水闸设计讲义

《水闸设计讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水闸设计讲义（24页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、水闸设计大纲水利水电勘测设计标准化信息网 1997年11月水闸设计大纲目 次1 引 言12 编制依据文件和规范12.1 有关本工程的主要文件12.2 主要设计规范13 基 本 资 料13.1 工程等别与建筑物级别13.2 洪水标准23.4 泥 沙23.5 气象23.5.1 气温23.5.2 风速与吹程33.5.3 降雨量33.5.4 最大冻土深度 cm。33.5.5 无霜期：多年平均 d。33.6 地形资料33.7 地震烈度33.8 地质资料33.8.1 地质概况33.8.2 工程地质资料33.8.3 水文地质资料43.9 交 通53.9.1 闸上交通桥的荷载标准53.9.2 桥面宽度53.1

2、0 水工模型试验资料53.11 边墩和翼墙后回填料的物理力学参数（见表5）53.12 主要材料特性参数53.12.1 各部位混凝土的标号53.12.2 混凝土的设计强度、弹模及热学参数，见表7。63.12.3 钢筋的设计强度和弹性模量，见表8。63.12.4 浆砌石体特性参数64 工 程 布 置64.1 闸的轴线位置64.2 闸室布置74.2.1 弧形闸门水闸闸室布置74.2.2 平面闸门闸室布置74.3 防渗排水布置74.4 消能防冲布置84.4.1 底流式消能防冲布置84.5 两岸联接布置85 水 力 设 计85.1 水闸的过水能力核算85.2 消能防冲设施设计85.3 拟定闸的控制运用方

3、式86 闸室稳定计算86.1 荷载计算86.1.1 基本荷载96.1.2 特殊荷载96.2 荷载组合106.2.1 荷载基本组合106.2.2 荷载特殊组合106.3 闸室稳定计算106.3.1 确定计算单元106.3.2 稳定计算107 结 构 设 计117.1 闸底板结构计算117.1.1 闸底板的结构型式117.1.2 闸底板内力计算117.1.3 闸底板配筋计算137.1.4 闸底板抗裂计算137.2 闸墩结构计算137.2.1 闸墩的结构型式137.2.2 弧形闸门实体闸墩结构计算137.2.3 平面闸门实体闸墩结构计算157.2.4 闸墩抗裂计算157.3 其它结构设计157.3.

4、1 上下游翼墙157.3.2 其它结构158 地 基 设 计168.1 天然地基设计计算168.1.1 验算地基的容许承载力168.1.2 地基的稳定性计算168.1.3 地基沉降计算178.2 闸基处理188.2.1 垫层法处理水闸浅层基础188.2.2 钻孔桩基础设计189 观 测 设 计2010 专 题 研 究 (必要时)2011 应提供的设计成果2031 引 言 水闸工程位于 省 市(县)以 km处。在 河的 游。本工程是以 为主，兼以 等综合利用的水利工程。 本工程初步设计已于 年 月经 审查通过。确定设计流量 m3/s，校核流量 m3/s。闸共 孔，闸孔宽度 m，闸底板高程 m。选

5、用（宽高） m m的 闸门及 型启闭机。 工程共需完成土石方工程 万m3，砌石工程 万m3，混凝土及钢筋混凝土工程 万m3。共需钢筋 t，金属结构钢材 t，木材 m3，水泥 t。永久占地 亩。需工程投资 万元。 工程建成以后，可使 防洪标准从 提高到 ，可增加灌溉面积 万亩，极大地促进 地区的农业发展和国民经济的建设。2 编制依据文件和规范2.1 有关本工程的主要文件(1) 水闸工程初步设计报告；(2) 水闸工程初步设计报告审批文件；(3) 水闸工程技术设计任务书；(4) 水闸工程 文件；(5) 水闸工程 纪要。2.2 主要设计规范(1) SDJ217-87水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（

6、平原、滨海 部分）（试行）；(2) SD133-84水闸设计规范；(3) SDJ214-87水利水电工程水文计算规范；(4) SL44-93水利水电工程设计洪水计算规范；(5) SDJ20-78水工钢筋混凝土结构设计规范（试行）；(6) SDJ10-78水工建筑物抗震设计规范（试行）；(7) GBJ9-87建筑结构荷载规范。3 基 本 资 料3.1 工程等别与建筑物级别 按照SDJ217-87确定 枢纽工程为 等工程，其主要建筑物 水闸为 级建筑物。3.2 洪水标准 (1) 设计洪水重现期为 a； (2) 校核洪水重现期为 a； (3) 施工期导流设计洪水重现期为 a。3.3 水位与流量 (1

7、) 设计洪水流量Q= m3/s，相应闸上水位 m，闸下水位 m； (2) 校核洪水流量Q= m3/s，相应闸上水位 m，闸下水位 m； (3) 施工期导流工程设计洪水流量Q= m3/s，相应闸上水位 m，闸下水位 m； (4) 控制运用条件下水闸分水流量Q= m3/s，相应闸上水位 m，闸下水位 m； (5) 闸前蓄水位： 正常蓄水位 m； 最高蓄水位 m； 死水位 m； (6) 闸下游河（渠）道水位与流量关系（见表1）；表1 下游河（渠）道水位与流量关系表 流 量m3/s水 位m (7) 潮水位（用于潮汐河道河口建闸）：正常潮水位 （重现期 a） m；最高潮水位 （重现期 a） m；最低潮水

