确定Qò⑴出流为堰流时：L=05.1σεm2gH0Qò⑵出流为孔口出流时：L=0σ′μa2gH0ò⑶L的确定关系到单宽流量，从而关系到消能防冲工程，关系到上游淹没程0度，关系到底坎高程等，需综合考虑ò⑷粉细砂基q=5~10；砂壤土基q=10~15；坚硬粘土基q=20~25m3/(s.m)y 6.2.2第六章水闸§6.2闸址选择和闸孔设计二、闸孔设计©㈤闸室单孔宽度和总宽度ò闸室单孔宽度l：依据闸门形式、启闭条件、运用要求和工程造价；0ò一般经验：大中型采用8～12mò闸孔孔数：n＝L/l，取整，且常采用单孔数00ò闸室总宽度：L=nl+(n-1)d，不包括边墩10ò总宽度与河宽的比值：河宽50~100m时，比值≥0.6～0.75；河宽大于200m时，比值≥0.85；je 6.3.0第六章水闸§6.3水闸的防渗、排水设计渗流危害©㈠发生渗流的位置ò闸基ò边墩背水一侧ò翼墙背水一侧©㈡渗流的危害ò⑴降低闸室的抗滑稳定及边墩和翼墙的侧向稳定性；ò⑵可能引起闸基的渗透变形，甚至破坏；ò⑶损失水量；ò⑷使闸基的可溶性物质加速溶解。j0 6.3.1第六章水闸§6.3水闸的防渗、排水设计一、水闸的防渗长度及地下轮廓线的布置©㈠防渗长度的确定ò防渗设施：上游铺盖、板桩、底板为防渗设施，护坦不是。ò地下轮廓线：上游铺盖、板桩、底板等防渗设施与地基的接触线，也是渗流的第一根流线。ò防渗长度：地下轮廓线的长度。ò防渗长度L的确定：L≥CH(C是渗径系数，H为上下游水位差)©㈡地下轮廓线的布置ò原则：防渗与排水相结合，即上游防渗、下游排水。ò上游水平防渗有铺盖，垂直防渗有齿墙、板桩、砼防渗墙、灌浆帷幕等ò下游排水有面层排水、排水孔、减压井等ò粘土地基：不易发生管涌,底板与地基间摩擦系数小,以降压提高抗滑稳定为主ò砂土地基：底板与地基摩擦大,抗渗透变形能力差,以防治渗透变形和减小渗漏为主①粗砂与沙砾闸基，②细砂闸基，③粉砂闸基，④含承压水闸基j1 6.3.2第六章水闸§6.3水闸的防渗、排水设计二、渗流计算©㈠计算内容ò渗透压力、渗透比降、渗透流速、渗流量©㈡基本方程22∂H∂Hò闸基渗流为有压渗流，可认为是各向均质同性渗流体。+=022∂x∂y©㈢计算方法ò⑴流网法：通过手绘和实验获得(Fig6-5)ò⑵改进的阻力系数法：¾①基本原理：以流体力学为基础的近似方法¾②渗压计算：¾③计算深度的确定：¾④逸出坡降计算：ò⑶直线法j2 6.3.3第六章水闸§6.3水闸的防渗、排水设计三、防渗及排水设施©㈠防渗与排水设施ò防渗设施：铺盖、板桩及齿墙ò排水设施：铺设在护坦、浆砌石海漫及闸底板下面的起导渗作用的砂砾石层©㈡铺盖ò目的：延长渗径ò要求：相对不透水以防渗，具柔性以适应地基变形ò材料：粘土、粘壤土、沥青混凝土，有时可用钢筋混凝土ò粘土和粘壤土铺盖：(Fig6-8)ò沥青混凝土铺盖：厚度5～10cm；注意与闸底板连接ò钢筋混凝土铺盖：(Fig6-9)y 6.3.3第六章水闸§6.3水闸的防渗、排水设计三、防渗及排水设施©㈢板桩ò目的：截断透水层(埋深浅)或延长渗径(埋深深)ò埋深要求：插入不透水层1m或插入深度0.6～1.0倍总水头ò材料：木材、钢筋混凝土、钢材，钢筋砼最常用，注意其不同构造。ò与闸底板连接：紧贴前缘和嵌入凹槽两种形式(Fig6-10)©㈣齿槽ò闸底板上下游均设1.0m左右的短齿槽，增强稳定和延长渗径©㈤其他防渗设施ò混凝土防渗墙、灌注式水泥砂浆帷幕……©㈥排水与反滤ò材料：1~2cm的卵石、砾石或碎石ò位置：平铺在护坦、浆砌石海漫的底部，或深入闸底板底部下游段ò厚度：0.2～0.3mò反滤：与地基接触处设反滤层je 6.4.0第六章水闸§6.4水闸的消能、防冲设计减少下游冲刷的措施©⑴选择适宜最大过闸单宽流量©⑵合理的平面布置，以利于水流扩散©⑶下游消能防冲设施©⑷合理的运行方式。