溢流坝闸墩设计

1FJD31110FJD水利水电工程技术设计阶段溢流坝闸墩设计大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网1997年4月2水电站技术设计阶段溢流坝闸墩设计大纲主编单位主编单位总工程师参编单位主要编写人员软件开发单位软件编写人员勘测设计研究院年月3目次1引言42设计依据文件和规范43基本资料44闸墩布置95设计荷载及组合106墩身结构设计137结构要求178观测设计189专题研究（含试验）1910工程量计算1911应提供的设计成果1941引言11工程概况工程位于省市（县）以（指方向）KM的河上。是以为主，兼顾等综合利用的水利水电枢纽工程。工程初步设计报告于年月经审查通过。选定坝址为，最大坝高M，总库容KM3，灌溉面积KM2，水电站装机容量MW，多年平均发电量KWH。12设计任务简述初设报告中确定主坝采用式重力（拱）坝。布置溢流表孔共孔。由M型闸门控制。为支承闸门承受闸门传来的水压力、支承坝顶公路桥和工作桥，于溢流坝上设置闸墩，并已于初步设计阶段确定其布置型式（详见基本资料）。2设计依据文件和规范21有关本工程的文件1工程初步设计报告；2工程初步设计报告审批的文件；3工程技术设计任务书。22主要设计规范1SDJ1278水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（山区、丘陵区部分）（试行）；2SDJ2078水工钢筋混凝土结构设计规范（试行）；3SDJ1078水工建筑物抗震设计规范（试行）；4SDJ2178混凝土重力坝设计规范（试行）及补充规定；5SDJ33689混凝土大坝安全监测技术规范（试行）；6JTJ02089公路桥涵设计通用规范；7SD13384水闸设计规范。23参考资料水工钢筋混凝土结构华东水利学院等编。3基本资料531工程等别与建筑物级别1工程等别为等；2建筑物级别为级。32地震烈度1基本地震烈度为度；2设计地震烈度为度。33洪水标准1设计洪水重现期TA；2校核洪水重现期TA。34水位和流量，见表1。表1水位和流量表项目校核洪水设计洪水正常运行入库洪峰，M3/S下泄流量，M3/S库水位，M（正常蓄水位）尾水位，M（最低水位）35气象351气温1多年平均气温；2绝对最高气温；3绝对最低气温；4最低月平均气温；5最高月平均气温；6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352风速和吹程1多年平均最大风速M/S；2多年实用最大风速M/S；3设计采用风速M/S；64吹程KM。36材料特性及安全系数361混凝土1容重混凝土容重KN/M3；钢筋混凝土容重KN/M3；2设计强度及弹性模量，见表3；表3设计强度及弹性模量表单位MPA设计强度混凝土标号轴心抗压弯曲抗压抗拉抗裂弹性模量3泊桑比；4抗剪强度指标抗剪参数F；抗剪断参数F，CMPA。362钢筋设计强度和弹性模量见表4。表4钢筋设计强度和弹性模量表单位MPA钢筋种类符号受拉钢筋设计强度受压钢筋设计强度弹性模量I级钢筋II级钢筋III级钢筋363钢材及焊缝容许应力，见表5。表3钢材及焊缝容许应力表单位MPA钢材种类钢材厚度CM抗拉、抗压、抗弯抗剪局部承压对接焊缝贴角焊缝提示平板闸门门槽及弧形闸门支铰附近，如果设计所需钢筋量过大，可采用型钢或钢板代替钢筋。型钢或钢板的容许应力及焊缝容许应力建议按“水利水电工程钢闸门设计规范（SL7494）”取值。364安全系数1混凝土结构构件的强度安全系数，见表6；表6混凝土结构构件的强度安全系数表受力特征荷载组合7基本特殊按抗压强度计算的受压构件、局部承压按抗拉强度计算的受压、受弯、受拉构件2钢筋混凝土结构构件的强度安全系数，见表7；表7钢筋混凝土结构构件的强度安全系数表受力特征荷载组合基本特殊轴心受压、偏心受压、局部承压、斜载面受剪、受扭轴心受拉、受弯、偏心受拉构件3钢筋混凝土结构构件的抗裂安全系数，见表8；表8钢筋混凝土结构构件的抗裂安全系数表受力特征抗裂安全系数轴心受拉、小偏心受拉构件受弯、偏心受压、大偏心受拉构件4最大裂缝宽度允许值MM；5抗滑稳定安全系数，见表9。