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1、第五章 水 闸 主要内容：n5.1 概述n5.2 水闸的孔口尺寸确定n5.3 水闸的消能防冲设计n5.4 水闸的防渗排水设计n5.5 闸室的布置与构造n5.6 稳定计算与地基处理n5.7 闸室结构计算n5.8 两岸连接建筑物n5.9 闸门与启闭机5.1 概 述n水闸是一种低水头的水工建筑物，它具有挡水和泄水双重作用。n与设有表孔闸门的溢流重力坝的区别是:n1）水闸水头较低，抬高水位较少，它主要是靠闸门挡水；而溢流坝主要靠闸门下坝体来挡水。n2）水闸可建于各种地基上。 n一、 按担负的任务分按担负的任务分：5.1.1水闸的类型水闸的类型按所承担的任务分（1）进水闸（取水闸） 位置：建在河流、湖泊
2、、水库或引水干渠等的岸边一侧 作用：为灌溉、发电、供水或其它用水工程引取足够的水量。 由于它通常建在渠道的首部，又称渠首闸。建于河道岸边一侧的进水闸（取水闸）石龙水闸（进水闸）（2）节制闸（拦河闸）n位置：拦河闸的闸轴线垂直于或接近于垂直河流、渠道布置。n作用：n截断河渠，抬高河渠水位，控制下泄流量。n在航运工程中，拦河闸不仅能为上游航运提供稳定的航道水深，也能通过保持一定泄流量为下游提供稳定的航道水深。n在取水工程中，为进水闸（或分水闸）提供高保证率的取水流量。n拦河闸在枯水期尽量维持上游水位，以满足取水或航运等需要；在洪水期需要随时泄放上游库区无法容纳的多余流量，避免上游水位过度上涨导致淹
3、没或水灾。在洪水期，拦河闸还必须有足够的泄流能力，以排泄洪水。某拦河闸（一）某拦河闸（二）n（3）冲砂闸：n作用：排沙。n防止泥沙进入取水口造成渠道淤积。n将进入到渠道内的泥沙排向下游。n将水库的淤沙、淤泥排向下游。n在取水枢纽中，冲沙闸的位置一般布置在靠近进水闸处；n在水闸枢纽中，冲沙闸往往兼作节制闸。n（4）分洪闸：n位置：常建于河道的一侧。n作用：分洪。n在洪峰到来时，分洪闸用于分泄河道暂时不能容纳的多余洪水，使之进入预定的蓄洪洼地或湖泊等分洪区，及时削减洪峰，确保下游河道安全。n待河道洪水过后，分洪区积水又要经过排水闸排入原河道。分洪闸（一）分洪闸（二）n（5）排水闸：n位置：常建于江
4、河沿岸。n作用：n排除内涝。当江河水位较低时，开闸排除河岸一侧降雨形成的渍水或生活废水。n挡住外河高水位。当江河水位较高时，关闭排水闸，防止江水向河岸倒灌。n特点：由于既要排涝，又要挡水，因此排水闸具有闸底板高程较低、闸身较高以及承受双向水头作用的特点。某小型排水闸n（6）挡潮闸n位置：一般建于江河入海口。n作用：n挡潮：在汛期防止潮水顶托，以免造成内涝；n御咸：防止潮水沿江河上溯，以免造成沿河岸地区土地的盐碱化；n排水：排除内河高水位；n蓄淡：在低潮时期，关闸防止内河淡水流失，以便充分利用内河淡水。n挡潮闸与排水闸类似，也承受双向水头的作用。但操作更为频繁。某挡潮闸（一）某挡潮闸（二）中顺大
5、围小榄石龙水闸 水闸的类型按闸室结构的型式分类n1开敞式水闸n特点n闸室上部没有阻挡水流的胸墙或顶板，过闸水流能够自由地通过闸室。n开敞式水闸的泄流能力大，一般用于具有排冰、过木等要求的泄洪闸，如拦河闸、排冰闸等。开敞式水闸n2胸墙式水闸n当上游水位变幅大，而下泄流量又有限制时，为避免闸门过高，常设置胸墙。n胸墙式水闸在低水位过流时，属于开敞式水闸自由出流；n在高水位过流时，属于孔口出流。n胸墙式水闸多用于进水闸、排水闸和挡潮闸等。n绝大多数大中型水闸为开敞式水闸。胸墙式水闸n3封闭式或涵洞式水闸n闸（洞）身上面填土封闭的水闸，又称涵洞式水闸。n填土可增加闸室的稳定，代替交通桥，当水头较高时往
6、往是经济的，但地基压力较大，常用于穿过堤防的水闸。n涵洞可做成有压的或无压的。前者（有压涵洞）多用于排砂闸和排水闸，后者（无压涵洞）则多用于小型分水闸。封闭式水闸某涵洞式水闸水闸的类型按规模分类 根据国内已建水闸工程的设计经验，一般以设计或校核过闸流量的大小作为划分水闸规模的依据，例如：n过闸流量等于或大于1000m3/s者为大型水闸；n过闸流量在1001000m3/s间者为中型水闸。n过闸流量小于100m3/s者为小型水闸。 我国葛洲坝水利枢纽的二江泄水闸，过闸流量达83900m3/s，属特大型水闸，或称巨型水闸。n也有的以设计水头高低（反映为闸高）作为划分水闸规模的依据，例如：n闸高在81
7、0m以上者为大型水闸，闸高在810m以下者为中、小型水闸等。5.1.2 水闸的工作特点和设计要求n水闸可建在岩基上，也可建在土基上。n对于建在岩基上的水闸，其工作特点与岩基上的混凝土重力坝相似。 本章主要介绍建在土基上的水闸的工作特点。n作为土基上低水头的挡水、泄水建筑物，水闸有如下工作特点。 水闸的工作特点n（一）水的方面 水闸在水的作用下，需要解决以下几个方面问题。n1稳定问题n水闸在关闭闸门挡水的时候，闸室上、下游形成一定的水位差。n在水的推力作用下，闸室在自重和水重的作用下必须维持自身的稳定。包括整体抗滑稳定和结构构件稳定（如底板、闸墩、胸墙等构件的稳定）。水闸荷载图n2渗流问题n上、
8、下游水位差在水闸的闸基下部和闸室两岸均会产生渗流。n闸基渗流和岸坡绕渗不仅导致水库漏水，更重要的是可能导致在闸基、岸坡以及渗流出逸处发生渗透变形；此外，渗压还对闸室和两岸联接建筑物的稳定产生不利影响。水闸渗流流网图n3高速水流问题 水闸下泄的高速水流问题，主要表现在3个方面：n（1）消能问题消能问题 水闸在开闸泄水时，下泄的高速水流具有较大的能量，可能对河床和河岸产生不利冲刷。因此必须采用合适的消能措施进行消能。 水闸最常用的消能方式为底流消能，即利用水跃将水能消耗在消力池中。水闸消能n（2）远驱水跃和波状水跃远驱水跃和波状水跃n当闸室下游无水或水深很浅时，可能在闸下产生远驱水跃。远驱水跃不在
9、消力池范围，将直接冲刷河床，严重威胁闸室的安全和两岸岸坡稳定。n当闸室上、下游水位差较小，且水流佛氏数较小时，可能在闸下产生波状水跃。波状水跃是一系列起伏不大的不完全水跃，消能效果极差。n（3）折冲水流折冲水流 当闸孔孔数不多或开启不均匀时，过闸水流宽度远小于下游河床宽度，此时过闸水流先收缩后扩散，水流可能使主流偏向河床的一边。当水流条件变化时，主流可能左右急摆，形成左冲右突的折冲水流。 波状水跃 折冲水流 n（二）地基方面平原地区的水闸常建于土基上。n平原地区土基的特点：n土层分布复杂，可能夹有压缩性大、承载能力低、抗震强度差的软土；n可能含有结构松散、易于液化、抗冲能力低的粉砂或细砂层；n
10、抗冲刷能力差，允许渗透坡降低，对防渗、消能不利。n软土地基对闸室本身的稳定和沉降将带来严重的影响，因此，在水闸设计时，应：n采用适当措施，进行地基处理；n适当控制渗流；n加强消能防冲措施。n（三）结构方面 水闸的闸室结构与大体积的重力坝或散粒体的土坝有较大差别。n1构件方面 它是由闸墩、底板、胸墙等薄壁构件组成的空间结构体系，因此对闸室构件在强度和刚度方面均有一定要求。n2受力方面 闸室整体结构和某些构件受力条件复杂，承受水压力、自重、地基反力等不同性质的荷载。n3结构分析方面 在进行闸室结构设计计算时，一般并不采用相对复杂的有限元法，而是将整个结构视为板、梁、柱等独立构件构成，分别对这些构件
11、用结构力学、材料力学方法进行设计计算。5.1.3 水闸的组成n水闸由闸室段和上游联接段、下游联接段3大部分组成。1闸门；2底板；3闸墩；4胸墙；5工作桥；6交通桥；7上游防冲槽；8上游防冲段、铺盖；9上游翼墙；10上游护岸；11护坦；12海漫；13下游防冲槽；14下游翼墙；15下游护岸土基上水闸的组成示意图水闸的组成n（1）闸室段 闸室段是水闸的主体。nA）闸室段的作用n控制水流；n联接两岸和上、下游段。nB）闸室段的组成 闸门、闸墩、底板、胸墙、工作桥、交通桥、启闭机等。n1闸门 用于控制上游水位和调节下泄流量。闸门安放在闸底板上，横跨孔口，由闸墩支撑。闸门分为检修闸门和工作闸门。工作闸门用
12、于正常运用时挡水、控制下泄流量。常用的型式有平面闸门和工作闸门。检修闸门多用平面叠梁门。n2闸墩 闸墩用于分隔闸孔、支撑闸门，同时用作桥墩支撑上部桥梁、安装闸门启闭机等设备。闸墩将闸门、胸墙以及闸墩本身挡水所承受的水压力传递给底板。n3底板 底板是闸室段的基础，它将闸墩、上部结构的重量、以及底板自重和所承受的水重一起传给地基。 建在软基上闸室主要由底板与地基间的摩擦力来维持稳定。 底板它还具有防冲、防渗的作用。n4胸墙 胸墙设于工作闸门上部，帮助闸门挡水。在上游水位变幅较大的情况下，完全用闸门挡水将导致闸门尺寸和启闭机等设备过大。设置胸墙后，可以大大减小闸门尺寸。胸墙也可以做成活动型，当遭遇特
13、大洪水时开启胸墙加大泄流量。 底板、闸墩和胸墙通常为混凝土或钢筋混凝土结构，小型水闸也可采用浆砌石结构。n5工作桥 工作桥用于安装卷扬式启闭机，便于工作人员操作。n6交通桥 交通桥连接两岸交通，供汽车、拖拉机、行人通过。n（二）上游联接段n1.上游联接段的作用 主要作用是引导水流从河道平稳地进入闸室，兼有防冲、防渗作用。n2.上游联接段的组成 一般包括上游翼墙、铺盖、护底、上游防冲槽和上游两岸护坡等。n1）上游翼墙 引导水流，使之平顺地流入闸孔； 抵御两岸填土压力，保护闸前河岸不受冲刷； 并有侧向防渗的作用。n2铺盖 主要起防渗作用，其表面还应进行保护，以满足防冲要求。n3护底 设在铺盖上游，
