水閘PPT課件.pptVIP

第四章水閘 黑龍江農墾林業(yè)職業(yè)技術學院 1 第七節(jié)閘門與啟閉機第八節(jié)水閘的穩(wěn)定分析及地基處理第九節(jié)閘室的結構設計第十節(jié)水閘的兩岸連接建筑物第十一節(jié)水閘的運用管理 習題 第四章水閘 2 第七節(jié)閘門與啟閉機 一 閘門 一 閘門的類型 二 平面閘門的構造二 啟閉機 一 卷揚式啟閉機 二 螺桿式啟閉機 三 油壓啟閉機 3 第八節(jié)水閘的穩(wěn)定分析及地基處理 一 荷載及其組合 一 水閘承受的主要荷載 二 荷載組合 三 閘室的穩(wěn)定性及安全指標 四 計算方法驗算閘室基底壓力二 閘基的沉降三 地基處理 4 第九節(jié)閘室的結構設計 一 閘墩的結構計算 一 平面閘門閘墩應力計算 二 弧形閘門閘墩二 整體式平底板內力計算 一 彈性地基梁法 二 反力直線法 三 倒置梁法三 胸墻 工作橋 交通橋等結構計算四 樁基設計 5 第十節(jié)水閘的兩岸連接建筑物 一 連接建筑物的形式和布置二 連接建筑物的形式和布置 一 閘室與河岸的連接型式 二 翼墻的布置三 兩岸連接建筑物的結構型式 一 重力式擋土墻 二 懸臂式擋土墻 三 扶壁式擋土墻 四 空箱式擋土墻 五 連拱式擋土墻 6 第十一節(jié)水閘的運用管理 一 水閘的檢查與養(yǎng)護二 水閘常見問題的處理 一 水閘的裂縫處理 二 滲漏處理 三 下游沖刷的處理 四 水閘磨損的處理 五 水閘氣蝕的處理三 閘門 啟閉機的運用 一 運用前的準備工作 二 閘門的操作 三 多孔閘門的運用 7 第七節(jié)閘門與啟閉機 閘門是水閘的關鍵部分 用8它來封閉和開啟孔口 以達到控制水位和調節(jié)流量的目的 一 閘門 一 閘門的類型1 按工作性質分類閘門按其工作性質的不同 可分為工作閘門 事故閘門和檢修閘門等 8 工作閘門 又稱主閘門 是水工建筑物正常運行情況下使用的閘門 事故閘門 是在水工建筑物或機械設備出現(xiàn)事故時 在動水中快速關閉孔口的閘門 又稱快速閘門 事故排除后充水平壓 在靜水中開啟 檢修閘門用以臨時擋水 一般在靜水中啟閉 9 2 按門體的材料分類閘門按門體的材料可分為鋼閘門 鋼筋混凝土或鋼絲網水泥閘門 木閘門及鑄鐵閘門等 鋼閘門門體較輕 一般用于大 中型水閘 鋼筋混凝土或鋼絲網水泥閘門可以節(jié)省鋼材 不需除銹但前者較笨重 啟閉設備容量大 后者容易剝蝕 耐久性差 一般用于渠系小型水閘 鑄鐵門抗銹蝕 抗磨性能好 止水效果也好 但由于材料抗彎強度較低 性能又脆 故僅在低水頭 小孔徑水閘中使用 木閘門耐久性差 已日趨不用 10 3 按結構形式分類閘門按其結構形式可分為平面閘門 弧形閘門等 弧形閘門與平面閘門比較 其主要優(yōu)點是啟門力小 可以封閉相當大面積的孔口 無影響水流態(tài)的門槽 閘墩厚度較薄 機架橋的高度較低 埋件少 它的缺點是需要的閘墩較長 不能提出孔口以外進行檢修維護 也不能在孔口之間互換 總水壓力集中于支鉸處 閘墩受力復雜 11 二 平面閘門的構造平面閘門由活動部分 即門葉 埋固部分和啟閉設備三部分組成 其中門葉由承重結構 包括面板 梁格 豎向連結系或隔板 門背 縱向 連接系和支承邊梁等 支承行走部件 止水裝置和吊耳等組成 埋固部分一般包括行走埋固件和止水埋固體等 啟閉設備一般由動力裝置 傳動和制動裝置以及連接裝置等組成 12 平面閘門的基本尺寸根據(jù)孔口尺寸確定 孔口尺寸應優(yōu)先采用鋼閘門設計規(guī)范中推薦的系列尺寸 露頂式閘門頂部應在可能出現(xiàn)的最高擋水位以上有0 3 0 5m的超高 13 二 啟閉機閘門啟閉機可分為固定式和移動式兩種 啟閉機型式可根據(jù)門型 尺寸及其運用條件等因素選定 選用啟閉機的啟閉力應等于或大于計算啟閉力 同時應符合國家現(xiàn)行的SL41 93 水利水電工程啟閉機設計規(guī)范 所規(guī)定的啟閉機系列標準 當多孔閘門啟閉頻繁或要求短時間內全部均勻開啟時 每孔應設一臺固定式啟閉機 常用的固定式啟閉機有卷揚式 螺桿式 油壓式 14 一 卷揚式啟閉機主要由電動機 減速箱 傳動軸和繩鼓所組成 繩鼓固定在傳動軸上 圍繞鋼絲繩 鋼絲繩連接在閘門吊耳上 啟閉閘門時 通過電動機 減速箱和傳動軸使繩鼓轉動 帶動閘門升降 為了防備停電或電器設備發(fā)生故障 可同時使用人工操作 通過手搖箱進行人力啟閉 15 卷揚式啟閉機啟閉能力較大 操作靈便 啟閉速度快 但造價較高 