水闸计算书z

毕业设计计算书

设计题目 涵江水利枢纽工程 专 业 水利水电工程 学生姓名 学 号 指导教师 王润英 孙学志 评阅教师

河海大学继续教育学院

中国 南京 2014年3月

目 录

1、设计参数 ............................................................ 1 1.1 水位 .............................................................. 1 1.2 计算水位组合 ...................................................... 1 1.3 其它参数 .......................................................... 1 2、闸孔设计 ............................................................ 2 2.1 堰型选择 .......................................................... 2 2.2 确定孔口尺寸 ...................................................... 2 3、消能防冲设计 ........................................................ 4 3.1 消能防冲设备形式的选择 ............................................ 4 3.2 消能防冲设计条件的选择 ............................................ 4 3.3 消力池深度的计算 .................................................. 7 3.4 海漫设计 .......................................................... 8 3.5 防冲槽设计 ........................................................ 9 4、防渗排水设计 ....................................................... 11 4.1 地下轮廓设计 ..................................................... 11

4.1.1 底板 ......................................................... 11 4.1.2 铺盖 ......................................................... 11 4.1.3 防渗长度验算 ................................................. 12 4.1.4 排水设施、止水 ............................................... 12 4.1.5 板桩 ......................................................... 12 4.2 渗流计算 ......................................................... 13 4.2.1 地下轮廓线的简化 ............................................. 13 4.2.2 确定地基的有效深度 ........................................... 13 4.2.3 渗流区域的分段和阻力系数的计算 ............................... 14 4.2.4 计算渗透压力 ................................................. 14 4.3 验算闸基土的抗渗稳定性 ........................................... 18 4.3.1 设计水位条件下 ............................................... 18 4.3.2 校核水位条件下 ............................................... 18 5、闸室的布置和稳定分析 ............................................... 19

5.1 闸室结构布置 ..................................................... 19 5.1.1 底板 ......................................................... 19 5.1.2 闸墩 ......................................................... 19 5.1.3 闸门 ......................................................... 22 5.1.4 上部桥梁 ..................................................... 23 5.2 荷载及其组合 ..................................................... 24 5.2.1 荷载计算 ..................................................... 24 5.2.2荷载组合 ..................................................... 25 5.3 闸室稳定计算 ..................................................... 25 5.3.1 完建期 ....................................................... 25 5.3.2 设计洪水情况 ................................................. 28 5.3.3 校核洪水情况 ................................................. 31 5.4 水闸结构计算 ..................................................... 35 5.4.1 计算情况 ..................................................... 35 5.4.2 闸基的地基反力计算 ........................................... 35 5.4.3 不平衡剪力分配 ............................................... 36 5.4.4 板条上荷载的计算 ............................................. 39 5.4.5 边荷载计算 ................................................... 42 5.4.6 弯矩计算 ..................................................... 42 5.4.7 配筋计算 ..................................................... 43 6、两岸连接建筑物 ..................................................... 45 6.1 上游翼墙 ......................................................... 45 6.2 下游翼墙 ......................................................... 45 6.3 岸墙 ............................................................. 45 7、地基处理和细部构造的设计 ........................................... 46 7.1 地基处理 ......................................................... 46 7.2 细部构造 ......................................................... 46 7.2.1 缝和止水结构 ................................................. 46 7.2.2 排水反虑结构 ................................................. 47

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1、设计参数

1.1 水位

（1）正常蓄水位19.0m，灌溉水位19.50m；

（2）设计洪水Q2%＝9540m3/s，相应闸下水位H下＝23.40m； （3）校核洪水Q30.33%＝12350m/s，相应闸下水位H下＝23.80m。

1.2 计算水位组合

（1）闸孔净宽计算水位

设计流量Q2%＝9540m3/s，相应闸下水位H下＝23.40m 设计水位差△H：甲组——△H＝0.25m（H上＝23.65m） 校核流量Q30.33%＝12350m/s，相应闸下水位H下＝23.80m 计算闸上壅高水位H上（供墩顶高程用） （2）消能计算水位 闸上水位H上=19.50m