14、起保护河床作用。n4上游防冲槽 铺盖或其防护的上游端有时设置上游防冲槽，以保护铺盖不致损坏。n5上游两岸护坡 上游两岸要适当进行护坡，其目的是保护河床两岸不受冲刷。n（三）下游联接段nA）下游连接段的作用 从闸室出来的水流具有相当的能量，因此下游联接段的主要作用是：n消除下泄水流的动能，n顺利与下游河床水流连接，避免发生不利冲刷现象。nB）下游联接段组成 一般包括护坦（包括消力池）、海漫、下游防冲槽（防淘墙）、下游翼墙、护底和两岸护坡等。n消力池：消力池是消刹水能的主要区域，n护坦：护坦是消力池底板，保护河床底部，从而保护闸室的安全。n辅助消能工：有时，要在消力池内设置辅助消能工，增强消能效果
15、。n海漫：海漫则用于进一步消除水流余能，保护河床免受冲刷。n下游翼墙：下游翼墙导引水流均匀扩散，并有挡土、防冲作用。n下游防冲槽：下游防冲槽的作用是防止海漫末端冲刷，避免河床局部冲刷向上游发展。n下游护坡和护底：下游护坡和护底的作用与上游相同。5.1.4 水闸的等级划分 和洪水标准见课本P132P133，表5-1、表5-2、 表5-3、表5-45.2 水闸的孔口尺寸确定n5.2.1 闸孔和底板型式选择n土基上的拦河闸，闸孔型式多采用开敞式宽顶堰。n在地基条件较好的拦河闸可以采用驼峰堰。n岩基上的水闸常采用实用堰。n开敞式宽顶堰：结构简单、施工方便、地基应力均匀，泄流能力大、上游水位壅高较小，有
16、利于完成冲砂、排污等其他任务。宽顶堰的流量系数为0.360.385。n驼峰堰和实用堰：流量系数较宽顶堰大，可以使枢纽布置更紧凑。水闸上的实用堰多为低堰，其流量系数参考有关文献。n实用堰：在淹没出流的情况下，流量系数急剧减少。因此，经常或主要工况为淹没出流的泄水闸不宜于选用实用堰。n上游水位变幅较大的水闸，可以考虑设置胸墙，以减少闸门挡水高度和闸门受力。n5.2.2设计流量和上、下游水位的确定n1）拦河闸n设计流量:根据工程等别确定相应的设计洪水流量Q设和校核洪水流量Q校。n上、下游水位n下游水位：由下泄流量查下游河道天然水位流量关系曲线确定。n上游水位：（1）正常蓄水位 拦河闸的上游正常蓄水位
17、，要根据泄水闸承担的任务，建成后上游淹没损失等因素确定。在正常运用情况下，拦河闸的任务是控制上游水位为正常蓄水位，以满足取水、航运等的要求。n（2）最高水位 泄水闸的上游最高水位由水闸的泄水能力特性决定。 泄水闸泄放校核洪水时，其上游水位为最高水位。此时，闸门全开下泄洪水流量，上游水位等于校核洪水流量下天然河道水位加上上游水位壅高。n在平原地区建水闸，往往对上游水位壅高值的限制较严。一般在洪水期泄洪时，上游水位壅高值只允许控制在0.10.3m，否则将造成较大的上游淹没。n修建在山区和丘陵地区的水闸，其上游水位壅高往往没有严格限制。可以根据水闸的任务、上游淹没损失、工程造价、两岸堤防、地下水位等
18、因素，经多方案综合比较后确定。n2）进水闸n设计流量：等于渠道的设计取用流量。n上、下游水位：n进水闸的上游水位：为水库正常蓄水位或河道最低水位。从河道取水流量较大时，要考虑取水口处河道水位局部降落，n进水闸的下游水位：由渠系规划和水闸额定取水流量来确定。n3）排水闸：n设计流量：由设计暴雨、汇水面积及排水时间确定。n上、下游水位：n上游水位：为渍水区内或排水渠末端相应于排水设计流量时的水位；n下游水位：低于上游水位0.050.1m。n5.2.3 闸底板高程的选定n1）拦河闸：拦河闸的底板为平底板时，闸底板的面高程等于或略高于河底高程，有利于减轻闸前泥沙淤积。n2）进水闸：进水闸的底板高程应该
19、高于冲砂闸或泄水闸的底板高程。 在地基条件好和上游水位较高的情况下，可以尽量提高底板高程，或采用泄流能力高的实用堰。n5.2.4 过闸单宽流量的确定n决定单宽流量大小的主要因素是河床抗冲能力。n当选择较大的单宽流量时，可以减少拦河闸的闸室数量和缩短泄水前缘总宽度，降低闸室总造价。n但是，较大的单宽流量对河床冲刷破坏的能量增大，容易发生冲刷破坏，需要加强消能防冲设施和护底措施，增大相应造价。 n河床抗冲能力还与水流条件有关。在水深较大，上下游水位差较小，出闸水流扩散较平顺的情况下，同样的土基条件可以承受较大的单宽流量冲刷。n在我国一般采用的单宽流量为530m3/s，下表为江苏省对不同闸基土壤选用
20、单宽流量的经验值。在砂砾石地基上可以取更大的单宽流量。不同土壤不冲单宽流量表闸址土壤粉土、粉砂淤土细砂土粉质壤土粘土单宽流量(m3/s)5169499121224n5.2.5 闸孔宽度的确定n一、闸孔总净宽B0的确定n（1）堰流时：n当堰顶处于高淹没度（hs/H00.9) 时，n(2)孔流时：（5-1）（5-7）（5-9）n二、闸室单孔宽度 b 的确定 我国大中型水闸的单孔宽度一般采用812m。n三、闸室总长度L的确定n闸室总宽度L=nb+(n-1)d，其中，d为闸墩厚度 n闸室总宽度拟定后，尚需要考虑闸墩等的影响，进一步验算水闸的过水能力。n从过水能力和消能防冲两方面考虑，闸室总宽度应与河道
21、宽度相适应。5.3 水闸的消能防冲设计n一、水闸消能防冲的特点 与高水头泄水建筑物相比较，水闸的消能防冲具有以下显著的特点。n（1）上游水头小 由于水闸大部分建在平原，水闸的上游水头较小，下游水深变化大，加上河床土壤抗冲能力较小，一般无法采用挑流式消能工。 只有下游河道有足够的稳定水深，并且河床条件较好的个别情况下，才考虑采用面流式消能方式。 因此，在水闸工程中，广泛地采取底流式消能方式。n（2）上下游水位落差小，水流佛氏数低 这种情况多发生在大流量泄流情况。此时往往是形成不完全水跃，甚至是波状水跃，消能极不充分，加大了下游防冲的护岸护底工程。n（3）大流量泄流不一定是最危险工况 大流量泄流时
22、，上、下游水位差很小，消能防冲的任务更多地在于防冲，顺利地完成上、下游水面线的衔接。 小流量泄流时，上下游水位差相对较大。不论是部分开启闸孔还是闸门控制开启泄流，由于总下泄流量较小，下游水位较低。此时，如果设计不当，容易因水深不足而形成远驱水跃冲刷河床。因此，泄水闸最危险工况常发生在下游无水的初始开启。如宽敞河道上的多孔水闸中，如果全开其中一孔，往往因下游水深较浅，局部单宽流量大，水流流速高，能量集中，从而产生不利冲刷。n（4）地基条件较差 土基抗冲能力低，经过消能工的余能如处理不当，仍然可能冲刷河床。 根据上述分析可知，水闸消能设计的基本原则是：促使水跃发生在闸下一定范围内，最大限度地通过表
23、面水滚消能，避免造成下游河床冲刷。n二、水闸消能防冲布置水闸闸下消能防冲典型布置图多数水闸采用底流消能方式。在底流消能中，水跃发生区域的水流非常紊乱，只有将水跃限定在指定位置，对其底部采取专门的保护措施，才能保护河床不被冲刷。为达到上述目的，主要采用如下几种措施：n护坦。保护水跃范围内的河床不受水流冲刷。护坦一般是钢筋混凝土结构，要求具有足够的抗冲、抗浮能力。n消力池。创造形成淹没水跃的条件。为了将水跃控制在一定范围内，并保证形成淹没水跃，需要在下游形成一定水深，因此将护坦高程下降并低于下游河床或用高于下游河床的尾坎使之形成消力池。消力池实质上就是形成水跃、消刹能量的地方。n护岸。在消力池的两
24、侧，设置边墙，以保护两岸。n海漫。消除消力池水流的余能。n防冲槽。进一步消除水流的余能，防止河床被淘刷，进一步保护水闸闸室的安全。n（一）消力池 消力池的结构型式和尺寸应充分满足底流水跃消能的要求。 个别建在多泥沙河流上的拦河闸，不设消力池。n1水跃共轭条件n（1）跃后共轭水深h”与跃前收缩断面水深hc之间的关系n（2）收缩断面水深hc的确定 消力池内形成水跃时，闸孔为自由出流。闸孔自由出流情况下，跃前收缩断面水深hc决定于上游水位Zu与消力池底板之间的高程差E0，可按下式计算。n（3）跃后共轭水深h与下游水深的关系当下游水深不能满足共轭水深条件时，将形成远驱水跃或淹没水跃。此时，应采用合适的
25、消力池结构促使水跃发生在消力池内。（5-15）n2消力池的结构形式 当下游水深在任何一级流量下都能等于或大于产生水跃的共轭水深时，不需要设置专门的消力池，消力池的底板可以做成与河底平齐的平底。但是，这种情况在工程中很少见。 多数情况下表现为下游水深小于共轭水深，或表现为部分流量条件下大于共轭水深、部分流量条件下小于共轭水深。为了在各级流量下均满足水跃共轭条件，常采用消力池来适应这种水位变化。n消力池的形成大致有以下几种：n（1）挖深式，如图(a)；n（2）消力坎式，如图(b)；n（3）综合式，如图(c)。消力池结构形式n消力池的底板一般低于闸室底板，形成下降式消力池。n在水闸底板与消力池之间，