適用于弧形閘門 某些平面閘門能靠自重 或加重 關閉 且啟閉力較大時 也可采用卷揚式啟閉機 16 二 螺桿式啟閉機當閘門尺寸和啟閉力都很小時 常用簡便 廉價的單吊點螺桿式啟閉機 螺桿與閘門連接 用機械或人力轉動主機 迫使螺桿連同閘門上下移動 當水壓力較大 門重不足時 為使閘門關閉到底 可通過螺桿對閘門施加壓力 當螺桿長度較大 如大于3m 時 可在胸墻上每隔一定距離設支撐套環(huán) 以防止螺桿受壓失穩(wěn) 其啟閉重量一般為3 100KN 17 三 油壓啟閉機油壓啟閉機的主體為油缸和活塞 活塞經活塞桿或連桿和閘門連接 改變油管中的壓力即可使活塞帶動閘門升降 其優(yōu)點是利用油泵產生的液壓傳動 可用較小的動力獲得很大的啟重力 液壓傳動比較平穩(wěn)和安全 較易實行遙控和自動化等 主要缺點是缸體內圓鏜的加工受到各地條件的限制 質量不易保證 造價也較高 18 第八節(jié)水閘的穩(wěn)定分析及地基處理 水閘竣工時 地基所受的壓力最大 沉降也較大 過大的沉降 特別是不均勻沉降 會使閘室傾斜 影響水閘的正常運行 當?shù)鼗惺艿暮奢d過大 超過其容許承載力時 將使地基整體發(fā)生破壞 水閘在運用期間 受水平推力的作用 有可能沿地基面或深層滑動 因此 必須分別驗算水閘在不同工作情況下的穩(wěn)定性 對于孔數(shù)較少而未分縫的小型水閘 可取整個閘室 包括邊墩 作為驗算單元 對于孔數(shù)較多設有沉降縫的水閘 則應取兩縫之間的閘室單元分別進行驗算 19 水閘擋水情況荷載示意圖 一 荷載及其組合 20 一 水閘承受的主要荷載 自重 水重 水平水壓力 揚壓力 浪壓力 泥沙壓力 土壓力及地震荷載等 1 自重 包括永久設備自重 壩體自重W標準值計算公式 W Vc kN m 式中 V 壩體體積 m3 c 壩體混凝土的重度 kN m3 21 計算自重時 壩上永久性的固定設備 如閘門 固定式啟閉機的重量也應計算在內 壩內較大的孔洞應該扣除 壩體自重的作用分項系數(shù)為1 0 永久設備自重的作用分項系數(shù) 當其作用效應對結構不利時采用1 05 有利時采用0 95 2 水重當上 下游壩面傾斜時 應計入豎向靜水壓力 3 泥沙壓力入庫水流挾帶的泥沙在水庫中淤積 淤積在壩前的泥沙對壩面產生的壓力 22 計算公式 Psk kN m 式中sb 泥沙的浮重度 kN m3 sb sd 1 n wsd 泥沙的干重度 kN m3 w 水的重度 kN m3 n 泥沙的孔隙率 hs 壩前估算的泥沙淤積厚度 m s 泥沙的內摩擦角 23 當上游壩面傾斜時 應計入豎向淤沙壓力 按淤沙的浮重度計算 淤沙壓力的作用分項系數(shù)采用1 2 泥沙壓力計算圖 24 4 壩底面上的揚壓力 揚壓力的組成及其概念 揚壓力包括滲透壓力和浮托力兩部分 滲透壓力是由上下游水位差產生的滲流而在壩內或壩基面上形成的向上的壓力 浮托力是由下游水深淹沒壩體計算截面而產生向上的壓力 揚壓力的分布與壩體結構 上下游水位 防滲排水設施等因素有關 25 當壩基設有防滲和排水幕時 壩底面上游 壩踵 處的揚壓力作用水頭為H1 排水孔中心線處的揚壓力作用水頭為H2 H H H1 H2 下游 壩趾 處為H2 三者之間用直線連接 當壩基設有防滲帷幕 上游主排水孔幕 下游副排水孔及抽排系統(tǒng)時 壩底面上游處的揚壓力作用水頭為H1 下游壩趾處為H2 主 副排水孔中心線處分別為1H1 2H2 其間各段用直線連接 當壩基無防滲 排水幕時 壩底面上游處的揚壓力作用水頭為H1 下游處為H2 其間用直線連接 26 5 土壓力按主動土壓力計算 6 波浪壓力 平原 濱海地區(qū)水閘按莆田試驗站公式計算和 5 34 5 35 27 式中hm 平均波高 m V0 計算風速 m s 可采用當?shù)貧庀笈_站提供的30年一遇10min平均最大風速 D 風區(qū)長度 m 當對岸最遠水面距離不超過水閘前沿水面寬度5倍時 可采用對岸至水閘前沿的直線距離 當對岸最遠水面距離超過水閘前沿寬度5倍時 可采用水閘前沿水面寬度的5倍 Hm 風區(qū)內的平均水深 m 可由沿風向的地形剖面圖求得 其計算水位與相應計算情況下的靜水位一致 Tm 平均波周期 S 28 查得水閘的設計波列累積頻率P 值 計算hP 波長值計算波浪壓力時分別按下列規(guī)定進行1 當H和時 波浪壓力可按下式計算 29 式中PL 作用于水閘迎水面上的浪壓力 KN m hP 累積頻率為P 的波高 m hz 波浪中心超出計算水位的高度 m