闸下水位H下：甲组——H下＝14.50m

下泄流量：以闸门开启度e=0.5m，1.0m，以及全开时的泄量。 （3）闸室稳定计算水位（关门）

闸上设计水位 H上＝19.5m 甲：H下＝14.50m 闸上校核水位 H上＝20.0m（与门顶齐平） 甲：H下＝14.50m

1.3 其它参数

（1）单孔净宽：（8～12）m （2）门型结构：平面钢闸门 （3）闸门类型：甲组——直升门 （4）底板与中砂的摩擦系数f＝0.4 （5）闸孔的允许单宽流量［q］＝30m3/s/m

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2、闸孔设计

2.1 堰型选择

闸孔采用结构简单、施工方便、泄流能力比较稳定、自由泄水范围较大的无坎平底宽顶堰，孔口型式采用无胸墙开敞式。根据闸址处河床标高为13.0～14.0m，为协调降低堰顶高程和减少开挖量的关系，选定堰顶高程为13.0m。

2.2 确定孔口尺寸

（1）判定宽顶堰的出流情况

上游水深 H＝23.65－13.00＝10.65 m 下游水深 hs＝23.40－13.00＝10.4 m 上游过水断面面积 A＝(b+hm)h

=（500+5.5*3）*5.5+（700+5.15*3）*5.15 =6525.32m3

行近流速 νQ0＝

A＝95406525.32＝1.46 m/s 因此 H＝H+?v2002g＝10.65+0.11＝10.76 m

hs10H＝.410.76＝0.966＞0.72，故为淹没出流。 0（2）计算总净宽

根据《水闸设计规范》(SL265－2001)，公式A.0.2－1和A.0.2－2 闸孔总净宽 BQ0＝

?

0hs2g?H0?hs?其中 ??h2s?0?0.877????H?0.65???

0将有关数据带入计算，综合流量系数μ0＝0.977 闸孔总净宽B0＝353.46 m

拟定孔径及孔数：每孔净宽b0=10m，孔数36孔，总净宽360m。

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拟定底板及中墩、边墩形状：闸底板采用整体式平底板，中墩形状采用河道上常用半圆形，每两孔为一整体，边墩厚1.0m，不分缝中墩厚1.2m，分缝中墩厚1.6m，中间缝宽2cm。

（3）复核过闸流量，确定闸孔尺寸 Q＝?0hsB02g?H0?hs?

＝0.977×10.4×360×2?9.81??10.76?10.4? ＝9716.5 m3/s＞9540 m3/s

（4）该泄水闸尺寸确定为：36孔，每孔净宽10m，边墩厚1.0m，不分缝中墩厚1.2m，分缝中墩厚1.6m，闸孔总净宽360m。

闸室总宽度为1.0×2+1.2×18+1.6×17+360＝410.8m

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3、消能防冲设计

消能防冲设计包括消力池，海漫及防冲槽等三部分。

3.1 消能防冲设备形式的选择

1、消能形式采用下降式消力池。

2、消力池后布置一定长度的海漫，海漫末端设置柔性防冲槽。

3.2 消能防冲设计条件的选择

消能设计条件的选择应该是对于每一种的闸门开启方式下的每一个开度进行计算，对最不利情况进行计算。

本设计采用计算工况及闸门开启方式：

本设计只对于一种工况及两种闸门开启方式来计算。 1、计算工况：

对应的上游水位▽上=19.50,▽下=14.50m. 闸门的初始开度:e0=0.5m Q=uenb√2gH0 2、闸门的开启方式:

下泄流量:经闸门开启度为e=0.5m 、e=1m和全开三种工况。 3、计算公式：

（一）求各开度下的流量： 1．孔流：e/H＜0.65 Q= uσenb√2gH0

式中：u——流量系数. σ——淹没系数. e——开度. nb——净宽. H0——堰顶全水头.

