船闸结构设计

1、第六章第六章 船闸结构计算船闸结构计算第一节第一节 作用在船闸结构上的荷载作用在船闸结构上的荷载 船闸水工建筑物设计时，须根据建筑物在施船闸水工建筑物设计时，须根据建筑物在施工、完建、运用及检修等不同时期所承受的全工、完建、运用及检修等不同时期所承受的全部荷载，并按各种可能的最不利荷载组合进行部荷载，并按各种可能的最不利荷载组合进行计算。计算。 作用于船闸水工建筑物上的荷载包括：作用于船闸水工建筑物上的荷载包括： （1）建筑物自重、水重及建筑物内部或上部填料重。）建筑物自重、水重及建筑物内部或上部填料重。 （2）闸门、阀门及其他设备的重量。）闸门、阀门及其他设备的重量。 （3）土压力。）土压力

2、。 （4）静水压力。）静水压力。 （5）扬压力（包括浮托力及渗透压力）。）扬压力（包括浮托力及渗透压力）。 （6）船舶荷载。）船舶荷载。 （7）活荷载。）活荷载。 （8）波浪压力。）波浪压力。 （9）水流力。）水流力。 （10）地震力。）地震力。 （11）其他。）其他。一、荷载种类一、荷载种类1、土压力、土压力 土压力是作用在船闸上的主要荷载之一。计算土压土压力是作用在船闸上的主要荷载之一。计算土压力时，应根据地基性质、结构类型及回填土性质等因素力时，应根据地基性质、结构类型及回填土性质等因素判别土压力的计算状态。根据分析、观测并结合判别土压力的计算状态。根据分析、观测并结合 船闸建船闸建设具

3、体情况复算，基本可以分为以下三种状态：设具体情况复算，基本可以分为以下三种状态： 二、荷二、荷 载载 计计 算算（1）土基上的重力式、扶壁式、悬臂式等结构，墙后填土应按）土基上的重力式、扶壁式、悬臂式等结构，墙后填土应按主动土压力主动土压力计算；计算；（2）土基上设斜桩和带横撑的直桩基础上或岩基上的重力式、）土基上设斜桩和带横撑的直桩基础上或岩基上的重力式、扶壁式、悬臂式、混合式结构等，以及一般的整体式结构，扶壁式、悬臂式、混合式结构等，以及一般的整体式结构，由于墙身变位受到限制，主动极平衡状态一般难以发生，墙由于墙身变位受到限制，主动极平衡状态一般难以发生，墙后填土应按后填土应按静止土压力静

4、止土压力计算；计算；（3）墙高大于）墙高大于15m的整体式悬臂式钢筋混凝土结构，观测表明，的整体式悬臂式钢筋混凝土结构，观测表明，结构上部产生大于静止土压力的结构上部产生大于静止土压力的附加土压力附加土压力，因此应按，因此应按附加附加土压力土压力的影响进行分析研究。的影响进行分析研究。 主动土压力计算方法主动土压力计算方法： 库仑理论适用库仑理论适用墙背与垂线夹角不大墙背与垂线夹角不大（45/2）的主动土压力）的主动土压力 计算（计算（ 为内摩擦角为内摩擦角 ）。）。o 朗肯理论适用朗肯理论适用o 0（地面与水平面夹角）；（地面与水平面夹角）；o （45/2）或墙身为）或墙身为L结构结构（坦墙

5、）（坦墙）时的时的主动土压力主动土压力 计算。计算。o 凝聚力概念凝聚力概念.axkaxk图图6-1 主动土压力计算（库仑法）主动土压力计算（库仑法） 静止土压力通常是指墙体没有位移时的土压力，一静止土压力通常是指墙体没有位移时的土压力，一般为墙身刚度较大和地基不发生沉降的情况。为方便计般为墙身刚度较大和地基不发生沉降的情况。为方便计算，静止土压力系数可采用主动土压力系数的算，静止土压力系数可采用主动土压力系数的1.251.5倍。倍。 关于附加土压力的计算，须按整个结构与周围土体关于附加土压力的计算，须按整个结构与周围土体共同工作的条件考虑，目前已有的计算方法都具有很大共同工作的条件考虑，目前

6、已有的计算方法都具有很大的假定性，有待进一步研究。的假定性，有待进一步研究。2、扬压力、扬压力 作用于建筑物基础底面垂直向上的总水压力称为作用于建筑物基础底面垂直向上的总水压力称为扬扬压力压力，包括浮托力和渗透压力。，包括浮托力和渗透压力。 建筑物基底浮托力的强度等于下游水位与建筑物基建筑物基底浮托力的强度等于下游水位与建筑物基底的高程差乘以水的重度。底的高程差乘以水的重度。 渗透压力的确定取决于地基的性质。土基上建筑物渗透压力的确定取决于地基的性质。土基上建筑物的渗透压力计算见本章第二节。下面介绍岩基上建筑物的渗透压力计算见本章第二节。下面介绍岩基上建筑物的渗透压力计算。的渗透压力计算。图图

7、6-2 为设帷幕灌浆、排水设施的扬压力图为设帷幕灌浆、排水设施的扬压力图o 对未设帷幕、排水的船闸，一般假定渗透压力呈三对未设帷幕、排水的船闸，一般假定渗透压力呈三角形分布，图角形分布，图6-2中中 为上游水深，为上游水深， 为下游水深，为下游水深，o 为渗透水头。为渗透水头。o 但观测资料表明，岩基上渗透压力线的变化，往往但观测资料表明，岩基上渗透压力线的变化，往往不是一条直线，而是曲线。为了便于计算和比较符合实不是一条直线，而是曲线。为了便于计算和比较符合实际，将曲线变化的渗透压力图折算为相应的直线变化的际，将曲线变化的渗透压力图折算为相应的直线变化的渗透压力图，即将渗透水头渗透压力图，即

8、将渗透水头H乘以折减系数乘以折减系数，使其按，使其按直线变化的三角形面积和按曲线变化的面积近似相等，直线变化的三角形面积和按曲线变化的面积近似相等，则单位宽度上总渗透压力为则单位宽度上总渗透压力为：o （6-12）1H2HHHBVs1213、船舶荷载、船舶荷载 船舶荷载包括：船舶行进时，船舶对建筑物的撞击力；船舶荷载包括：船舶行进时，船舶对建筑物的撞击力；船舶停靠时，由系船设备传到建筑物上的系缆力。船舶停靠时，由系船设备传到建筑物上的系缆力。 停靠在建筑物前的船舶受风力作用而产生的横挤力，一停靠在建筑物前的船舶受风力作用而产生的横挤力，一般比撞击力小，在船闸设计中多不予以考虑。般比撞击力小，在