HK 使波浪破碎的臨界水深 m 2 當H和時 波浪壓力按下式計算 30 式中ps 閘墩 閘門 底面處的剩余浪壓力強度 Kpa 3 當H HK時 波浪壓力可按下式計算 式中Pj 計算水位處的浪壓力強度 kpa 閘墩 閘門 底面處的浪壓力強度折減系數(shù) 當時 可采用0 6 當時 可采用0 5 Ki 閘前河 渠 底坡影響系數(shù) 31 7 水平水壓力指作用于胸墻 閘門 閘墩及底板上的水平水壓力 上下游應分別計算 作用在鋪蓋與底板連接處的水壓力a 粘土鋪蓋與底板的連接 b 混凝土鋪蓋與底板的連接 32 粘土鋪蓋 a點壓強按靜水壓力計算 b點取該點的揚壓力值 兩者之間按線性規(guī)律考慮 混凝土鋪蓋 止水片以上仍按靜水壓力計算 以下按梯形分布 d點取該點的揚壓力值 止水片底面c點的水壓力等于該點的浮托力加e點處的滲透壓力 即認為c e點間無滲壓水頭損失 33 二 荷載組合 計算閘室穩(wěn)定和應力時的荷載組合 基本組合和特殊組合 必要時可考慮其它可能的不利組合 基本組合 由同時出現(xiàn)的基本荷載組成 特殊組合 由同時出現(xiàn)的基本荷載再加一種或幾種特殊荷載組成 但地震荷載不應與設計洪水位或校核洪水位組合 在進行穩(wěn)定計算時 需要正確地計算各種設計工況下閘室受到的各種荷載 34 三 閘室的穩(wěn)定性及安全指標土基上的閘室穩(wěn)定計算應滿足 在各種計算情況下 閘室平均基底壓力 地基允許承載力 閘室基底應力的地最大值與最小值之比 允許值 沿閘室基礎底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) 應 允許值 35 四 計算方法驗算閘室基底壓力1 當結構布置及受力情況對稱時 按下式計算 式中 閘室基底壓力的最大值或最小值 Kpa 作用在閘室上的全部豎向荷載 包括閘室基礎底面上的揚壓力在內 KN 作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對于基礎底面垂直水流方向的形心軸的力矩 KN m 36 閘室基礎底面的面積 m2 W 閘室基礎底面對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩 m3 2 當結構布置及受力情況不對稱時 按下式計算 式中 作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對于基礎底面形心軸x y的力矩 KN m WX Wy 閘室基礎底面對于該底面形心軸x y的截面矩 m3 37 3 驗算閘室的抗滑穩(wěn)定對建在土基上的水閘 除應驗算其在荷載作用下沿地基的抗滑穩(wěn)定外 當?shù)鼗娴姆ㄏ驊^大時 還需核算深層抗滑穩(wěn)定性 一般情況與 不會發(fā)生深層滑動 粘性土地基上的大型水閘 沿閘室基礎底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)宜按下式計算 當閘室承受雙向水平向荷載作用時 應驗算其合力方向的抗滑穩(wěn)定性 水閘沿閘室基礎底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) 應按下式之一進行計算 38 式中KC 沿閘室基礎底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) f 閘室基礎底面與地基之間的摩擦系數(shù) H 作用在閘室上的全部水平向荷載 KN 閘室基礎底面與土質地基之間摩擦角的正切值 C0 閘室基礎底面與土質地基之間的粘結力 Kpa 若KC K 則需結合工程的具體情況 采取下列一種或幾種抗滑措施 39 將閘門位置移向低水位一側 或將水閘底板向高水位一側加長 適當增大閘室結構尺寸 增加閘室底板的齒墻深度 增加鋪蓋長度或在不影響防滲安全的條件下將排水設施向水閘底板靠近 40 利用鋼筋混凝土鋪蓋作為阻滑板 但閘室自身的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不應小于1 0 計算由阻滑板增加的抗滑力時 阻滑板效果的折減系數(shù)可采用0 80 阻滑板應滿足限裂要求 阻滑板所增加的抗滑力可由下式計算 式中G1 G2 阻滑板上的水重和自重 V 阻滑板下的揚壓力 f 阻滑板與地基間的摩擦系數(shù) 41 二 閘基的沉降由于土基壓縮變形大 容易引起較大的沉降和不均勻沉降 