水闸的稳定分析及地基处理

《水闸的稳定分析及地基处理》教学文本

《水工建筑物》教学资源库项目组编写

2014年9月

目录

1.教案计划表.......................................................... - 3 - 2.教学实施............................................................ - 4 -

【步骤l】复习巩固................................................. - 4 - 【步骤2】结合工程案例引入新课内容................................. - 4 - 【步骤3】课程介绍及知识讲授....................................... - 4 - 【步骤4】案例讲解................................................ - 16 - 【步骤6】评价及反馈.............................................. - 18 -

1.教案计划表

表1教案计划表

单元名称 项目名称 教学地点 多媒体教室 知识目标 （1）掌握水闸自重、扬压力、水压力、浪压力、地震荷载等荷载的计算方法； （2）掌握荷载组合的要求； （3）掌握闸室稳定性及安全指标； （4）了解水闸地基处理方法（换土垫层、桩基础法、沉井基础）。 水闸的稳定分析及地基处理 水闸设计 学生角色 技能目标 设计辅助人员 态度目标 （1）能按时到课、遵守课堂纪律、认真听讲、积极回答课堂问题，能按时交作业； （2）课下能配合小组积极完成老师布置的各项任务； （3）同学间能对疑难问题相互讨论； （4）能勇于表达个人的观点和见解。 学时： 2 教学目标 （1）会计算水闸自重、扬压力、水压力、浪压力、地震荷载； （2）会进行荷载组合； （3）会进行闸室稳定性分析； （4）懂得水闸地基处理的方法。 （1）完成案例任务：计算水闸自重、扬压力、水压力、浪压力、地震荷载等； 能力训练任务 及案例 （2）完成案例任务：水闸闸室的荷载组合； （3）完成案例任务：闸室稳定性分析； （4）完成案例任务：水闸地基处理。 重点：水闸自重、扬压力、水压力、浪压力、地震荷载等荷载的计算；荷载组合的教学重点、难点 荷载组合的要求；闸室稳定性及安全指标。 难点：荷载组合的荷载组合的要求；闸室稳定性及安全指标；水闸地基处理方法。 教学方法、手段 案例法，讲练结合法，黑板、多媒体课件，动画。 首先导入本次课学习任务，然后采用公式推导、设问、提问、教师讲解、学生讨论等方法进行本任务讲解，教师引入工程案例，提出问题，让学生分析、讨论解决问题，教师辅导评价，课堂小结与评价，布置课下任务。 教学组织过程 教学条件 作 业 备 注 工程案例；练习题；课程相关课件。 基础试题（填空、选择题等）、技能训练习题 2.教学实施

【步骤l】复习巩固

【步骤2】结合工程案例引入新课内容

某拦河闸为无坎平顶板宽顶堰，堰顶高程30.00m。单孔净宽8m，7孔。整体式底板，边2孔一联，中3孔一联。正常挡水位为38.50m。 项目 设计洪水 校核洪水 重现年 20 50 重粉质壤土 河床表以 下深约3m 洪水流量（m3/s） 937 1220 细砂 闸前水位（m） 39.15 40 .35 下游水位（m） 39 40.2 土质名称 分布范围 由上而下 中砂 重粉质壤土 中粉质壤土 高程28.8m以下 厚度约5m 高程22m以下 厚度5-8m 【步骤3】课程介绍及知识讲授

闸室在自重及外力等各种荷载作用下：①可能沿地基面发生滑动，当地基承受的压力过大时，地基也可能丧失稳定；②地基的沉陷和不均匀沉陷，不仅会使闸室高程降低，还可能导致闸室倾斜甚至断裂。因此必须验算闸室和地基的稳定性以保证闸室在各种情况下能安全可靠地运用。

一、荷载及荷载组合： 水闸的荷载计算： 水闸主要荷载：

①自重—按其几何尺寸及材料容重计算（结构和永久设备重量） ②水重 ③扬压力 ④水平水压力 ⑤波浪压力

⑥土压力（按主动土压力计算） ⑦泥沙压力（同重力坝） ⑧地震荷载

其中大部分荷载的计算方法已在重力坝一章中讲过，扬压力计算方法在前一节中已有讲述，下面叙述波浪压力及其它未讲过的内容。因水闸具有挡水作用，故其所承受的荷载计算方法与其它挡水建筑物基本类似。