9、船闸设计中多不予以考虑。 船舶行进时对建筑物的撞击力是一动力荷载，它与船船舶行进时对建筑物的撞击力是一动力荷载，它与船舶排水量、撞击速度及撞击角度、船舶与建筑物及其防撞舶排水量、撞击速度及撞击角度、船舶与建筑物及其防撞设施的变形特性等因素有关。其计算公式为：设施的变形特性等因素有关。其计算公式为： （6-13） 撞击力分布长度可按下列公式计算：撞击力分布长度可按下列公式计算： （6-14） （6-15） 329 . 0 kwPCyLy32dyLLb2 对于连续的闸墙及导航墙，由于力的扩散作用，撞对于连续的闸墙及导航墙，由于力的扩散作用，撞击力将分布在一定的长度范围内，因此单位长度上的力击力将分

10、布在一定的长度范围内，因此单位长度上的力往往不大，对结构影响较小。而对独立建筑物或轻型结往往不大，对结构影响较小。而对独立建筑物或轻型结构，如墩柱或框架式等，则影响较大。构，如墩柱或框架式等，则影响较大。 船舶系缆力由配缆破断力计算确定。设计时，可根船舶系缆力由配缆破断力计算确定。设计时，可根据过闸船舶的载重量，按表据过闸船舶的载重量，按表6-16-1选用。选用。 4、波浪压力、波浪压力 计算波浪压力，首先要确定波浪的大小即波浪要计算波浪压力，首先要确定波浪的大小即波浪要素素波高和波长。受风浪作用的船闸建筑物，当无可波高和波长。受风浪作用的船闸建筑物，当无可靠波高、波长资料时，根据船闸所处的位

11、置，可参照下靠波高、波长资料时，根据船闸所处的位置，可参照下列方法进行计算：列方法进行计算： 波高、波长计算：波高、波长计算： （3）港口附近的船闸也可参照现行行业标准）港口附近的船闸也可参照现行行业标准海港水海港水文规范文规范的有关规定计算。的有关规定计算。 在波浪要素确定后，可根据建筑物轮廓形状（直立、在波浪要素确定后，可根据建筑物轮廓形状（直立、斜坡、或孤立墩住）和教育处情况的相应水深，选用有斜坡、或孤立墩住）和教育处情况的相应水深，选用有相关公式计算波浪压力。相关公式计算波浪压力。 设计船闸结构时，应根据各种计算情况，将荷载分设计船闸结构时，应根据各种计算情况，将荷载分别组合为基本组合

12、和特殊组合两类见表别组合为基本组合和特殊组合两类见表6-2，必要时还，必要时还应考虑其他可能的不利组合。应考虑其他可能的不利组合。荷荷 载载 组组 合合 表表6-2注：溢洪情况列入基本组合。注：溢洪情况列入基本组合。荷荷载载组组合合主要考虑主要考虑情况情况自自重重设备设备力力土压土压力力水压水压力力扬压扬压力力船舶船舶荷载荷载水流水流力力波浪波浪力力活 荷活 荷载载地 震地 震力力基基本本组组合合运用情况运用情况检查修情检查修情况况施工情况施工情况完建情况完建情况 特特殊殊组组合合校核洪水校核洪水排水管堵塞排水管堵塞及止水及止水局部破坏局部破坏地震情况地震情况运用运用+地震地震检修检修+地震地

13、震 第二节第二节 船闸的渗流及防渗设计船闸的渗流及防渗设计 一、船闸的渗流一、船闸的渗流 船闸作为挡水建筑物承受着上、下游水位差的作用。在水船闸作为挡水建筑物承受着上、下游水位差的作用。在水头的作用下，船闸的地基和其两侧的回填土内，产生渗透水流头的作用下，船闸的地基和其两侧的回填土内，产生渗透水流（简称渗流，见图（简称渗流，见图6-3）。渗流对建筑物产生渗透压力，降代）。渗流对建筑物产生渗透压力，降代建筑物抗滑稳定性；也可能经起地基土壤的渗透变形，甚至会建筑物抗滑稳定性；也可能经起地基土壤的渗透变形，甚至会引起建筑物失事。引起建筑物失事。 为减少渗流的不利影响，通常在船闸首前设置水平防渗设为减

14、少渗流的不利影响，通常在船闸首前设置水平防渗设备备铺盖铺盖；在底板下设置垂直防渗设备；在底板下设置垂直防渗设备板桩、齿墙板桩、齿墙等。等。图图6-3 船闸的渗流图式船闸的渗流图式 图图6-4 船闸闸首的地下轮船闸闸首的地下轮廓线廓线 在水头作用下，在船闸的地基及其两则回填土内产生渗流，在水头作用下，在船闸的地基及其两则回填土内产生渗流，由于两者相互影响，呈由于两者相互影响，呈空间渗流状态空间渗流状态，特别是闸室为透水闸底，特别是闸室为透水闸底时，其闸首渗流的空间性理为显著。时，其闸首渗流的空间性理为显著。 当闸室采用透水闸底时，随着船闸的灌水和泄水，作用在当闸室采用透水闸底时，随着船闸的灌水和

15、泄水，作用在船闸上的水头在很短时间内将最大值降为零，然后又由零增升船闸上的水头在很短时间内将最大值降为零，然后又由零增升到最大值，从而渗流的方向也随着改变，这就使得船闸的渗流到最大值，从而渗流的方向也随着改变，这就使得船闸的渗流具有不稳定流性质。具有不稳定流性质。 其过程如流水、管涌其过程如流水、管涌等。等。 注意注意船闸与其他水工建筑物相比在渗流方面所具有的特点。船闸与其他水工建筑物相比在渗流方面所具有的特点。二、船闸的防渗布置二、船闸的防渗布置1、船闸为、船闸为透水闸底透水闸底的防渗布置的防渗布置 船闸为透水闸底时，闸首和闸室均是独立的挡水建船闸为透水闸底时，闸首和闸室均是独立的挡水建筑物