8、位 （重现期 a） m；3.4 泥 沙 水闸枢纽工程河段多年平均悬移质沙量 万t，多年平均推移质沙量 万t，工程建成后的 ，河段冲淤变化情况是 。为了实现枢纽工程分沙比 的目标，设冲（排）沙闸 孔，布置于 。3.5 气象3.5.1 气温 (1) 多年平均气温 ； (2) 绝对最高气温 ； (3) 绝对最低气温 ； (4) 多年月平均气温，见表2。表2 多年月平均气温表 单位：月 份 123456789101112多年月平均气温3.5.2 风速与吹程 (1) 风向 ； (2) 风速多年平均最大风速 m/s；多年实测最大风速 m/s；多年平均风速 m/s；设计采用风速 m/s； (3) 吹程 km

9、; (4) 风压 kN/m2。3.5.3 降雨量 (1) 最大年降雨量 mm； (2) 多年平均年降雨量 mm； (3) 最小年降雨量 mm。3.5.4 最大冻土深度 cm。3.5.5 无霜期：多年平均 d。3.6 地形资料 闸址区比例为1： 、1： 地形图及断面图。3.7 地震烈度 根据地震烈度区划（或根据工程的重要性委托地震部门完成的工程地震安全性评价工作报告）确定设计地震烈度为 度。3.8 地质资料提示：根据技术设计阶段工程地质与水文地质勘察成果和勘察试验报告等确定。3.8.1 地质概况提示：简述地形地貌、地层岩性、地质构造等概况。3.8.2 工程地质资料(1) 基岩物理力学参数，见表3

10、。表3 基岩物理力学参数表 项 目强风化 岩弱风化 岩微风化 岩 容 重kN/m3 干容重kN/m3 弹性模量 EMPa 变性模量 E0MPa 泊松比 m 干抗压强度MPa 湿抗压强度MPa 抗剪摩擦系数 f 岩石与混凝土间摩擦系数 f 容许承载力 sMPa (2) 各土层的物理力学参数，见表4（按土类别分列）。表4 各土层的物理力学参数表（按土类别分列） 参 数 类 别 与 项 目单 位 土的物理力学参数平均值小 值平均值大 值平均值建议值天然状态物理参数含 水 量%容 重干kN/m3湿kN/m3孔 隙 比饱 和 度%液 性 指 数土 粒 比 重流 性 限 度%塑 性 限 度%塑 性 指 数

11、%压 缩 模 量MPa力学参数压缩系数a1-2MPa-1a1-3MPa-1抗剪强度饱和快剪粘聚力kPa内摩擦角度饱和固结快剪粘聚力kPa内摩擦角度贯 入 击 数击土的允许承载力kPa钻孔灌注桩桩周极限摩阻力kPa3.8.3 水文地质资料 (1) 地下水的埋藏条件 ，埋深 ； (2) 含水层的岩性 、厚度 、渗透系数 ； (3) 地下水的补给来源 ；化学类型 ；矿化度 ；PH值 ；硬度 ；对混凝土侵蚀性。3.9 交 通提示：简述闸址内外的交通条件及对闸上交通的要求。3.9.1 闸上交通桥的荷载标准 计算荷载汽车 级，验算荷载挂车 。3.9.2 桥面宽度 净宽 +2 人行道（安全带）。3.10 水

12、工模型试验资料提示：(1) 按照初步设计总体布置进行的水工模型试验，应提供经试验确定的工程布置的合理性、闸的泄流能力、闸前后流态及主要断面的流速分布、可供技术设计选择或修改的消能方案及确定控制运用的组合方式。 (2) 具有分沙排沙要求的水闸，应通过浑水动床模型试验确定分沙排沙工程措施所产生的分沙排沙效果、闸前后的冲淤变化规律。3.11 边墩和翼墙后回填料的物理力学参数（见表5）表5 回填料物理力学参数表 回填料名称湿容重kN/m3饱和容重kN/m3内摩擦角（）凝 聚 力kN/m2回填石碴回 填 土回 填 沙3.12 主要材料特性参数3.12.1 各部位混凝土的标号表6 各部位混凝土标号表 结构

13、部位强度标号抗渗标号抗冻标号闸底板中墩、缝墩、边墩铺盖、护坦翼 墙排 架公路桥桥板检 修 桥人行便桥栏杆预制件桥头堡楼板机 架 桥垫 层3.12.2 混凝土的设计强度、弹模及热学参数，见表7。表7 混凝土的设计强度、弹模及热学参数表 参 数 名 称单 位混 凝 土 标 号100#150#200#250#容 重 gkN/m3弹性模量 EMPa泊 松 比 m设计强度轴心抗压RaMPa弯曲抗压RwMPa抗 拉RLMPa抗 裂RfMPa热学参数线膨胀系数 a-1导热系数W/(mk)比 热散热系数绝热温升3.12.3 钢筋的设计强度和弹性模量，见表8。表8 钢筋的设计强度和弹性模量表 单位：MPa钢筋种

14、类 符 号受拉钢筋设计强度（Rg）受压钢筋设计强度（Rg）弹性模量（Eg）I级钢筋II级钢筋III级钢筋3.12.4 浆砌石体特性参数 (1) 浆砌石体容重 kN/m3； (2) 浆砌石体弹性模量 MPa；(3) 浆砌石体抗压强度 MPa。4 工 程 布 置提示：根据工程初步设计审批意见，结合技术设计阶段地质勘察和模型试验成果，应对初步设计确定的工程布置作进一步优化，使之更趋合理。工程布置不仅在于设计的建筑物能够满足挡水、过流、检修等运行和管理要求，更重要的是在满足稳定安全的条件下，经济合理地使闸室与上、下游之间以及闸室中的工作闸门、检修闸门与相应启闭设施和工作桥、检修桥、交通桥等分部结构布置