ht＞hc″(淹没出流)。 ht＜hc″(自由出流) σ′=1。

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2.堰流: e/H＜0.65 Q=εmσnb√2gH3/20

式中: ε——侧面收缩系数. m——无侧面收缩的流量系数. σ——淹没系数. nb——净宽. H0——流速水头.

ht＜0.8H（自由出流） ht≥0.8H(淹没出流) （二）单宽流量q: 1.入池流量q: q=Q/B孔 2．出池流量q′:

q′=Q/B河宽

（三）求跃前跃后水深： 1.跃前水深：

hc=ε′e

式中：ε′——垂直收缩系数. e——开度. 2.跃后水深：

hc″=hc√1+8aq2/gh3c-1/2 式中：q——入池流量 hc——跃前水深 (四)临界水深hk: h2k=3√q/g (五)求下游水深ht:

①先求出流量模数：k0=Q/√i ②再求出B河2.67/nk0.推出ht. (六)自由水跃Lj: Lj=6.9(hc″-hc)

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(七)护坦厚t: t=k√q√△H

式中:k——经验系数，取0.175---0.20.(中小型取小值). q——入池单宽流量. √△H——上、下游水位差. 3.2.5计算方法和步骤

（1）设计条件如下表所列

计算情况e/H出流状态BQ=εmσnb√2gH03/2下泄（m3/s）11自由出流3606.52581.72220.076923孔流3606.5 （2）下泄流量计算表（自由出流）30.153846孔流 3606.5计算情况e/H出流状态BQ=εmσnb√2gH03/2下泄流量（m3/s）11自由出流3606.52581.72220.076923孔流3606.530.153846孔流3606.5

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（3）下泄流量计算表（孔口出流）

计算情况123e/H10.0769230.153846出流状态自由出流孔流孔流B360360360开度0.51u0.4660.557下泄流量（m3/s）0841.57072011.824 表中下泄流量

当为自由出流时

Q=εmσnb√2gH03/2

当为孔口出流时

Q＝?1eB (2gH)1/2 (M3/s)

?1=εψ（1-εe/H0）0.5

（4）下泄流量所对应的水深计算表 计算 情况 1 2 3 e/H 1 0.076923 0.153846 出流状态 自由出流 孔流 孔流 B 360 360 360 开度 0.5 1 u 0.586154 0.572308 下泄流量( m3/s) 2524.4 841.6 2011.8 对应下游水深 6.03 3.7 5.2 3.3 消力池深度的计算

假定消力池为矩形断面，消力池进口宽度为410.8m，出口宽度为410.8m，；则计算过程见下表：

Q 2581 841 2011.8 hc 1.7

B 410.8 410.8 410.8 hc” 0 q 6.28 2.05 4.90 Hs’ 6.08 上游水位 水闸底板高程 19.5 19.5 19.5 d 0 13 13 13 v 1.11 0.36 0.86 TO 3.41 4.06 3.56 7

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0.83 1.47 2.63 3.52 1.4 2.3 0.74 0.94 ?Z=q2/19.6{1/(0.95ht)2-1/(1.05hc”)2} d=1.05hc”-(ht+?Z)

通过以上计算可以得出消力池池深为0.94m，为安全计设计时取消力池深度为1m,长度为15m，前5m为斜坡段，后10m为水平段。

消力池的构造设计：采用C25钢筋砼浇筑而成，配置φ12@200的双层构造钢筋，厚50cm，在消力池的末端，设1.0m高的尾槛，以调整槛后水流流带的分布，并加台水流平面扩散，以减小对下游河床的冲刷。

为了减小作用在消力池底板上的扬压力，可在水平段开始设置排水孔，并在该部位的底面铺设反滤层，反滤层从上到下分别为25cm厚卵石排水体，15cm砾石排水体，15cm粗砂层，下面再铺设一层土工布。排水孔的孔径为75mm，间距为3.0m，呈梅花 型布置。