闸室主要有以下几种:

①自重：指结构自身的重力，包括闸底板、闸墩、胸墙、工作桥、交通桥、闸门及启闭设备等重力。

②水重：指闸室范围内底板顶面以上的水体重量。 ③扬压力：作用底板底面渗透压力及浮托力之和。

④水平水压力：指作用在胸墙、闸门、闸墩及底板上的水平水压力。上下游的水平压力数值不同，方向相反。上下游应分别计算，底板上下游齿墙内侧面上也有水平压力，两侧方向相反且数值相差较小，可忽略不计。

⑤波浪压力：在计算波浪压力时，波浪高度2hC和波浪长度2LL的确定，根据水闸设计规范，平原闸门应按莆田试验站的公式进行计算。具体过程可参考后面的内容（官厅水库计算公式2hC、2LL只能适用于山区山谷水库，地势高峻的情况），另注：用莆田试验站公式计算2hC和2LL比较麻烦，对于平原水库D≤10km ，V=10~20m/s情况，也可采用根据综合鹤地水库和密云，官厅水库的实测资料提出的公式计算：

V—为计算风速（m/s） ，正常蓄水位及设计洪水位时采用V=（1.5~2.0）Vmax，校核洪水位时V=Vmax(多年平均最大风速)；

D—吹程，由坝前沿水面至对岸的最大直线距离（公里）。

⑥土压力：有些水闸为了防渗把水闸两端伸入两岸土中，不设上下游翼墙，挡土用，故应算土压力。

⑦泥沙压力：同重力坝公式（1-4），有泥沙淤积算，无泥沙淤积的不算。 ⑧地震荷载：同重力坝。

①自重G： a.闸底板G1 b.闸墩G2 c.闸门G3 d.检修桥G4 e.工作桥与启闭机G5 f.交通桥G6 ②水重W： a.闸门前W1

b.闸门后W2（有或无） ③扬压力： a.浮托力U浮 b.渗透压力U渗

④水平水压力：P1、P2、P3

⑤浪压力：PL中型水闸浪压力较小，可忽略不计。 ⑥土压力：按主动土压力计算。

⑦泥沙压力：有泥沙堆积才有，按重力坝所讲的方法计算。 ⑧地震力：七级及七级以上地震区才有。

（1）作用在铺盖与连接处的水压力：因铺盖所用材料不同而略有差异，闸前铺盖为粘土时，底板与铺盖连接处的水压力近似按倒梯形分布计算。

①粘土铺盖：

如图：Pa—按该点静水压强计算。

Pb—按该点的扬压力强度计算（渗透压力与浮托力之和）。 a、b之间按直线变化计算。

②砼铺盖：

止水片以上按静水压力计算，止水片以下按梯形分布考虑。 Pd—仍取该点的扬压力强度值。

Pc—取c点的浮压强加e点的渗透压力强度。（认为c、e点无水头损失）。 c、d之间按直线变换计算。

下图：

砼铺盖一般不可能与闸底板同厚

Pa—a点的水平压力强度等于a点的浮压强与b点的渗透压强之和。 Pb—b点则取该点的扬压力强度计算。 a、b之间按直线变化计算。

（2）波浪压力：根据《水闸设计规范》的规定：平原水闸波浪计算采用莆田试验站的方法。 计算步骤：

①风速V10、吹程D的确定：

V10—距离地面10m高处的风速，m/s； D—吹程，m；

a.当Dfmax<5B（闸门到对岸最远水面距离不超过闸前水面宽的5倍时）。 b.当Dfmax>5B，用闸前水面宽度的5B作为有效吹程。 ； H—闸前风区范围内的平均水深（m）g—重力加速度，m/s2。

根据已知风速V10和吹程D，及闸前风区范围内的平均水深H， 计算

gdgH、。 22V10V102hcH值。

②按莆田实验站公式计算平均波高2hc及

gHg2hc0.0018(gD)0.450.13th0.7th 220.7V10gHV100.13th0.72V10exex试中：th—双曲线正切函数关系thxx

eex其他符号意义同上。 ③计算波高2hc。

a.根据水闸级别，查P218表4-11得PL（%），水闸的设计波浪波列累计频率。 b.根据PL（%）及值）。

c.