16、，它们各自都应设置防渗设备。筑物，它们各自都应设置防渗设备。 图图6-5 船闸为透水闸底的防渗布置船闸为透水闸底的防渗布置土壤分类：土壤分类：o 砂性土：砂性土：透水性大，容易发生渗流变形；防渗方法是减透水性大，容易发生渗流变形；防渗方法是减少渗透压力，减小渗流量，防渗布置难度较大；少渗透压力，减小渗流量，防渗布置难度较大；o 粘性土：粘性土：透水性小，土壤颗粒间存在凝聚力，不容易发透水性小，土壤颗粒间存在凝聚力，不容易发生渗流变形。防渗方法注要是减少渗透压力。减小渗流量记生渗流变形。防渗方法注要是减少渗透压力。减小渗流量记及防止变形不太重要，防渗设计较容易；及防止变形不太重要，防渗设计较容易

17、； 砂性土砂性土地基，当闸首底板的渗径长度不够时，可采用板桩及铺地基，当闸首底板的渗径长度不够时，可采用板桩及铺盖等防渗措施，并在渗流排出的地方设置后滤层。盖等防渗措施，并在渗流排出的地方设置后滤层。 闸首边墩闸首边墩两侧回填土内的渗流，主要应防止回填土与混凝土边两侧回填土内的渗流，主要应防止回填土与混凝土边墩接触处产生集中渗流。采用的措施是：墩接触处产生集中渗流。采用的措施是： （1）边墩背面不宜有向回填土侧的倒坡，水下部分沿墙高不宜）边墩背面不宜有向回填土侧的倒坡，水下部分沿墙高不宜有突出部分；有突出部分； （2）当闸首为挡水线的一部分时，在挡水线及其上游侧宜设置）当闸首为挡水线的一部分时

18、，在挡水线及其上游侧宜设置粘土防渗墙，必要地还可设置刺墙等防渗设备。粘土防渗墙，必要地还可设置刺墙等防渗设备。 对于闸室，由于在透水闸底的闸墙下面产生横向渗流，最简单的对于闸室，由于在透水闸底的闸墙下面产生横向渗流，最简单的防渗措施是设置齿墙，若还不能满足防渗要求时，则可在闸室内防渗措施是设置齿墙，若还不能满足防渗要求时，则可在闸室内侧闸墙下渗流出口处设置一道板桩，在闸室内设置反滤层。侧闸墙下渗流出口处设置一道板桩，在闸室内设置反滤层。 在粘性土地基上，通常不宜施打板桩。船闸防渗，一船多采用齿在粘性土地基上，通常不宜施打板桩。船闸防渗，一船多采用齿墙和铺盖等设施。墙和铺盖等设施。图图6-6 透

19、水底板的闸室墙的放渗布置透水底板的闸室墙的放渗布置2、闸室为不透水闸底的防渗布置、闸室为不透水闸底的防渗布置 当闸室位于坝轴线的下游时，由于整个船闸是一个当闸室位于坝轴线的下游时，由于整个船闸是一个挡水建筑物，闸首和闸室的挡水建筑物，闸首和闸室的总渗径长度总渗径长度大大超过防渗大大超过防渗（闸下或侧向）所必须的安全长度，防渗布置比较简单。（闸下或侧向）所必须的安全长度，防渗布置比较简单。一般仅在闸室墙后回填土内设置明沟或排水管，以降低一般仅在闸室墙后回填土内设置明沟或排水管，以降低墙后地下水位，改善闸室结构工作条件。墙后地下水位，改善闸室结构工作条件。 三、渗三、渗 流流 计计 算算 通常，通

20、常，船闸的渗流计算可简化为平面问题进行。工船闸的渗流计算可简化为平面问题进行。工程设计中，常用的方法有程设计中，常用的方法有渗径系数法渗径系数法和和阻力系数法阻力系数法。 1 1、渗径系数法、渗径系数法 渗径系数法是一种简化的方法。该法是将船闸下的渗径系数法是一种简化的方法。该法是将船闸下的地下防渗轮廊线，化引为水平的计算轮廊线，即将板桩、地下防渗轮廊线，化引为水平的计算轮廊线，即将板桩、齿墙等垂直的下轮廊线按比例化引为水平长度而展开，齿墙等垂直的下轮廊线按比例化引为水平长度而展开，然后绘制渗透压力图形，从而可以求出各相应段的渗透然后绘制渗透压力图形，从而可以求出各相应段的渗透压力值，如图压力

21、值，如图6-7 6-7 ：图图6-7 渗径系数法计算渗透压力渗径系数法计算渗透压力o 式中：式中：o L地下轮廓线的化引总长度，地下轮廓线的化引总长度，m；o C渗径系数。渗径系数。在出口处设有反滤层时，按表在出口处设有反滤层时，按表6-3选用；选用；o H计算水头（渗透水头），计算水头（渗透水头），m；o Ln 地下轮廓线水平段长度，地下轮廓线水平段长度，m；o Lv地下轮廓线垂直段长度，地下轮廓线垂直段长度，m；o m垂直段换算为水平段长度的换算系数，对多板垂直段换算为水平段长度的换算系数，对多板桩（相邻板桩水平间距应大于总长的桩（相邻板桩水平间距应大于总长的1.5倍）倍）m取取2.0，对

22、齿墙、对墙身垂直段对齿墙、对墙身垂直段m取小于等于取小于等于1.0。 渗径系数法比较粗略，它没有考虑渗流区域的边界和地下轮渗径系数法比较粗略，它没有考虑渗流区域的边界和地下轮廊形状的影响以及地基土壤的不均匀性等，这些必然影响到渗廊形状的影响以及地基土壤的不均匀性等，这些必然影响到渗透压力和渗流坡降值。但该方法计算简便，有一定的实践经验透压力和渗流坡降值。但该方法计算简便，有一定的实践经验基础，目前在小型工程中应用较广。基础，目前在小型工程中应用较广。2、阻力系数法、阻力系数法 阻力系数法的基本原理是将建筑物地基内的整个渗流区域大阻力系数法的基本原理是将建筑物地基内的整个渗流区域大致按致按等势线