26、采用直线型斜坡连接段连接。斜坡坡度为一般1:31:6。n在一般的情况下，闸下流速较高者宜采用较平缓的连接坡度。n对于落差较大、流速较高的情况，连接段可以考虑采用曲线，曲线形状多为抛物线。n消力池最好是采用矩形等宽断面，其宽度一般与闸室总宽一致。这种型式的池内单宽流量分布均匀，水流流态好，消能效果好。为了适应下游河道地形，也可以做成扩散式，减少单宽流量。扩散段一般与急流斜坡段布置在一起，扩散角不超过7。n此外，还有渐扩式消力池，突扩式消力池等形式。n3消力池的深度 消力池的深度应该使池内水深对水跃产生一定的淹没度，以保证在下游水位波动或下泄流量突变等情况下，不致于使水跃转变为远驱冲刷下游河床。淹
27、没度为510%。 消力池深度按下式计算：d = 0 h - t - Z式中：0淹没系数，取=1.051.10； t 下游水深； h形成水跃的共轭水深； Z涌浪高度， 消力池计算深度d 等于或小于零时，表示无需设置消力池也能满足共轭水深要求。（5-16）（5-13）n4消力池的长度 消力池总长度包括斜坡段和护坦水平段。Lsj=Ls+Lj 式中 Ls斜坡段水平投影长度； Lj自由水跃长度； 水跃长度校正系数，=0.70.8。 水平段是发生水跃的地方，由于池末尾坎的壅水作用，水跃长度一般可以缩短到自由水跃长度Lj的0.70.8倍。 也有一些文献规定，护坦水平段的长度等于一个自由水跃的长度。 自由水跃
28、长度Lj =6.9(h-h)。n（二）护坦-消力池底板n1护坦的作用 护坦位于消力池底部，是消力池的底板，保护消力池部位河床不受冲刷。 在消力池范围内，水流流态非常紊乱，底部流速大，压力脉动和流速脉动大，需要有相当坚固的结构保护河底。护坦就是保护河床不受水流冲刷，进而保证闸室安全的重要设施，即使是平底板消力池也需要用护坦护底。n2护坦的材料 护坦一般为100#150#混凝土。n3护坦的厚度 护坦板的厚度，主要应考虑两方面的因素：抗冲和抗浮。n抗冲：护坦在工作时需要满足在水流冲击作用下不会掀起和下移。根据动量方程，护坦板在下泄水流的冲击下，提供的反力应足以抵抗水流的动量。据此，护坦的抗冲厚度为：
29、n抗浮：护坦在扬压力和脉动压力的合成作用下不至于浮起。作用在护坦板上的主要荷载有：自重、扬压力、水重、脉动压力等。因此，护坦的抗浮厚度为： 式中： nt消力池底板始端的厚度；nH闸孔泄水时的上下游水位差；nk1消力池底板的计算系数，k1=0.150.20；nk2消力池底板的安全系数，k2=1.11.3。nU作用在消力池底板底面的扬压力（kPa）；nW作用在消力池底板顶面的水重（kPa）；nPm作用在消力池底板上的脉动压力（kPa）；nb消力池底板的饱和容重（kN/m3）。n设计时，应取上述两式中较大值作为护坦板厚度。n护坦的厚度一般采取变厚度，即：上游端的厚度大于下游端的厚度。n（三）海漫n1
30、海漫的作用 水流在护坦内消刹了大部分能量后进入海漫。这时水流仍然保持着一定的剩余能量，特别是水流的垂直流速分布不均，底部流速仍然较大，水流脉动也很剧烈。海漫的作用就是要消除水流的余能，调整流速分布，均匀地扩散出池水流，使之与天然河道的水流状态接近，以保护河床免受冲刷。n2海漫的结构n海漫的结构应该具有一定的柔性的，能够适应地基的不均匀沉陷；n海漫应该是透水的，能够顺利地排出渗水，降低扬压力；n海漫表面应做成粗糙的，以加大与水流的摩擦，有利于消除余能和调整流速分布；n海漫一般做成等于或缓于1:10的斜坡；n海漫下面应设垫层。n3海漫的长度式中Lp海漫长度（m）；qs消力池末端单宽流量（m3/s）
31、；Ks海漫长度计算系数，可参考下表。Ks值表河床土质粉砂、细砂中砂、粗砂、粉质壤土粉质粘土坚硬粘土Ks1413121110987Ks值表n4海漫的构造 海漫的构造和抗冲（抗磨）能力应与其上通过的水流流速相适应。常用的构造形式有：n（1）干砌石海漫 用直径大于30cm的块石砌筑，厚度为0.30.7m。干砌石的块体直径越大，砌筑得越紧密，干砌石海漫的抗冲流速越高。砌石下通常铺设碎石垫层。为了增加抗冲能力，每隔610m修建一道浆砌石埂。n（2）浆砌石海漫 用水泥砂浆将块石砌筑而成。浆砌石的抗冲能力大于同样粒径大小的干砌石海漫，但柔性和透水性较差，常布置在海漫紧接消力池的前1/3处。浆砌石海漫中应设排
32、水孔，下设反滤层。n（3）抛石海漫 用块石堆筑抛填而成。抛石海漫的结构简单，施工速度快，整体柔性好。石块越大，其抗冲流速越大。可按下式选取石块粒径。式中：d抛石粒径，m； v 水流流速，m/s。 （4）混凝土海漫 在缺乏石料的地方，可用混凝土板铺筑形成海漫。混凝土板一般为正方形，边长2-5m，厚0.1-0.2m。混凝土板下设反滤层或碎石粗砂垫层。混凝土海漫的抗冲流速可达6-8m/s。（5）其他构造 此外，海漫还有铁丝石笼、梢捆、钢筋混凝土等结构型式。（6）组合式海漫在工程中，常采用不同材料、不同型式的海漫组合在一起的形式，往往能取得较好的效果。组合海漫的布置原则是先硬后软。上游段采用抗冲流速较
33、高的材料，下游段采用柔性好的材料。（四）防冲槽和防淘墙 经过海漫的水流基本上已接近于河道流速正常分布，但是仍然有可能冲刷河床。要想完全消除河床冲刷，必须设置相当长的海漫长度，这样非常不经济。为了保护河床可能发生的不利冲刷，常常在海漫末端设置防冲槽。防冲槽内由一定粒径的块石填充而成，当海漫末端发生河床底部冲刷时，防冲槽内的块石会向下滚落，自动补充到被冲刷的河床上，防止冲刷进一步向上游发展，影响海漫的安全。防冲槽的尺寸应根据可能冲刷深度确定，槽内石块体积应略多于继续冲刷后形成护坡的石头方量。在我国，防冲槽多采用宽浅式，顶宽1017m，槽深1.52.0m。在海漫末端设置垂直向下的防淘墙，也可以防止海
34、漫下游可能发生的冲刷。防淘墙垂直插入基础土壤中，其底部高程要低于可能冲刷深度。海漫末端的河床冲刷深度可按下式计算。式中：qm海漫末端的单宽流量；v0河床土质允许不冲流速(m/s)；hm海漫末端河床水水深。（五）辅助消能工 在消力池中，可以加设辅助消能工，其作用是促成水跃，提高消能效果，减小消力池的长度和深度，降低尾坎高度。最用的辅助消能工有：尾坎、趾墩、消力墩、消力梁等。 辅助消能工的体型、布置、所起的作用、消能率等，往往需要通过水工模型试验获得较理想的效果。 在实际工程中，需要何种辅助消能工，应针对工程存在的问题设置。1趾墩； 2消力墩；3尾坎（六）翼墙和护坡下游翼墙的作用是保护闸下两岸不受
35、冲刷，并帮助水流均匀扩散。翼墙的长度一般不小于海漫的长度。在消力池范围内，翼墙（或导墙）最好做成铅直的，在池后缓流区再用扭曲面或其他方式与下游坡连接。在闸室下游一定长度的河岸边坡要进行保护。护坡形式有：浆砌石、干砌石、混凝土板。护坡坡脚与海漫、防冲槽的连接处要有可靠连接，如设置防淘墙等。水闸上游的水流流速往往较大，也应该进行护底和护坡。5.4 水闸的防渗排水设计n一、水闸的地下轮廓布置n（一）水闸地下轮廓线的几种情况水闸地下轮廊线，是指闸基渗流场的第一根流线。水闸闸下防渗一般包括上游铺盖、板桩、闸底板和不透水护坦板等设施。因此，水闸地下轮廓线一般为：从防渗铺盖前端开始，沿铺盖、板桩、底板及护坦
36、，到下游排水的前端为止。n地下轮廓线的布置原则是“上堵下排”。“上堵”主要指：在闸基靠近上游侧以防渗为主，采取水平或垂直降渗措施，阻截渗水，消耗水头。“下排”主要指：在防渗体的下游侧以排水为主，尽快排除渗水，降低渗压。不同防渗排水布置对闸底渗压的影响。（1）上游采用防渗铺盖和板桩、闸底板及护坦底部无排水、海漫底部设排水的情况（图a）1铺盖；2板桩；3护坦；4海漫；5排水及反滤层如图（a），由于底板及护坦底部均未设排水，虽然采取了铺盖、板桩等防渗措施，但作用在底板及护坦上的渗透压力仍然较大。（2）上游采用防渗铺盖和板桩，闸下排水向上游延伸至护坦底部的情况（图b）1铺盖；2板桩；3护坦；4海漫；5
37、排水及反滤层 如图（b），上游采用防渗铺盖和板桩，闸下排水向上游延伸到护坦板的底下。与图（a）相比，护坦底部没有渗透压力，因此闸底渗压也明显减小。（3）上游采用防渗铺盖和板桩，闸下排水向上游延伸至闸底后半部的情况（图c） 如图（c），上游采用防渗铺盖和板桩，闸下排水进一步前伸到闸底的后半部。与图（b）相比，闸底板承受的渗压更小。1铺盖；2板桩；3护坦；4海漫；5排水及反滤层（4）上游采用防渗铺盖，在铺盖上游端设板桩，闸下排水向上游延伸至铺盖下游端的情况（图d）1铺盖；2板桩；3护坦；4海漫；5排水及反滤层如图（d），闸底板完全没有渗压。 n（二）不同地基条件下，水闸地下轮（二）不同地基条件下，
38、水闸地下轮 廓线的布置廓线的布置n1 1粘性土地基粘性土地基n特点：粘性土地基自身的渗透系数小，而其摩擦系数则较小。在进行地下轮廓布置时，应该以降低闸底渗压、提高闸室稳定性为主。n措施：（a）尽可能将排水向上游延伸，减小闸底板渗透压力。如：将闸下排水的上游端延伸到闸底板，甚至延伸到整个底板（如图d）。（b）闸室上游以防冲为主，如：采用混凝土铺盖。（c）尽量不设置板桩。粘性地基在固结后，土体结构致密。如果设置板桩，则可能破坏粘性土的天然结构，在板桩与地基间形成集中渗流通道，反而不利于防渗。 2砂性土地基特点：砂性土闸基的特点是摩擦系数较大，有利于闸室抗滑稳定。但是，砂性土抵抗渗透变形的能力较差，