j0 6.4.1第六章水闸§6.4水闸的消能、防冲设计一、过闸水流的特点©闸下易形成波状水跃和折冲水流©㈠闸下易形成波状水跃ò⑴形成原因：落差小时F偏低，在r1.030cm的石块，发生冲刷后石块自动滚下阻止冲刷继续发展©㈢防冲墙ò主要有齿墙、板桩、沉井等j4 6.4.5第六章水闸§6.4水闸的消能、防冲设计五、翼墙与护坡©护坡ò作用：保护岸坡不被冲刷。ò材料：靠近翼墙一般为浆砌石，然后接干砌石ò范围：稍长于海漫je 6.5.1第六章水闸§6.5闸室的布置与构造一、底板©㈠底板类型ò按过闸形式分：水平底板和低实用堰底板ò按与闸墩的连接形式分：整体式底板和分离式底板(Fig6-21)ò按结构形式分：实体底板和箱式底板。常用实体底板，当地基承载力较差时，可用刚度大、质量轻的箱式底板。©㈡底板分缝ò闸段：通常用横缝将闸室分成若干闸段,每个闸段可含单孔、双孔或三孔(Fig6-21)ò闸墩间分缝：横缝设置闸段的闸墩之间(Fig6-21a)ò底板中间分缝：闸基较好，不存在不均沉降时用(Fig6-21c)©㈢底板长度ò取决于上部结构布置ò还需满足结构强度和抗滑稳定要求，可参考经验取值©㈣底板材料要求ò砼，需满足强度、抗渗、抗冲要求j1 6.5.2第六章水闸§6.5闸室的布置与构造二、闸墩©㈠布置与设计见§3.10©㈡框架式闸墩ò可降低造价j2 6.5.3第六章水闸§6.5闸室的布置与构造三、闸门©㈠闸门形式选择考虑的内容ò运用要求、闸孔跨度、启闭机容量、工程造价……(P430)©㈡闸门在闸室中的位置ò与闸室稳定、闸墩应力、地基应力、上部结构位置有关ò通常设在上游侧，有时为了利于水重也可设在下游侧ò弧形闸门需靠上游侧设置，可缩短闸墩ò检修闸门设在上游侧，与工作闸门净距1～3m©㈢闸门顶高程、门槽的构造等j3 6.5.4第六章水闸§6.5闸室的布置与构造四、胸墙©㈠胸墙形式(Fig6-23)ò⑴板式：适用于跨度<5m的水闸，墙板上薄下厚ò⑵梁板式：跨度>5m的水闸适用,由墙板、底梁、顶梁组成,当高度>5m时可加中梁©㈡胸墙构造ò注意墙板顶厚、板厚、顶梁高度及连接……ò迎水面底部作成圆弧形，以过闸水流平顺©㈢胸墙的支承(Fig6-24)ò⑴简支式支承：柔性连接，可避免闸墩附近出现裂缝，但截面尺寸较大。用于分离式底板。ò⑵固接式支承：刚性连接，截面尺寸小，闸室整体稳定好，但受温度和变形影响大，易出现裂缝。用于整体式底板。j4 6.5.5第六章水闸§6.5闸室的布置与构造五、交通桥和工作桥©㈠交通桥ò设在水闸下游一侧ò板式结构：跨度<3~6m常用òT型梁结构：跨度=6~20m常用ò预应力钢筋砼结构：跨度>20m常用ò多用单跨简支©㈡工作桥ò板式结构：小型水闸常用ò装配式梁板结构：大中型水闸常用ò采用固定式启闭机和活动式启闭机的工作桥高度不同j5 6.5.6第六章水闸§6.5闸室的布置与构造六、分缝与止水©㈠分缝方式与布置ò闸段的闸墩之间和底板之间分缝，岸边单孔闸段，然后依次双孔、三孔。ò缝间距：岩基<20m,土基<30mò缝宽：2.0～2.5cmò相邻建筑间均需设缝：如铺盖与底板、消力池与底板、消力池与翼墙……©㈡止水设备ò凡需防渗要求的缝，均应设止水。ò铅直止水：闸墩中间、边墩与翼墙间、上游翼墙本身ò水平止水：铺盖、消力池、底板、闸墩等之间的沉降缝ò止水交叉：铅直交叉、水平交叉；柔性连接、刚性连接je 6.6.1第六章水闸§6.6闸室稳定分析、沉降校核和地基处理一、闸室稳定分析©㈠验算工况ò刚建成时、运行期、检修、施工期四种工况©㈡验算单元ò分缝之间的闸段©㈢荷载及组合ò主要荷载：自重/水重/水推力/扬压力/浪压力/泥沙压力/土压力/地震力8类ò荷载组合：¾基本组合：同时出现的基本荷载组成(正常蓄水位、设计洪水位、完建等工况)¾特殊组合：基本荷载＋特殊荷载(校核洪水位、地震、施工、检修等工况)©㈣验算内容ò基底压力：不发生明显的倾斜，最大、最小反力之比值<容许反力比值ò抗滑稳定：不致沿基面或深层滑动，滑动安全系数>容许安全系数ò整体稳定：平均基底压力<地基的容许承载力，容许塑性开展深度需限制y 