15、上，均能达到最佳组合。4.1 闸的轴线位置 闸位于 ，闸的纵轴线与闸底板前缘交点坐标X= ，Y= ；与闸底板后缘交点坐标X= ，Y= 。 提示：闸的轴线位置应在初设方案的基础上进一步优化： (1) 首先地质条件有利于采用天然地基，避免软弱地基和可能产生不均匀沉陷地基及可能产生液化的地基； (2) 水流条件较好，进出水闸的水流顺畅； (3) 具有土石方工程量小、方便施工和管理等特点。4.2 闸室布置提示：闸室主要由闸墩、闸底板、工作闸门、检修闸门、胸墙、工作桥、检修桥、交通桥、启闭机房等部分组成。闸室布置应具有先进的启闭方案，确保闸门启闭灵活可靠；应使交通和检修、运行管理方便以及优美的整体外观造

16、型，还能适应抗震、过木、排沙、排冰等特殊要求。闸室分缝位置，应根据闸室结构型式，地基情况，通过综合比较论证后确定。4.2.1 弧形闸门水闸闸室布置 水闸的闸室长度 m，共 孔，闸孔宽度 m，选用（宽高） m m的钢质弧形闸门。闸底板高程 m，支铰中心高程 m，墩顶高程 m；工作桥桥面高程 m，桥面宽度 m；交通桥桥面高程 m，桥面宽度 m。提示：一般弧形闸门的闸室布置均是在闸墩之上设排架和工作桥，利用弧门启闭机启闭弧形闸门。近年来随着水利水电技术的不断发展，在强地震区的水闸布置有了多种型式的改进，如取消弧形闸门启闭机的排架和机架桥机房，即是一种新型结构。这种布置是将弧形闸门启闭机改为卷扬式平面

17、闸门启闭机，且布置于支铰牛腿之上，利用滑轮系统传递启门力，以达到降低建筑物高度，提高抗震性能之目的。有些大型工程还将卷扬启闭机改为液压启闭机，不仅取消了工作桥，还取消了启闭机房，收到了较好的抗震效果和经济效果。4.2.2 平面闸门闸室布置 水闸的闸室长度 m，共 孔，闸孔宽度 m，选用（宽高） m m的 平面闸门。闸底板高程 m，墩顶高程 m；工作桥桥面高程 m，桥面宽度 m；交通桥桥面高程 m，桥面宽度 m。提示：闸室布置应结合闸室稳定分析最终确定闸门在闸室中的位置：闸前挡水水头相对较高时，闸门位置偏向闸室上游；闸前挡水水头相对较低时，闸门位置偏向闸室下游。4.3 防渗排水布置闸室前铺盖长

18、m，闸室下游设排水孔 排，排水孔下设反滤层。提示：防渗排水布置应根据水闸上、下游的水位差和工程地质条件等因素，结合水闸布置综合考虑采用适当的工程措施，构成完整的防渗排水体系：软基上的水闸防渗长度必须满足地基土壤的允许坡降要求，否则应采取加设齿墙或板桩等工程措施；在岩基上的水闸则在底板上游端设灌浆帷幕；闸室岸墙两侧则加设刺墙来增加绕渗的渗径长度。4.4 消能防冲布置提示：消能防冲布置应根据初步计算，主要依据水工模型试验确定，应具有改善水闸进出水流条件，降低下游河（渠）道流速、减少工程数量、方便施工等特点。4.4.1 底流式消能防冲布置消力池长 m，池深 m，两岸扩散角 ，采用 辅助消能工。海漫段

19、长 m，底高程 m。4.4.2 挑流式消能防冲布置挑坎高程 m，长度 m，挑射角 ，反弧半径 m，挑射距离 m，冲坑深度 m。4.5 两岸联接布置闸室上游翼墙型式 ，墙顶高程 m，墙体高度 m，长度 m。下游翼墙型式 ，墙顶高程 m，翼墙扩散角 度，墙体高度 m，长度 m。5 水 力 设 计5.1 水闸的过水能力核算分别核算水闸在设计水位、校核水位等各种特征水位下的过水能力。提示：平原地区河道大中型水闸和水库溢洪闸，多为平底或带低堰的开敞式水闸，核算其过水能力时，应注意闸前引渠与其它建筑物及拦鱼、拦污设施等对过水能力的影响。5.2 消能防冲设施设计提示：根据水闸的水流条件、单宽流量、地质条件、

20、闸的控制运用方式，通过消能防冲计算初步成果，经水工模型试验，确定最终方案。5.3 拟定闸的控制运用方式提示：(1) 分别确定闸前各种水位时闸门开度与过闸流量的关系，并绘出曲线；还要结合工程具体情况确定闸门操作的开启顺序，供工程管理部门使用。 (2) 闸门控制应尽量同步开启，但由于实际条件限制很难达到同步开启。可由中间孔向两侧分段分级开启或隔孔对称开启，关闸时则与上述顺序相反，以避免闸下形成偏流造成集中冲刷。 (3) 控制运用方式可通过模型试验确定各种特征水位、各种流量、与各种闸门开启度的组合方式。6 闸室稳定计算6.1 荷载计算提示：作用在水闸上的荷载按基本荷载和特殊荷载分别计算。计算范围应与