39、渗透系数也较大，故防渗设计时应以防止渗透变形和减少渗漏为主。措施：（a）当砂土层很厚，且为粗砂或砾石时 一般采用铺盖与闸底板上游端板桩或垂直防渗墙相结合的方式来增加渗径、减小渗透坡降。板桩达不到不透水层时，称为悬挂式板桩。 排水一般设在护坦底部即可（如图b），不必再向上游延伸。（b）当砂土层很厚，且为细砂时 除采用上述措施外，还可以在铺盖的上游端加设短板桩，以增加渗径，减小渗透坡降。（c）当砂土层较薄，且不透水层埋深不大时 当砂层较薄、不透水层埋深不大于水头的（11.5）倍时，最好是采用齿墙或板桩切断砂层（图c），彻底切断闸下渗流通道。这时，在护坦底部仍需设置排水。这样，渗压、渗透变形、漏水等
40、问题都可以得到较好解决。（d）当地基为粉细砂时 粉砂地基容易在动荷载作用下发生液化，应尽量将闸基四周用板桩封闭起来。 这时，由于下游侧增设了板桩，底板下渗透压力有所增加，应在上游侧适当加强防渗，以提高闸室的稳定性（e）当地基为双层或多层地基时 对于上层为弱透水而下层为强透水的双层或多层地基，除根据上层地基情况采取防渗措施外，还是考虑承压水作用，验算上部覆盖层的抗渗、抗浮稳定性。必要时可在消力池设深入强透水层的排水减压井。（三）闸基防渗长度的确定 铺盖、板桩和闸底板等不透水部分与地基的接触线是闸基渗流的第一条流线，称为地下轮廓线。其长度即为闸基的防渗长度。应满足：L=CH，式中：C-渗径系数，见
41、表5-3； H-上下游水位差。n二、防渗排水设施 （一）水平防渗-铺盖。 铺盖材料有粘土、混凝土板、钢筋混凝土板、土工膜等。n1粘土铺盖n粘土铺盖应不透水，一般要求粘土的渗透系数比地基土壤的渗透系数小100倍以上，常为k=10-510-7cm/s。n粘土铺盖在与水闸底板上游面接触处紧密贴紧，不透水。n粘土铺盖厚度应满足铺盖土体本身的允许坡降。一般自上游向闸底板逐渐加厚。上游端的最小厚度由施工条件决定，一般为0.50.75m。底板处的厚度由粘土的渗透坡降决定，一般为上下游最大水头的1/4。n粘土或壤土铺盖的表面应该设保护层，防止水流冲刷或其它破坏。 n2混凝土板铺盖n混凝土或钢筋混凝土铺盖的最小
42、厚度不小于0.4m；n顺水流方向每隔820m设一道永久缝，以适应温变化度和不均匀沉陷。缝宽一般23cm。n在混凝土板铺盖与闸室底板连接处应设置止水。止水片的材料为紫铜片、塑料片。n 3防渗土工膜铺盖n防渗土工膜的厚度根据作用水头、膜下土体可能产生裂隙宽度、膜的应变和强度等因素确定，一般不小于0.5mm。n土工膜上部铺设保护层，下部设垫层，防止树枝、石子等硬物刺破。 n4铺盖的长度n铺盖的长度根据闸基防渗需要确定，一般采用上下游最大水位差的35倍。n过度向上游延伸铺盖长度对降低闸基渗透坡降、减少扬压力作用不大，工程量却增加不小。因此，当铺度长度不能满足防渗要求时，可采用垂直铺盖、改变排水布置等措
43、施解决问题。n（二）垂直防渗n垂直防渗设施有钢板桩、钢筋混凝土板桩、木板桩、混凝土防渗墙、高压旋喷灌浆帷幕等。n木材来源困难，木板桩易劈裂，施工质量难以保证。目前，除少数小型临时性工程外，木板桩已很少使用。n钢板桩强度大，容易打入地基，用锁扣连接后漏水少。钢板桩成本较高，在中小型工程中目前很少用，但在一些大型工程中使用时，能够加快施工速度。n钢筋混凝土板桩下端为楔形，以便于打入地下。板桩两侧采用梯形榫槽，用锁扣装置连接，可减少板桩成形后的桩间漏水。板桩用强夯逐渐打击进入预定位置。钢筋混凝土板桩的最小厚度不小于0.2m，宽度不小于0.4m。（三）排水措施1排水层 闸下排水层一般采用透水性很好的卵
44、石、砾石、碎石等材料平铺在设计位置，以便顺利地排除渗水。排水石料的粒径一般为12cm，在下部与地基面之间应设置反滤层。闸下排水向上游延伸的位置由地下轮廓布置确定，在粘性土地基上可以一直延伸到闸底板下面。2排水孔 在护坦底部设有排水层时，常在护坦的后半部设排水孔。排水孔呈矩形或梅花形，孔径58cm，孔距1.01.5m。n三、闸基渗流计算n水闸渗流计算的目的：计算闸下渗透场的各渗透要素，如渗透压力分布、渗流出逸处的渗透坡降等。n闸基渗流计算的方法主要有：流体力学的理论解法、水力学法和试验法。n（1）流体力学的理论解法 由流体力学知，在各向同性地基中，闸基渗流满足下式的拉普拉斯方程： 式中 H渗流场
45、内的水头函数。 解解析析解解：拉普拉斯方程在理论上存在解析解。但是，只有在边界条件十分简单的情况下才能求得其解析解。对于实际工程中的复杂边界是很难得到直接求解公式的。尽管如此，流体力学的理论解是其它各种解法的基础。n有有限限元元法法：近年来得到广泛应用的有限元法，是流体力学的数值解法之一。n流流网网法法：流网法是流体力学法的一种图解法。流网由流线和等势线组成，相互正交。用流网法可以适用于各种情况，是工程中解决渗透问题的简单而有效的方法。n（2）试验法 试验法是一种比较精确的解法，能够解决较复杂的边界条件和三维渗流问题。试验法需要一定的设备条件，且试验周期较长，一般用于解决重大工程或复杂工程。n
46、（3）水力学法 水力学法方法是一种简单而有效的渗流计算方法，目前得到广泛应用。 水力学法主要有：阻力系数法和直线比例法，是本章重点介绍的内容。闸基渗流计算方法之一 直线比例法 n1勃莱法 直线比例法由勃莱在1910年提出，该方法基于以下假定：假定渗透水压力沿地下轮廊线的水头损失是均匀的。 勃莱法计算示意图 如图所示：渗径长度L为地下轮廊线的长度，上下游水头差为H，根据直线比例法，地下轮廓线上的平均渗透坡降为： 在直线段上，距下游逸出点的渗径距离为x处的渗压水头为：n2莱因法（改进的直线比例法） 直线比例法没有考虑不同渗流段的渗透特性。莱因在1934年根据实际资料分析认为：单位长度渗径上，水平渗
47、径上消耗的水头是垂直渗径的1/3。基于此，提出了改进的直线比例法。莱因法计算示意图 如图：将渗径全部折算成垂直渗径，则：折算后的渗径长度L为：L=L1+L2/3，其中L1为垂直渗径长度，L2为水平渗径长度。当渗流段为倾斜段时，大于45的按垂直渗径考虑，否则按水平渗径考虑。 n3安全渗径系数 勃莱和莱因先后担出安全渗径系数C和加权安全渗径系数C的概念。 要保证闸基不发生渗透变形，必须使地下轮廓线的渗径长度LCH或LCH。不同的地基土质条件，其C和C不一样。 直线法计算方便，可应用于工程规划和可行性研究阶段初拟闸基防渗长度。闸基渗流计算方法之二 改进的阻力系数法改进的阻力系数法计算简图 改进阻力系
48、数法计算精度较高，是水闸设计规范推荐采用的计算方法。n1基本原理 将地下渗流通道沿程分作若干典型渗流段，根据渗流的连续性条件，首先计算出总的水头损失，然后计算各段的渗透水头损失和其它渗透要素。n根据达西定律，某一渗流段的单宽流量式中k渗流场土料的渗透系数；Ji该渗流段的渗透坡降；T地基透水层的厚度；hi渗流段的水头差；li渗流段长度。从上式可以看到，i= 是一个只与渗流段的几何形状有关的函数，称为计算渗流段的阻力系数。在该渗流段上，渗透水头损失hi=i 。 闸基渗透水头损失之和等于上下游水位差，即根据上式，只要知道了各渗流段的阻力系数i和上、下游水头差H，则很容易计算各段的水头损失。2计算步骤
49、阻力系数法计算闸下渗流的具体计算步骤如下：计算闸基的有效深度Te和计算深度T；将地下渗流场分成n个渗流段。计算各渗流段的阻力系数i。计算闸下渗流的总阻力系数。计算各分段水头损失hi。修正出口段及齿墙不规则部位的水力坡降。3典型渗流段 闸下渗流阻力系数i只与渗流区域的几何形状有关。研究表明：水闸的地下渗流段可以归纳为3种典型渗流段形式：进出口段，内部垂直段，内部水平段，如图。 （a）进、出口段 （b）内部垂直段（c）水平段 各缎阻力系数计算见课本145页，表5-74地基有效深度 改进阻力系数法适用于有限深地基。 当实际的透水地基深度T0很深时，渗流场的下部流线弯曲，间距增大，渗流强度大为降低。如
50、果仍采用实际的地基深度作为计算深度，将导致计算结果严重偏离实际情况，产生较大误差。 在阻力系数法计算中，一般采用某一适当深度作为计算深度T，来取代实际深度T0。这个深度称为地基有效深度Te。地基有效深度Te按下式计算： 式中 L0、T0分别为渗流场的水平和垂直投影长度。当按上式计算的地基有效深度Te小于实际地基深度T0时，取计算深度T=Te；当按上式计算的地基有效深度Te大于实际地基深度T0时，取计算深度T=T0。5进、出口段的局部修正 在渗流出逸处，渗流水力坡降急剧变化。当出口板桩较短或无板桩时，由上式计算的水头损失值与实际有较大的误差，需要进行局部修正。进口段存在同样的情况。 出口段渗透坡