沉降過大 會使閘頂高程降低 達不到設計要求 不均勻沉降過大時 會使底板傾斜 甚至斷裂及止水破壞 嚴重地影響水閘正常工作 因此 應計算閘基的沉降 以便分析了解地基的變形情況 作出合理的設計方案 計算時應選擇有代表性的計算點進行 然后用分層綜合法計算其最終沉降量 式中 土質地基最終沉降量 m m 地基沉降修正系數(shù) 1 0 1 6 42 n 土質地基壓縮層計算深度范圍內的土層數(shù) e1i 基礎底面以下第i層土在平均自重應力作用下 由壓縮曲線查得的相應孔隙比 e2i 基礎底面以下第i層土在平均自重應力加平均附加應力作用下 由壓縮曲線查得的相應孔隙比 hi 基礎底面以下第i層土的厚度 m 43 土質地基允許最大沉降量和最大沉降差的原則 保證水閘安全和正常使用 根據(jù)具體情況研究確定 減小不均勻沉降的措施 盡量使相鄰結構的重量不要相差太大 重量大的結構先施工 使地基先行預壓 盡量使地基反力分布趨于均勻 閘室結構布置勻稱 必要時對地基進行人工加固 44 三 地基處理對于淤泥質土 高壓縮性粘土和松砂所組成的軟弱地基 需要處理 常用的處理方法 換土墊層 樁基礎 沉井基礎 一 換土墊層1 換土墊層法是工程上廣為采用的一種地基處理方法 適用于軟弱粘性土 包括淤泥質土 當軟土層位于基面附近 且厚度較薄時 可全部挖除 如軟土層較厚不宜全部挖除 可采用換土墊層法處理 將基礎下的表層軟土挖除 換以砂性土 水閘即建在新?lián)Q的土基上 45 2 砂墊層的主要作用通過墊層的應力擴散作用 減小軟土層所受的附加應力 提高地基的穩(wěn)定性 減小地基沉降量 鋪設在軟粘土上的砂層 具有良好的排水作用 有利于軟土地基加速固結 46 二 樁基礎在地基中打樁或鉆孔灌注鋼筋混凝土樁 在樁頂上設承臺以支承上部結構 水閘樁基一般采用摩擦樁 由樁周摩擦阻力和樁底支承力共同承擔上部荷載 樁基可以大大提高地基的承載力 因而 采用樁基的閘室可以采用分離式底板 47 三 沉井基礎沉井是一筒狀結構物 可以用漿砌塊石 混凝土或鋼筋混凝土筑成 施工時一般均就地分節(jié)砌筑或澆筑制成沉井 然后在井孔內挖土 這時沉井在自重下克服井外土的摩阻力和刃腳下土的阻力而下沉 當下沉至設計高程后 在井孔內用混凝土封底 也可不封底 即成沉井基礎 沉井基礎的平面布置多呈矩形 沉井的平面尺寸不宜過大 單個沉井的長邊不宜大于30m 長度比不宜大于3 0 當?shù)鼗嬖诔袎核畬忧矣绊懙鼗節(jié)B穩(wěn)定性時 不宜采用沉井基礎 48 第九節(jié)閘室的結構設計 閘室為一受力比較復雜的空間結構 一般都將它分解為若干部件 如閘墩 底板 胸墻 工作橋 交通橋等 分別進行結構計算 同時又考慮相互之間的連接作用 一 閘墩的結構計算閘墩的計算情況有 運用期 檢修期 49 運用期兩邊閘門都關閉時 閘墩承受最大水頭時的水壓力 包括閘門傳來的水壓力 墩自重及上部結構重量 此時 對平面閘門的閘墩應驗算墩底應力和門槽應力 弧形閘門的閘墩除驗算墩底應力以外 還須驗算牛腿強度及牛腿附近閘墩的拉應力集中現(xiàn)象 檢修期 一孔檢修 上下游檢修門關閉而鄰孔過水或關閉時 閘墩承受側向水壓力 閘墩及其上部結構的重力 應驗算閘墩底部強度 弧形閘門的閘墩還應驗算不對稱狀態(tài)時的應力 50 一 平面閘門閘墩應力計算1 墩底水平截面上的正應力計算運用時期對墩底應力最不利 可將其視為固結于閘底板上的懸臂結構 按偏心受壓公式計算應力 式中 墩底正應力的最大和最小值 kPa W 作用在閘墩上全部垂直力 包括自重 之和 KN A 墩底水平截面面積 m2 M 作用在閘墩上的全部荷載對墩底水平截面中心軸 近似地作為形心軸 I I的力矩之和 KN M 51 L 墩底長度 m II 墩底截面對I I軸的慣性矩 近似地取為 m4 B為墩厚 m 墩底水平面上剪應力 的計算式中Q 作用在墩底水平截面上的剪力 KN S1 剪應力計算截面處以遠的各部分面積對I I軸的面積矩之和 m3 b 剪應力計算截面處的墩寬 m 52 2 墩底水平截面上的橫向正應力計算檢修時期是橫向計算的最不利條件 其橫向正應力按下式計算 式中 橫向水壓力對墩底水平截面中心軸II II的力矩之和 kN m 墩底截面對II II軸的慣性矩 53 3 邊墩 縫墩墩底主拉應力計算當邊墩和縫墩閘孔閘門關閉承受最大水頭時 邊墩和縫墩受力不對稱 墩底受縱向剪力和扭矩的共同作用 可能產生較大的主拉應力 半扇閘門傳來的水壓力P不通過縫墩底面形心 產生的扭矩為Mn Pb1 