表9抗滑稳定安全系数表采用公式荷载组合抗剪强度公式计算K抗剪断强度公式计算K基本组合特殊组合37初设阶段闸墩布置图1闸孔平面布置图；2闸墩结构布置图。提示闸孔及闸墩布置图取自初步设计成果。闸墩上部工作桥、交通桥布置图，初步设计阶段一般较为粗略，故尽量取技术设计成果，以便提供较准确的上部结构荷载。38水工模型试验成果提示包括水面线、动水压力分布等。4闸墩布置8提示此阶段需考虑水位及泄洪要求、排凌及排漂要求、闸门布置、闸门支承型式、启闭机布置、工作桥及交通桥布置、闸墩结构要求、运行及检修要求等，并应和金属结构专业配合，对初步设计提出的布置进行复核、修改、个别问题需进一步优化。41最终确定闸墩平面位置提示在已确定堰顶高程和溢流前缘长度的前题下，结合坝基岩石情况最终确定采用中墩或缝墩。42闸墩高度和长度复核提示1闸墩高度在泄洪开门时应使坝顶桥开启后的闸门位置及弧门门铰都高出泄洪水面线，而且保持一定净空。有排凌及排漂要求时，这一净空更为必要。堰顶水面线可通过模型试验确定，作为初步估算可采用某些手册上的现成图表。在关门时，门前闸墩应高出设计或校核洪水位风浪高安全超高。2闸墩长度主要取决于闸墩自身稳定、水力条件、上部结构布置、工作桥、交通桥的布置、闸门型式和闸门开启方式。如采用弧形闸门，则弧门支铰后尚应考虑一定余量。43闸墩厚度复核提示闸墩厚度决定于闸墩的稳定、应力条件，可通过强度估算及工程类比法复核。当表孔尺寸较大时，闸墩承受的闸门推力亦较大，闸墩厚度不宜过薄。对于设有平板门的闸墩，门楣处更需留有一定厚度。如发现初设所定墩厚过薄，必须采取措施，否则，会造成结构设计及施工的困难。44闸墩型式优化提示闸墩在平面上的外形，应使水流畅顺。头部常做成椭圆形或半圆形，若堰顶有排冰要求，则头部宜采用尖顶形式，下游一般呈流线形。但近年来不少新建工程多采用平头型式，闸墩上游边线可与坝体上游面齐平，也可向上游悬出部分，以便布置门槽，或提高泄量系数。重要工程的闸墩型式应经过水工模型试验进一步优化。对于新型式的闸墩，如宽尾墩，应进行专门论证后确定。45弧门支承型式提示如已确定工作门采用弧形闸门，则应与金属结构专业配合选择弧门支铰型式。一般圆柱铰需设置钢筋混凝土牛腿以将弧门推力传递至闸墩。但采用这种方式当弧门推力较大时，会造成钢筋混凝土牛腿受力过大，配筋困难，难于保证施工质量。故有些工程采用钢梁支承或采用圆锥铰，效果较好，可以借鉴。95设计荷载及组合51荷载511自重（A1）取混凝土容重KN/M3512上部结构荷载（A2）1坝顶工作桥荷载坝顶工作桥自重KN；启闭机重（固定式启闭机或门机）KN；启闭力KN；支座摩阻力FVF（式中V恒载竖向应力；F支座摩阻系数）。支座摩阻系数，见表10。表10摩阻系数表支座种类摩阻系数F滚动支座或摆动支座005弧形滑动支座020平面滑动支座030老化后的油毛毡垫层060橡胶支座（邵氏硬度5560）0250402坝顶交通桥荷载坝顶交通桥自重KN；支座摩阻力（同工作桥计算）；车辆荷载。提示参照STS02089。3闸墩上部其它设备荷载。513静水压力（A3）提示1此项不包括闸门所受静水压力；2中墩两侧闸门全关或对称开启情况，闸墩头部承受上游静水压力。中墩两侧闸门一侧开启、一侧关闭情况，闸墩除在头部承受上游静水压力外，还承受关门侧弧门前部位侧向静水压力。边墩及缝墩还承受外侧横缝止水前侧向静水压力。514浪压力（A4）提示参照SJD2178附录二。10515动水压力（A5）提示闸门开启一侧，闸墩承受侧向动水压力。