6.6.1第六章水闸§6.6闸室稳定分析、沉降校核和地基处理一、闸室稳定分析©㈤闸室基底压力验算ò结构布置和受力对称的闸段：采用单向偏向受压公式计算基底压力max∑W6∑Mσ=±minAA⋅Bò结构布置和受力不对称的闸段：采用双向偏向受压公式计算基底压力ò要求：σmax≤[η](地基反力比值容许值)σminσminσmaxy 6.6.1第六章水闸§6.6闸室稳定分析、沉降校核和地基处理一、闸室稳定分析©㈥闸室抗滑稳定验算⎧A：系数,=3~4⎪γ：地基土浮容重ò地基法向应力：σ=AγBtgϕ+2c()1+tgϕ⎨bubB：闸室顺河长度ò平面滑动：σmax≤σu：仅需验算平面滑动⎪⎩cϕ：地基土参数ò深层滑动：σ>σ：平面滑动和深层滑动均需验算maxuò地基面(平面滑动)抗滑稳定计算f∑Wtgϕ0∑W+c0AK=或K=cc∑P∑Pò安全系数的要求：计算的准确性取决于f的准确性ò增稳措施：¾①减小渗透压力：增长铺盖、闸底板设排水设施等¾②利用上游钢筋砼铺盖作阻滑板：阻滑力需折减到0.8¾③多利用水重：闸门向下移或底板向上游延长¾④增加闸室底板齿墙深度y 6.6.1第六章水闸§6.6闸室稳定分析、沉降校核和地基处理一、闸室稳定分析©㈦闸基的整体稳定验算()2σ−σσ+σò点最小凝聚力c的计算：yx2yxK+τxy−sinϕ22c=Kcosϕò点稳定状态的判别：¾①cc，计算点处于塑性变形状态Kò容许塑性开展深度：¾计算多点，获得塑性开展深度¾要求：大型水闸小于B/4，中型水闸小于B/3j1 6.6.2第六章水闸§6.6闸室稳定分析、沉降校核和地基处理二、沉降校核©㈠计算地基对象ò卵石、砾石、中砂、细砂地基可不进行沉降验算©㈡计算方法ò分层总和法，每层计算厚度2m©㈢计算总厚度ò最后一层的附加应力σ<2.0σ（自重应力）ZS©㈣总沉降量nne−e1i2iS=∑Si=∑hii=1i=1e1iòe－自重应力下的孔隙比；e－总力下的孔隙比；从压缩曲线获得12y 6.6.2第六章水闸§6.6闸室稳定分析、沉降校核和地基处理二、沉降校核©㈤沉降量要求：ò现在还无统一标准,目前最大的沉降容许值可达100~150mm,沉降差可达30~50mm©㈥减小沉降差的措施：ò①尽量使重力分布均匀ò②重量大的结构先施工ò③尽量使地基反力均匀j2 6.6.3第六章水闸§6.6闸室稳定分析、沉降校核和地基处理三、地基处理©㈠处理对象ò粘土地基贯入击数大于5、砂土贯入击数大于8时，可不处理(标准贯入击数：63.5kg的贯入器从76cm自由落下贯入30cm深需要的次数)©㈡处理措施处理措施主要有8种：ò⑴预压加固¾建闸前加重预压，待沉降稳定后再施工¾预压时设置砂井可加快固结速度，缩短工期ò⑵换土垫层¾适用于软性粘土、淤泥土等¾埋深浅可全部挖除，闸建在底层地基上¾埋深厚采用换土垫层，即将表层挖除，再回填砂性土，闸建在新基上y 6.6.3第六章水闸§6.6闸室稳定分析、沉降校核和地基处理三、地基处理©㈡处理措施：ò⑶桩基础¾材料：钢筋混凝土桩¾类型：灌注桩和预制桩¾适用情况：①闸孔需大跨度②水平推力过大,一般措施难处理③变形要求严格¾一般采用摩擦桩ò⑷沉井基础¾通常采用钢筋混凝土、浆砌石等材料，平面上多为矩形¾地基内有承压水层不宜采用ò⑸振冲砂石柱¾振冲法施工，形成砂石柱群¾按梅花形或矩形布置¾适用于松砂或软弱的壤土地基y 6.6.3第六章水闸§6.6闸室稳定分析、沉降校核和地基处理三、地基处理©㈡处理措施：ò⑹强夯法ò⑺爆炸法：钻孔埋设炸药，利用爆炸力密实松砂，粗砂、中砂效果较好ò⑻高速旋喷法：¾以射水法钻孔，以特殊喷咀将高压水、压缩空气、水泥浆高速喷出，使土体与浆液混合达到加固目的¾可加固粘土和砂土，也可作防渗帷幕，应用较广je 