23、等势线位置分成几个基本渗流段形，各段渗流水头损失与各位置分成几个基本渗流段形，各段渗流水头损失与各段的阻力系数成正比。段的阻力系数成正比。 主要计算步骤：主要计算步骤： （1 1）地基分段）地基分段 将地基沿渗流流程，一般可通过板桩角点和尖点的等水头线进将地基沿渗流流程，一般可通过板桩角点和尖点的等水头线进行分段（图行分段（图6-86-8、图、图6-96-9）。地基分段可归纳为进出口段、内部垂）。地基分段可归纳为进出口段、内部垂直段和水平段。三种基本段形。直段和水平段。三种基本段形。图图6-8 地基断面分布图地基断面分布图图图6-9 基本分段形式图基本分段形式图（2）计算地基有效深度）计算地基

24、有效深度 地基有效深度系指渗流计算的影响深度。地基有效深度系指渗流计算的影响深度。 当地基内的透水层深度小于有效深度（计算深度），按当地基内的透水层深度小于有效深度（计算深度），按地基的实际透水层深度取用；地基的实际透水层深度取用； 当实际透水深度大于有效深度，则取有效深度计算。当实际透水深度大于有效深度，则取有效深度计算。o 地基的有效深度按下列公式计算：地基的有效深度按下列公式计算：o 当当 时时 ， （6-22） o 当当 时，时， （6-23） 500SL05 . 0 LTe500SL26.15000SLLTe（3）计算各段的阻力系数）计算各段的阻力系数o 进出口段（如图进出口段（如图

25、6-9a）阻力系数）阻力系数 ：o （6-24）式中：式中： S0地下轮廓的垂直投影长度，地下轮廓的垂直投影长度，m； S垂直防渗设施的深度，垂直防渗设施的深度，m； o T地基计算深度，地基计算深度，m 。441.0)(5.1230TS0o 内部垂直段（见图内部垂直段（见图6-9b）阻力系数）阻力系数 ：o （6-25）o 水平段（如图水平段（如图6-9C）阻力系数）阻力系数 ： o o （6-26）式中：式中： S1 、S2计算段两端垂直防渗设施深度，计算段两端垂直防渗设施深度，m； L 计算段水平投影长度，计算段水平投影长度，m。 )1 (4lgcot4661. 1TSyy)(7 . 0

26、21TSTSTLxx（6）进出口处水头损失和渗透压力图形的局部修正）进出口处水头损失和渗透压力图形的局部修正 当当进出口段板桩较短进出口段板桩较短时，进出口水力坡降呈急变曲时，进出口水力坡降呈急变曲线型式，需对按式（线型式，需对按式（6-28）计算出的进出口水头损失）计算出的进出口水头损失和渗透压力图形进行修正，使得与实际的急变曲线及渗和渗透压力图形进行修正，使得与实际的急变曲线及渗透压力图形接近。透压力图形接近。 由于进出口段水头损失的减小，必然引起相邻水平由于进出口段水头损失的减小，必然引起相邻水平段的水头损失的增加，进出口段齿墙不规则部位，应对段的水头损失的增加，进出口段齿墙不规则部位，

27、应对与进出口板桩相邻水平段的水头损失和渗透压力图形进与进出口板桩相邻水平段的水头损失和渗透压力图形进行修正，具体的修正方法可见船闸设计规范相关部分。行修正，具体的修正方法可见船闸设计规范相关部分。（7）计算出口坡降）计算出口坡降o 出口处渗流的平均坡降可按下式计算：出口处渗流的平均坡降可按下式计算：o o （6-29）o 出口段的平均坡降应小于在渗透水流作用下，按地基土出口段的平均坡降应小于在渗透水流作用下，按地基土壤平衡条件所求得的出口段容许坡降，其值见教材壤平衡条件所求得的出口段容许坡降，其值见教材（p121）表）表6-4。shJff（8）核算地基土壤）核算地基土壤“整体整体”渗流稳定性渗

28、流稳定性o 地基土壤的平均渗流坡降按下式计算：地基土壤的平均渗流坡降按下式计算：o o （6-30）o 地基土壤的平均坡降应小于水平段容许坡降，其值可按地基土壤的平均坡降应小于水平段容许坡降，其值可按表表6-4取用。取用。THJi第三节第三节 船闸闸室结构计算船闸闸室结构计算 闸室结构计算的任务，就是在各种计算荷载组合情况下，闸室结构计算的任务，就是在各种计算荷载组合情况下，既要保证建筑物安全可靠，又要保证地基不发生破坏。闸室结既要保证建筑物安全可靠，又要保证地基不发生破坏。闸室结构验算一船包括：抗滑、抗倾、抗浮稳定性验算；渗透稳定性构验算一船包括：抗滑、抗倾、抗浮稳定性验算；渗透稳定性验算；

29、地基承载力、地基沉降计算；结构各部位强度和限裂验验算；地基承载力、地基沉降计算；结构各部位强度和限裂验算等。算等。 （属整体稳定验算）（属整体稳定验算）一、闸室结构的一般验算内容及方法一、闸室结构的一般验算内容及方法1、抗滑稳定验算、抗滑稳定验算 （1）土基上闸室结构的抗滑稳定性验算）土基上闸室结构的抗滑稳定性验算 作用在闸室墙的荷载系倾斜荷载，即既有垂直荷载又有水平荷作用在闸室墙的荷载系倾斜荷载，即既有垂直荷载又有水平荷载。当水平荷载较大，而垂直荷载相对较小时，闸室墙可能沿地载。当水平荷载较大，而垂直荷载相对较小时，闸室墙可能沿地基表层产生水平滑移。土基上重力式、扶壁式闸室结构抗滑稳定基表层

30、产生水平滑移。土基上重力式、扶壁式闸室结构抗滑稳定性一般采用抗剪强度公式计算：性一般采用抗剪强度公式计算： （6-31）式中：式中： 土基抗滑稳定安全系数；土基抗滑稳定安全系数；f抗滑摩擦系数抗滑摩擦系数 ； 作用在墙体上全部荷载对滑动面法向投影的总和，作用在墙体上全部荷载对滑动面法向投影的总和，kn； 作用在墙体上全部荷载对滑动面切向投影的总和，作用在墙体上全部荷载对滑动面切向投影的总和，kn。 HVfkcckVH 由于建筑物产生水平滑移时的滑裂面一般出现在地基层土的内由于建筑物产生水平滑移时的滑裂面一般出现在地基层土的内部，为考虑凝聚力的作用，可取表层土的部，为考虑凝聚力的作用，可取表层土