50005001000012.00800钢筋砼250卵石排水体150砾石排水体150粗砂层土工布70010002000

消力池示意图3.4 海漫设计

海漫的作用是能够削减水流剩余流量，使水流均匀地扩散，调整流速分布，减小底部冲刷。 1、海漫长度的计算

海漫长度计算按《水闸设计规范》P44 公式进行计算,经比较计算如下:

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LP?Kq?H?125.61.3?30.3(m)

海漫长度取为40m。 2、海漫结构设计

海漫前10m采用50cm浆砌块石结构，后30m采用干砌块石。海漫内均应设排水孔，上铺10cm厚碎石层。构造设计：使用材料：水平段的流速较大，冲刷能力强，故水平段采用浆砌石砌筑，斜坡段采用干砌石砌筑。厚度0.3～0.5m ，取0.5m厚；为了改善地基应力和排水能力，采用碎石垫层10～15cm, 取10cm。考虑闸址河床土质允许坡降[J]＝0.15～0.25，取倾斜段坡度为1:15。

3、两岸的护坡材料，厚度、垫层都与河底海漫相同，护坡顶伸到岸坡内0.5m，护坡底做齿墙。

3.5 防冲槽设计

水流经过海漫后，能量得到进一步消除，但仍有一定的冲刷能力，下游渠床仍然会受到冲刷，为了保护海漫，常在海漫的末端设置防冲槽进行抛石加固，形成一道防冲槽。

1、冲刷坑深度的计算 dm=1.1q′/﹝v﹞-hm

=1.1 ×7.2/1.0-6.08=1.92m,根据相关经验,取2.0m。 2、冲刷坑的防冲措施

冲刷坑的防冲措施采用板桩加抛石来处理。

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4、防渗排水设计

4.1 地下轮廓设计

地下轮廓主要包括底板、砼铺盖、板桩和排水设施。

4.1.1 底板

底板既是闸室的基础，又兼有防渗、防冲刷的作用。它既要满足上部结构布置的要求，又要满足稳定及本身的结构强度等要求。

①底板顺水流方向的长度L

L可按经验公式估算L=(H+2h+α)(1+0.1△H)K 其中：h＝0.5m α＝0.5m k=1.0

设计水位：H=19.5－13.0＝6.5m ΔH=19.5－14.5＝5.0m 则L=（6.5+2×0.5+0.5)×(1+0.1×5.0)×1.0＝12.0m 校核水位时：H=20－13=7m；ΔH=20.0－14.5＝5.5m 则L=（7.0+2×0.5+0.5)×(1+0.1×5.5)×1.0＝13.2m

上部结构要求：公路桥加栏杆总宽9.4m，工作桥宽度由闸门启闭机安置场地尺寸决定为4.0m，检修桥置于检修门槽之上，宽度选2.0m。因此，上部结构要求最小宽度为9.4+4.0+2.0=15.4m。

进一步考虑上部结构稳定及底板防渗要求，初拟底板长度L为20m。 ②底板厚度d。

根据经验，底板厚度为（1/5－1/7）单孔净跨。即厚度在1.4m～2.0m。故初拟d=1.8m。

③底板构造。

底板采用钢筋砼结构，砼强度等级为C25，上下游两端各设1.0m深齿墙嵌入地基。上游齿墙底宽1.5m，下游齿墙底宽1.0m，底板分缝中设以“V”型铜片止水。

4.1.2 铺盖

采用混凝土结构，砼强度等级为C25，长度据经验一般取2～4倍闸上水头或3～

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5倍上下游水位差，拟取20m，铺盖厚为0.6m。铺盖上游端设0.5m深的小齿墙，其头部不再设防冲槽。考虑沉降问题，铺盖在顺水流方向上分缝，与闸墩对齐，靠近两岸翼墙处缝距为10m。铺盖与翼墙及底板间亦设沉降缝。

4.1.3 防渗长度验算

按经验公式计算所必须的防渗长度为

L=C△H 《水工》（6-11） 式中：L为防渗长度，包括水平段、铅直段及倾斜段 △H为上下游水位差（m）；

C为渗径系数，取7。《水闸设计规范》附录二附表1-1查得。 ①设计水位：上游水位19.5m，下游水位14.5m，则 L＝C△H＝7×(19.5－14.5)＝35m