6.7.0第六章水闸§6.7闸室的结构计算计算对象©整体计算：闸室为空间结构，严格应采用有限元对分缝间的闸段进行整体分析©分部件计算：为了简化，可对底板、闸墩、胸墙等进行分别计算j0 6.7.1第六章水闸§6.7闸室的结构计算一、闸室底板的结构计算©㈠计算方法的选择ò⑴弹性地基梁法：适用于相对紧密度D>0.5的土基rò⑵地基反力直线分布法：适用于相对紧密度D≤0.5的非粘性土地基rò⑶倒置梁法：适用小型水闸©㈡弹性地基梁法ò假定：V因底板连同闸墩沿顺流方向刚度较大，可认为是刚性板梁，可假定地基反力呈直线分布V沿垂直水流方向截取单宽板条及墩条，按弹性地基梁法进行内力和反力计算ò不同地基土层厚度按不同的计算方法V2T/L<0.25：采用基床系数法(T－土厚，L/2－计算闸段半长度)V2T/L>2.0：采用半无限深的弹性地基梁法V2T/L=0.25~2.0：采用有限深的弹性地基梁法y 6.7.1第六章水闸§6.7闸室的结构计算一、闸室底板的结构计算©㈡弹性地基梁法ò半无限弹性地基梁法的计算步骤：V①用偏心受压公式计算闸底纵向（顺水流方向）的地基反力V②计算板条及墩条上的不平衡剪力a、由于闸门上下游水位差较大，故以闸门为界，将闸室分为两段，分别在两段的中央取一单宽板条进行分析和计算；b、因顺流方向闸室上的荷载是有突变的(工作桥设备等只是在闸顶某一局部),而地基反力是连续变化的,故作用在板条和墩条上的力是不平衡的，在墩条和板条的两侧必然作用有剪力Q和Q，并由Q和Q的差值来维持1212板条及墩条上力的平衡，差值ΔQ=Q－Q，称为不平衡剪力。12c、作用力分布见图6-33d、ΔQ的计算见式(6-27)V③确定不平衡剪力在闸墩及底板上的分配a、不平衡剪力ΔQ由闸墩及底板共同承担、各自承担的数值，可根据剪应力分布图面积按比例确定。b、通常分配比：底板约为10～15%，闸墩约为85～90%y 6.7.1第六章水闸§6.7闸室的结构计算一、闸室底板的结构计算©㈡弹性地基梁法ò半无限弹性地基梁法的计算步骤：V④计算基础梁上的荷载a、分配给闸墩的不平衡剪力作为梁的集中力b、分配给底板上的不平衡剪力化作均布荷载(Fig6-34)V⑤考虑边荷载的影响a、边荷载是指计算闸段底板两侧的闸室或边墩背后回填土及岸墙作用于计算闸段上的荷载(Fig6-35)b、边荷载对底板内力的影响,与地基土质和施工程序有关V⑥地基反力及梁的内力计算当地基梁的荷载确定后，根据2T/L鉴别所需的计算方法©㈢反力直线分布法ò假定地基反力沿顺流方向呈直线分布、横流方向为均匀分布，其余同上。©㈣倒置梁法ò假定地基反力沿顺流方向呈直线分布、横流方向为均匀分布，将闸墩作为底板的支座，按连续梁计算底板的内力。j1 6.7.2第六章水闸§6.7闸室的结构计算二、闸墩的结构计算©㈠计算方法ò采用材料力学方法按悬臂梁计算©㈡作用荷载：主要是结构自重和水压力荷载，特殊情况需加入地震力ò①闸门全关时，无缝中墩主要受自重、上下游水压力等荷载ò②闸门全关时，缝墩和边墩还受侧向水压力或土压力等荷载ò③一孔关闭，邻孔开启时，无缝中墩受力与缝墩一样©㈢平面闸门闸墩的结构计算ò验算内容：水平截面上的应力、门槽应力ò水平截面上的应力计算V正应力按材料力学双向偏向受压公式计算V剪应力需计算顺流向和横流向两个方向y 6.7.2第六章水闸§6.7闸室的结构计算二、闸墩的结构计算©㈢平面闸门闸墩的结构计算ò门槽应力计算V门槽承受左右两侧闸门传来的水压力：PV截取1m高闸墩单元的上、下水平截面的剪力为Q、Q，且假定水平截面的上下剪应力均匀分布，应存在Q－Q＝P上下V门槽劲部所受拉力P由顺流方向静力平衡方程计算1V门槽劲部拉应力为P与其厚度b之比1V当拉应力小于容许应力仅需构造配筋，否则需经正常配筋计算，可分层配筋©弧形闸门闸墩的结构计算（051101）ò验算内容：底部应力、牛腿及其附近应力ò支承铰类型V闸墩上直接布置铰座V在伸出闸墩体外的牛腿上布置铰座ò计算方法V牛腿：材料力学方法(短悬臂梁)V牛腿附近：弹性理论、三向偏光弹性试验方法j2 