侧向动水压力值，沿高度可假定从闸墩底部至水面线为直线分布。水面线及闸墩底部压力强度可按堰面曲线型式选用现成图表（如WES曲线见美国陆军工程师团水道试验站试验成果），重要工程可由水工模型试验确定。516闸门推力（A6）提示闸门推力指闸门（包括检修门）所受水压力及浪压力传至闸墩上的荷载。平板闸门推力作用在门槽上，弧形闸门推力作用在支铰处。当弧门为斜支承的情况，闸门推力尚包括垂直于闸墩平面的分力。一般弧门推力由金属结构专业提供，且需分别提供闸门全关挡水和刚启门时两种情况的推力值。517渗透压力（A7）提示1闸门全关时，建议渗透压力图形如下闸门前为全水头，闸门后，尺寸等于两倍墩厚处渗透压力为零，中间为直线分布。2闸墩两侧闸门一开一关时，因考虑开门侧过流时间不会很长，渗透压力仍可按提示1中建议的图形选用。518地震荷载（A8）提示地震荷载包括地震惯性力和地震动水压力1因闸墩结构设计中非对称受力情况十分重要，故考虑地震荷载时与坝体设计不同，不能忽略垂直水流向地震情况；2顺河向地震水平惯性力及竖向地震惯性力可按SDJ1078中混凝土重力坝地震惯性力公式计算，式中地震惯性力分布系数I按规范表4选用；3垂直河流向水平地震惯性力及竖向地震惯性力因重力坝垂直水流向刚度较大，地震反映较小，故溢流坝闸墩可按水闸闸墩考虑，按SDJ1078中水闸闸墩地震惯性力公式计算。式中地震加速度分布系数I可按规范表3选用；4对于修建在高地震烈度区的重要闸墩建筑物，应做动力分析和试验，求得闸墩地震响应；5地震动水压力亦按上述规范计算。52荷载组合521中墩荷载组合5211基本荷载组合1正常挡水情况11A1A2A3A4A6A72闸墩一侧挡水，另一侧渲泄设计洪水情况A1A2A3A4A5A6A75212特殊荷载组合1正常挡水情况遇地震A1A2A3A4A6A7A82闸墩一侧挡水，另一侧泄流情况遇地震A1A2A3A4A5A6A7A83闸墩一侧挡水，另一侧检修情况A1A2A3A4A6A7522边墩缝墩荷载组合5221基本荷载组合1正常挡水情况A1A2A3A4A6A72渲泄设计洪水情况A1A2A3A4A5A75222特殊荷载组合1正常挡水情况地震A1A2A3A4A6A7A82泄流情况遇地震A1A2A3A4A5A7A83检修情况A1A2A3A4A6A7提示1中墩、边墩缝墩基本荷载组合1及特殊荷载组合1属对称受力情况；基本荷载组合2及特殊荷载组合2、3属非对称受力情况；2对称受力情况下，闸墩上部结构荷载A2取最小对称竖向荷载；非对称受力情况取可能的最大不对称荷载；3因动水压力A5取值近似性较大，据一些工程经验，为偏安全计，可视不同荷载组合，不同计算内容灵活掌握，将底部压强值增减15；4对称受力情况的地震荷载应考虑顺水流向水平地震及竖向地震；非对称受力情况应考虑垂直水流向水平地震及竖向地震；5中墩及边墩缝墩特殊荷载组合2是否需要考虑，应视该工程溢流表孔运用情况决定。此种荷载组合情况一般指正常蓄水位泄流遇地震。如表孔仅泄洪时运用，则遇地震的概率较小，可不计此种组合；6其它一些适用情况，如闸孔全开，渲泄校核洪水等，对一般工程闸墩设计不是控制情况，可不予考虑。6墩身结构设计61闸墩对称受力情况下结构分析611整体稳定分析1计算原则闸墩整体稳定分析主要是核算闸墩底部平面上的滑动条件。闸墩在对12称受力情况下，上下游方向的荷载最大。一般要求闸墩能在此受力条件下依靠自重维持稳定。稳定分析可采用抗剪强度公式及抗剪断强度公式计算，抗剪参数取混凝土层面之间的参数值。2截面选取一般在闸墩底部截一水平面为计算截面。3计算公式抗剪强度公式K1FWQ式中K抗剪强度安全系数；W计算截面以上闸墩所受全部垂直力的合力；Q计算截面以上闸墩所受全部水平力的合力；F混凝土层面之间的抗剪参数。抗剪断强度公式K2FWCAQ式中K抗剪断强度安全系数；W、Q同抗剪强度公式；F、C混凝土层面之间的抗剪断参数；A计算截面的面积。