31、的等代等代摩擦系数作为建筑摩擦系数作为建筑物的抗剪摩擦系数，即：物的抗剪摩擦系数，即： （6-32）式中：式中： 地基土壤内摩擦角地基土壤内摩擦角 ； c地基土壤的凝聚力，地基土壤的凝聚力，kpa； 底板平均压应力，底板平均压应力，kpa； n系数，取系数，取46；f值一般不大于值一般不大于0.45。nCf tan 当闸室墙抗滑稳定性的验算结果不能满足规范规定的要求时，可当闸室墙抗滑稳定性的验算结果不能满足规范规定的要求时，可采取适当措施提高闸室的抗滑稳定性。其采取适当措施提高闸室的抗滑稳定性。其措施措施有：有： 在两侧闸墙之间的闸底处设置钢筋混凝土横撑或底板；在闸墙基在两侧闸墙之间的闸底处设

32、置钢筋混凝土横撑或底板；在闸墙基底设置齿墙；降代墙后地下水位和填土高度；或有基底更换摩擦系数底设置齿墙；降代墙后地下水位和填土高度；或有基底更换摩擦系数较大的砂土（砂垫层）等。较大的砂土（砂垫层）等。 有横撑式底板的分离式闸墙抗滑稳定，可计入横撑或底板的部分有横撑式底板的分离式闸墙抗滑稳定，可计入横撑或底板的部分作用，在闸墙与横撑或底板共同作用下，其安全系数应满足规范规定作用，在闸墙与横撑或底板共同作用下，其安全系数应满足规范规定的要求。在不计入横撑式底板作用下，闸墙自身稳定安全系数不宜小的要求。在不计入横撑式底板作用下，闸墙自身稳定安全系数不宜小于于1.0。 当地基中有软弱夹层时，尚应验算结

33、构沿软弱夹层面的抗滑稳定当地基中有软弱夹层时，尚应验算结构沿软弱夹层面的抗滑稳定性。性。（2）岩基上闸室结构的抗滑稳定验算）岩基上闸室结构的抗滑稳定验算 岩基上闸室结构的抗滑稳定计算，主要计算沿地基面的抗滑条岩基上闸室结构的抗滑稳定计算，主要计算沿地基面的抗滑条件。一般可按两种方法验算，即按抗剪强度计算公式和按抗剪断件。一般可按两种方法验算，即按抗剪强度计算公式和按抗剪断强度计算公式计算。强度计算公式计算。 抗剪强度计算公式，把滑动面视为一种接触面，而不是胶结面，抗剪强度计算公式，把滑动面视为一种接触面，而不是胶结面，滑动面上的阻力只计摩擦力，不计凝聚力。当滑动面为水平面时，滑动面上的阻力只计

34、摩擦力，不计凝聚力。当滑动面为水平面时，其抗滑稳定安全系数，可按下式计算：其抗滑稳定安全系数，可按下式计算： （6-34）式中：式中： 墙体与地基接触面的抗剪断粘结力，墙体与地基接触面的抗剪断粘结力，kpa； A 墙体与地基接触面面积，墙体与地基接触面面积，m2。 HAcVfkc c 抗剪强度公式简单方便，在选择值方面也积累了丰抗剪强度公式简单方便，在选择值方面也积累了丰富的经验，在国内外船闸工程中得到广泛应用。抗剪断富的经验，在国内外船闸工程中得到广泛应用。抗剪断公式虽较为合理，但在多数情况下的现场量测值不很稳公式虽较为合理，但在多数情况下的现场量测值不很稳定。目前该公式在船闸工程中应用尚不

35、普遍定。目前该公式在船闸工程中应用尚不普遍。2、抗倾稳定性验算、抗倾稳定性验算 闸室墙的抗倾稳定性按下式计算：闸室墙的抗倾稳定性按下式计算： （6-35）式中：式中： 抗倾稳定安全系数，（表抗倾稳定安全系数，（表6-5）；）； 对计算截面前趾的稳定力矩之和，对计算截面前趾的稳定力矩之和，kn.m； 对计算截面前趾的倾覆力矩之和，对计算截面前趾的倾覆力矩之和，kn.m。ORMMk 00kRMoM3、抗浮稳定性验算、抗浮稳定性验算 当闸室采用不透水闸底时，须进行抗浮稳定当闸室采用不透水闸底时，须进行抗浮稳定验算。抗浮稳定按下式计算：验算。抗浮稳定按下式计算： （6-36）4、渗透稳定性验算、渗透稳

36、定性验算 船闸结构的渗流计算，参见本章第二节内容。船闸结构的渗流计算，参见本章第二节内容。UVkf5、地基承载力验算、地基承载力验算 在荷载作用下，支承基础的地基应不发生剪切破坏而失去在荷载作用下，支承基础的地基应不发生剪切破坏而失去稳定。地基的稳定性通常用地基的容许承载力来衡量。当作用稳定。地基的稳定性通常用地基的容许承载力来衡量。当作用在船闸地基上的荷载小于地基的在船闸地基上的荷载小于地基的容许承载力容许承载力时，表示地基是稳时，表示地基是稳定时，否则地基是不稳定的。验算地基承载力，一般采用查表定时，否则地基是不稳定的。验算地基承载力，一般采用查表法或计算法，对于重要建筑物还应进行野外荷载

37、试验。法或计算法，对于重要建筑物还应进行野外荷载试验。 地基极限承载能力除以安全系数即为地基容许承载力。地基极限承载能力除以安全系数即为地基容许承载力。 地基极限承载力是指使地基出现整体剪切破坏时，持力层地基极限承载力是指使地基出现整体剪切破坏时，持力层能够承受的基底传来的单位面积的最大压力，详见土力学教材。能够承受的基底传来的单位面积的最大压力，详见土力学教材。 在荷载作用下，闸室基底压力应该在地基上所容许的承载在荷载作用下，闸室基底压力应该在地基上所容许的承载力之内。基底压力一船可用偏心受压公式进行计算力之内。基底压力一船可用偏心受压公式进行计算： （6-37） 式中：式中：N作用在闸墙上

38、外荷载的合力垂直分力；作用在闸墙上外荷载的合力垂直分力； B基础宽度；基础宽度； e合力对基础中心的偏心矩。合力对基础中心的偏心矩。 计算条件：计算条件： 为防止闸墙产生过大的不均匀沉陷，应控制地基反力的不均匀为防止闸墙产生过大的不均匀沉陷，应控制地基反力的不均匀性。通常在使用情况下，对砂性地基，要求地基反力的最大值与性。通常在使用情况下，对砂性地基，要求地基反力的最大值与最小值之比应不大于最小值之比应不大于5，对粘性地基，则应不大于，对粘性地基，则应不大于3。)61 (maxminBeBN6、沉降计算、沉降计算 地基沉降一般只计算最终沉降量，通常根据地基各土层的标地基沉降一般只计算最终沉降量