6.7.3第六章水闸§6.7闸室的结构计算三、胸墙的结构计算©作用荷载：主要是静水压力和浪压力©板式胸墙：取1m高板条，按简支或固端梁受均布荷载计算内力(Fig6-23)©梁板式胸墙：ò按双梁式结构计算，板上、下端支承在梁上，两侧支承在闸墩上ò顶梁与底梁简支或固接在闸墩上，按结构力学方法计算内力j3 6.7.4第六章水闸§6.7闸室的结构计算四、桥梁的结构计算©计算对象：工作桥和交通桥的面板、主梁、次梁©作用荷载：自重、启闭机重、启闭力、桥面上的活荷载©计算方法：结构力学法，注意其支承情况je 6.8.1第六章水闸§6.8水闸与两岸的连接建筑一、连接建筑的作用©㈠连接建筑的组成ò主要有：上游翼墙、下游翼墙、边墩(或边墩＋岸墙)，有时设防渗刺墙©㈡连接建筑的作用ò①挡土护岸：挡住两侧填土,维持土坝及两岸稳定ò②顺流匀流：上游翼墙引导水流平顺进闸,下游翼墙使出流均匀扩散,减少冲刷ò③护底防冲：保护河床或土坡不受过闸水流冲刷ò④防止渗透变形：控制通过闸身两侧的渗流,防止河岸或相连土坝的渗流变形ò⑤削弱岸坡影响：在软基上,设置独立岸墙可减少两岸沉降对闸身应力的影响。©㈢连接建筑的造价ò在水闸工程中，两岸相连建筑物的造价所占比重较大，可占工程总造价的15～40%，闸孔愈少，所占比重愈大。j1 6.8.2第六章水闸§6.8水闸与两岸的连接建筑二、连接建筑的形式与布置©㈠边墩与岸墙ò⑴边墩直接与堤岸连接的适用范围V闸基较好，闸高不大，孔数少的情况ò⑵边墩形式(Fig6-40abcd)V重力式：适用于墙高<6m，多采用混凝土或浆砌石V悬臂式：适用于墙高=6~10m，多采用钢筋混凝土V扶壁式：适用于墙高<10m，多采用钢筋混凝土ò⑶岸墙V当闸身较高且地基软弱时，因边墩与闸身地基承受的荷载相差悬殊，需在边墩背面设置岸墙，以防止较大的不均匀沉降。边墩与岸墙间设裂缝，边墩仅支承闸门及其上部结构，而土压力全部由岸墙承担。ò⑷岸墙形式(Fig6-40efgh)V悬臂式、扶壁式、空箱式、连拱式ò⑸不挡土边墩V将岸坡修正成稳定的边坡y 6.8.2第六章水闸§6.8水闸与两岸的连接建筑二、连接建筑的形式与布置©㈡翼墙ò⑴上游翼墙作用V挡土V引导水流平顺入闸室(最主要)V配合铺盖防渗V保护两岸或土坝边坡不受过闸水流的冲刷ò⑵下游翼墙作用V挡土V引导水流出闸后均匀扩散避免出现不利流态ò⑶翼墙形式V曲线式：边墩与岸边用铅直面的圆弧或用两直段和90°的圆弧(反翼墙)连接.其水流条件和防渗效果好，但工程量大，适用于水位差和单宽过流量较大的大中型水闸。V扭曲面式：翼墙迎水面从边墩的铅直面渐变到岸坡的斜坡面，为一扭曲面。其水流平顺、工程量省，但施工复杂，渠系工程应用较广V斜降式：平面上呈八字形，其高度从边墩向上、下游逐渐降低，至末端与河床齐平。其工程量省、施工方便，水流条件差，仅适用于小型水闸y 6.8.2第六章水闸§6.8水闸与两岸的连接建筑二、连接建筑的形式与布置©㈢刺墙ò当侧向防渗长度难以满足要求时，需于边墩背后设置插入岸坡的防渗刺墙ò作用：防渗(侧向绕渗)j2 6.8.3第六章水闸§6.8水闸与两岸的连接建筑三、侧向绕渗及防渗、排水设施©㈠侧向绕渗计算ò绕渗：水闸与两岸或土坝连接部分的渗流称绕渗ò绕渗的危害：不利于翼墙、边墩或岸坡结构强度和稳定ò绕渗的计算：复杂问题可采用三维有限元、电比拟法，二维问题可采用常规方法©㈡防渗、排水设施ò防渗设施必须与闸底对地下轮廓线协调一致。