21、闸室稳定计算中选定的计算单元相适应。6.1.1 基本荷载 (1) 水闸结构自重及其设备自重提示：包括闸室底板、闸墩、胸墙、排架、工作桥、交通桥、检修桥、启闭机房、工作闸门和启闭机等的自重。 (2) 土压力提示：作用于边墩背后的填土压力，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。回填土水上部分采用湿容重，水下部分采用浮容重另加静水压力计算。 (3) 泥沙压力提示：在多泥沙或感潮淤沙河段建闸时，应考虑泥沙淤积对闸室的作用力。 (4) 静水压力 分别计算正常挡水位和其他挡水位时的静水压力。提示：其他挡水位系指某些水闸在水闸枢纽中为达到分洪、分流、挡湖、控制运用要求等需关闭闸门时运用的挡

22、水位。 (5) 扬压力 分别计算正常挡水位、其他挡水位作用下包括渗透压力和浮托力的扬压力。提示：渗透压力计算：在土基上可采用改进阻力系数法；在复杂地基上的大型工程可采用电拟试验法；中型工程和简单地基情况下可采用直线比例法。岩基上的渗透压力可参照SDJ21-78计算。 (6) 波浪压力 波浪压力按SDJ133-84附录四公式计算。 (7) 风压力 风压力按GBJ9-87计算。 (8) 水重力提示：水重力作用于闸底板上。 (9) 淤沙压力提示：根据淤沙高度及淤沙容重计算。 (10) 冰压力 静冰压力和动冰压力，参考水工设计手册计算。6.1.2 特殊荷载 (1) 最高挡水位(校核条件)时作用于闸室的

23、静水压力、扬压力、波浪压力。 (2) 地震力 按照工程设计地震烈度和建筑物级别分别计算水平向地震惯性力、竖向地震惯性力、地震动水压力、地震动土压力。 (3) 侧向静水压力提示：某些孔检修时检修门与工作门之间的侧向静水压力作用于闸墩上。6.2 荷载组合提示：对于平原地区兼有蓄水和排洪作用的水闸以及大中型水库的泄洪闸来说，荷载基本组合考虑施工完建情况和正常挡水情况；荷载特殊组合考虑最高挡水情况、检修情况、地震情况。6.2.1 荷载基本组合(1) 施工建成情况水闸上、下游均无水。设计荷载为水闸结构自重及其设备自重，边孔计算时还应考虑边墩后土压力。(2) 正常挡水情况水闸上游为正常挡水位，下游无水或最

24、低水位。设计荷载为：水闸结构自重及其设备自重，正常挡水位的静水压力、扬压力、波浪压力、风压力、土压力，泥沙压力。6.2.2 荷载特殊组合(1) 最高挡水情况水闸上游为最高挡水位（校核水位），下游无水或最低水位。设计荷载为：水闸结构自重及其设备自重，最高挡水位的静水压力、扬压力、波浪压力、土压力，泥沙压力。(2) 检修情况水闸上游为正常挡水位或检修水位。闸孔一孔检修，相邻闸孔正常挡水，设计荷载除考虑水闸结构自重及其设备自重、静水压力、扬压力、波浪压力、土压力之外，还要考虑作用在闸墩上的侧向静水压力。(3) 地震情况水闸上游为正常挡水位，下游无水或最低水位。设计荷载为正常挡水情况的荷载加地震力。6

25、.3 闸室稳定计算6.3.1 确定计算单元提示：计算单元应根据闸室布置情况来确定。大底板水闸应取中联闸室和边联闸室分别计算；分离式底板水闸取单个中墩和边墩分别计算。6.3.2 稳定计算提示：闸室稳定计算主要确定基底压力的最大值、最小值、平均值和基底压力不均匀系数、坑滑稳定安全系数，并满足规范规定和地质勘察成果确定的容许值。若不能满足其相应的容许值，则需对闸室布置进行适当调整，直到满足为止。计算成果见表9表9 闸室稳定计算成果表计 算 内 容荷 载 基 本 组 合荷 载 特 殊 组 合施工完建情 况正常挡水情 况最高挡水情 况检修情况地震情况计 算水 位闸上，m闸下，m抗滑稳定安全系数计算值KC

26、允许值KC基 底压应力kPa平均值s最大值smax最小值smin允许值s不均匀系数h计算要点如下：(1) 闸室结构布置和受力情况对称的闸孔，其基底压力按偏心受压公式计算。(2) 闸室结构布置和受力情况不对称的闸孔，其基底压力按双向偏心受压公式计算。(3) 对于受双向水平力作用的闸室，应验算水平力的合力方向的抗滑稳定性。(4) 对于岩基上水闸的抗滑稳定计算，可参照SDJ21-78的规定。(5) 对于土基上的闸室抗滑稳定计算，可参照SDJ133-84的规定。7 结 构 设 计7.1 闸底板结构计算7.1.1 闸底板的结构型式提示：闸底板的结构型式应根据闸室布置的要求，结合地基特性和闸室稳定计算综合

27、考虑确定。若地基为坚硬的土质或岩基，通常采用平底板或平底板加低堰（如驼峰堰）结构；跨度较小的水闸也可考虑采用反拱底板；若地基为承载力较小且闸室沉降量较大的软弱地基，多采用桩基加小底板的型式。7.1.2 闸底板内力计算提示：(1) 闸底板内力计算方法应根据底板结构型式结合闸基条件来确定。平底板的计算方法主要有：假定地基反力均匀分布的截面法、不考虑不平衡剪力分配的倒置梁法（只适用于小型水闸）、假定底板和地基都是弹性体的弹性地基梁法等。弹性地基梁法主要有三种不同的假定，即按文克尔假定的基床系数法、按半无限深的弹性地基梁法和按有限深的弹性地基梁法。弹性地基梁的计算方法很多，由于篇幅所限，此处只介绍按基