51、降局部修正图 修正后的进、出口段水头损失为： 局部水头损失修正后，进、出口段的水头损失减少；修正后的进、出口段水头损失减少值为 h=（1-）h0；出口段渗流坡降为水力坡降修正段长度为： 修正时，在原坡降线上根据修正段长度a及修正值h0，分别定出O点和P点，即得到修正后的水力坡降线OP。水力坡降变大，OP相对呈急变形式。 5.4.4 侧向绕渗及防渗连接 在上下游水位差的情况下，渗流也可能从河岸两侧绕过翼墙渗透。两岸绕渗增大两岸翼墙的荷载，对两岸岸坡和翼墙稳定不利。 水闸侧向绕渗是一个三维无压渗流问题。计算分析时假设侧向渗流为层流，符合达西定律。具体计算方法可参考土石坝的渗流计算。 防止两岸绕流破
52、坏的基本方法是降低渗透坡降，其基本措施是延长两岸绕渗“地下轮廓线”的长度。如，向上游延伸翼墙或导墙、设置侧向阻渗设施等。 闸室主要包括：底板、闸墩、闸门、胸墙、 工作桥和交通桥等。一、底板型式（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。5.5 闸室的布置与构造（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。底板型式 1整体式平底板（1）型式：闸室底板与闸墩一起
53、浇筑，在结构上形成一个整体，称为整体式底板。（2）特点 整体式底板能够将上部桥梁、设备及闸墩的重量传递给地基，使地基应力趋于均匀，且构造简单，施工方便。（3）适用条件整体式平底板多用于地基条件较差的情况。（4）分缝分缝的目的：适应温度变化和地基不均匀沉降。分缝的方法：一般在13个闸室之间设一道永久变形缝，形成数孔一联的型式。缝距：在岩基上，缝距不宜大于20m；在土基上，缝基不大于35m。分缝的型式：墩中分缝和跨中分缝。 墩中分缝：变形缝设在闸墩中间，此时，闸室整体性更好。在发生不均匀沉陷时，仍然能够正常工作。设有变形缝的闸墩称为缝墩，缝墩一般较中墩厚些。跨中分缝：在较坚硬地基土层上，变形缝可以
54、设在闸室中间的底板上，以减小闸墩厚度和泄流前缘总宽度，也称板中分缝。板中分缝的闸孔单孔净宽不宜大于8m。（a)墩中分缝 （b)板中分缝 1缝墩；2中墩；3底板；4闸门；5永久缝（5）底板构造底板顺水流长度：根据闸室稳定、地基应力分布、以及上部结构布置要求确定。水头越高、地基越差、底板要求越长。初拟底板长度时，碎石和砾（卵）石地基可取为（1.52.5）H；砂土和砂壤土地基可取（2.03.5）H；粉 质 壤 土 和 壤 土 可 取 （ 2.04.0） H； 粘 土 可 取（2.54.5）H。底板的厚度：平底板通常是等厚度的。底板厚度应根据闸室地基条件、作用荷载及闸孔净宽等因素，经过计算并结合构造要
55、求确定。初拟时，对于大、中型水闸，闸室平底板厚度可取闸孔净宽的1/61/8，约为1.02.0m，最小厚度不宜小于0.7m。齿墙：在土基上，底板的上下游端常设有短齿墙，齿墙长0.51.0m。齿墙能够增加底板刚度，增大闸室稳定抗滑安全系数和闸下地下轮廓线的长度。底板的构造：当地基承载力允许时，常采用实体底板。当地基承力较差时，可以采用刚度大、重量轻的空心底板。2分离式平底板（1）型式分离式平底板的两侧设置分缝，底板与闸墩分离。（2）特点 底板与闸墩在结构上互不传力，闸墩和上部设备的重量通过闸墩传到地基，底板只起防渗、防冲的作用。（3）适用条件分离式底板适用于闸孔大于8m且坚实的地基或岩基。（4）构
56、造 分离式底板的厚度只需要满足其自身的稳定要求，厚度较整体式底板薄。3钻孔灌注桩底板（1）型式 先在地基上钻孔，再在现场浇筑钢筋混凝土桩，然后在桩顶构筑承重台，在承重台上布置底板。（2）适用条件主要适用于软基。 当软土层下卧的硬土层距离表面较浅时，可以使桩直接支撑在硬土层上，水闸的荷载通过钢筋混凝土桩传递到硬土层，称为承重桩。 当硬土层埋深较深时，桩只能插入软土层一定深度，荷载通过桩与周围土体的摩擦力来支撑，称为摩擦桩。支承桩摩擦桩4反拱底板（1）型式 底板向地基的一面做成拱形。（2）特点 地基反力在底板拱的作用下，板内弯矩减少，受力条件明显比平底板合理。与平底板相比较：反拱底板可减少厚度40
57、%50%；减少钢筋用量，降低工程造价；使水闸横向（垂直于流向）地基反力分布较均匀；底板受力条件较好。但是，施工条件较复杂，技术要求高，闸室内单流量不均匀，水力条件较差，对消能防冲不利。（3）适用条件多用于地基条件较差的情况，有时也用于地基较好的土基。（4）底板地基反力分析 作用在反拱底板上的荷载有：上部结构重量、拱圈自重、水重、扬压力和地基反力等，其中地基反力的确定是一个比较复杂的问题。在顺水流方向，地基反力呈直线分布（图a）；在垂直水流方向，地基反力与施工程序相关。 先浇反拱和墩基，后浇闸墩情况。地基反力在垂直水流方向均匀分布（图b）。 先浇墩基和部分闸墩，待地基预压后再浇底板，最后浇闸墩剩
58、余部分。这种情况初期地基反力不均匀，后期仍将趋于均匀（图c） 1先浇块；2后浇块（a）底板顺水流方向（纵向）地基反力分布；（b）先浇反拱及墩基、后浇闸墩的情况时垂直水流方向地基反力分布；（c）先浇墩基及部分闸墩的情况时垂直水流方向地基反力分布二、闸墩（一）闸墩结构闸墩的作用：分隔闸墩、支撑上部设备。闸墩长度：一般与闸底板顺水流方向一致。闸墩厚度：根据闸孔宽度、受力情况、闸门型式、结构构造要求和施工方法等条件确定。弧形工作闸门没有门槽，可以采用较小的厚度。平面工作闸门门槽深度根据闸门大小按规范确定，闸墩门槽处的最小厚度不宜小于0.4m。墩中分缝的闸墩（缝墩）的厚度，一般大于跨中分缝的闸墩（中墩）
59、。闸墩形状：水闸闸墩的上游墩头多采用半圆形。半圆形墩头水流条件好，施工方便。上游墩头采用流线形时，整体过流的侧收缩系数较半圆形小；但是，在一孔过流、邻孔关闭的情况下，头部容易形成分离水流，水流流态和侧收缩系数均不如半圆形墩头。下游墩头多采用流线形，有利于水流扩散。为方便闸墩上部桥面和设备安装，常将闸墩上部不过流部分的上下游端均做成方形。 三 、胸墙胸墙的结构分为：板式和板梁式。如图5-201板式胸墙板式胸墙常做成上薄下厚，顶厚不小于20cm。板的结构形式与胸墙的施工方式有关。与闸墩共同浇筑的。为固结；预制吊装在预留竖槽的，为简支。结构计算时取单位高度的水平板条进行。板式胸墙适用于挡水高度和闸孔
60、宽度较小的水闸。2板梁式胸墙板梁式胸墙由面板、顶梁和底梁三部分组成。面板的上下缘支撑在梁上，两侧支撑在闸墩上。当胸墙高度较大时，可在中间增加一根中梁。梁支撑在刚度较大的闸墩上。板梁的计算与板梁的施工方法有关。板梁共同浇筑时，板在受力变形时，会带动梁扭转。此时，板的上下缘支撑介乎于铰结和固结之间。结构计算时将板、梁分开依次进行。梁与闸墩一起浇筑时，梁与闸墩在结构上为固支，两端承受弯矩和扭矩。梁简支在闸墩上时，只承受弯矩。板的上下支承为弹性支承。板梁式胸墙的板厚不小于20cm，顶梁高度不小于闸 孔 宽 度 的 1/121/15， 底 梁 高 度 为 孔 宽 的1/81/9。板梁式受力条件比板式好，
61、多用于大型水闸。板式胸墙和板梁式胸墙下缘的迎水面均做成圆弧形或椭圆形，有利水流顺利通过。四、工作桥和交通桥工作桥是为安装启闭机和便于工作人员操作而设于闸墩上的桥。交通桥的作用是连接两岸交通。交通桥通常布置在闸室下游，可以降低桥面高程。当闸门操作系统在下游时，也可以把交通桥布置在闸室上游。五、分缝和止水凡具有防渗要求的缝，都应设止水设备。1止水的分类止水分铅直止水和水平止水两种。铅直止水设在闸墩、岸墙、翼墙以及它们之间的铅直缝靠近高水位的一侧；水平止水设在铺盖、底板、护坦以及它们与底板、岸墙、翼墙联接处的水平缝内。在无防渗要求的缝中，一般铺贴沥青油毡。1边墩；2混凝土铺盖；3消力池；4上游翼墙；
62、5下游翼墙；6中墩；7缝墩；8柏油油毛毡嵌紫铜止水片；9、10垂直止水片；11柏油油毡止水水闸分缝布置图2止水的型式止水一般采用一道塑料或橡胶止水；重要的大型水闸，应设两道止水，其中第一道采用紫铜片。止水型式应能适应不均匀沉降和温度变化等要求。铅直止水与水平止水相交处必须连接成密封系统。3铅直止水的构造铅直止水构造图见课本图5-24。1紫铜片和镀锌铁片（厚0.1cm，宽18cm）；2两侧各0.25cm柏油毛毡伸缩缝，其余为柏油沥青席；3沥青油毛毡及沥青杉板；4金属止水片；5沥青填料；6加热设备；7角铁（镀锌铁片）；8柏油油毛毡伸缩缝；910柏油毛毡；10临水面垂直止水设备构造图（a）、（b）型
63、适用于闸墩止水，一般布置在闸门上游，以减少缝墩侧向压力。（a）型施工简便，采用较广；（b）型能适应较大的不均匀沉降，但施工麻烦。（c）型适用于不均匀沉降较小或防渗要求较低的缝位，如岸墙与冀墙的止水等。该型式构造简单，施工方便。4水平止水的构造下图为水平止水构造图。（a）、（b）型适用于地基沉降较大或防渗要求较高的缝位；（c）型适用于地基沉降较小或防渗要求较低的缝位。在接缝底部与地基土壤接触处常铺有23层油毛毡沥青麻布，或回填粘土，以提高防渗效果。1柏油油毡伸缩缝；2灌3#松香柏油；3紫铜片；4柏油麻绳；5塑料止水片；6护坦；7柏油油毡；8三层麻袋二层油毡浸沥青水平止水设备构造图5.6 闸室的稳