②校核水位：上游水位20.0m，下游水位14.5m，则 L＝C△H＝7×(20.0－14.5)＝38.5m

根据上述上述所确定的尺寸，实际闸基防渗长度

L＝0.6+0.5+0.7+19+2.2+1.5+4.4×2+1.4+15.5+1.4+1.0+6.2＝58.8m 大于设计和校核水位下的计算值L，满足防渗长度要求。

4.1.4 排水设施、止水

为了减小作用于闸底板上的渗透压力，在整个消力池底板下铺设0.5m厚的碎石、粗砂、中砂排水，首部紧抵闸底板下游齿墙。

闸底板与铺盖，铺盖与上游翼墙，上游翼墙与边墙之间的永久性缝中均设以铜片止水，厚度为1.2mm，宽为50mm。闸底板与消力池，消力池与下游翼墙，下游翼墙与边墙之间的永久性分缝虽然没有防渗的要求，但为了防止水流冲走缝后填土或墙后渗流出逸时将填土带出，缝中铺贴沥青油毛毡。

4.1.5 板桩

砂土地基常需采用垂直板桩防渗，采用钢筋砼材料。由于闸址位置不透水层距底

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板约有16m之多，限于施工条件所限，采用“悬挂式板桩”。其长度一般采用0.8～1.2倍上下游最大水位差，校核水位时△Hmax=20.0－14.5=5.5m，故(0.8－1.2)△Hmax＝(0.8～1.2)×5.5=(4.4～6.6)m，拟取板桩入土深度为4.4m，厚20cm。

4.2 渗流计算

本设计中渗流计算采用改进阻力系数法进行渗流计算。

4.2.1 地下轮廓线的简化

为了便于计算，将复杂的地下轮廓进行简化。由于铺盖头部及底板上下游两端的齿墙均较浅，可以将它们简化成短板桩。

4.2.2 确定地基的有效深度

根据地质资料，闸址位置不透水层距底板约有16m。

由地下轮廓线简化图知：地下轮廓的水平投影长度L0＝20+20＝40m，地下轮廓的垂直投影长度S0＝13.0－5.8＝7.2m。L0/S0＝40/7.2＝5.56＞5，故地基的有效深度

Te＝0.5L0＝0.5×40＝20m 《水工》 （6-19）

大于实际透水层深度，因此渗流计算深度取实际的透水层深度T＝16m。

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4.2.3 渗流区域的分段和阻力系数的计算

过地下轮廓的角点、尖点，将渗流区域分成八个典型段（见图4-2），Ⅰ、Ⅷ段为进出口段，Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅻ段为内部垂直段，Ⅲ、Ⅵ则为内部水平段，查《水工建筑物》表6-3及分别计算阻力系数列表如下：

区段名称 进出口段 渗流段 Ⅰ、Ⅷ 阻力系数ξ计算公式 ξ0＝1.5(S/T)1.5+0.441 结果 ξⅠ＝0.464、ξⅧ＝0.514 ξⅡ＝0.029、ξⅣ＝0.409、ξⅤ＝0.355、ξⅫ＝0.063 ξⅢ＝0.874、ξⅥ＝0.970 内部铅直段 Ⅱ、Ⅳ、ξy＝（2/π）ln{ctg[πⅤ、Ⅻ /4(1-S/T)]} ξy＝[L-0.7(S1+S2)]/T 内部水平段 Ⅲ、Ⅵ 由上表及公式

ξ=??i＝0.464+0.514+0.029+0.409+0.355+0.063+0.874+0.970＝3.678

4.2.4 计算渗透压力

各段水头损失的计算hi＝ΔHξi/ξ 《水工建筑物》（6-18） 1）设计水位条件下： ①ΔH＝19.5－14.5＝5.0m

由上面公式计算设计水位下的各段水头损失，列表如下： 分段编号 ξi Hi Ⅰ Ⅱ Ⅲ 0.874 1.188 Ⅳ 0.409 0.556 Ⅴ 0.355 0.483 Ⅵ 0.970 1.319 Ⅶ 0.063 0.086 Ⅷ 0.514 0.699 0.464 0.029 0.631 0.039 ②进出口水头损失的修正： 进口处修正系数β'为