2hcH值，查表4-12得

2hc2hc（设计波浪波列累计频率的波高与平均波高的比

2hc2hcx，求出2hc

④按公式计算设计波浪的平均周期T值：

T4.02hc

⑤按公式计算波长2LL值：

gT22H2LLcth

22LL⑥计算波浪压力：

a.首先计算波浪破碎的临界水深HLj (m)

HLjLL2LL4hcln 22LL4hcb.当H> HLj，且HLL时，属深水波，波浪压力可按下式计算：

PL(LL2hLh0)LL2L2L2

式中：

PL—作用在水闸铅直迎水面上的波浪压力（吨/米）；

h0—计算波浪中心线至静水位的高度（m），按下式计算：

4hcH1 h02LLLL式中H1指闸前风范区的水深。

c.当HLj2PL(2hLh0)(HPLS)HPLS

2式中：

PLS—闸底处波浪压力剩余强度可按下式计算

PLS2hLsechHLL（kN/m2）

d.当HPL2h1.50.50.7HP

Lj2

式中：

—闸底处波浪压力强度的折算系数

当H1.72hL时，可采用0.6， 当H1.72hL时，可采用0.5。 Pj—静水面处的波浪压力强度（吨/米2） 可按下式计算：Pj=kj2hc （kN/m2）；

kj—闸前河（渠）底坡度i的函数，可按表4-13采用。P219 （二）荷载组合：

在不同的工作情况下闸室所受荷载不同，设计时应分别对完建、运行、检修及施工等情况进行计算。 水闸的荷载组合分以下两大类： （1）基本组合 ①完建期 ②正常运行期

③设计洪水期 （2）特殊组合 ①施工期 ②检修期 ③校核洪水情况 ④地震情况

作用在闸室上的荷载及其组合见下表： 荷载组合表

荷载组合情况 计算情况 荷载 自重 静水压力 完建情况 基本组合 正常情况 设计洪水情况 施工情况 检修情况 特殊组校核洪合 水情况 √ √ √ √ √ √ 按校核洪水位组合计算静水压力、扬压力及波浪压力 地震情况 √ √ √ √ √ √ √ 按正常蓄水位组合计算静水压力、扬压力及波浪压力，有论证时可分别。 √ √ √ √ √ √ √ 按正常蓄水位组合（必要时可按设计洪水位组合）或冬季低水位条件计算静水压力、扬压力、及波浪压力。 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 按正常蓄水位组合计算静水压力，扬压力及波浪压力。 按设计洪水位组合计算静水压力，扬压力及波浪压力。 应考虑施工过程中各个阶段的临时荷载。 √ √ 扬压力 土压力 泥沙压力 波浪压力 地震荷载 √ 必要时可考虑地下水产生的扬压力。 其他 说明 二、闸室抗滑稳定计算：

闸室稳定破坏的表现形式有表面滑动、深层滑动和沉陷变形。故闸室稳定计算主要是核算地基

应力和抗滑稳定的部分。计算时，首先要合理确定作用在水闸上的荷载及其组合，然后可按照各项公式进行计算，如不能满足要求，应采取有效和可靠的措施，认真进行地基处理保证闸室安全运行。

（一）计算方法：

作用在闸室上的力，根据他们对水闸稳定所起的作用可分为两类： 一类是滑动力，为作用在水闸上的水平力。

另一类是抗滑力，为通过作用在水闸上的垂直力便闸底板与地基表层产生的摩擦力。 抗滑稳定安全系数kc的概念：

定义抗滑稳定安全系数kc=抗滑力/滑动力

《水闸设计规范》中提出了允许抗滑稳定安全系数[kc]，[kc]值的确定可见书P225，表5-1。 抗滑稳定计算时，需求计算值kc必须大于或等于允许的[kc]值，即kc ≥[kc]闸室抗滑稳定才能满足要求。