如翼墙短于铺盖需加设岸坡铺盖…ò下游翼墙墙身需设排水设施V排水孔V连续排水垫层j3 6.8.4第六章水闸§6.8水闸与两岸的连接建筑四、连接建筑的破坏形式和稳定计算内容©㈠稳定破坏形式ò①滑动破坏：沿边墙底向前滑动ò②浅层地基的剪切破坏：浅层地基某曲面剪应力过大ò③深层地基的剪切破坏：墙身及墙后填图沿埋于深层的软弱土层滑动ò④下沉破坏：地基反力分布不均引起墙身过分倾斜(Fig6-44)©㈡稳定计算内容ò①抗倾覆稳定计算ò②抗滑稳定计算ò③地基深层滑动验算ò④地基承载力验算je 6.9.1第六章水闸§6.9其他闸型和软基上的混凝土溢流坝一、灌注桩水闸©㈠何为灌注桩水闸ò采用钻机造孔，泥浆固壁，水下灌注混凝土做成的一种桩基形式的水闸。©㈡灌注桩水闸的特点ò①荷载由灌注桩传至深层，表层地基承载小，闸身沉降量大大减小；ò②灌注桩嵌固于土体，具有一定水平承载力，抗滑稳定和抗震性能好；ò③闸孔跨度较大，大块冰凌、漂浮物过闸条件好和改善性能条件；ò④设备简单，减轻了地基处理的工作量，投资少，适用广。©㈢闸身结构ò闸底板采用分离式，由灌注桩承台和中间底板组成；ò两岸连接尽量减少边墩背后的填土高度，如采用刺墙或斜坡无翼墙连接©㈣桩的设计内容ò桩的水平承载力、根数、布置方式、桩径、桩长等©㈤闸身稳定分析ò主要抗滑力＝桩的水平承载力＋承台与地基间的摩擦力j1 6.9.2第六章水闸§6.9其他闸型和软基上的混凝土溢流坝二、装配式水闸©㈠何为装配式水闸ò底板采用现浇，其他结构采用多种形式的预制构件装配而成的水闸。©㈡装配式水闸的特点ò①施工速度快，工期短；ò②节省大量木材和劳动力；ò③便于施工管理，提高施工质量；ò④预制构件不受气候影响，造型精度高。©㈢专门设计ò需对构件的运输、吊装、接缝、整体性和防渗等进行专门设计。j2 6.9.3第六章水闸§6.9其他闸型和软基上的混凝土溢流坝三、浮运水闸©㈠何为浮运水闸ò浮运水闸是将预制并装配成整体的闸室浮于水中，然后用船舶拖运到闸址进行装配的水闸，适用于挡槽闸。©㈡浮运水闸的施工程序ò①预制并装配成整体闸室单元，并封闭成可浮于水中的空箱；ò②进行地基处理、防渗排水设置；ò③涨潮时空箱自动浮起，用拖船拖运至建闸地点进行安装；ò④完成防冲、交通桥等设施。©㈢浮运水闸的特点ò①可节约土方开挖和劳力；ò②不要求断流施工；ò③工期短，施工不受季节限制；ò④对地基的承载力要求低。j3 6.9.4第六章水闸§6.9其他闸型和软基上的混凝土溢流坝四、橡胶水闸©㈠何为橡胶水闸ò橡胶水闸是以高强度合成纤维做胎(布)层，用合成橡胶粘合成袋，锚固在闸底板上，用水或气冲胀挡水的水闸。©㈡橡胶水闸的发展ò1957年建成第一座橡胶水闸；日本已建成2500多座；我国建成360多座；ò一般高度0.5～3.0m，少数4～7m，我国最高的为5.0m。©㈢橡胶水闸的特点ò结构简单、抗震性能好、可用于大跨度、施工期短、操作灵活、造价低；ò易老化、易磨损、常维修。©㈣橡胶水闸的组成ò①土建部分：底板、两岸连接建筑、防渗防冲设施等ò②闸体：橡胶闸袋ò③控制及观测系统：冲排气(水)的设施等©㈤橡胶水闸的形式ò单袋、多袋、单锚固、双锚固等(Fig6-47)©㈥橡胶水闸的设计内容ò挡水高度、挡水长度、充气压力……j4 6.9.5第六章水闸§6.9其他闸型和软基上的混凝土溢流坝五、水力自控翻板闸©㈠何为水力自动翻板闸ò利用水位高低的水力作用点的变化自动启闭闸门的水闸，由我国创造。©㈡闸门形式及材料ò闸门为平板门ò钢结构或钢筋混凝土结构ò单铰或多铰连接©㈢工作原理ò门顶与设计水位齐平，当水位超过5～10cm时闸门自动开启，开度随水位升高而逐渐增大，直到全开；ò水位降落时，闸门又逐渐关闭(Fig6-48)。©㈣特点ò①跨度可较大，闸室结构简单，造价低；ò②泄水时闸门淹没，不利于排放漂浮物；ò③无检修门，检修不便；ò④流量难以控制，闸门随水流而振动。ce 图片1 西海水闸西海水闸是为拦截朝鲜西海大同江入口处20多里无边大海而修建的。