39、，通常根据地基各土层的标准压缩曲线（准压缩曲线（ 曲线曲线 曲线），采用分层总和法进曲线），采用分层总和法进行计算。由于行计算。由于 曲线简便易行，目前在船闸地基设计中得到曲线简便易行，目前在船闸地基设计中得到广泛应用，其计算公式如下：广泛应用，其计算公式如下： （6-38） 地基压缩层的计算深度地基压缩层的计算深度 取值的大小，影响地基最终沉降取值的大小，影响地基最终沉降量计算值。目前工程中通常按竖向附加应力量计算值。目前工程中通常按竖向附加应力 与自重应力与自重应力 之比来确定。当地基某深度的附加应力之比来确定。当地基某深度的附加应力 与自重应力与自重应力 之比等于之比等于0.2时，该深度

40、范围内的土层即为压缩层。在计算深度下时，该深度范围内的土层即为压缩层。在计算深度下有软弱土层时，应将计算深度加大有软弱土层时，应将计算深度加大。 pe pelgpe ieieiesmS1121nZzczc7、闸室强度计算和限裂验算、闸室强度计算和限裂验算 闸室强度包括闸墙及底板强度。闸墙应力一般可采用材料力闸室强度包括闸墙及底板强度。闸墙应力一般可采用材料力学方法进行计算，对于高度较大的闸墙和地质条件较为复杂的学方法进行计算，对于高度较大的闸墙和地质条件较为复杂的情况，可采用有限元法进行计算。至于闸室底板一般视其结构情况，可采用有限元法进行计算。至于闸室底板一般视其结构型式选用弹性地基梁方法或

41、者材料力学方法计算。根据计算所型式选用弹性地基梁方法或者材料力学方法计算。根据计算所得内力即可进行结构强度分析及限裂验算。得内力即可进行结构强度分析及限裂验算。二、分离式闸室结构计算二、分离式闸室结构计算 本章前一节中主要介绍了重力式、悬臂式、扶壁式本章前一节中主要介绍了重力式、悬臂式、扶壁式等分离式闸室结构的地基承载力、抗滑稳定、沉降及渗等分离式闸室结构的地基承载力、抗滑稳定、沉降及渗透稳定验算方法，本节主要介绍各种不同分离式闸室结透稳定验算方法，本节主要介绍各种不同分离式闸室结构型式的结构强度验算方法。构型式的结构强度验算方法。1、重力式、重力式 验算内容：验算内容：地基承载力验算；抗滑稳

42、定性验算；抗地基承载力验算；抗滑稳定性验算；抗倾稳定性验算；土基渗透稳定性验算；土基沉降计算；倾稳定性验算；土基渗透稳定性验算；土基沉降计算；截面强度验算。截面强度验算。 重力式闸墙应力通常按材料力学方法计算，如高度重力式闸墙应力通常按材料力学方法计算，如高度较大的闸墙及地基条件较复杂时，需要进行模型试验论较大的闸墙及地基条件较复杂时，需要进行模型试验论证证. 边界面上的应力往往起控制作用，需重点验算边界面上的应力往往起控制作用，需重点验算. （1）边界上的垂直正应力）边界上的垂直正应力26BMBNy（6-37） 按材料力学方法假定，闸墙通常按悬臂梁图示计算，按材料力学方法假定，闸墙通常按悬臂

43、梁图示计算，假定闸墙各水平截面上的假定闸墙各水平截面上的垂直正应力垂直正应力呈直线分布，有呈直线分布，有:式中式中: N作用在闸墙计算截面上的全部荷载的垂直分作用在闸墙计算截面上的全部荷载的垂直分力的总和，力的总和，KN； M作用在闸墙计算截面上的全部荷载对截面形作用在闸墙计算截面上的全部荷载对截面形心的力矩总合，心的力矩总合，KN.m； B计算截面的宽度，计算截面的宽度，m。（2）边界上剪应力，水平正应力和主应力）边界上剪应力，水平正应力和主应力 求得正应力求得正应力y y后后, ,即可用平衡条件一一确定剪应力、即可用平衡条件一一确定剪应力、水平正应力和主应力等。水平正应力和主应力等。 方法

44、是从墙背上切除一个三角形微分体，作用在上面方法是从墙背上切除一个三角形微分体，作用在上面的力分别有：的力分别有： 土压力土压力、水压力、水压力s s、正应力、正应力xdxd、ydyd和剪应力和剪应力d d 。其值根据平衡原理求。其值根据平衡原理求（见参考书）（见参考书）。最后可得到。最后可得到计算任一截面的应力分量和主应力。计算任一截面的应力分量和主应力。 对于浆砌块石和混凝土重力式墙，应沿闸墙高度截对于浆砌块石和混凝土重力式墙，应沿闸墙高度截取不同断面进行计算，取不同断面进行计算，任一截面应力均应小于材料的任一截面应力均应小于材料的抗拉应力。抗拉应力。 钢筋混凝土重力式墙按相应规范核算。钢筋

45、混凝土重力式墙按相应规范核算。 2、悬臂式、悬臂式 悬臂式结构（悬臂式结构（图示图示）的闸墙与底板刚性连接，同时）的闸墙与底板刚性连接，同时底板不透水，不会出现闸墙整体滑移和渗流稳定遭到破底板不透水，不会出现闸墙整体滑移和渗流稳定遭到破坏。坏。验算内容：验算内容： 地基承载力验算；抗浮稳定性验算；地基沉降计算；地基承载力验算；抗浮稳定性验算；地基沉降计算；闸墙和底板的截面强度及限裂验算。闸墙和底板的截面强度及限裂验算。 闸墙可按偏心受压构件核算截面强度。悬臂式结构闸墙可按偏心受压构件核算截面强度。悬臂式结构的底板和后悬臂可按嵌固于闸墙上的悬臂梁计算截面强的底板和后悬臂可按嵌固于闸墙上的悬臂梁计