其中b1為P至形心軸 的距離 扭矩Mn在A點 1 2墩長的邊界處 產生的剪應力近似值 1水壓力P對水平截面的剪切作用 A點產生的剪應力近似值 2 54 A點的主拉應力 式中 邊墩或縫墩在A點的正應力 以壓應力為負 不得大于混凝土的允許拉應力 否則應配受力鋼筋 55 4 門槽應力計算門槽頸部因受閘門傳來的水壓力而可能受拉 應進行強度計算 以確定配筋量 計算時在門槽處截取脫離體 取下游段或上游段底板以上閘墩均可 將閘墩及其上部結構重量 水壓力及閘墩底面以上的正應力和剪應力等作為外荷載施加在脫離體上 根據(jù)平衡條件 求出作用于門槽截面BE中心的力T0及力矩M0 然后按偏心受壓公式求出門槽應力 56 式中T0 脫離體上水平作用力的總和 A 門槽截面面積 M0 脫離體上所有荷載對門槽截面中心o 的力矩之和 I 槽截面對中心軸的慣性矩 b h 分別為門槽截面寬度和高度 57 2020 1 8 58 5 閘墩配筋閘墩配筋 閘墩的內部應力不大 一般不會超過墩體材料的允許應力 按理可不配置鋼筋 但考慮到混凝土的溫度 收縮應力的影響 以及為了加強底板與閘墩間施工縫的連接 仍需配置構造鋼筋 垂直鋼筋一般每米3 4根 10 14mm 下端伸入底板25 30倍鋼筋直徑 上端伸至墩頂或底板以上2 3m處截斷 溫度變化較小地區(qū) 考慮到檢修時受側向壓力的影響 底部鋼筋應適當加密 水平向分布鋼筋一般用 8 12mm 每米3 4根 這些鋼筋都沿閘墩表面布置 59 閘墩的上下游端部 特別是上游端 容易受到飄流物的撞擊 一般自底至頂均布置構造鋼筋 網狀分布 閘墩墩頂支承上部橋梁的部位 亦要布置構造鋼筋網 門槽配筋 一般情況下 門槽頂部為壓應力 底部為拉應力 若拉應力超過混凝土的允許拉應力時 則按全部拉應力由鋼筋承擔的原則進行配筋 否則配置構造鋼筋 布置在門槽兩側 水平排列 每米3 4根 直徑較之墩面水平分布鋼筋適當加大 60 二 弧形閘門閘墩弧形閘門通過牛腿支承在閘墩上 故不需設置門槽 牛腿寬度b不小于50 70cm 高度h不小于80 100cm 并在其端部設450斜坡 牛腿軸線盡量與閘門關閉時門軸處合力作用線一致 閘門關閉擋水時 牛腿在半扇弧形閘門水壓力R的法向分力N和切向分力T共同作用下工作 分力N使牛腿彎曲和剪切 T則使牛腿產生扭曲和剪切 牛腿可視為短懸臂梁進行內力計算和配筋 61 牛腿處閘墩在分力N作用下 根據(jù)偏光彈性試驗表明 在牛腿前約2倍牛腿寬 1 5 2 5倍牛腿高范圍 墩內的主拉應力大于混凝土的容許拉應力 需要配筋 在此范圍以外 拉應力小于混凝土的容許拉應力 不需配筋或按構造配筋 在牛腿處閘墩鋼筋面積 可按下式計算 62 式中N 牛腿前大于混凝土容許拉應力范圍內的總拉力 約為牛腿集中力N的70 80 r0 結構重要性系數(shù) 設計狀況系數(shù) rd 結構重要性系數(shù) 重要的大型水閘 應經試驗確定閘墩的應力狀態(tài) 并據(jù)此配置鋼筋 63 二 整體式平底板內力計算整體式平底板的平面尺寸遠較厚度為大 可視為地基上的受力復雜的一塊板 目前工程實際仍用近似簡化計算方法進行強度分析 一般認為閘墩剛度較大 底板順水流方向彎曲變形遠較垂直水流方向小 假定順水流方向地基反力呈直線分布 故常在垂直水流方向截取單寬板條進行內力計算 64 按照不同的地基情況采用不同的底板應力計算方法 相對密度Dr 0 5的砂土地基或粘性土地基 可采用彈性地基梁法 相對密度Dr0 5的砂土地基 因地基松軟 底板剛度相對較大 變形容易得到調整 可以采用地基反力沿水流流向呈直線分布 垂直水流流向為均勻分布的反力直線分布法 對小型水閘 則常采用倒置梁法 65 一 彈性地基梁法該法認為底板和地基都是彈性體 底板變形和地基沉降協(xié)調一致 垂直水流方向地基反力不呈均勻分布 圖5 62 據(jù)此計算地基反力和底板內力 此法考慮了底板變形和地基沉降相協(xié)調 又計入邊荷載的影響 比較合理 但計算比較復雜 66 當采用彈性地基梁法分析水閘閘底板應力時 應考慮可壓縮土層厚度T與彈性地基梁半長L 2之比值的影響 當于0 25時 可按基床系數(shù)法 文克爾假定 計算 當大于2 0時 可按半無限深的彈性地基梁法計算 當2T L為0 25 2 0時 可按有限深的彈性地基梁計算 彈性地基梁法計算地基反力和底板內力的具體步驟如下 用偏心受壓公式計算閘底縱向 順水流方向 地基反力 在垂直水流方向截取單寬板條及墩條 計算板條及墩條上的不平衡剪力 67 以閘門槽上游邊緣為界 