28、床系数法计算弹性地基梁水闸底板内力，其它如链杆法（日莫契金法）、郭尔布诺夫波萨多夫法等可参阅有关专著。 (2) 基床系数法计算弹性地基梁底板内力，主要适用于岩基上的水闸底板或可压缩土层厚度与地基梁半长之比较小的土基上的水闸底板（通常比值在0.25以下时适用）。基床系数法是将闸底板受力的空间问题化为平面问题，在闸底板的垂直水流方向截取具有代表性的若干条带，分别计算荷载基本组合和荷载特殊组合下的各种计算情况的荷载作用下的底板内力。 闸底板内力计算，采用弹性地基梁基床系数法进行。(1) 确定基床系数K提示：基床系数K是使单位面积的地基上产生单位变形所需的力，K值反映了地基特性，即地基坚硬或软弱的程度

29、，合理选择K值对于计算成果的精确性和可靠性具有重要意义。K值的确定通常有三种途径： (1) 按理论公式或经验公式确定； (2) 工程实践积累数据； (3) 试验确定。 如采用中国船舶工业总公司第九设计院编弹性地基梁及矩形板介绍的魏锡克建议的计算方法。该方法是利用地基弹模、地基泊桑比、基础梁的弹模、惯性矩和基础梁宽度来计算基床系数。也可直接根据上海市政工程设计院等七设计院编著给水排水工程结构设计手册中提供的基床系数表来确定。 根据 确定基床系数K= 。 (2) 判定基础梁的属性提示：基础梁的属性有刚性梁、短梁、长梁三类，是由基础梁的折算长度确定的。而基础梁的折算长度又与基础梁的弹性特征长度有关。

30、基础梁的弹性特征长度可由基床系数、弹模计算求得。 经计算，基础梁的弹性特征长度S= m，基础梁的折算长度l= m。根据判别，水闸底板基础梁的属性为 。提示：若判定水闸底板基础梁的属性为长梁，尚需根据基础梁的折算距离确定是按半无限长梁或无限长梁计算。 (3) 确定基础梁内力计算简图提示：确定基础梁内力计算简图的步骤是： (1) 首先计算闸室上部荷载，并把上部荷载化为集中荷载作用于闸墩位置； (2) 底板自重、水重、浮托力、渗透压力及地基反力化为均布荷载； (3) 门前与门后荷载分别计算，并将产生的不平衡剪力按其截面特性进行分配，分配后化为均布荷载； (4) 除均布荷载和集中力外，还要计算作用于闸

31、墩底部的集中弯矩，如检修情况弧形闸门与检修闸门之间的水平力对检修孔的缝墩及中墩产生的弯矩，边联底板荷载计算中边墩后土压力对边墩产生的弯矩，闸墩水平地震惯性力产生的弯矩等。将各种荷载组合下的弯矩分别计算后按作用方向进行累加； (5) 将计算出的集中力、集中弯矩、均布荷载的大小绘于相应底板条带图上。 (4) 假定底板两端自由计算底板内力提示：先由相应表中查出无单位内力值，再计算在外荷载作用下弹性地基梁各截面内力，即为底板两端自由时的内力 (5) 求出底板各截面抵抗内力提示：假定底板端点有约束、转角为零，计算端点弯矩，然后求出各截面抵抗内力。 (6) 求基础梁的实际内力 将假定底板两端自由求得的内力

32、与相应断面的抵抗内力相迭加，即可求得基础梁在设计荷载作用下的实际内力。7.1.3 闸底板配筋计算7.1.4 闸底板抗裂计算7.2 闸墩结构计算7.2.1 闸墩的结构型式提示：闸墩的结构型式，最常见的有实体闸墩和排架与实体相组合的闸墩；就受力条件来看，有分散传递水推力并设置门槽的平面闸门闸墩，还有集中传递水推力的弧形闸门闸墩。7.2.2 弧形闸门实体闸墩结构计算提示：弧形闸门闸墩受力较为复杂，主要有通过闸门支铰传递的闸门推力、闸室上部结构自重、水压力、地震惯性力等。弧形闸门闸墩内力计算一般采用弹性力学的方法，将闸墩视为一边固定、三边自由的弹性矩形板，利用程序计算；也可利用现有表格（如傅作新、沈潜

33、民弧形门闸墩应力计算附表）查表计算或利用有限单元法计算。7.2.2.1 荷载计算要点 (1) 上部荷载：为适应程序计算，将上部荷载中的集中荷载按其位置分段简化为均布荷载。 (2) 作用在弧门上的推力：作用在弧门上的推力包括水平水压力和垂直上浮力，为适应程序计算，需将作用在支铰点的力向闸墩角点平移。 (3) 检修闸门与工作闸门之间的侧向水压力：当一孔检修时，相邻孔弧形闸门挡水，在检修门与工作门之间的闸墩受到侧向水压力作用，计算中需将侧向水压力简化为闸墩网格节点荷载。 (4) 闸墩地震惯性力：闸墩产生的水平向地震惯性力随加速度分布系数的变化而改变，计算中将水平地震惯性力简化为一均布荷载和若干作用在