64、定计算及地基处理 一、荷载计算 作用在水闸上的荷载主要有自重、水重、水平水压力、淤沙压力、扬压力、浪压力、土压力等。水闸正常挡水时的荷载计算简图 5.6.1荷载计算及其组合 自重、水重、淤沙压力等荷载的计算方法与重力坝基本类似；扬压力中渗透压力的分布规律和计算方法见本章5.4节，闸底板某一点的浮托力强度值等于该点与下游水位间的高差乘以水的重度。以下对水平水压力、浪压力、土压力等的计算进行说明。1.水平水压力。作用在铺盖与底板连接处的水平水压力因铺盖所用材料不同而略有差异。如图525（a）和（b）所示：（1）粘土铺盖：如图5-25（a）所示，a点处水平水压力强度按静水压强计算，b点处则取该点的扬
65、压力强度值，两点之间，以直线相连进行计算。（2）混凝土铺盖：当为混凝土或钢筋混凝土铺盖时，如图525(b)所示，止水片以上的水平水压力仍按静水压力分布计算，止水片以下按梯形分布计算，c点的水平水压力强度等于该点的浮托力强度值加上e点的渗透压力强度值，d点则取该点的扬压力强度值，c、d点之间按直线连接计算。 2.浪压力:波长、波高和波浪中心线高出静水位高度等波浪要素的计算按莆田试验站法进行； 3.土压力。应根据填土性质、挡土高度、填土内的地下水位、填土顶面坡角及超载等计算确定。对于向外侧移动或转动的挡土结构，可按主动土压力计算；对于保持静止不动的挡土结构，可按静止土压力计算。n作用在水闸上的地震
66、荷载、冰压力、土的冻胀力及其他荷载的计算可具体见SL2652001水闸设计规范。施工中各个阶段的临时荷载应根据工程实际情况确定 二、荷载组合 水闸在施工、运用及检修过程中，各种作用荷载的大小、分布及出现的几率情况是经常变化的。因此，设计水闸时，应将可能同时作用的各种荷载进行组合。荷载组合分为基本组合与特殊组合两类。 基本组合:由基本荷载组成； 特殊组合:由基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。但地震荷载只允许与正常蓄水位情况下的相应荷载组合。每种组合中所包含的计算情况及每种情况中所涉及到的荷载见表5125.6.2 闸室抗滑稳定计算一计算公式（1）土基上水闸闸室沿底板与地基间滑动式中： G作用在闸室
67、单元上总的垂直力； H作用在闸室单元上总的水平力； f闸室底面与土基间的摩擦系数， 根据现场 试验资料选取，初设时参见表5-15。 0、C0分别为闸基土体的内摩擦角和凝聚力，见表5-16；A闸室单元的底面积。 （5-37）（5-38）对于小型水闸对于大、中型水闸（2）岩基上水闸闸室沿底板与地基间滑动式中 f闸室基底面与岩石地基之间的抗剪断摩擦系数，查表517； C闸室基底面与岩石地基之间的抗剪断粘结力，kPa，查表517(5-39) 闸室稳定性的判断，要求 ：土基上： K土查表5-13岩基上： K岩查表5-14二提高闸室抗滑稳定的工程措施 当闸室抗滑稳定安全系数不能满足规范规定的允许安全系数时
68、，可采取下列措施提高闸室稳定性。(1)适当将闸门向闸室下游一端移动布置，或将底板向上游端适当加长，充分利用闸室水重。（增加G）(2)改变闸室结构尺寸，增加自身重量。增加底板厚度时，由于其位于水下，受到水的浮力，有效重量小，不经济。增加闸墩厚度时，虽然增加了自重，但同时也增加了闸室前缘宽度和挡水面积，因而也同时增加了水平推力。增加闸室顺水流长度，可以同时增加水重和结构总重（增加G），也可增大了底板抗滑面积（增加A），是较有效的措施之一。(3)加深底板上、下游端的齿墙深度，既可以利用底板以下的地基土的重量（增加G），也可增加水平抗力（减小H）。但是，应注意齿墙的强度和刚度。所以，齿墙不宜过长过深。
69、(4)改变闸下防渗排水措施，降低闸底板的扬压力（减小向上的U，实际上增大G）。(5)设置钢筋混凝土拉锚铺盖作为阻滑板。利用铺盖的自重（增加G）、铺盖上的水重（增加G）、铺盖与地基之间的摩擦力（减小H）等增加闸室稳定性。增设钢筋混凝土抗滑桩（减小H）或预应力锚固（增加G）结构。 5.6.3 5.6.3 闸室基底应力计算闸室基底应力计算 1.闸室顺水流方向的基底应力式中 M作用在闸室的全部力对底板底面上的力矩； （2）当结构或荷载不对称时应该按双向偏心受压公式计算。 按偏心受压公式计算（1）当闸室垂直水流方向的荷载对称时上下游边缘应力最大，按下式计算。 式中 Mx、My分别为作用在闸室基底面顺流向
70、和垂直流向形心轴的力矩；Ix、Iy分别为闸室基底面顺流向和垂直流向形心轴的截面模量。2应力标准 闸底计算应力应该满足两方面的要求：地基承载力要求和基底应力不均匀系数。水闸设计规范SL265-2001规定：地基允许承载力：在各种计算情况下，闸底平均应力不大于地基允许承载力，即 。最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2倍。应力不均匀系数：闸室基底应力不均匀系数，按不大于表5-18中的取值。 抗浮计算闸室在检修时，特别是上、下游同时设置检修闸门且下游水位较高时，应该对闸室进行抗浮稳定计算。闸室检修多选择在枯水期进行，其抗浮计算的上游水位为正常高水位。下游水位根据检修周期选择相应重现期的枯水期洪水流
71、量确定。检修工况的荷载组合中，不应计算移动设备的重量。采用平板工作闸门的闸室，考虑闸门吊出移走时的情况。抗浮稳定安全系数： 式中 V作用在闸室上全部向下的铅直力之和(kN)；U作用在闸室基底面上的扬压力(kN)；Kf抗浮安全系数，在基本荷载组合条件下，Kf1.10；在特殊荷载组合条件下，Kf1.05。对于多孔一联的闸室，可对其进行单孔或多孔同时检修的不同工况进行抗浮稳定计算。找出控制工况，并采取相应的工程措施，避免闸室发生浮起失稳。 5.6.4 地基沉降计算对重要工程或需要控制沉降量的工程，需要进行沉降量计算。 一般来说，最大允许沉降量不超过15cm，最大沉降差（不均匀沉降）不超过5cm。地基
72、最终沉降量可用下式计算。式中 n地基压缩层计算深度范围内的土层数；e1i基础底面以下第层土在平均自重应力作用下，由压缩曲线查得的相应孔隙比；e2i基础底面以下第i层土在平均自重应力加平均附加应力作用下，由压缩曲线查得的相应孔隙比；hi基础底面以下第i层土的厚度；m地基沉降量修正系数，可采用1.01.6（坚实地基取较小值，软土地基取较大值）。当地基承载力不够或计算最大沉降量超过允许值时，可以采用一定工程措施： 改变结构型式(采用轻型结构或静定结构)，加强结构刚度； 增大基础面积和埋置深度； 采用沉降缝； 进行必要的地基处理； 选择合适的施工程序，尽量减少相邻建筑物或填土的重量。5.6.5 地基处
73、理 本节主要介绍土基的处理。土基的处理在土石坝等章节中已有一些介绍。对于岩基上的水闸的地基处理，参见重力坝一章。（一）换土垫层法1方法 换土垫层法将基础表层的软土层彻底挖除，换上压实后强度大、密实度高、压缩性小的土料。2作用 换土垫层法能够改善地基应力分布，提高地基稳定性，适用于表层软土层不厚的情况。3垫层厚度 垫层的厚度根据土质情况、结构形式、荷载大小等因素确定，一般为1.53.0m。厚度过小，起不到垫层的作用；厚度过大，基坑排水有一定困难。4垫层宽度换土垫层的设计宽度：B=B+2htg 式中：B为闸室顺流向长度； h为垫层厚度； 为压力扩散角。5换土土料换土土料以中壤土、含砾粘土等较为适宜
74、。这类土料易于压实，容易满足设计干容重的要求。级配良好的中砂、粗砂和砂砾料易于振动密实，也适用于作垫层材料。避免采用粉砂、细砂、轻砂壤土或轻粉质砂壤土。垫层材料中不应含有植物和杂质。（二）沉井法1方法将预先浇筑的钢筋混凝土井圈置于设计位置，然后挖除井圈下面的软土，使井圈逐渐下沉到地基中，最终下落支撑到硬土层或岩石基础上。2作用沉井可以增加基础承载力，提高闸室抗滑稳定性，减小沉降量。沉井基础适用于表层为软土层或流砂层、下部为硬土层或岩石基础的情况。 沉井在下沉过程中分节浇筑，使沉井逐渐增加重量下沉。分节高度根据地基条件、控制下沉速度等因素确定。 沉井切入硬土层的深度一般不少于0.30.5m。沉井
75、落位后是否封底取决于下部硬土层的承载力。在承载力足够的硬土层上，尽量不要封底。因为地下水将使封底施工困难。 沉井完成后要进行回填，回填土应选用渗透系数与井底基土相同的土料，分层夯实，以防止渗透变形和减少沉降。（三）砂井预压法1方法砂井预压法是在地基中布置和埋设砂井，再在地基表面施加临时荷载，以达到压实和固结软基的目的。2作用通过预压固结，使软土层在施工期间完成全部或大部分沉降，提高地基的抗剪强度和承载能力。砂井预压法一般适用于软土层接近建基面或埋深较浅的地基。 砂井在预压固结中的作用是增加软土地基的排水面，改善软土层的排水条件，加速土层固结，减少预压时间。3砂井构造砂井的直径一般为2030cm
76、。砂井间距为其直径的412倍，一般为24m，呈方格形或等边三角形布置。砂井深度以打穿软土层为宜。井中填料要求具有较大的透水性，且具有一定的反滤作用。（四）桩基础法1作用 在软土层厚度较大的地基上，桩基础是解决地基承载力不足的有效方法。设置桩基础后，能够提高地基的承载力和抗滑稳定性，减少沉陷量。2桩基础型式（按施工方式分） 桩基础按施工方式分为：打入混凝土预制桩和钻孔灌注混凝土桩两种。（1）打入式预制桩 打入式预制桩一般采用钢筋混凝土桩，直径d=0.250.55m。现场预制桩的长度在2530m；工厂预制桩一般长不超过12m，便于运输。（2）灌注桩 灌注桩是在地基内先钻孔，然后在现场浇注，形成钢筋