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β1'=1.21－

??T/?12??T???????21 《水工》（6-21中的β'计算公式）

?S/?2?(?0.059)T??T′＝12.4+4.8＝17.2m T＝13.0+4.8＝17.8m S'＝13.0－11.9＝1.1m 则 β1=1.21－

1＝0.583＜1.0，应予以修正 2??17.2??1.1?0.059)??2?(?12?17.817.8??????进口段的水头损失修正为h0'=β'h0 hI0'＝0.583×0.631＝0.368m 进口段水头损失的修正量为

Δh＝(1-β1')hI0＝(1－0.583)×0.631＝0.263m 修正量应转移给相邻各段，则 hII'＝0.039+0.039＝0.078m

hⅢ'=1.188+(0.263－0.039)＝1.412m 同样对出口段修正：

T'=16.0m T=17.3m S=2.3m 出口段修正系数β2'为 β2＝1.21－

??T/?12??T???????21

?S/?2?(?0.059)T?? ＝1.21－

1＝0.785＜1.0，应予以修正 2??16??2.3?0.059)??2?(?12?17.317.3??????出口段的水头损失修正为hⅧ' =β2'hⅧ＝0.785×0.699＝0.549m 出口段水头损失的修正量为

Δh＝(1－β2')hⅧ0＝(1－0.785)×0.699＝0.15m 亦应将修正量转移给邻各段，则 hⅦ ' ＝0.086+0.086＝0.172m hⅥ'＝1.319+(0.15－0.086)＝1.383m ③计算各角隅点的渗压水头：

由上游进口段开始，逐次向下游从作用水头值ΔH中相继减去各分段的水头损失值即可求得各角隅点的渗压水头值。

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H1＝5.0m

H2＝H1－hⅠ'＝5.0－0.368＝4.632m H3＝H2－hⅡ'＝4.63－0.078＝4.554m H4＝H3－hⅢ'＝4.554－1.412＝3.142m H5＝H4－hⅣ'＝3.142－0.556＝2.586m H6＝H5－hⅤ'＝2.586－0.483＝2.103m H7＝H6－hⅥ'＝2.103－1.383＝0.720m H8＝H7－hⅦ'＝0.720－0.172＝0.548m H9＝H2－hⅧ'＝0.548－0.549≈0.00m ④作出渗透压力分布图

根据以上算得的渗压水头值，并认为沿水平段水头损失差线性变化，则作出渗透压力分布图，如图4-2-1所示：

单位宽底板所受渗透压力

P1＝1/2（H6+H7）×L1×1.0＝1/2×(2.103+0.720)×20×1.0＝28.23t＝276.65kN 2）校核水位条件下 ①ΔH＝20.0－14.5＝5.5m

各段水头损失的计算hi=ξi/ξΔH 《水工建筑物》（6-18）则 分段编号 ξi Hi Ⅰ 0.464 0.694 Ⅱ 0.029 0.043 Ⅲ 0.874 1.307 Ⅳ 0.409 0.612 Ⅴ 0.355 0.531 Ⅵ 0.970 1.451 Ⅶ 0.063 0.094 Ⅷ 0.514 0.769 ②进出口水头损失的修正 进口处的水头损失修正为

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hI0'＝β2hⅠ＝0.583×0.694＝0.405m 进口段水头损失的修正量为