612材料力学法整体应力分析1计算原则此种受力情况下，荷载的合力位于闸墩的中面内。计算中选取不同高程的水平截面，求出形心，计算外荷载作用于形心的合力后，用材料力学公式计算闸墩应力。2水平截面选取由闸墩底部高程向上取24个截面。3内力计算将截面以上全部外荷载向截面形心转化，即可求出此截面W、QX、MZ三个内力分量。4应力计算用材料力学偏心受压公式计算Y；用梁的剪力公式计算XY。613平面有限元计算此种受力情况下，荷载对于闸墩中面对称，可以将全部外荷载移至闸墩中面，将闸墩按平面问题处理，采用有限元结构分析程序中的平面单元计算。62闸墩非对称受力情况下结构分析621材料力学法整体应力分析1计算原则闸墩在非对称受力情况下，可视为固结在坝体上的承受双向弯曲和扭转的构件，近似地按材料力学法进行整体应力分析。计算中分层切取闸墩水平截面，确定形心，计算全部外荷载对于形心的合力，而后用材料力学公式计算闸墩应力。132水平截面选取由闸墩底部高程向上取24个截面。3内力计算。提示将截面以上全部外荷载向截面形心转化，即可求出此截面W、QX、QZ、MX、MY、MZ六个合力分量。4应力计算将内力分组，分别计算应力后迭加。提示竖向及上下游向荷载产生的内力W、QX、MZ，在XY平面内按材料力学偏心受压公式计算；侧向荷载产生的内力QZ、MX在XZ平面内按材料力学弯曲公式计算；扭矩MY按纯扭转构件计算。622悬臂梁法结构分析提示在非对称受力情况下，因闸墩沿X向尺寸较大，且侧向荷载沿X轴分布极不均匀。故按621条进行整体计算近似性较大，应力值可能偏小。故多数工程在计算闸墩侧向弯曲时仍采用悬臂梁法计算。此法也很近似，但有计算简便、便于配筋的优点。1计算原则及假定将闸墩沿垂直方向切取单宽条带，各条带均视为固结于堰顶的悬臂梁，相互间互不联系，每个条带承受其本身范围内的各种荷载。如条带上有集中侧向力作用，则承受集中力的宽度可取为闸墩厚度的倍，弧门支铰侧向推力的扩散宽度取为M。2单宽条带位置选取。提示一般取闸门前、闸门后、弧门支铰处等有代表性的部位切取单宽条带。3内力计算仅需计算轴力及弯矩。4应力计算按混凝土偏心受压构件计算。623试载法结构分析提示在计算闸墩侧向弯矩时，悬臂梁法完全忽略了闸墩的整体作用，尤其是集中荷载的扩散宽度问题根据不足，故某些工程采用试载法的概念进行结构分析，以期成果较为合理。将闸墩切成若干狭条，每条视为独立的悬臂梁，承受其本身范围内的各种荷载，但在分割面内尚存在着剪应力及弯矩、扭矩。如闸墩较薄，弯矩和扭矩影响较次要，可以假定分割面上仅存在剪应力，根据分割面上变位连续的条件，求解分割面上的剪应力，进而求解各条悬臂梁的应力和变位。624有限元法应力分析提示闸墩为一空间受力结构，要准确了解闸墩在空间受力情况下的应力及变位，宜连同坝体一起采用三维有限元分析。但从实际设计实用性考虑，可采用平面单元14和板壳单元迭加的方法计算。这样，计算工作量远远小于三维单元应力分析，也便于将成果进行配筋计算。有条件的工程也可采用三维有限元计算。1计算原则和假定将闸墩视为固结于堰体的平板结构，将其在非对称受力情况下的全部外荷载分为两部分作用在闸墩中面内的荷载及垂直于板面的荷载，第一部分采用平面单元计算，第二部分可视为薄板弯曲问题，采用板壳单元计算。两部分计算成果可予迭加；2荷载使用；3软件使用；提示建议采用大型结构静力分析程序，其中包括了平面单元和板壳单元，使用方便。4成果整理。提示平面单元计算成果为应力，板壳单元成果为内力，成果整理时需经转换计算后迭加。63墩身配筋计算631配筋计算原则及方法1对于按混凝土构件进行强度计算不满足要求的部位，按钢筋混凝土构件进行配筋计算；2如采用结构分析中内力成果进行配筋计算，则按单一安全系数极限状态法进行；3如采用结构分析中应力成果进行配筋计算，则可采用按应力图形配筋的方法；4混凝土构件强度校核及钢筋混凝土构件配筋计算均参照SDJ2078进行。