46、算截面强度。度。 图图6-10 悬臂式结构荷载图式悬臂式结构荷载图式 底板上的地基反力底板上的地基反力偏心受压公式偏心受压公式 （1）最小应力大于零；）最小应力大于零； （2）为保证闸室纵缝处止水正常工作，）为保证闸室纵缝处止水正常工作，控制最大和最小控制最大和最小应力比值应力比值： 沙性地基沙性地基 5；粘性地基；粘性地基 3。如不满足就应调整。如不满足就应调整后悬臂后悬臂长长度。经验表明，如果度。经验表明，如果h/b0.5（h闸墙高，闸墙高，b闸室宽度），闸室宽度），说明调整后悬臂长度已不行，不宜采用悬臂式结构。说明调整后悬臂长度已不行，不宜采用悬臂式结构。 （3）闸室较宽时，以上直线法计

47、算地基反力误差较大，应用）闸室较宽时，以上直线法计算地基反力误差较大，应用两个有限刚度变断面弹性地基梁计算。两个有限刚度变断面弹性地基梁计算。 )61 (BeBN 在计算底板的截面强度时，除考虑地基反力、底板自重、在计算底板的截面强度时，除考虑地基反力、底板自重、作用于底板上的扬压力及闸室水重上，尚应计入闸底和地基作用于底板上的扬压力及闸室水重上，尚应计入闸底和地基间的摩察力和作用在底板中缝处的水平力。间的摩察力和作用在底板中缝处的水平力。 底板和地基之间的摩擦力底板和地基之间的摩擦力按下式计算，即按下式计算，即 （6-39）VfEf 摩擦力在底板上的分布与地基反力分布成正比（也可采用均摩擦力

48、在底板上的分布与地基反力分布成正比（也可采用均匀分布进行计算）。作用在匀分布进行计算）。作用在底板中缝处水平力底板中缝处水平力按下式，即按下式，即 （6-40） 闸室中缝处的水平力分布尚无法确定，在核算底板截面强度闸室中缝处的水平力分布尚无法确定，在核算底板截面强度时，可假定水平力作用在底板中心线以上时，可假定水平力作用在底板中心线以上1/4底板厚度处（通常底板厚度处（通常是是1/2 1/4，这样计算的底板拉应力偏大，结果偏于安全）。，这样计算的底板拉应力偏大，结果偏于安全）。VfHEP3、扶壁式、扶壁式 扶壁式闸墙计算内容：整体稳定性（抗滑、抗倾）验扶壁式闸墙计算内容：整体稳定性（抗滑、抗倾

49、）验算、地基承载力计算；渗透稳定性验算；地基沉降计算、地基承载力计算；渗透稳定性验算；地基沉降计算；主要是算；主要是立板、肋板和底板及趾板立板、肋板和底板及趾板四个部分，包括四个部分，包括肋板与立板、肋板与底板的连接强度计算。肋板与立板、肋板与底板的连接强度计算。 （1）立板计算时，考虑到底板对立板的嵌固作用，应将与底）立板计算时，考虑到底板对立板的嵌固作用，应将与底板较近范围，即板较近范围，即1.5L L（L L为肋板间距）区段内，按三边固定一为肋板间距）区段内，按三边固定一边简支的双向板计算，在边简支的双向板计算，在1.5以上的区段按连续板计算；具体以上的区段按连续板计算；具体查阅查阅结构

50、计算手册结构计算手册。 （2）肋板按固定在底板上的悬臂板计算；）肋板按固定在底板上的悬臂板计算； （3）趾板按固定在立板上的悬臂板计算；）趾板按固定在立板上的悬臂板计算； （4）肋板与立板、肋板与底板连接按轴心受拉构件计算。）肋板与立板、肋板与底板连接按轴心受拉构件计算。 岩基上除重力式结构外，岩基上除重力式结构外，还有衬砌式和混合式结构。还有衬砌式和混合式结构。衬砌式闸墙应进行整体稳定衬砌式闸墙应进行整体稳定性验算；截面强度验算；当性验算；截面强度验算；当闸墙内设置锚筋时，尚应进闸墙内设置锚筋时，尚应进行锚筋计算。行锚筋计算。 衬砌式闸墙断面有倒梯衬砌式闸墙断面有倒梯型及阶梯型断面两种型及阶

51、梯型断面两种:4、衬砌式、衬砌式图图6-12 倒梯形衬砌墙计算图式倒梯形衬砌墙计算图式倒梯形衬砌墙整体抗滑稳定倒梯形衬砌墙整体抗滑稳定, ,目前有两种算法目前有两种算法: : 方法一：忽略斜坡面（方法一：忽略斜坡面（kc）的作用，不考虑衬砌体斜坡部分）的作用，不考虑衬砌体斜坡部分下滑力的不利影响。假定衬砌体在荷载作用下沿衬砌的基底面下滑力的不利影响。假定衬砌体在荷载作用下沿衬砌的基底面滑动。此法与重力式闸墙抗滑稳定计算一样。滑动。此法与重力式闸墙抗滑稳定计算一样。 方法二：考虑斜坡面的作用，并计算衬砌体部分下滑力的不利方法二：考虑斜坡面的作用，并计算衬砌体部分下滑力的不利影响，仍假定衬砌体在荷

52、载作用下沿衬砌基底面滑动（图影响，仍假定衬砌体在荷载作用下沿衬砌基底面滑动（图6-12）。）。 即先将斜坡部分垂直力分解为：垂直与平行斜坡面的两个分力即先将斜坡部分垂直力分解为：垂直与平行斜坡面的两个分力N和和N ，斜坡上的剩余下滑力为：，斜坡上的剩余下滑力为： （6-41） sin11cos111NyNNxNNfNNo 式中式中:o f摩擦系数；摩擦系数；o 衬砌斜面与水平面夹角；衬砌斜面与水平面夹角；o 折减系数，与基岩有关。折减系数，与基岩有关。 将有关荷载分别合并后，按常规方法计算衬砌体沿将有关荷载分别合并后，按常规方法计算衬砌体沿基底的滑动稳定。基底的滑动稳定。 衬砌墙的断面强度核算

53、有两种方法，一种是材料衬砌墙的断面强度核算有两种方法，一种是材料力学方法分层校核强度。另一种是用弹性力学的有限力学方法分层校核强度。另一种是用弹性力学的有限单元法求得断面的应力值。单元法求得断面的应力值。 对于有锚筋的衬砌墙，可把衬砌墙视为支承在按对于有锚筋的衬砌墙，可把衬砌墙视为支承在按正方形或矩形布置的锚筋上的无梁楼盖或弹性支承上正方形或矩形布置的锚筋上的无梁楼盖或弹性支承上的多跨连续梁验算强度。边长为的多跨连续梁验算强度。边长为L La a 的正方形无梁楼的正方形无梁楼盖板最大应力盖板最大应力max 在支点处，其值按下式计算。在支点处，其值按下式计算。 当锚筋间距和衬砌墙的厚度拟定后，可