34、网格节点的集中荷载。竖向地震惯性力，其方向向上的作用效果是增加了闸墩的垃应力，故一般选择竖向地震惯性力的作用方向向上。 (5) 闸墩网格划分提示：根据闸墩的高宽比确定网格数量。可取闸墩高度方向为5格，沿闸墩长度方向取8格或10格，以方便计算。对于支铰附近应力集中处，可把网格加密。7.2.2.2 对称力系产生的闸墩应力 (1) 正常运用情况水压力产生的应力计算提示：正常运用情况下水压力通过闸门门体传至闸墩支铰和牛腿，在闸墩两侧产生对称的推力R。将推力R简化到闸墩的中心平面，将闸墩作为半无限大直角角楔形体的一部分，根据平移后的力的大小并进行座标转换，可利用弹性力学公式直接求出由对称推力R产生的闸墩

35、应力。 (2) 边界上的应力消除提示：由于上述计算中是假定闸墩作为半无限大直角楔形体，而实际并非如此，因此，应将闸墩边界上的计算应力消除。消除方法是将边界上算得的应力作为外荷载按大小相等，方向相反作用于需消除应力的边界上，并将闸墩视为短悬臂梁求解闸墩应力分布，求出的应力再和原计算结果叠加，即消除了边界应力。 (3) 其它荷载作用产生的闸墩应力提示：其它荷载包括闸墩自重、公路桥、工作桥等上部结构荷载和墩尖水压力等，其应力值应分别计算。其中墩尖水压力产生的闸墩应力可按悬臂梁受连续荷载计算；求上部荷载产生的闸墩应力，可将闸墩视为半无限大直角楔形体，将集中荷载化为均布荷载后计算，并进行边界应力消除。7

36、.2.2.3 不对称力系产生的闸墩应力 (1) 作用在闸墩上的不对称力系提示：作用在闸墩上的不对称力系中有多种作用力：闸门正常挡水时，斜支臂弧形门闸墩受到的垂直向分力；工作门检修时在工作门和检修门之间闸墩受到的侧向水压力；垂直水流向的地震惯性力等。 (2) 不对称力系产生的应力计算 计算不对称力系对闸墩作用而产生的应力，可简化为小挠度弹性薄板的弯曲问题。提示：由弹性理论可知，求解小挠度弹性薄板弯曲问题可归结为寻求中央面挠度W（x、y）问题。根据求解挠度的基本方程式及划分的闸墩正方形网格，利用解偏微分方程求某一荷载作用下网格节点处单位长度的内力及相应的正应力sx、sy，剪应力 txy、扭矩 Mx

37、y。 7.2.2.4 闸墩应力合成提示：根据确定的应力计算情况和荷载组合，利用程序分别计算对称力系产生的应力和不对称力系产生的应力，并进行叠加，求出闸墩在实际受力状态下的正应力sx、sy 和剪应力 txy，并求出相应的主拉应力s1,3和s1及其与x轴的夹角a，将其应力数值和分布绘制成图，以给闸墩配筋计算和采取工程措施提供依据。7.2.2.5 闸墩温度应力计算提示：根据闸墩的实际尺寸、温度变化幅度和地基约束条件等确定采用相应的闸墩温度应力计算方法。如河海大学提出的闸墩中心轴断面上的降温拉应力估算法、软基上闸墩中温度拉应力近似计算法等。温度应力计算出后进行应力合成。7.2.2.6 闸墩配筋计算 (

38、1) 根据正应力sx的大小和分布确定闸墩竖向钢筋的配置。 (2) 根据正应力sy的大小和分布确定闸墩水平向钢筋的配置。 (3) 根据主拉应力的大小和分布确定闸墩中辐射钢筋的配置。提示：辐射钢筋的计算主要有分割脱离体法和偏光弹性试验法。对于大型水闸，应按全部拉应力由辐射钢筋承担的原则计算。7.2.3 平面闸门实体闸墩结构计算提示：平面闸门实体闸墩结构计算一般均采用材料力学的方法。闸墩的计算假定，在垂直水流方向力的作用下按底部固结、顶部弹性支承的梁考虑，对于中小型工程也可按照固结于底板上的悬臂梁计算。 (1) 闸墩水平截面上的应力按偏心受压公式计算。 (2) 闸墩垂直截面上的应力按重力法计算。 (

39、3) 闸门槽应力计算。提示：闸门槽应力计算是闸墩结构计算的主要部分，其计算方法有偏心受压计算法、轴心受拉计算法、偏心受拉计算法等，应结合工程实际情况确定。7.2.4 闸墩抗裂计算7.3 其它结构设计7.3.1 上下游翼墙 (1) 翼墙结构型式的确定提示：翼墙的结构型式应根据挡土高度、地基特性、当地建材资源和施工条件等方面进行多方案经济技术比较确定。对于地基条件较好的水闸可考虑采用半重力式衡重式结构；重力式挡土墙多适用于扭曲段联接或中低挡土墙；对于挡土墙高度在10m以上或地基条件较差的翼墙多采用扶壁式、连拱空箱式或空箱减荷板式结构；也可考虑采用加筋式挡土墙或锚杆式挡土墙等其它新型结构型式。 (2