77、混凝土桩。钻孔灌注桩施工机具简单，工期较短，桩的直径较预制桩大，承载力较大。灌注桩的直径一般为0.61.5m。钻孔灌注桩的关键在于施工造孔。3桩基础型式（按受力方式分）（1）承重桩 当硬土层埋深较浅时，使桩直达硬土层，水闸的荷载全部由桩传递到硬土层，称为承重桩。（2）摩擦桩 当硬土层埋深较深时，桩只能插入到软土层的一定深度，利用桩与周围土壤的摩擦力支承上部荷载，称为摩擦桩。水闸多采用摩擦桩。 4单桩承载力 单桩的轴向允许承载力等于桩身的摩擦力和桩端支承力两部分之和。P=（Ulp+AR）/K式中 U桩的周长；l桩的长度；p桩与土层的平均摩阻力；A桩的横断面积；R桩尖端处土的极限承载力；K安全系数
78、。5桩的布置桩基础很少采用单排桩，而是采用多排桩。桩的根数和尺寸按底板底面以上的全部荷载确定。桩的平面布置应尽可能使桩群的重心与桩台底面以上各种荷载组合的合力作用点相接近。单桩的竖直荷载最大值与最小值之比不大于给定的闸室底面应力不均匀分布系数的允许值。桩的布置形式常用梅花形、矩形和正方形。桩距一般为（36）d，且不小于25cm。（五）强力夯实法1方法强夯法是将重锤提高到1015m的高度，使其自由下落，对地基产生巨大的冲击力，使土体瞬时液化，从而产生较大的瞬时沉降，使土体压实。2施工强夯时，应在表层铺设12m厚的透水垫层，并设置排水砂井，以利于土体固结。每夯一遍后，要间歇一定的时间后才能进行复夯
79、。夯点距离和夯击遍数可在夯实工作前选择试点通过现场试验确定。（六）振冲桩法1方法 振冲桩法是用一根带有上、下喷水嘴的振动器插入需要加固的土层中，通过振动，并借助于下端喷水口射出的高压水松动土层，使之下沉，直至设计深度处。孔四周的土体振动加密后，关闭下端喷水口，打开上部喷水口，边向孔内填砂，边进行振动，同时逐渐向上提振动器。通过振动、充填，使孔及其周边一定范围内的土体达到密实，并且形成一根碎石桩。2作用振冲桩法能够增加地基的承载力，减少沉降量，提高抗振动液化的能力，适用于松砂、软弱的壤土和砂卵石地基。3构造振冲砂石桩的孔径一般为0.60.8m，桩距1.52.5m，呈梅花形或正方形布置。孔深根据设
80、计要求和施工条件确定。当松软土层不厚时，振冲孔可穿过土层。砂石桩的填料要采用级配良好的材料，碎石最大粒径不宜大于5cm，含泥量不大于5%。（七）高压旋喷灌浆法高压旋喷灌浆法利用高压作用，使水、空气、水泥浆等介质向周围土层喷射，对土体产生冲切、搅拌、掺和，改变原土层的结构、组成和性态，在喷管一定半径内形成新的混合凝结体。新的凝结体在强度、压缩性、渗透性等方面较原土体有极大的改进。高压旋喷灌浆法示意图 5.7 闸室结构计算闸室为空间结构，受力复杂，为简化计算一般将它分解为若干部件(如闸墩、底板、胸墙、桥梁等)分别单独计算，在单独计算时，应考虑它们之间的相互作用。一、底板的结构计算（一）整体式平底板
81、 水闸底板支撑在地基上，因其平面尺寸远较厚度为大，可视为地基上的一块板，受力情况比较复杂。目前又只能采用近似的计算方法进行强度分析。不同的地基情况采用不同的计算方法n粘性土地基或相对紧密度Dr0.5的非粘性土地基： 采用弹性地基梁法n相对紧密度Dr 0.5非粘性土地基采用：反力直线分布法；n小型水闸采用：倒置梁法。（1）原理 将底板视作支座在挣闸墩上的一个倒着放置的梁，闸墩作为梁的支座，单孔闸视为简支梁，多孔闸视为连续梁。 将地基反力作为作用在梁上的分布荷载，外力。假定：n底板在顺水流方向（纵向）的地基反力直线分布，按偏心受压公式计算。n底板在垂直水流方向（横向）的地基反力按均匀分布。闸室底板
82、结构计算倒置梁法闸室底板结构计算倒置梁法（2）作用在梁上的荷载： 底板自重q1、水重 q2、 杨压力q3及地基反力梁上的均布荷载q包括 q = q3+ - q1 + q2倒置梁法没有考虑底板变形，使得地基反力与实际情况有出入，因此，底板计算切条不满足平衡条件；尽管底板配筋多，但不一定保险。n1原理 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。n此方法为水闸设计规范规定的方法。n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
83、的已知荷载，闸墩对底板无 约束，底板可以自由变形。 闸室底板结构计算弹性地基梁法闸底板结构计算图 闸室底板结构计算弹性地基梁法n2计算步骤 弹性地基梁法的计算步骤如下：（1）作用在底板上的荷载 如图，作用在底板切条上的荷载为：n集中力：分配给闸墩的不平衡剪力；闸墩重量G（包括闸墩上的永久设备）。n分布力：底板自重q1； 闸室水重q2； 扬压力q3； 地基平均反力q4；分配给底板的不平衡剪力。地基反力分布示意图（a）纵向反力（b）横向反力n（a）底板自重q1的计算 在水闸设计规范SL265-2001规定：采用弹性地基梁法时，可不计闸室底板自重。 原因：水闸的闸室底板绝大多数是挖埋式，底板自重产生
84、的应力远小于基坑开挖前的原始应力。底板自重产生的地基沉降是土基回弹后的再压缩，可以在很短时间内完成。 但是，如果不计底板自重致使作用在其底面上的均布荷载为负值时，则应计算自重。此时，自重的大小以使底板上的均布荷载的总和为零为度。n（b）闸室水重q2的计算 水重作为分布荷载考虑，将闸室内的水重分布到整个底板上。 q2 = q2 式中：B为闸室单元的过流净宽， B0为闸室单元总宽。n（c）扬压力q3的计算 扬压力按水闸渗流计算中的方法确定。n（d）闸墩重量G的计算 板条上的闸墩重量G=cbh式中：c为混凝土容重；b为闸墩厚度；h为闸墩高度。（2）计算底板平均地基反力根据上图（a），将闸室作为一个整
85、体，假设纵向地基反力为直线分布，按偏心受压公式计算地基纵向反力。取板条所在位置的纵向应力作为作用在底板上的平均地基反力。（3）确定切条上的不平衡剪力 闸室底板上的纵向地基反力是均匀变化的。但是，水重在闸门处是突变的。荷载的突然变化使得单宽板条截面上的上述外力是不平衡的。此不平衡力由板条截面两侧上的剪力之差Q Q1-Q2提供，Q称为不平衡剪力。由Y=0得： 式中： G1和G2分别为中墩和缝墩的重量；b1和b2分别为中墩和缝墩的长度；Q为不平衡剪力，方向向下时为正。（4）不平衡剪力的分配不平衡剪力作用在闸墩和底板合成的T形梁截面上。根据材料力学，假定剪力在闸墩和底板组成的T形梁上按二次抛物线分布，
86、分别计算板条和闸墩上的剪力分布。板条上的剪力作为分布力，闸墩上的剪力作为集中力。不平衡剪力分配示意图 （5）计算地基反力及梁的内力在上述计算中，为计算不平衡剪力Q，将地基反力取为平均反力。但事实上，作用在底板上的地基反力是不均匀分布的，如图。此不均匀分布的地基反力是未知的。作用在底板上的已知力包括：集中力：墩重（G1/b2或G2/b2）；分配给墩的不平衡剪力（Q墩）。分布力：底板自重q1； 水重q2； 扬压力q3；分配给底板的不平衡剪力（Q板/L）。 将上述已知的作用在底板上的力作为外力，按弹性地基梁法求解作用在底板上的实际地基反力和底板的内力。在地基反力及梁的内力计算时，要考虑地基深度。当地
87、基可压缩土层厚度T与弹性地基梁半长L/2的比值小于0.25，即T/L4.0时，视地基为半无限体，按郭氏法查表。当T/L=0.54.0时，按有限深地基计算。具体计算可参见建筑力学等教材。（6）计算边荷载的影响靠近岸坡的闸孔受到回填土的影响，应力会发生变化。相邻闸孔间由于施工次序的先后也会影响底板应力。边荷载对闸底板的影响是复杂的，设计原则按偏于安全考虑。在实际工程中，一般按以下方法考虑边荷载的影响。a计算闸孔在相邻闸孔之后建：如边荷载的作用减小底板内力，则不考虑边荷载的影响；如边荷载的作用增加底板内力，此时，在砂土地基上考虑50%的影响，在粘土地基中考虑100%的影响。b计算闸孔在相邻闸孔之前建
88、：由于边荷载使底板内力增加，考虑100%的影响。 1回填土；2侧向土压力；3开挖线；4邻孔闸基夺应力边荷载作用示意图（三）反力直线法（1）反力直线法假定：底板在垂直水流方向（横向）的地基反力分布按偏心受压公式计算。底板在顺水流方向（纵向）的地基反力按均匀分布。（2）适用条件反力直线法计算简单、方便。对于相对密度Dr0.5的砂土地基，其受荷后内部应力会自动调整并接近于均匀分布，因此反力直线法的计算结果与实际情况较接近。对于其他地基，反力直线分布不能反映实际情况。 闸室底板结构计算反力直线法5.7.2 5.7.2 闸墩闸墩 1计算方法 假定：闸墩作为固接于底板上的悬臂结构2.计算内容：a、闸墩应力