54、直接求得支点处当锚筋间距和衬砌墙的厚度拟定后，可直接求得支点处的最大应力，据此即可进行强度验算和配筋计算。的最大应力，据此即可进行强度验算和配筋计算。 （6-42） Pw 作用于正方形板中心处的水压力强度；作用于正方形板中心处的水压力强度； t 衬砌墙的计算厚度，初步设计时可按：衬砌墙的计算厚度，初步设计时可按： t =0.05La+0.2估算（单位估算（单位m）；）； La 锚筋间距。锚筋间距。 ) 1 . 12ln4 . 2(422maxtLtLpaaw 锚筋可按以下公式计算：锚筋可按以下公式计算：1）锚筋断面：）锚筋断面： （6-43） 式中：式中： Fa 锚筋断面面积，锚筋断面面积，m

55、m2； 锚筋容许拉应力，锚筋容许拉应力，MPa； Zi 第第i根锚筋所受的拉应力，根锚筋所受的拉应力，MPa。 iaZF 2）锚筋长度：）锚筋长度： （6-44）式中式中（见图示）（见图示）： m 安全系数，一般取安全系数，一般取2.0。 da锚筋和锚孔直径，锚筋和锚孔直径，mm； （根据规范（根据规范: ） Ra锚筋与水泥沙浆、水泥沙浆与岩石间的粘结力锚筋与水泥沙浆、水泥沙浆与岩石间的粘结力一般取一般取0.60.8 MPa。 aaiaRdmZL 3）锚孔深度）锚孔深度 （6-45）式中：式中： m 安全系数，一般取安全系数，一般取2.0。 Lc 锚孔深度，锚孔深度，mm； dc锚筋和锚孔直径

56、，锚筋和锚孔直径，mm； Rc 锚筋与水泥沙浆、水泥沙浆与岩石间的粘结力锚筋与水泥沙浆、水泥沙浆与岩石间的粘结力一般取一般取0.20.4 MPa。 ccicRdmZL5、混合式、混合式 混合式闸墙除应满足整体抗倾稳定外，应将上部挡混合式闸墙除应满足整体抗倾稳定外，应将上部挡土墙和下部衬砌墙作为独立结构，分别进行稳定和强度土墙和下部衬砌墙作为独立结构，分别进行稳定和强度验算。验算。 该型式应力分布状态与基岩特性，闸墙结构型式和该型式应力分布状态与基岩特性，闸墙结构型式和尺度密切相关，目前尚无完善的计算方法。只能用材料尺度密切相关，目前尚无完善的计算方法。只能用材料力学方法求近似解。力学方法求近似

57、解。 整体稳定性验算：考虑为一刚性整体，绕基底整体稳定性验算：考虑为一刚性整体，绕基底O点点抗倾稳定性验算。由于在极限平衡状态下，重力墙后悬抗倾稳定性验算。由于在极限平衡状态下，重力墙后悬臂有与岩面脱离的趋势，因此计算中一般不考虑后悬臂臂有与岩面脱离的趋势，因此计算中一般不考虑后悬臂板与岩石面水平反力的抗倾覆作用。板与岩石面水平反力的抗倾覆作用。图图6-13 混合式结构计算图式混合式结构计算图式 独立结构计算：独立结构计算：（1）上部按一般重力式计算；）上部按一般重力式计算；（2）下部可按一般衬砌墙计算，考虑自重和墙后水压力等）下部可按一般衬砌墙计算，考虑自重和墙后水压力等力外，还需考虑上部结

58、构传来的垂直及水平荷载。力外，还需考虑上部结构传来的垂直及水平荷载。 上部重力墙作用在下部衬砌墙上的垂直力可按下式计算：上部重力墙作用在下部衬砌墙上的垂直力可按下式计算： （6-46）式中：式中： G 作用于衬砌墙顶面的垂直力，作用于衬砌墙顶面的垂直力，kN； max、k分别为重力墙基底面最大应力和分别为重力墙基底面最大应力和k点点处的应力，处的应力，kpa ； b 衬砌墙顶宽，衬砌墙顶宽，m。 2)(maxbGk独立结构计算：独立结构计算： 上部重力墙作用于衬砌墙上的水平力可按下式计算：上部重力墙作用于衬砌墙上的水平力可按下式计算： （6-47） （6-48）式中：式中： E上部重力墙作用于

59、衬砌墙上的水平力，上部重力墙作用于衬砌墙上的水平力，kN； 1和和2分别为作用于衬砌墙顶面正应力图形面积和基岩面正应力分别为作用于衬砌墙顶面正应力图形面积和基岩面正应力图形面积，图形面积，m2； H作用于重力墙的水平力总和，作用于重力墙的水平力总和，kN ； B重力墙底宽，重力墙底宽，m。HE211HBbE6、分离式闸室的底板、分离式闸室的底板 分离式闸室的闸底可根据地基条件、水头大小等因素采分离式闸室的闸底可根据地基条件、水头大小等因素采用透水闸底和不透水闸底。用透水闸底和不透水闸底。 当重力式、扶壁式等闸室结构采用不透水闸底时，其底当重力式、扶壁式等闸室结构采用不透水闸底时，其底板常用双铰

60、底板。板常用双铰底板。 双绞底板一般采用双绞底板一般采用地基反力折线分布假设地基反力折线分布假设计算，在计算，在铰接处只传递水平力和垂直力，不传递弯距，其计算图式如铰接处只传递水平力和垂直力，不传递弯距，其计算图式如图图6-14。 图图6-14 地基反力折线法计算图式地基反力折线法计算图式 B / 2abqNM根据闸墙段的静力平衡条件，得根据闸墙段的静力平衡条件，得 （6-49）式中：式中： M作用在闸墙段上所有荷载对绞点的力矩总和（顺时针为作用在闸墙段上所有荷载对绞点的力矩总和（顺时针为正），正），KNm； V作用在闸墙段上向下垂直力的总和，作用在闸墙段上向下垂直力的总和，KN； q 作用在