將底板分為上 下游兩段 分別在兩段的中央截取單寬板條及墩條進行分析 如下圖所示 作用在板條及墩條上的力有 底板自重 q1 水重 q2 中墩重 G1 bi 及縫墩重 G2 bi 中墩及縫墩重中 包括其上部結構及設備自重在內 在底板的底面有揚壓力 q3 及地基反力 q4 68 作用在單寬板條上的荷載及地基反力示意圖 69 確定不平衡剪力在閘墩和底板上的分配 不平衡剪力Q應由閘墩及底板共同承擔 各自承擔的數(shù)值 可根據(jù)剪應力分面圖面積按比例確定 為此 需要繪制計算板條及墩條截面上的剪應力分布圖 對于簡單的板條和墩條截面 可直接應用積分法求得 計算基礎梁上的荷載 計算地基反力及梁的內力 70 二 反力直線法該法假定地基反力在垂直水流方向也為均勻分布 其計算步驟是 1 用偏心受壓公式計算閘底縱向地基反力 2 確定單寬板條及墩條上的不平衡剪力 3 將不平衡剪力在閘墩和底板上進行分配 4 計算作用在底板梁上的荷載 71 三 倒置梁法該法同樣也是假定地基反力沿閘室縱向呈直線分布 橫向 垂直水流方向 為均勻分布 它是把閘墩作為底板的支座 在地基反力和其它荷載作用下按倒置連續(xù)梁計算底板內力 倒置梁法的缺點是沒有考慮底板與地基變形協(xié)調條件 假設底板在橫向的地基反力為均勻分布與實際情況不符 閘墩處的支座反力與實際的鉛直荷載也不相等 因此 該法只適用于軟弱地基上的小型水閘 72 三 胸墻 工作橋 交通橋等結構計算視支承和結構情況按板或板梁系統(tǒng)進行結構計算 四 樁基設計水閘樁基礎通常應采用摩擦型樁 包括摩擦樁和端承摩擦樁 即樁頂荷載全部或主要由樁側摩阻力承受 樁的根數(shù)和尺寸按照承擔底板底面以上的全部荷載 包括豎向荷載和水平向荷載 確定 不考慮樁間土的承載能力 在同一塊底板下 不應采用直徑 長度相差過大的摩擦型樁 也不應同時采用摩擦樁和端承型樁 73 一 樁的水平承載力和根數(shù)的確定假設水閘傳來的總水平荷載H由各樁平均承擔 每根樁承擔的水平荷載 應小于單樁的允許水平承載力 T 據(jù)此確定樁的數(shù)目N 式中 H 作用于樁基上的總水平荷載 KN T 每根樁承擔的水平荷載 KN T 值 可根據(jù)樁的直徑 單樁和群樁關系 地基條件等因素 以控制允許的水平位移值為主要指標 通過計算并參照已建類似工程資料確定 74 二 樁的布置常用的灌注樁直徑為0 6 1 2m 樁的平面布置應盡量使樁群的重心與底板以上各種荷載的合力作用點相接近 以使每根樁上受力接近相等 樁在順水流方向一般設一排 等距布置 當孔徑較大 樁數(shù)較多 一排布置不下時 可設兩排或三排 每排樁數(shù)不宜少于四根 在平面上呈梅花形 矩形或正方形 預制樁的中心距不應小于3倍樁徑 鉆孔灌注樁的中心不應小于2 5倍樁徑 75 三 樁長的確定樁位確定后 即可根據(jù)單樁承受的鉛直荷載Pi和單樁允許鉛直承載力 Pa 確定樁長 可先假定樁長 Pi由偏心受壓公式確定 而 Pa 可根據(jù)樁尖支承面的容許承載力及樁周的容許摩擦力確定 若 Pa Pi max為止 灌注樁長度尚需滿足嵌固條件 即樁長要大于12倍樁徑 對大型水閘 單樁允許鉛直承載力 Pa 應由現(xiàn)場試驗驗證 76 第十節(jié)水閘的兩岸連接建筑物 水閘與河岸或堤 壩等連接時 必須設置連接建筑物 水閘多建在軟土地基上 由于基礎壓縮性大 承載力低故沉陷量較大 輕則影響使用 重則危及水閘安全 且由于水閘水頭變幅大 過閘水流往往消能不充分 加上土基抗沖能力低 所以下游沖刷較普遍 此外 閘基和兩岸滲流對水閘的穩(wěn)定不利 容易引起滲透變形 77 一 連接建筑物的形式和布置連接建筑物包括 上 下游翼墻和邊墩 或邊墩和岸墻 有時設防滲刺墻 其作用 擋住兩側填土 維持土壩及兩岸的穩(wěn)定 當水閘泄水或引水時 上游翼墻主要用于引導水流平順進閘 下游翼墻使出閘水流均勻擴散 減少沖刷 78 保持兩岸或土壩邊坡不受過閘水流的沖刷 控制通過閘身兩側的滲流 防止與其相連的岸坡或土壩產生滲透變形 在軟弱地基上設有獨立岸墻時 可以減少地基沉降對閘身應力的影響 在水閘工程中 兩岸連接建筑在整個工程中所占比重較大 有時可達工程總造價的15 40 閘孔愈少 所占比重愈大 79 二 連接建筑物的形式和布置 一 閘室與河岸的連接型式水閘閘室與兩岸 或堤 壩等 的連接型式主要與地基及閘身高度有關 當?shù)鼗^好 閘身高度不大時 可用邊墩直接與河岸連接 當閘身較高 地基軟弱的條件下 