修建西海水闸仅用了短短的5年时间，竣工于1986年6月。西海水闸大坝长8公里，有3间闸室、36个闸门、3条鱼路。 Fig6-1⑴节制闸：拦河或建在渠首，用于拦洪、调节水位以满足上游引水或航运的需要，控制下泄流量，保证下游河道安全或根据需要调节放水流量。建在河道上称拦河闸。⑵进水闸：建在河道、水库或湖泊岸边，用来控制引水流量，以满足灌溉、发电或供水的需要，又称取水闸或渠首闸。⑶分洪闸：建于河道一侧，用来将超过现有安全的洪水量泄入分洪区或分洪道。⑷排水闸：建于江河沿岸，用于排除内河或低洼地区的渍水。具有双向挡水的作用，可引、挡外河水，也可排、挡内河水。⑸挡潮闸：建于入海河口，涨潮关闭以防海水倒灌；退潮开启泄水。具有双向挡水的特点。⑹冲沙闸：建在进水闸一侧、拦河闸并排等，用于排除闸前或坝前淤积的泥沙，延长水库等的使用寿命。 Fig6-2ac开敞式水闸：对有泄洪、过木、排冰或其他漂浮物要求的水闸，如节制闸、分洪闸等大多采用。 Fig6-2b胸墙式水闸：一般用于上游水位变幅较大、水闸净宽又为低水位过闸流量所控制、在高水位时仍需用闸门控制流量的水闸，如进水闸、排水闸、挡潮闸等多用该形式。 Fig6-2d涵洞式水闸：多用于穿堤取水或排水。 Fig6-3 Fig6-3i©闸室ò含：闸门、闸墩、边墩(岸墙)、底板、胸墙、工作桥、交通桥、启闭机等ò闸门挡水及控流；闸墩分隔闸孔等；底板是基础；工作桥安装启闭机，交通桥用于过闸交通……。 Fig6-3ii©上游连接段ò含：两岸翼墙、两岸护坡、河床部分的铺盖及防冲槽、护底等。ò目的：引导水流平顺进入闸室；保护河床、河岸免受冲刷；与闸室共同构成防渗地下轮廓；确保渗流作用下两岸及闸基的抗渗稳定性。 Fig6-3iii©下游连接段ò含：护坦、海漫、防冲槽、两岸翼墙、两岸护坡等。ò目的：消除过闸水流的剩余能量；引导出闸水流均匀分散；调整流速分布和减缓流速；防治水流出闸后对下游产生冲刷。 Fig6-2i宽顶堰：ò最常用的一种水闸堰型ò优点：泄流能力稳定，结构简单，施工方便ò缺点：自由泄流时比实用堰流量系数小，易产生波状水跃ò有利于泄洪、冲沙、排污、排冰、通航 Fig6-2ii低实用堰：ò主要有梯形、曲线形、驼峰形三种ò优点：自由出流流量系数大，水流条件较好，堰型适宜可消除波状水跃ò缺点：出流受尾水影响明显，淹没出流流量系数低，施工复杂。ò适用于上游水位较高，为限制单宽流量，需抬高堰顶高程等情况。 防渗设施Fig6-4 地下轮廓线Fig6-4i 地下轮廓线Fig6-4ii Tab6-1 Fig6-4a粘土闸基地下轮廓线的布置©上游设水平防渗，下游排水设在底板下段或消力池底板下，一般不用板桩 Fig6-4b粗砂或砂砾闸基地下轮廓线的布置©铺盖和悬挂式板桩相结合，下游排水设在消力池底板下 Fig6-4c细砂闸基地下轮廓线的布置©可在铺盖上游端设短板桩以增加渗径©如砂层较薄,其下为不透水层时,采用齿墙或板桩隔断砂层,排水设在消力池下 Fig6-4d粉砂闸基地下轮廓线的布置©为防治液化，用板桩将闸基四周封闭起来 Fig6-4e弱透水层含承压水的闸基地下轮廓线的布置©在消力池底面设深入承压水或透水层的排水减压井 Fig6-5 阻力系数法1渗流区分段：©以板桩、底板、铺盖等交点或桩尖画等势线，将整个流区分为几个典型的流段©如图分为①～⑦七个流段 流段水头损失计算阻力系数法2hlqlqiii每段单宽流量：q=kT⇒h=；令ζ=，则有：h=ζiiiilTkTkinnnqqHH=∑hi=∑ζi=∑ζi⇒hi=ζini=1i=1kki=1∑ζii=1 阻力系数的计算阻力系数法3 渗透压力计算渗压计算1Hh=ζiin∑ζii=1 进出口渗压修正渗压计算2nΔha=T∑ζiHi=1 地下轮廓线在水平面上的投影长度地下轮廓线在垂直面上的投影长度计算深度的确定 逸出段坡降计算h′0J=<[J]S′逸出段坡降计算 直线法直线法©勃莱直线法：将水头差沿地下轮廓线按直线分布的计算方法。