Δh＝(1－β1')hI0＝(1－0.583)×0.694＝0.289m 修正量转移给相邻各段，则 hII'＝0.043+0.043＝0.086m

hⅢ'＝1.037+(0.289－0.043)＝1.553m 同样对出口段修正： 出口段的水头损失修正为

hⅧ' =β2hⅧ'＝0.785×0.769＝0.604m 出口段水头损失的修正量为

Δh=(1－β2')hⅧ0＝(1－0.785)×0.699＝0.15m 亦应将修正量转移给邻各段，则 hⅦ' ＝0.094+0.094＝0.188m

hⅥ'＝1.451+(0.165－0.094)＝1.522m ③计算各角隅点的渗压水头（方法同上） H1＝5.0m

H2＝H1－hⅠ'＝5.5－0.405＝5.095m H3＝H2－hⅡ'＝5.095－0.086＝5.009m H4＝H3－hⅢ'＝5.009－1.553＝3.456m H5＝H4－hⅣ'＝3.456－0.612＝2.844m H6＝H5－hⅤ'＝2.844－0.531＝2.313m H7＝H6－hⅥ'＝2.313－1.522＝0.791m H8＝H7－hⅦ'＝0.791－0.188＝0.603m H9＝H2－hⅧ'＝0.603－0.604≈0.00m ④作出渗透压力分布图如图4-2-2所示：

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单位宽底板所受渗透压力

P1＝1/2（H6+H7）×L1×1.0=1/2×(2.313+0.791)×20×1.0＝31.048t＝304.19kN

4.3 验算闸基土的抗渗稳定性

查SL265-2001附表3－1，可得水平允许均渗透坡降『JX』=0.10;出口处的允许平均出逸坡降『J0』＝0.35

分别验算不同水位条件下的抗渗稳定性。

4.3.1 设计水位条件下

闸底板水平段的平均渗透坡降为:

JX=hⅥ’/LX=1.383/20=0.069<『JX』=0.10 渗流出口处的平均出逸坡降为:

J0=hⅧ’/S’=0.549/2.3=0.239<『J0』=0.35 故在设计水位条件下的闸基防渗满足抗渗稳定要求。

4.3.2 校核水位条件下

闸底板水平段的平均抗渗坡降为

JX=hⅥ’/LX=1.522/20=0.076<『JX』=0.10

渗流出口处的平均出逸坡降为 J0=hⅧ′/S′=0.604/2.3=0.263<『J0』=0.35 故在校核水位条件下闸基防渗亦满足抗渗稳定要求。

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5、闸室的布置和稳定分析

5.1 闸室结构布置

闸室结构布置包括底板、闸墩、闸门、胸墙、工作桥和交通桥等分布结构等分布结构的型式和尺寸的初步拟定。

5.1.1 底板

按底板和闸墩的连接方式，闸底板可分为整体式和分离式两种。本设计采用整体式闸底板。尺寸设计：

1）闸底板顺水流方向的长度根据闸室稳定，地基应力及上部结构布置的要求确定。本设计取顺水流方向的长度为20m。

2）底板厚度必须满足强度和刚度的要求，一般取t=(1/5~1/8)B, B=10m，t=(1.25~2)m，取t=1.8m。

3）分孔分联

多孔水闸采用整体平底板时，为了适应伸缩变形，应该用缝将底板分成若干段。分段缝的间距在岩基上不宜大于20m，土基上不宜大于30m，并尽量考虑闸孔对称，且分缝类型不超过两种。本设计采用36孔，采用两孔一联。

4）底板分缝

为了防止和减少由于地基不均匀沉降、温度变化和混凝土干缩引起的裂缝，必须设置若干道顺水流向的永久缝。由于闸墩与底板是固结在一起的，永久缝设在闸墩中间，缝中设以“V”形铜片止水，并以沥青油毛毡填缝。

5.1.2 闸墩

闸墩用以分隔闸孔、支承闸门及上部桥梁，并将由闸门传来的水压力和上部结构的重量和荷载传给底板，所以闸墩的长度应满足布置检修便桥，工作桥，交通桥，检修门槽和工作门槽的需要。取闸墩长度与底板等长，为20m。闸墩上下游端都保持铅垂面。