40、) 翼墙稳定计算提示：翼墙稳定计算应分别考虑施工完建、正常运用和地震情况下的抗滑稳定、抗倾稳定、地基承载力均能满足要求，必要时还要验算地基深层滑动稳定性。翼墙设计的重点是合理选定设计土压力的强度值，应根据翼墙的实际变形条件确定是静止土压力还是主动土压力或被动土压力。 (3) 结构计算提示：重力式翼墙一般不需进行应力分析，只有墙体过高而墙身厚度较薄的情况下才需应力复核。悬臂式翼墙、扶壁式翼墙及连拱空箱式翼墙一般采用材料力学的方法计算内力。7.3.2 其它结构 (1) 胸 墙提示：胸墙按其结构型式分为活动胸墙和非活动胸墙，而以非活动胸墙居多。非活动胸墙又分为板式结构和板梁式结构（肋形结构）。板式结

41、构胸墙内力按单向板计算，板梁式结构胸墙内力按肋形结构计算。 (2) 工作桥（亦称机架桥）提示：工作桥是为了安置启闭机械而设，桥面高程根据闸门提升高程、闸门高度及滑轮组尺寸来确定。工作桥支承于排架上或直接支承在闸墩上。工作桥结构多为板梁式结构，设有启闭机房的工作桥有四根纵梁，不设启闭机房的工作桥有二根纵梁。主梁内力按闸墩或排架为支座的简支梁计算。 (3) 交通桥提示：结合水闸工程建桥是一种经济合理的工程布置方案。大中型水闸工程的两岸连接道路也多是公路工程的一部分。闸上交通桥的设计标准应根据通过闸区公路的实际标准和规划标准综合确定。交通桥的结构型式应优先选用空心板、T形梁等具有标准设计图的结构。交

42、通桥多支承于闸墩之上、也有的支承于闸墩上的排架之上。交通桥的结构计算可参阅有关资料。 (4) 排 架提示：水闸上的排架最多用来支承安置启闭机的工作桥，也有的用来支承交通桥，还有一种用来启吊叠梁式检修闸门的单排架。因此，将水闸上的排架分为单柱式（壁墙式）排架和刚架式排架。单柱或排架按一端固定、一端自由的偏心受压构件计算内力。刚架式排架的内力计算应按顺水流方向和垂直水流方向用结构力学方法（如“无剪力分配法”等）分别计算。8 地 基 设 计提示：水闸工程与其它建筑物一样，能否保持设计荷载作用下的地基稳定性是工程设计成败的关键。保持地基稳定性，不仅要求基底应力小于地基容许承载力，建筑物的稳定安全系数大

43、于其规定值，还要求建筑物的沉降量不超过容许值，并防止渗透破坏的发生。地基设计要充分考虑利用天然地基的可能性。地基处理方案也应进行多方案经济技术比较，以达到结构合理、施工方便、效益显著之目的。8.1 天然地基设计计算8.1.1 验算地基的容许承载力提示：地基容许承载力的确定可由以下途径： (1) 缺乏地基土力学性能指标时，根据其物理状态采用有关规范规定的地基容许承载力，必要时可考虑根据基础特性对基本承载力进行修正；无实测资料时，也可根据经验采用类比法确定地基容许承载力； (2) 从地基变形的角度出发，根据地基中极限平衡区的开展范围确定地基容许承载力； (3) 从地基的整体剪切破坏角度出发，根据地

44、基发生整体剪切破坏时的极限荷载除以安全系数确定地基容许承载力。8.1.2 地基的稳定性计算提示：水闸建成后，正常挡水并遭遇地震荷载时、或最高挡水位时，均可能承受最大水平向推力而使基础丧失稳定，并根据垂直荷载的大小产生表层滑动或深层滑动。水闸地基的稳定性计算就是指深层滑动的稳定性计算。稳定性的计算方法有圆弧法、折线法、塑性平衡理论计算法等，应根据地基分层情况和工程特点确定相应计算方法。8.1.3 地基沉降计算提示：土基尤其是软土地基上的水闸，其沉降不均匀且沉降值较大时，可能造成闸室倾斜、底板开裂，严重地影响水闸的安全运用。因此，软基上的水闸应根据沉降计算成果来分析地基变形情况，以便选用合理的结构

45、型式，并由此确定施工速度和程序。8.1.3.1 选择沉降计算断面和计算点提示：(1) 断面选择：一般中孔闸室选择一个断面，边孔闸室选择一个或两个断面。 (2) 计算点：条形基础选择在基础边缘和中心点；长方形基础选择在基础四角和中心点；中小型水闸可取底板两端和中点。8.1.3.2 确定压缩层厚度提示：水工设计中传统的压缩层厚度确定方法，只与附加压力的大小有关：一般土层用附加应力等于自重应力的20%的厚度，软土地基用附加应力等于自重应力的10%的厚度作为压缩层厚度。由于没有考虑土层压缩性大小的影响，显然不太合理。现改为按计算沉降量确定压缩层厚度较符合实际。确定的方法是：在压缩层下限向上取1米厚土层

46、，计算的压缩量值不大于在压缩层范围内各土层压缩量总和的2.5%，以此作为压缩层厚度的确定条件。8.1.3.3 选定各计算层次的标准压缩曲线提示：首先根据地质剖面图中所标明的不同土类及其变化情况确定压缩计算层次，再确定各土层相应的标准压缩曲线。标准压缩曲线是根据所取有代表性的原状土样进行压缩试验结果计算所得。8.1.3.4 地基的应力计算提示：应力计算包括自重应力、附加应力和基坑开挖的卸荷应力。 (1) 自重应力：应考虑地基中有粘土隔水层和含沙水层相间时对自重应力的影响； (2) 附加应力：一般按照均质弹性半无限体理论且不考虑地层软硬不均的影响的计算方法，通过积分求得矩形或条形基础在分布荷载作用