©莱因直线法：水平渗径的消能效果只有垂直渗径的1/3，将水平渗径缩短到1/3后再按直线分布计算。 阻力系数法大区进口段和出口段内部垂直段内部水平段 要求：Fig6-8①渗透系数：小于地基的1/100，最好小于1/1000；②长度：2～4倍闸上水头③厚度：≥ΔH/[J]，并≥0.5～铺0.75m④与闸底板连接：加厚、底板前端斜面、止水并螺栓固定⑤顶部：保护层 Fig6-9要求：①厚度：>0.4m；②与闸底板连接；③双向配筋。 Fig6-10紧贴前缘连接插入凹槽连接需插入粘土铺盖凹槽填塞可塑性较一定深度，适用于闸室沉大的不透水材料，适用于闸降量大，而板桩尖已插入室沉降量小，而板桩尖未达坚实的土层等情况到坚实的土层等情况 降低护坦高程Fig6-13当尾水深小于跃后水深1.0～1.5m时采用二者综合设置消力坎当尾水深小于当尾水深与跃后水深接跃后水深1.5～近时采用3.0m时采用 斜坡尾设小槛防止波状水跃Fig6-14消力池前端设散流墩防止折冲水流 Fig6-15消力池末端设尾槛调整流速分布，减小出流底部流速，形成横轴旋滚进一步消能 Fig6-18水平段：与消力池连接，长5~10m，高程与护坦齐平或低于尾槛0.5m斜坡段：接于水平段后，坡度不陡于1:10。 Fig6-19 整体式底板：广泛应用，不均匀沉降小，闸门启闭有利Fig6-23Fig6-21分离式底板：建在较坚硬的土基上，底板需自身稳定，上部荷载直接由闸墩或部分底板传给地基 Fig6-23板式梁板式肋形结构梁板式 Fig6-24固接式支承简支式支承 Fig6-26 Fig6-27 Fig6-28 其它荷载：扬压力：重力：P－泥沙压力U－浮托力W－闸墩自重811P－地震力U－渗透压力W－底板自重922W－闸上水重3W－闸下水重4W－胸墙自重5W－闸门自重Fig6-296W－工作桥及启闭7机自重W－人行桥自重8W－车行桥自重9水平水荷载：P－上游水推力1P－下游水压力2P－上游渗压力3P－下游渗压力4P、P－底部渗压力56P－浪压力7 Tab6-8 Tab6-7 设计内容：主要包括垫层的厚度、宽度、材料Fig6-31 Fig6-32设计内容：主要包括沉井长宽比、分节高度、下沉速度、埋置深度、下沉系数、封底与否…… 相对紧密度e−emaxD=re−emaxmin式中D－相对紧密度re－设计孔隙比e－最大孔隙比maxe－最小孔隙比。min Fig6-33地基反力 缝墩集中荷载中墩集中荷载缝墩集中荷载Fig6-34底板均布荷载 Fig6-35 Fig6-36 Q−Q=P上下Fig6-37门槽劲部所()A1A1P=Q−Q=P1上下受拉力P1AA劲部拉应力σ=Pb1 Fig6-40abcd整体式重力式边墩分离式悬臂式边墩分离式重力式边墩分离式扶臂式边墩 Fig6-40efgh悬臂式岸墙扶臂式岸墙空箱式岸墙连拱式岸墙 Fig6-41ab曲线式翼墙曲线式翼墙－反翼墙V曲线式：边墩与岸边用铅直面的圆弧或用两直段和90°的圆弧(反翼墙)连接.其水流条件和防渗效果好，但工程量大，适用于水位差和单宽过流量较大的大中型水闸。 Fig6-41c扭曲面式翼墙扭曲面式：翼墙迎水面从边墩的铅直面渐变到岸坡的斜坡面，为一扭曲面。其水流平顺、工程量省，但施工复杂，渠系工程应用较广 Fig6-41d斜降式翼墙斜降式：平面上呈八字形，其高度从边墩向上、下游逐渐降低，至末端与河床齐平。其工程量省、施工方便，水流条件差，仅适用于小型水闸 Fig6-42 ③深层地基的剪切破坏①滑动破坏墙身及墙后填图沿埋于深层的软弱沿边墙底向前滑动土层滑动Fig6-44②浅层地基的剪切破坏浅层地基某曲面剪应力过大④下沉破坏地基反力分布不均引起墙身过分倾斜 Fig6-45 Fig6-46 Fig6-47 Fig6-48 Fig6-11&12 翻板门图片'