闸室沿地基面的抗滑稳定计算公式有下面两种： （1）底板下没有齿墙或齿墙很浅时： 这种情况的滑动面：取闸底板与地基面的接触面。

抗滑力fGKc 故：kc滑动力H式中：Kc—抗滑稳定安全系数；

f—闸底板底面与地基土之间的摩擦系数；

G—作用在闸室上的全部竖向荷载之和，包括作用在底板上的扬压力，KN；

H—作用在闸室上全部水平荷载之和，KN。

（2）底板下有较深的刚度较大的齿墙时：

滑动面：沿齿墙底面并连接齿墙间土体一起滑动。土与土之间的滑动不仅有摩擦力还有粘结力（砂土除外）

抗滑力tg0GC0AkcKc

滑动力H式中：0—闸室基底与地基土之间的摩擦角度； C0—闸室基底与地基土之间的粘结力，kpa；

A—闸底板的底面积（m2）。

其他符号意义同上，上式适用于粘土地基上的大型水闸。抗滑稳定计算的重要前提是合理选用f，

0，C0。

讨论：

①小型工程用类比法确定有关参数。

②大型工程要经过现场地基上对混凝土板的抗滑实验确定（室内外实验）。 ③承受双向水平力作用时，应验算其合力方向上抗滑稳定性。 ④对成层或较复杂的地基，应验算沿地基中最危险滑动面的可能性。 ⑤深层可用圆弧法或改良圆弧法计算抗滑稳定安全系数。 ⑥岩石上的水闸抗滑稳定参见重力坝一章。 （二）提高抗滑稳定性的措施：

若Kc值不能满足要求时，可采取以下措施；若Kc<Kc时，可在原有结构布置基础上，结合工程的具体情况，采取如下措施中的一种或几种，以提高闸室的抗滑稳定性。

措施;

①将闸门位置适当向低水位一侧移动，或将闸门底板向高水位一侧延伸，增加水重。 ②增大闸室结构尺寸。

③加长上游铺盖，将下游排水设备靠近闸底板，减小渗压。增加底板齿墙的深度，提高稳定性。 ④增加铺盖长度或在不影响防渗安全的条件下，将排水设施向上游延伸，以减小渗透压力。 ⑤将上游混凝土铺盖与闸底板之间用钢筋连接起来，使钢筋混凝土成为阻滑板，阻滑板增加的阻滑力S用下式计算：

S=0.8+（G1+G2-Gv）

此时闸室的抗滑稳定计算式为：

kcfWfW0.8G1G2-GvS HHHH式中：S—作用在阻滑板上全部竖向荷载之和（KN）（阻滑板产生的阻滑力）； G1—阻滑板上的水重 ，KN；

G2—阻滑板的自重， KN； Gv—阻滑板底面的扬压力， KN；

0.8—为考虑地基及连接钢筋的变形影响而设的折减系数； f—为阻滑板与地基间的摩擦系数。 注意：

利用阻滑板增加抗滑力只能作为安全储备，在未计入阻滑板作用时，闸室本身的抗滑稳定安全系数Kc值不应小于1.0。

①阻滑板只作为安全措施的补充，其增加的稳定性是有限的，故除了按上式计算外，要求闸室本身的抗滑稳定安全系数不应小于1.0。

②阻滑板与闸底板之间在接缝处配置连接钢筋（按抗拉受力计算）。 ③阻滑板应满足抗裂要求。

三、基底压应力计算：

基底压力：作用在闸室上的各种力，通过底板传给地基，给地基以压力。这个力在基础底面上的分布称为基底压应力，也叫基底应力。基础应力过大，超过了地基的承载能力，地基就会失稳，致使水闸发生倾斜、下沉、断裂等破坏，因此应对基底应力进行计算并对其结果加以限制。