47、下基础角点处的附加应力。 (3) 卸荷应力：基坑开挖时地基卸荷，计算随开挖范围而变化的地基应力值减小的数量。8.1.3.5 最终沉降量计算提示：(1) 根据地基应力计算成果，可以确定闸室各计算断面中计算点在基坑开挖后的初始应力和水闸建成后的最终应力，并从各土层的标准压缩曲线上求得相应的初始孔隙比和最终孔隙比，再求出各土层的压缩量和总压缩量，即为最终沉降量。 (2) 最终沉降量的修正： 按土的固结过程和固结度法进行修正。 按照沉降量与经历时间的经验关系式进行修正。8.1.3.6 水闸容许沉降量的确定提示：水闸容许沉降量尚无统一规定，根据工程运行经验可确定为：整体平底板水闸最大沉降量应控制在100

48、mm以内，最大沉降差控制在30mm之内；反拱底板水闸闸墩的最大沉降差应控制在3mm之内。8.2 闸基处理提示：(1) 平原地区水闸大多建造在第四纪松散覆盖层上，经常遇到松散砂性土、软粘土、淤泥等软弱地基，这些地基的地基土均具有标准贯入击数小、承载力低、粘性土的天然含水量高、砂性土的天然空隙比大等特点。不能满足水闸对地基的要求，必须进行基础处理。 (2) 水闸基础处理的方法较多：有垫层法等浅层基础处理；有砂井预压、振冲挤密、强夯等中深层基础处理；对深层处理则多采用桩基；对岩基水闸的闸基断裂带局部处理或湿陷性黄土、膨胀土、冻土等特殊土的闸基处理则应采取相应专门处理措施。确定地基处理方案要首先充分考

49、虑利用天然地基的可能性，并进行多方案经济技术综合比较，以求达到技术可靠、结构合理、施工方便、效益显著之目的。限于篇幅，本章只介绍浅层基础处理的垫层法和深基础的钻孔灌注桩基础。8.2.1 垫层法处理水闸浅层基础提示：垫层法主要适用于闸基下为厚度不大于3.0m的软粘土或淤泥时的情况。垫层材料多采用中粗砂、碎石或重壤土等，其作用除增强了地基的稳定性，减小了水闸的沉降量和不均匀沉降之外，还缩短了下卧软土层的渗透固接时间，有利于抵抗深层滑动。8.2.1.1 确定垫层厚度提示：确定垫层厚度的方法主要有： (1) 根据下卧层的承载能力确定垫层厚度； (2) 按照极限平衡理论求地基中塑性开展区的范围的方法确定

50、垫层厚度； (3) 基础延伸法：将垫层视为基础来考虑； (4) 根据基础边缘地基的局部稳定条件确定垫层厚度：使垫层厚度略大于基础边缘可能局部滑动的最大深度。8.2.1.2 确定垫层宽度 垫层宽度可根据满足地基应力扩散的要求来确定。8.2.2 钻孔桩基础设计提示：在软弱地基上建造水闸，当地基的承载能力和稳定性不能满足要求或水闸的不均匀沉降过大时，一般采用钻孔桩基础。必须指出，桩基水闸闸室布置多为低桩承台加分离式底板的布置型式，其方案应与平底板方案进行经济技术比较后确定。桩基设计依据“建筑桩基技术规范”JGJ94-94。8.2.2.1 钻孔桩基础结构布置 经计算确定，每个中墩共布置 排钻孔桩，每排

51、 根，桩距 m，桩长 m；每个边墩共布置 排桩，每排 根，桩距 m，桩长 m；桩径 m，排距 m。承台宽 m，长 m，厚度 m，顶面高程 m；承台间底板厚 m。提示：结构布置中桩的总数根据作用于桩基的垂直荷载和水平荷载来确定，布置桩的位置时应尽量使桩群的重心与荷载的合力作用点重合。承台与底板间设止水。8.2.2.2 荷载计算 经计算单桩桩顶承受的最大垂直荷载 kN，最小垂直荷载 kN，平均垂直荷载 kN；单桩承受的水平荷载 kN。提示：根据JGJ94-94第5.2.2.2条的规定，对于桩数超过3根的非端承桩桩基，宜考虑桩群、土、承台的相互作用效应，复合基桩的承载力可用相应计算公式计算。 当承台

52、底面以下存在可液化土、湿陷性黄土、高灵敏度软土、欠固结土、新填土，或可能出现震陷、降水、沉桩过程中产生高孔隙水压和土体隆起时，不考虑承台效应。8.2.2.3 单桩的承载能力计算 (1) 摩擦桩的容许竖向承载力提示：摩擦桩的容许竖向承载力大小，主要与桩周容许摩阻力和桩底承载能力有关，并按半经验半理论公式计算。当桩的横截面面积F= m2，桩尖平面处土的容许承载力Rj= kPa，桩周长u= m，桩长L= m，桩周土的容许摩阻力的加权平均值fu= kPa时，可求出摩擦桩的容许竖向承载力Pa= kN。 (2) 单桩容许水平向承载力提示：(1) 影响单桩容许水平向承载力的因素很多，主要有桩的直径、桩顶作用垂直荷载的大小、桩的配筋情况和地基土的弹性抗力等。 (2) 根据桩的直径、桩顶受力条件和地基特性，结合已建工程的经验和桩的有关试验成果，确定单桩容许水平向承载力为 kN。8.2.2.4 桩基的内力与变位计算 (1) 单桩的内力与变位计算提示：单桩在