水閘在強浪區(qū)的受力分析與結構設計

1、水閘在強浪區(qū)的受力分析與結構設計金德鋼 魏立峰寧波市水利水電規(guī)劃設計研究院 315192摘要：本文主要針對強潮涌浪水閘主要受力情況進行分析，對比水閘設計規(guī)范和實際模型試驗測力成果，針對強潮涌浪地區(qū)水閘結構設計提出合理方案，并對其他有關一些問題進行了討論，供廣大設計人員參考。1、工程概況洋沙山萬畝造地項目位于北侖區(qū)春曉鎮(zhèn)東南海域，屬山區(qū)獨立水系，流域面積42km2。三山大閘工程是該項目的主要擋潮排澇工程，排澇標準20年一遇，設計最大排澇流量為469m3/s。內(nèi)河正常水位為0.63m，20年一遇水位為1.98m。擋潮標準為50年一遇，設計潮位為4.44m。水閘所處為無限風區(qū)，外海歷史最高潮位為4.

2、33m，多年平均高潮位為2.39m，多年平均潮位為0.68m，多年平均低潮位為-1.20m。三山大閘共10孔，每孔凈寬4m。水閘底板頂高程-1.9m，胸墻底高程1.9m，工作平臺高程6.7m。閘門板尺寸寬為4.5m,高為4.02m，厚為0.4m。閘門板由三塊疊合而成，每塊高1.34m。05年“麥莎”臺風襲擊三山大閘時，導致十孔閘門的上、中板梁幾乎被全部打斷；07年“羅莎”臺風襲擊時，又導致閘門板梁被大量打裂；且兩次臺風的襲擊，均給水閘帶來較大的振動感，影響了管理人員和當?shù)匕傩諏λl正常安全運行的心理期望。從這兩次臺風襲擊來看，水閘確實存在著一些影響正常使用的安全問題。由于三山大閘肩負著上游近4

3、0 km2流域面積的排澇任務，且所處的洋沙山圍區(qū)區(qū)塊目前已成為北侖重點發(fā)展區(qū)塊寧波經(jīng)濟開發(fā)區(qū)春曉區(qū)塊，區(qū)位的重要性決定了水閘的運行和安全更容不得一點閃失。為此，有必要對三山大閘存在的問題進行分析，并提出針對性的防護工程措施。工程區(qū)波浪要素見表12。表1 閘前各向50年一遇波要素方向H1%(m)H4%(m)H5%(m)H13%(m)H (m)T(s)L(m)E-ESE4.694.184.093.622.5614.6118SE-SSE4.504.013.913.452.4214.0113表2 閘前不同潮位下50年一遇不利波要素潮位H1%(m)H4%(m)H5%(m)H13%(m)H (m)T(s)

4、L(m)4.404.694.184.093.622.5614.61183.003.923.523.453.072.2114.61062.00（破碎）3.393.093.022.721.9914.696圖1 工程位置圖2 大閘結構受力分析2.1結構受力分析的重點三山大閘的結構受力分析，實際上是對原水閘設計進行復核，本次三山大閘結構受力分析的重點內(nèi)容是水閘的滑動穩(wěn)定、閘門板承荷能力及前胸墻安全分析。幾次臺風襲擊也表現(xiàn)出這些都是需要特別重視的地方。本次分析分為理論計算分析和模型試驗測力分析。2.2水閘滑動安全理論分析2.2.1工況1、向外?；瑑?nèi)河洪水位2.92m外海平均低潮位-1.2m，水頭差4.1