可在邊墩外側設置輕型岸墻 邊墩只起支承閘門及上部結構的作用 而土壓力全由岸墻承擔 這種連接型式可以減少邊墩和底板的內力 同時還可使作用在閘室上的荷載比較均衡 可減少不均勻沉降 當?shù)鼗休d力過低 可采用護坡岸墻的結構型式 80 護坡岸墻的優(yōu)點 邊墩既不擋土 也不設岸墻擋土 因此 閘室邊孔受力狀態(tài)得到改善 適用于軟弱地基 缺點 防滲和抗凍性能較差 為了擋水和防滲需要 在岸坡段設刺墻 其上游設防滲鋪蓋 護坡連接型式 81 二 翼墻的布置上游翼墻應與閘室兩端平順連接 其順水流方向的投影長度應大于或等于鋪蓋長度 下游翼墻的平均擴散角每側宜采用7 12 其順水流方向的投影長度大于或等于消力池長度 上 下游翼墻的墻頂高程應分別高于上 下游最不利的運用水位 翼墻分段長度應根據(jù)結構和地基條件確定 可采用15 20m 建筑在軟弱地基或回填土上的翼墻分段長度可適當縮短 1 反翼墻 2 圓弧式翼墻 4 斜降翼墻 3 扭曲面翼墻 82 1 反翼墻翼墻自閘室向上 下游延伸一段距離 然后轉彎90 插入堤岸 墻面鉛直 轉彎半徑約2 5m 這種布置形式的防滲效果和水流條件均較好 但工程量較大 一般適用于大中型水閘 對于渠系小型水閘 為節(jié)省工程量可采用一字型布置型式 即翼墻自閘室邊墩上下游端即垂直插入堤岸 這種布置形式進出水流條件較差 83 2 圓弧式翼墻這種布置是從邊墩開始 向上 下游用圓弧形的鉛直翼墻與河岸連接 上游圓弧半徑為15 30m 下游圓弧半徑為30 40m 其優(yōu)點是水流條件好 但模板用量大 施工復雜 適用于上下游水位差及單寬流量較大 閘室較高 地基承載力較低的大中型水閘 84 3 扭曲面翼墻翼墻迎水面是由與閘墩連接處的鉛直面 向上 下游延伸而逐漸變?yōu)閮A斜面 直至與其連接的河岸 或渠道 的坡度相同為止 翼墻在閘室端為重力式擋土墻斷面形式 另一端為護坡形式 這種布置形式的水流條件好 且工程量小 但施工較為復雜 應保證墻后填土的夯實質量 否則容易斷裂 這種布置形式在渠系工程中應用較廣 85 4 斜降翼墻在平面上呈八字形 隨著翼墻向上 下游延伸 其高度逐漸降低 至末端與河底齊平 見圖5 73 這種布置的優(yōu)點是工程量省 施工簡單 但防滲條件差 泄流時閘孔附近易產生立軸漩渦 沖刷河岸或壩坡 一般用于較小水頭的小型水閘 上 86 三 兩岸連接建筑物的結構型式兩岸連接建筑物從結構觀點分析 是擋土墻 常用的型式有 重力式 懸臂式 扶壁式 空箱式及連拱空箱式等 一 重力式擋土墻重力式擋土墻主要依靠自身的重力維持穩(wěn)定 常用混凝土和漿砌石建造 由于擋土墻的斷面尺寸大 材料用量多 建在土基上時 基墻高一般不宜超過5 6m 87 重力式擋土墻頂寬一般為0 4 0 8m 邊坡系數(shù)m為0 25 0 5 混凝土底板厚約0 5 0 8m 兩端懸出0 3 0 5m 前趾常需配置鋼筋 為了提高擋土墻的穩(wěn)定性 墻頂填土面應設防滲 墻內設排水設施 以減少墻背面的水壓力 排水設施可采用排水孔或排水暗管 重力式翼墻結構計算同擋土墻 88 二 懸臂式擋土墻懸臂式擋土墻是由直墻和底板組成的一種鋼筋混凝土輕型擋土結構 其適宜高度為6 10m 用作翼墻時 斷面為倒T形 用作岸墻時 則為L形 這種翼墻具有厚度小 自重輕等優(yōu)點 它主要是利用底板上的填土維持穩(wěn)定 底板寬度由擋土墻穩(wěn)定條件和基底壓力分布條件確定 調整后踵長度 可以改善穩(wěn)定條件 調整前趾長度 可以改善基底壓力分布 直徑和底板近似按懸臂板計算 89 三 扶壁式擋土墻當墻的高度超過9 10m以后 采用鋼筋混凝土扶壁式擋土墻較為經濟 扶壁式擋土墻由直墻 底板及扶壁三部分組成 利用扶壁和直墻共同擋土 并可利用底板上的填土維持穩(wěn)定 當改變底板長度時 可以調整合力作用點位置 使地基反力趨于均勻 90 鋼筋混凝土扶壁間距一般為3 4 5m 扶壁厚度0 3 0 4m 底板用鋼筋混凝土建造 其厚度由計算確定 一般不小于0 4m 直墻頂端厚度不小于0 2m 下端由計算確定 懸臂段長度b約為 1 3 1 5 B 直墻高度在6 5m以內時 直墻和扶壁可采用漿砌石結構 直墻頂厚0 4 0 6m 臨土面可做成1 0 1的坡度 扶壁間距2 5m 厚0 5 0 6m 底板的計算 分前趾和后踵兩部分 扶壁計算 可把扶壁與直墻作為整體結構 取墻身與底板交界處的T形截面按懸臂梁分析 91 四 空箱式擋土墻空箱式擋土墻由底板 前墻 后墻 扶壁 頂板和隔板等組成 