（1）对于结构布置及受力情况均对称的闸段：

PmaxminWM

AW 式中：

Pmaxmin—闸室基底压力最大最小值， kpa；

W—作用于闸底板的全部竖向荷载之和， kpa；

A—闸底板面积 ，m2；

M—作用于闸底板的全部荷载对底板底面垂直于水流方向的形心轴的力矩之和 ，

KN·M；

W—底板底面对上述形心轴的截面矩 ，m3。

推荐：按偏心受压公式计算（河海大学水工建筑物）。由于闸墩在顺水流方向的刚度很大，闸室基底压力在顺水流方向的计算认为呈直线分布，因此可用偏心受压公式计算。

G,

BLminmaxG6MBLBL2

式中：

—为平均基地压力；

maxmin—为基地压力的最大值和最小值；

； G—为作用在闸室上的全部竖向荷载（包括基底面上的扬压力）

M—为作用在闸室上的全部竖向荷载和水平荷载对基础垂直水流方向形心轴的力

矩；

B—为计算闸段宽度（垂直于流向）； L—为底板顺流向长度。

基底压力的大小与底板的刚度、尺寸、埋置深度及土壤性质等因素有关，计算时近似的认为基

底应力在顺水流方向成直线分布，并按偏心受压公式进行计算： （1）结构布置及受力情况对称的闸段：

PmaxminG6M

BLBL2式中：

Pmaxmin—为基地压力的最大值和最小值；

B—为计算闸段宽度（垂直于流向）； L—为底板顺流向长度；

M—为作用在闸室上的全部竖向荷载和水平荷载对基础垂直水流方向形心轴的力矩。

（2）对于结构布置及受力情况不对称的闸段（如某些多孔的边闸段或左右不对称的单孔闸） 按双向偏心受压公式计算：

PmaxminGMAWxxxMWyyy

G,

BLminmaxG6MBLBL2

式中：

M、

M—作用在闸室上全部荷载分别对底板底面垂直流向和顺流向的形心轴x、y的力矩和；

注意：

Wx、Wy—底板底面对形心轴x、y的截面矩 ，m3。

①土基上的水闸应满足在各种计算情况下平均基底压力不得大于地基允许承载力的条件。地基允许承载力可由上式取得或参考有关经验数据。

②为了减少因基底应力分布不均匀而引起的地基过大的不均匀沉陷。要求Pmax和Pmin不能相差太多，即基底应力不均匀系数Pmax应控制在一定范围内。 Pmin

【步骤4】案例讲解

教师任务 学生任务 （1）通过案例讲解使学生掌握绘制取水闸下游干渠的水位—流量关系曲线； （2））通过案例讲解使学生掌握选择闸室结构型式听课，获取有关多媒体教室 的方法； 知识和信息 ※（3）通过案例讲解使学生掌握选择堰型方法，掌握确定闸底板高程的方法； ※（4）通过案例讲解使学生掌握确水闸的闸孔总净教学地点 教学条件 时间（分钟） 多媒体 课件 30 宽度计算方法； ※（5）通过案例讲解使学生掌握确如何进行分孔，确定单孔宽度，，确定水闸总宽，验算过流能力。 （6）通过案例讲解使学生掌握绘制闸孔布置图的方法。 一、计算条件 （一）绘制水闸干渠断面图：下游河道断面图 有已知条件可知：干渠进水闸处渠底高程为▽100m 干渠渠底底宽为27m 两岸边坡为1:1.5 故渠断面图为：（梯形断面）

灌溉临界期有两个：一个在春灌时期，取水口以下的河水位为102.265m，平均流速为0.6m/s，引水流量36.0m3/s，相应的干渠水位为102.106m；另一个是夏灌时期，河道水位为103.2m，平均流速为0.8m/s，引水流量72 m3/s，相应的干渠水位为103.160m。

【步骤5】学生实训

教学地点 多媒体教室 教师任务 布置背景资料分 析实训任务 辅导、解惑 学生任务 接受任务 分组进行背 景资料分析 教学条件 时间（分钟） 30（在课堂提示在课后多媒体课件，背景资料 完成） 教学内容及要求： 某拦河闸位于郾成城县境内，闸址位于京广铁路上游和吴公渠入颖河下游之间。流域面积2234平方公里，流域内耕地面积288万亩。农作物以种植小麦、棉花。经济作物为主，河流平均纵波1/6200。批准的规划成果为如下：

灌溉用水季节,拦河闸的正常挡水位为58.72m,下游无水，设计洪水位50年一遇，相应的洪峰流量1144.4m3/s，闸上游的洪水位为59.5m，相应的下游水位59.35m， 校核洪水位为200年一遇，相应的洪峰流量Q=1642.89m3/s，闸上游洪水位61m，闸下游水位60.82m，施工导流采用20年一遇洪水，相应的洪峰为169m3/s。

糙率河床0.0225滩地0.03

图1 1-1河道断面图

训练内容：设计闸孔孔口尺寸 在学生实训时要注意如下两点：

1）给予必要的教学提示，如ε、σ、μ选用或计算、底板高程确定，过水断面、行近流速、水头、过流能力验收；

2）学生相互检查，进一步完善计算成果；

【步骤6】评价及反馈

教学地点 多媒体教室 教师任务 评判、任务布置 学生任务 记录课后任务 教学条件 多媒体 时间（分钟） 3 教学内容及要求： 1）教师根据学生完成任务及成果提交情况点评。 2）课下学习任务布置（训练内容同【步骤4】）。 参考答案

图2 闸孔横向布置图