89、 b、平面闸门槽应力 c、孤形闸门支座的应力计算。（一）平面闸门闸墩计算内容： （1）验算水平截面（主要是墩底） 应力(因为墩底应力最大)； （2）门槽应力。验算情况： A、运行期：（1）闸门全部关闭；（2）一孔全开泄流，邻孔关闭或局部开启B、检修期：一孔检修，邻孔运行。1.闸墩水平截面上的正应力计算运用期检修期（5-42）（5-43）式中： MI、M计算截面以上各力对截面垂直水流和顺水流方向形心轴x、y轴的力矩总和，kNm；I、I计算截面对其形心轴x、y轴的惯性矩，m4；d 墩厚，m；L 闸墩长度，m2.墩底水平截面上的剪应力式中 Q作用在墩底计算截面上顺水流方向和垂直水流方向的剪力，kN；
90、 S计算截面以外的面积对形心轴x、y轴的面积矩(方向与Q垂直)，m3； b计算截面处的墩厚，m。3.边墩（包括缝墩）墩底主拉应力计算 闸门关闭时，由于受力不对称，墩底受纵向剪力和扭矩的共同作用，产生较大的主拉应力。如图（5-28），由于扭矩Mn作用，在 A点产生的剪应力近似为：Mn=Pd1(5-45)(5-46)二、平面闸门门槽应力计算门槽应力计算 门槽颈部因受闸门传来的水压力而可能受拉，应进行强度计算，以确定配筋量。计算时在门槽处截取脱离体(取下游段或上游段底板以上闸墩均可)(如图)，将闸墩及其上部结构重量、水压力及闸墩底面以上的正应力和剪应力等作为外荷载施加在脱离体上。根据平衡条件，求出作
91、用于门槽截面BE中心的力T。及力矩M。，然后按偏心受压公式求出门槽应力式中：T0脱离体上水平作用力的总和；A 门槽截面面积，Abh；M0 脱离体上所有荷载对门槽截面中心O的力矩之和；闸墩配筋 一般情况下，实体闸墩的应力不会超过墩体材料的容许应力，只需在闸墩底部及门槽配置构造钢筋。闸墩底部一般配1014mm，间距25 30cm的垂直钢筋，下端深入底板2530倍的钢筋直径，上端伸至墩顶或底板以上23m处截断。水平分布钢筋一般采用812mm，每米34根。 由于水压力是沿闸墩高度变化的，因此，应在高度方向分段进行上述计算。此外，由于门槽承受的荷载是由滚轮或滑块传来的集中力，故还应验算混凝土的局部承压强
92、度或配以一定数量的构造钢筋。门槽配筋见图529。三、弧形闸门支座处应力计算1.牛腿计算 弧形闸门闸墩，除应计算底部应力外，还应验算牛腿及其附近的应力。 当闸门关闭挡水时，由弧形闸门门轴传给牛腿的作用力只为闸门全部水压力合力的一半，该力可分为法向力N和切向力T(见图530)。分析时可将牛腿视为短悬臂梁计算它在N与T二力作用下的受力钢筋，并验算牛腿与闸墩相连处的面积是否满足要求： 分力N对牛腿引起弯矩和剪力，分力T则使牛腿产生扭矩和剪力。有关牛腿配筋计算可参阅水工钢筋混凝土结构学等有关书籍。2.牛腿处闸墩应力计算 作用在弧形闸门上的水压力通过牛腿传递给闸墩，牛腿附近的应力集中现象需采用弹性理论进行
93、分析。现介绍偏光弹性试验法。 分力N会使闸墩产生相当大的拉应力。三向偏光弹性试验结果表明：仅在牛腿前(靠闸门一边)的约2倍牛腿宽、15 25倍牛腿高范围内(见图531虚线范围)的主拉应力大于混凝土的容许应力，需要配置受力钢筋，其余部位的拉应力较小，一般小于混凝土的容许拉应力，可按构造配筋或不配筋。在牛腿附近闸墩需配置的受力钢筋面积As可近似地按式(551)计算(5-51)式中 N大于混凝土容许拉应力范围内的拉应力总和(即图531虚线范围内的总拉力)，该值约为(70 80)N，kN； rd结构系数，取12； fy钢筋受拉强度设计值，MPa。 上述成果，只能作为中、小型弧形门闸墩牛腿附近的配筋依据
94、，对于重要及大型水闸，需要直接通过模型试验确定支座及支座附近闸墩内的应力状态，并依此配置钢筋。 5.7.3 胸墙、工作桥、检修便桥及交通桥等 可根据各自的支承情况、结构布置型式按板或板梁系统采用结构力学的方法进行结构计算，具体计算可参考有关文献 5.8 两岸连接建筑物n5.8.1连接建筑物的作用 水闸两端与河岸或堤、坝等建筑物的连接处，需设置连接建筑物，它们包括上、下游翼墙，边墩或岸墙、刺墙和导流墙等。其作用是： 挡住两侧填土，维持土坝及两岸的稳定，防止过闸水流的冲刷； 引导水流平顺进闸，并使出闸水流均匀扩散； 阻止侧向绕渗，防止与其相连的岸坡或土坝产生渗透变形。 两岸连接建筑物的工程量占水闸
95、总工程量的15 40，闸孔愈少，所占比重愈大。n因此，应十分重视其型式选择和布置。n5.8.2 连接建筑物的布置型式n一、上、下游翼墙n 边墩或岸墙向上、下游延伸，便形成了上、下游翼墙。上、下游翼墙在顺水流方向上的投影长度，应分别等于或大于铺盖及消力池的长度。在有侧向防渗要求的条件下，上、下游翼墙的墙顶高程应分别高于上、下游最不利运用水位。上、下游翼墙宜与闸室及两岸岸坡平顺连接，其平面布置型式通常有以下几种。n(1)圆弧或椭圆弧形翼墙。从边墩两端开始，用圆弧或14椭圆弧形直墙插入两岸。一般上游圆弧半径为2050m，下游圆弧半径为3050m。n其优点是水流条件好；n缺点是施工复杂，工程量大。n适
96、用于水位差及单宽流量大、闸身高、地基承载力较低的大中型水闸。圆弧式翼墙图n（2）反翼墙。 见图532(b)，翼墙向上、下游延伸一定距离后，转90o插入两岸,转弯半径采用25m。上游翼墙的收缩角不宜大于12o18o，下游翼墙的平均扩散角一般采用7o12o ，以免出闸水流脱离边壁，产生回流，挤压主流，冲刷下游河道。其优点是水流条件较好，防渗效果好；缺点是工程量大，造价较高。适用于大中型水闸。小型水闸也可采用一字形布置型式1上游翼墙；2边墩；3下游翼墙；4铺盖；5闸室；6护坦n (3)扭曲面翼墙。见图532(c)，翼墙的迎水面自闸室连接处开始，由垂直面逐渐变化为倾斜面，直至与河岸同坡度相接。其优点是
97、水流条件好，工程量较小；缺点是施工较麻烦，当墙后填土质量不好时，易产生不均匀沉降，使翼墙产生裂缝，甚至断裂。一般在渠系工程中采用较多n (4)斜降翼墙 翼墙在平面上呈八字形，翼墙的高度随着其向上、下游方向延伸而逐渐降低，直至与河底相接。其优点:是工程量少，施工方便；缺点:是防渗效果差，水流易在闸孔附近产生立轴旋涡，冲刷堤岸。常用于小型水闸n二边墩和岸墙 边墩是闸室靠近两岸的闸墩，而岸墙则是设在边墩后面的一种挡土结构。其布置型式与闸室结构情况及地基条件等因素有关，通常有以下几种。n(1)边墩与岸墙结合：当闸室不太高，地基承载力较大时，一般不另修岸墙，利用边墩直接与两岸或土坝连接。边墩与闸室连成整
98、体或用缝分开，见图533。此时，边墩除起支承闸门及上部结构、防冲、防渗、导水作用外，还要起挡土作用n(2)边墩与岸墙分开 当闸室较高、孔数较多及地基软弱时，可在边墩后面另设岸墙，起挡土作用，岸墙与边墩之间设有沉降缝，见图534。其优点是可大大减轻边墩负担，改善闸室受力条件 (3)边墩或岸墙部分挡土 当地基承载力过低时，可利用边墩或岸墙的下部挡土，并在边墩或岸墙的后面设置与其垂直的刺墙进行挡水。墙(墩)后填土至一定高度，再以一定的坡度到达堤顶，见图535。5.8.3 连接建筑物的结构型式和构造1重力式挡土墙 重力式挡土墙一般用浆砌石或混凝土材料。重力式挡墙形式简单，施工方便。一般用于边墩岸墙或翼
99、墙高度小于46m。 重力式挡土墙在土压力等荷载下应该满足抗滑、抗倾和地基承载力要求。土基上的挡土墙基底面抗滑安全系数的要求与闸底板的抗滑稳定安全系数。基底平均应力不得超过地基承载力，最大应力不大于地基允许承栽力的1.2倍，基底应力不均匀系数满足要求。岩基上的挡土墙除了满足抗滑稳定要求外，抗倾稳定安全系数在基本荷载组合情况下不小于1.50，特殊荷载组合情况下不小于1.30。2悬臂式和扶壁式挡土墙悬臂式挡土墙由钢筋混凝土直墙和底板组成，施工简单。悬臂式挡土墙依靠墙后的土重维持稳定，可降低基底应力，一般适用于高610m的情况。 上、下游翼墙段的悬臂式挡土墙底板常用沉陷缝与防冲板和护坦板分离开来，呈“
100、”形结构。悬臂墙和底板上下游端均按悬臂梁结构计算。悬臂梁的尺寸要求满足自身稳定、地基应力和结构应力的要求。 当悬臂式挡土墙高度大于910m时，每隔34.5m设一道扶壁支撑，形成扶壁式挡土墙。扶壁与悬臂墙组成整体，使挡土墙成为三面固定、一面自由的双向板结构，改善了悬壁墙的受力条件，可以减少配筋。一般扶壁厚0.300.40m；挡土墙顶厚0.20m，向下逐渐加厚；底板总宽约为墙高的0.60.8倍；底板向挡水面前伸长度1/32/5；底板厚约为墙高的1/121/10，一般不小于0.40m。悬臂式和扶壁式每隔1020m设一道温度、沉陷缝。n扶壁式挡土墙的结构计算，首先按偏心受压公式计算整体地基应力，再对挡
101、板、底板和扶壁进行结构应力计算。挡土墙在底板上部1.5倍扶壁净距离的部分按三面板计算，其余以上部分板墙接单向连续梁计算。作用在挡土墙上的荷载有水压力、土压力、渗透压力、自重等。挡水面的水压力为静水压力分布，背水面（挡土面）的水压力为侧向绕渗水压力。挡土墙的整体抗滑和抗倾的方向主要是向挡水面，土压力一般按主动土压力计算3空箱式挡土墙当地基较差而墙又较高时，可以采用钢筋混凝土空箱式挡土墙。空箱式挡土墙能够减少闸室的边荷载。空箱式挡土墙的结构较复杂，造价较高。空箱内可根据地基情况，回填部分土或不填土，以满足整体抗滑和改善地基应力。空箱的挡水面可设通水孔和通气孔，使空箱内外水压力随水位变化得到平衡。采用连拱式空箱挡土墙较一般空箱式挡土墙节省钢筋和造价。5.9 闸门与启闭机自 学