5、2m；內(nèi)河常水位1.2m外海無水-1.9m，水頭差3.1m。2、向內(nèi)河滑內(nèi)河常水位1.2m外海設計高潮位4.40m，水頭差3.2m。向外海滑動分析1、滑動力靜水壓力組合P1=0.510（4.8220.72）117.6 KN 靜水壓力組合P1=0.5103.1248.05 KN靜水壓力取不利的P1=117.6 KN。2、抗滑力根據(jù)水閘設計規(guī)范（SL2652001）中公式（-1），抗滑力fG。f為閘室基底面與地基的摩擦系數(shù)，按規(guī)范可取0.25；G為豎向力總和，包括自重、水壓力、揚壓力等；同時，根據(jù)水閘設計規(guī)范規(guī)范中的條，“對于土基上采用鉆孔灌注樁基礎的水閘，若驗算沿閘室底板底面的抗滑穩(wěn)定性，應計入

6、狀體材料的抗剪斷能力”。（1）、G經(jīng)計算為800kN/m；fG0.25800200 kN/m。（2）、樁體材料的抗剪斷能力，根據(jù)水閘設計規(guī)范要求，取樁體材料抗剪強度與樁體橫截面積的乘積。經(jīng)計算，為13003.140.40.424/25627KN/m。若按鋼筋砼梁的抗剪斷能力計算，即抗剪力由砼和箍筋共同承擔，計算結果也與上值接近。（3）、根據(jù)水閘設計規(guī)范，總抗滑力P2200627827 kN/m。但是，我們認為，閘室重力首先由樁體承擔、土體承擔的重力很少，甚至沒有，這樣fG值很少、甚至為0；同時，由于施工原因造成閘底板下部分土體流空，閘室與土基接觸不嚴密，同樣說明土體所能貢獻的摩擦抗力很小。故我

7、們認為抗滑力應只能計樁的抗剪斷能力627KN/m。3、滑動復核KC= P2/ P1=627/117.65.331.25，滿足要求。向內(nèi)河滑動分析1、抗滑力根據(jù)上述計算，每延米抗滑力P2=627kN/m。2、滑動力靜水壓力P1=0.510（6.323.12）150.4 kN。涌浪壓力涌浪壓力根據(jù)水閘設計規(guī)范（SL265-2001）中附錄E（P70P75頁）計算。計算浪壓力的波列累積率按下表?。罕舅l為3級，故P取5。閘前設計波要素見下表：表3 閘前50年一遇波要素方向H1%(m)H4%(m)H5%(m)H13%(m)H (m)T(s)L(m)E-ESE4.694.184.093.622.5614

8、.6118計算公式及方法如下：經(jīng)計算：hz0.47m； Ps38.7kPa； P1350KN/m。3、滑動復核KC= P2/（P1水P1浪）627/（150+350）1.254，符合規(guī)范要求。2.2.4超水閘設計規(guī)范情況水閘設計規(guī)范中是根據(jù)水閘建筑物級別取波列累積率5，但是浙江省海塘工程技術規(guī)定以及海港水文規(guī)范中要求用波列累積率1的波浪壓力進行強度穩(wěn)定計算。根據(jù)波浪要素hp取4.69m，對應計算結果：hz0.62m； Ps44.4kPa； P1425KN/m。則KC=627/(150+425)=1.09，略小于規(guī)范要求值，即使根據(jù)水閘設計規(guī)范中的“條第6款”計入上游鋼筋砼鋪蓋的阻滑板效應，提供

9、0.1的安全系數(shù)后，仍僅為1.19，略小于規(guī)范要求。理論分析結論根據(jù)理論分析，原設計水閘滿足水閘設計規(guī)范的抗滑要求，水閘整體上是安全的。如果將水閘設計規(guī)范中荷載計算時波浪累積率標準由5提高到海港水文規(guī)范中要求的1，則向外海的滑動系數(shù)略小于規(guī)范要求。2.3閘門板安全理論分析2.3.1閘門板承載能力三山大閘的閘門板為鋼筋砼梁板式閘門板，分三塊。單塊閘門板寬度1.34m，跨度4.54m，跨中有一次梁聯(lián)系；承擔荷載的梁寬0.3m，梁高0.4m，梁截面配9根D22主筋，2根D16腰筋。結構計算結果：1、閘門板極限承載力為16t/m2，但是限裂不能滿足要求；2、當閘門板承擔外荷載6t/m2時，剛好能滿足四