632内力应力计算成果的选用采用法内力应力计算成果进行墩身配筋计算。提示1一般工程可采用悬臂梁法内力计算成果配筋、简便省时，但较粗略。因未考虑闸墩整体作用，使配筋结果某些部位偏大，某些部位偏小。为使计算合理些，某些工程取悬臂梁计算的弯矩值和XY平面内整体计算所得该悬臂梁位置处的N值，组合进行配筋计算，亦即考虑了一定的整体作用。此法可以借鉴；2重要的闸墩可采用试载法内力成果，进行配筋计算，而后，与悬臂梁法配筋结果综合分析比较，最终确定钢筋量；3建议有条件的工程采用有限元法内力应力计算成果配筋。64闸墩变位、抗裂及裂缝宽度验算提示按SDJ2078的原则和方法进行闸墩在外荷载作用下的变位、抗裂及裂缝宽度验算。65闸墩局部应力问题设计提示闸墩除要核算整体稳定和应力，还应对闸门支承部位核算局部应力并进行加固或15锚固。以下内容为平板门和弧形闸门两种型式的闸门支承部位的应力分析和加固设计，可根据工程具体情况取舍。651平板门槽局部应力问题设计1设计原则及假定假定闸门传来的水压力所产生的拉力完全由钢筋承担，计算并布置门槽水平向受拉加强钢筋。此外，由于门槽承受滚轮或滑块传来的集中力作用，尚应验算混凝土局部承压强度并配以足够数量的构造钢筋。提示一般工程常按闸门传来的水压力全部由钢筋承担这一假定计算门槽水平受拉加强钢筋，使得钢筋用量多，不尽合理。华东水利学院等三校合编的“水工钢筋混凝土结构”一书中提供的近似计算方法，适当减少了钢筋量，可以参考。2门槽水平受拉加强钢筋计算AG3KPR式中K钢筋混凝土轴心受拉构件强度安全系数；RG钢筋抗拉设计强度；AG水平受拉加强钢筋总面积；P平板闸门传至门槽的水推力。3门槽局部承压强度验算提示按SDJ2078计算。652弧门支铰拉锚结构设计提示根据弧门推力大小及支承型式的不同，可选择不同的拉锚结构型式。本节仅考虑扇形钢筋拉锚设计。1设计原则和假定假定弧门推力在闸墩内产生的总拉力值或总拉力值的大部分由扇形筋承担来计算扇形筋总量；以试验成果或有限元计算成果确定扇形筋分布。2扇形筋总量计算提示公式一AGKNR公式二AG公式三AGEHA0公式四AG式中K钢筋混凝土轴心受拉、偏心受拉构件强度安全系数；RG钢筋抗拉设计强度；AG扇形筋总面积；16N弧门推力；N0708N；E、H0、A意义见右图。根据弧门推力的大小、工程的重要性及表孔运用情况选用公式。3扇形筋布置提示1在无光弹试验或有限元分析成果情况下，可参照其它工程经验，确定扇形筋布置夹角，假设弧门推力按此夹角均匀扩散，计算扩散范围内混凝土拉应力。扇形筋在混凝土已能承担此拉应力处再加锚固长度后的位置切断。另外尚应根据钢筋与混凝土间握裹力对扇形筋长度进行校核；2扇形筋可分几层布置，内层钢筋比外层钢筋提前截断，以适应支铰上游拉应力逐渐减少的应力分布趋势；3扇形筋在支铰下游侧要有一定的锚固长度。为避免支铰下游侧扇形筋过密，影响施工，一些工程采用在此部位用钢板或型钢代替钢筋的作法，可以借鉴。653弧门牛腿结构设计1设计原则和假定将牛腿视为一短悬臂，承受弧门支铰推力这一巨大集中力作用，参照钢筋混凝土吊车梁牛腿设计。提示参见华东水利学院等三校合编的水工钢筋混凝土结构下册。2牛腿与闸墩相结合处截面尺寸验算。3牛腿纵向钢筋计算。4牛腿钢箍和弯起钢筋的计算。5弧门支座处局部承压验算按SDJ2078验算支座下垫板面积。7构造要求71闸墩混凝土强度、抗渗、抗冻标号闸墩混凝土标号不得低于号（天龄期），抗渗标号不得低于S。因表孔处于水位变动区，应重视抗冻问题，据本地区气候条件及冻融循环总次数，要求闸墩抗冻标号不低于。72温度应力及防裂一般不需进行温度应力计算，应适当配置温度钢筋以达限制裂缝宽度的目的。在结构计算不需配筋的部位，亦需配置防裂钢筋。1773最小配筋率闸墩最小配筋率不得小于。