利用前后墻之間形成的空箱充水或填土可以調整地基應力 因此 它具有重力小和地基應力分布均勻的優(yōu)點 但其結構復雜 需用較多的鋼筋和木材 施工麻煩 造價較高 故僅在某些地基松軟的大中型水閘中使用 在上下游翼墻中基本上不再采用 頂板和底板均按雙向板或單向板計算 原則上與扶壁式底板計算相同 前墻 后墻與扶壁式擋土墻的直墻一樣 按以隔墻支承的連續(xù)板計算 92 五 連拱式擋土墻連拱空箱式土墻也是空箱式擋土墻的一種型式 它由底板 前墻 隔墻和拱圈組成 前墻和隔墻多采用漿砌石結構 底板和拱圈一般為混凝土結構 拱圈凈跨一般為2 3m 矢跨比常為0 2 0 3 厚度為0 1 0 2m 拱圈的強度計算可選取單寬拱條 按支承在隔墻 扶壁 上的兩鉸拱進行計算 連拱式擋土墻的優(yōu)點是 鋼筋省 造價低 重力小 適用于軟土地基 缺點是 擋土墻在平面布置上需轉彎時施工較為困難 整體性差 93 第十一節(jié)水閘的運用管理 一 水閘的檢查與養(yǎng)護1 雜物的清理 2 嚴禁超載 3 防止沖刷4 啟閉靈活5 防蝕防腐 94 二 水閘常見問題的處理 一 水閘的裂縫處理水閘的裂縫通常出現(xiàn)在閘底板 閘墩 翼墻 下游護坦等部位 漿砌石擋土墻和砌石護坡也易產生裂縫 95 1 閘墩裂縫閘墩裂縫最常見的是發(fā)生在弧形閘門閘墩的牛腿與閘門之間的范圍內 多呈鉛直向且貫穿閘墩 處理時 多采用預應力拉桿錨固法 一般是沿閘墩主拉應力方向增設高強度預應力鋼筋 拉桿 主拉桿的布置應與主拉應力大小 方向相適應 呈扁形分布 主拉桿上游端通過鋼板與錨筋連接 下游端穿過牛腿 桿端配置螺帽并施加預應力 為保護拉桿并使表面平整 應將墩石鑿成寬深均為5cm的槽 使拉桿放入其內 張拉后用水泥砂漿抹平 96 2 翼墻裂縫上下游翼墻通常采用各種形式的擋土墻 由于溫度變化 不均勻沉降 墻后未設排水孔 墻后填土不實或凍脹等原因 引起墻體移動 傾斜并產生裂縫 修補前 要查明并消除產生裂縫的原因 特別是墻后未設排水孔的 應重新設置 經驗算 如墻體不能抵抗墻后土壓力 可用錨筋加固 當擋土墻有整體滑動危險時 可在墻前打樁 并在樁上澆筑混凝土蓋重 97 3 下游護坦裂縫護坦裂縫主要是由于地基不均勻沉陷 溫度變化 排水堵塞或排水布置不合理等原因造成的 沉陷裂縫的處理一般是待其基本穩(wěn)定以后 將裂縫改作沉陷縫 并在縫中設止水 排水堵塞應查明原因 及時進行必要的翻修 溫度裂縫雖然易于產生 但尺寸小變化慢 一般可將縫隙鑿槽 先用柏油麻繩封住后 再用砂漿抹平 但密實性差 也可在枯水期往槽內嵌補環(huán)氧材料或混凝土 有時也可利用裂縫作一道伸縮縫 對某些混凝土體較厚部位的貫穿性裂縫可采用灌漿處理法 98 二 滲漏處理水閘的滲漏主要是指閘基滲漏和側向繞滲等 處理原則仍為上截下排 即防滲和排滲相結合 1 閘基滲漏閘基的異常滲漏 不僅會引起滲透變形 甚至將直接影響水閘的穩(wěn)定性 因此 要認真分析 查清滲水來源 工程中通常采用以下措施進行防滲 99 延長或加厚原鋪蓋加大鋪蓋尺寸 可以提高防滲能力 如原鋪蓋損壞嚴重 引起滲徑長度不足 應將這些部位鋪蓋挖除 重新回填翻新 及時修補止水當鋪蓋與閘底板 翼墻間 岸墻與邊墩等連接部位的止水損壞后 要及時進行修補 以確保整個防滲體系的完整性 100 底板 鋪蓋與地基間的空隙是常見的滲漏通道 不僅使?jié)B透變形迅速擴大 還會影響底板的安全使用 一般可采用水泥灌漿予以堵閉 增設或加厚防滲帷幕建在巖基上的水閘 如基礎裂隙發(fā)育或較破碎 可考慮在閘底板首端增設防滲帷幕 若原有帷幕的 應設法加厚 101 2 側向繞滲嚴重的側向繞滲將引起下游邊坡的滲透變形 甚至造成翼墻歪斜 倒塌等事故 工程中防滲措施較多 如經常維護岸墻 翼墻及接縫止水 確保其防滲作用 對于防滲結構破壞的部位 應用開挖回填 徹底翻修的方法 若原來沒有刺墻的 可考慮增設刺墻 但要嚴格控制施工質量 對于接縫止水損壞的 應補做止水結構 如橡皮止水 金屬片止水 瀝青止水 102 三 下游沖刷的處理水閘下游沖刷破壞的主要部位是護坦 海漫 下游河床及兩岸邊坡 處理方法 以改善水流流態(tài) 充分消能為目的的消能措施 以提高抗沖能力為目的的防護措施 103 四 水閘磨損的處理水閘的磨損現(xiàn)象 主要是發(fā)生在多沙河流上 如閘底板 護坦因設計不周 引起的磨損應通過改善結構的布置來防治 對于水閘護坦上因設置消力墩引起的立軸漩渦長時間挾帶泥沙在一定的范圍旋轉 使護坦磨損 嚴重時會磨穿護坦