10、類環(huán)境短期組合0.15mm的限裂要求；3、當閘門板承擔外荷載7.5t/m2時，裂縫寬度為0.20mm，不能滿足限裂要求。2.3.2閘門板理論荷載從理論上講，當遭遇設計高潮位和設計波浪要素作用時，閘門板荷載最不利，如果忽略了強大的水錘效應，閘門板在中低潮位時理論荷載相對要小。1、設計高潮位和設計波浪要素作用時，閘門板上的靜水荷載為3.2 t/m2；閘門板上波浪荷載按水閘設計規(guī)范的附錄E計算，hpH54.09m，hz=0.47m，相應均布浪壓力約為4t/m2，整個閘門板均布荷載約為7.2 t/m2；若取hpH14.69m時，hz=0.62m，相應均布浪壓力約為4.3t/m2，整個閘門板均布荷載約為

11、7.5 t/m2；2、潮位2.0m時，作用在閘門板上的靜水荷載最大值為0.8 t/m2；取相應潮位時的50年一遇設計波要素（見表2-4），hpH53.02m，hz=0.31m，由于此時閘前水深小于破波臨界水深，按水閘設計規(guī)范的附錄E中破波荷載計算，此時上板的荷載最大，均布浪壓力可達4.2t/m2，上板的均布荷載可達5.0 t/m2；若取hpH13.39m時，hz=0.39m，相應上板的均布浪壓力約為4.7t/m2，上板的均布荷載可達5.5 t/m2。2.3.3理論分析結論根據(jù)理論分析，閘門板的限裂設計荷載為6t/m2，中低潮位時的理論計算荷載只有5.05.5 t/m2；當遭遇50年一遇設計潮位

12、與50年一遇涌浪波要素疊加時，閘門板的計算裂縫寬度為0.20mm，略大于規(guī)范要求的0.15mm。根據(jù)水閘設計規(guī)范理論分析表明：在中低潮位時，外荷載不足以使閘門板打裂；在設計頻率以內(nèi)的任何工況，外荷載都不足以將閘門板打斷。但是從05年“麥莎”臺風和07年“羅莎”臺風的襲擊破壞來看，閘門板實際受力遠大于理論計算值。顯然，由于采用外胸墻結構，造成波浪破碎時能量無法自然釋放，結果破波荷載集中作用在閘門板上，對水閘也產(chǎn)生較大的撞擊力，類似水工上的水錘效應。下一節(jié)的模型試驗分析將說明這個問題。2.4前胸墻安全理論分析2.4.1前胸墻承載能力及荷載三山大閘的前胸墻為0.4m厚的鋼筋砼剪力墻，高約4m，單跨寬

13、度4m，橫向主筋為D16150，縱向主筋為D12200，經(jīng)計算水平承載力在7t/m2左右。前胸墻承擔的浪壓力在設計潮位時最大，計算方法同上節(jié)，理論浪壓力值不超過6t/m2，應該說是安全的。2.4.2擋浪高程前胸墻的頂高程為6.7m，加上啟閉層1.2m高的鋼筋砼基礎墻，水閘實際擋浪高程為7.9m。水閘設計規(guī)范對于外海閘的擋浪高程，一般要求不低于連接段海堤，本工程是滿足的。另外，在浪壓力計算中，由于浪壓力可作用到設計潮位以上hphz范圍，故目前省里設計單位習慣上將擋浪高程設計的在這個高程以上。對于本水閘，設計潮位H2%hphz8.96m，再加上0.3m的安全超高后，達到9.26m。實際上，在三山大

14、閘設計上也考慮過這一點，如果沿用省里單位的設計經(jīng)驗，整個水閘高程太高，也不利于上部結構穩(wěn)定；故設計時將外胸墻做成反弧型，同時在胸墻頂部外挑1m長，0.4m厚的壓浪板，來降低波浪荷載作用高程。2.4.3理論分析結論根據(jù)理論分析，前胸墻結構是安全的，完全能承擔設計狀態(tài)下的波浪荷載。水閘的擋浪高程是滿足規(guī)范要求的，但是按目前省里設計單位的設計習慣來分析，擋浪高程是偏低的，原設計在兼顧擋浪安全、上部結構穩(wěn)定以及寧波本地經(jīng)驗習慣基礎上，將外胸墻做成反弧型，同時在胸墻頂部外挑1m長，0.4m厚的壓浪板，來降低波浪荷載作用高程。2.5模型試驗分析2.5.1模型試驗測力結果水錘效應對水閘安全的影響是巨大的，水

15、錘效應很難理論計算，故本次設計通過河海大學的物模試驗，對水閘模型進行測力，模型實驗測力結果如表4。為了能更加直觀的說明水錘效應的影響，試驗同時對外胸墻底部鼻坎去掉后，進行了模型測力，結果如表5。根據(jù)模型測力情況，對水閘結構安全進一步分析。2.5.2根據(jù)模型力分析結構安全1、滑動分析現(xiàn)狀條件下：抗滑力仍為樁抗剪斷力627kN/m，設計高潮位時的靜水壓力仍為150 kN/m。模型測量的P5的波浪總力達638.5KN/m，約為理論計算值的1.82倍，滑動安全系數(shù)KC為0.8；模型測量的P2（相當于海港水文規(guī)范中要求的規(guī)則波1累積慮）的波浪總力達713.9KN/m，按此計算滑動安全系數(shù)KC僅為0.73

16、，遠小于規(guī)范要求的1.25。去掉外胸墻底部鼻坎后：抗滑力仍為樁抗剪斷力627kN/m，設計高潮位時的靜水壓力仍為150 kN/m。模型測量的P5的波浪總力為423.4KN/m，滑動安全系數(shù)KC為1.09；模型測量的P2的波浪總力為455.3KN/m，滑動安全系數(shù)KC為1.04?；瑒影踩Ｐ头治鼋Y論：根據(jù)模型力分析，現(xiàn)狀下，模型力遠大于理論計算值，水閘整體滑動很不安全；去掉外胸墻底部鼻坎的水錘效應后，水閘的受力條件明顯改善，水閘受的波浪總力減小1/3；模型力與理論計算值相比，約為1.071.2倍，考慮到模型的偏不利因素，應該說兩者還是較為接近的；相應的水閘滑動安全系數(shù)略小于規(guī)范要求，仍不安全。2

17、、閘門結構分析現(xiàn)狀條件下：設計高潮位時的P2的作用力約為5t/m2，閘門總壓力約為8.2t/m2，此時閘門極限承載力滿足要求，但是裂縫寬度可達0.18mm，超限；瞬間最大波浪力約為7t/m2，閘門總壓力最大可達10.2t/m2，相對應閘門極限承載力滿足要求，但是裂縫寬度可達0.28mm，超限。中低潮位（2.0m）時的P2的作用力在閘門上板上最大，可達12t/m2，閘門總壓力可達12.8t/m2，此時閘門梁的撓度達1.3cm，裂縫寬度可達0.36mm；瞬間最大波浪力可達19t/m2，閘門總壓力最大可達20t/m2，閘門完全破壞。表4：現(xiàn)狀條件下波浪作用力波浪力測點號潮位：4.4m,Hs=3.62

18、m、T=14.6s潮位：3.0m,Hs=3.07m、T=14.6s潮位：2.0m,Hs=2.72m、T=14.6sP1/3 P5% P2% PmaxP1/3 P5% P2% PmaxP1/3 P5% P2% Pmax閘總力KN/m2124520.1638.5713.9972.3364.6471.6541.8756.3343.0416.8482.1645.8閘門總力KN/m22191.4237.0261.6333.7174.3215.2243.7323.3225.5273.6295.2422.3閘門點壓 KPa6439.147.049.066.533.440.845.152.381.7103.3

19、124.6194.06139.747.749.968.735.442.046.162.670.992.2104.7159.25740.147.449.369.535.442.347.660.961.377.985.6121.74338.746.548.267.433.440.044.154.754.864.871.9106.62838.045.547.664.732.939.643.353.652.062.572.797.0弧形擋墻點壓 Kpa4759.686.7122.4167.249.275.993.4113.319.538.153.994.23853.373.2100.0154.156.

20、779.2106.8146.333.655.067.3118.32950.565.377.081.443.353.462.180.539.350.874.5111.93644.553.758.173.742.749.757.066.443.759.670.991.7表4：去掉外胸墻底部鼻坎后波浪作用力波浪力測點號潮位：4.4m,Hs=3.62m、T=14.6s潮位：3.0m,Hs=3.07m、T=14.6s潮位：2.0m,Hs=2.72m、T=14.6sP1/3 P5% P2% PmaxP1/3 P5% P2% PmaxP1/3 P5% P2% Pmax閘總力KN/m2124355.3423.

21、4455.3737.3231.6278.7319.9448.9240.9295.3357.0526.8閘門總力KN/m22110.7127.8137.0197.299.5119.0137.0179.297.7116.8129.7161.0閘門點壓 Kpa6435.542.145.360.430.235.538.547.835.642.146.857.76135.841.245.361.830.436.038.948.535.042.947.258.45735.841.445.062.731.136.239.049.535.541.948.360.34336.741.346.061.432.03

22、7.942.450.240.046.655.670.92836.140.845.860.532.237.441.446.646.555.665.189.6弧形擋墻點壓 Kpa4759.979.8106.6142.043.969.179.3122.219.733.259.6102.63852.265.180.691.848.268.684.4109.035.356.178.8105.82946.452.563.678.148.762.873.498.749.766.887.490.23643.149.460.470.842.451.758.770.448.863.372.188.6后擋墻點壓 K

23、pa6024.830.135.182.310.512.613.617.216.723.131.447.75427.731.843.594.918.622.124.737.329.439.045.582.05229.736.845.3100.824.030.143.988.838.951.473.2105.24227.130.945.584.632.336.952.0117.138.751.468.091.85222.824.326.337.04216.817.819.323.3去掉外胸墻底部鼻坎后：設計高潮位時的P2的作用力約為4.5t/m2，閘門總壓力約為7.7t/m2，此時閘門極限承載力滿

24、足要求，但是裂縫寬度可達0.17mm，超限；瞬間最大波浪力約為6t/m2，閘門總壓力最大可達9.2t/m2，閘門極限承載力滿足要求，但是裂縫寬度可達0.25mm，超限。中低潮位（2.0m）時的P2的作用力約為5t/m2，閘門總壓力可達5.8t/m2，接近限裂極限；瞬間最大波浪力可達8t/m2，閘門總壓力最大可達8.8t/m2，裂縫寬度可達0.25mm，超限。閘門結構模型分析結論：從設計高潮位的荷載情況來看，現(xiàn)狀和去掉胸墻鼻坎后，波浪都在4.55/m2之間，浪壓力的理論計算值為4.3/m2，說明這個時候針對閘門的水錘效應很?。◤拈l門總力變化說明高潮位時水錘效應仍存在），而且在閘門沒有水錘效應情況下，理論計算與實際是比較符合的。從中低潮位（2.0m）時的荷載情況來看，現(xiàn)狀荷載約為去掉胸墻鼻坎后荷載的2.5倍，可見水錘效應的巨大。從閘門結構分析，如果沒有水錘作用，閘門的承載力不存在問題，但是裂縫寬度稍不滿足；但是在中低潮位水錘作用下，閘門打裂甚至