检修门槽与工作门槽之间保持2.0m的净距，以便于检修人员进出和工作。检修

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门槽一般设于工作门槽的上游，其下游一般不再设检修门槽。

闸室稳定计算时上游水位为19.5m，下游水位为14.5m，上下游水位相差不大，可以不设胸墙。

一、确定闸墩高度

确定闸墩上游部分的顶部高程时，应使布置在这里的交通桥桥面位于上游最高水位加波浪高度和安全超高以后的高程上，下游部分的墩顶高程可适当降低，但应保证位于下游的交通桥桥面能与闸侧道路衔接。

（1）泄水时墩高

h1=▽设洪+安全超高＝23.65+0.7＝24.35m

现根据设计资料计算校核流量Q0.33%＝12350m3/s，相应H下=23.80m时闸上壅高水位H壅高。

Q=σmB02gH02/3

式中Q=12350m3/s，m=0.385 ，B0=360m，则有 12350=σ×0.385×360×19.6×H02/3

结合SL265－2001附表A.0.1-2，用试算法计算H0，其中hs＝23.80－13.0＝10.80m

当H0＝12.0m时，hs/H0＝0.90，查表得σ＝0.828代入式中得 12350= 0.828×0.385×360×19.6×H02/3 得H0＝8.4m 按此方法进行试算，列表如下：

H0 11.5 11.2 11.12 hs/ H0 0.939 0.964 0.971 查表得σ 0.708 0.587 0.543 计算H0 9.31 10.55 11.12 h2=▽校核+安全超高＝11.12+13+0.5＝24.62m

（2）闸门关闭时 首先进行波浪计算

洪水期多年平均最大风速v=20.7m/s，设计情况宜采用洪水期多年平均最大风速的1.5~2.0倍，取1.5倍。风向按垂直坝轴线考虑，吹程DF=3km。闸前范围内的平

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均水深H’＝19.5－13＝6.5m.

1) 计算gDF/V102及gH/V102

ghLV102?7.4?10?32) 查《水闸规范》附图得 并计算平均波高

3）H江水闸为三级建筑物，查?水闸规范?附表4.1得设计波浪波列累积频率为

hL0.728??0.1126.5HPL=5%

4)由上面查得设计波浪波列累积频率波高与平均波高的比值，计算hL值。 由?水闸规范?查得

hL?1.87hLhL?1.87?hL?1.87?0.728?1.36 5）计算设计波浪的平均周期

T?4.0?hL?4.0?0.728?3.413gT2?H9.8?3.41322?3.14?6.5LL?th?th2?LL2?3.14LL40.82LL?18.18thLL2ex?e?xthx?xe?e?s 6）计算相应的波长值 由试算得 LL=18.0m.

h3=▽挡水高度+hL+超高=19.5+1.36+0.4＝21.26 h4=▽校核校核+hL+超高=20+1.36+0.3＝21.66 h1、h2、h3、h4中取最大者即为闸墩高度，即h＝24.62 h取整数25

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闸墩为钢筋混凝土结构。顺水流长度取与底板相同，为20m，不分缝中墩厚 1.2m，分缝中墩厚1.6m，中间缝宽2cm，边墩厚1m。

闸墩靠近上游设检修门槽一道，槽深0.2m，宽0.3m，上游墩头与检修门槽相距4.0m，距检修门槽2.0m设一道工作门槽，槽深0.3m，宽0.6m，下游不设检修门门槽。具体位置见图34。闸墩上下游端部均彩半圆形墩头，以便设置沉陷缝和施工缝。分缝中墩墩头R＝0.8m，不分缝的墩头R＝0.6m。

5.1.3 闸门

1）闸门门型及尺寸

闸门选用露顶式平面滚轮钢闸门，闸门顶部在最高挡水位以上有0.5m的超高，因此门顶高程▽＝20.00+0.5＝20.50m，门宽为10+2×0.3＝10.6m

2）启闭机选型

闸门自重，根据经验公式G?KZKCKgH1.43B0.88初估闸门自重。 式中：H、B——孔口高度和宽度(m)

Kz——闸门行走支承系数 Kz（滚动支承）＝1.0 Kc——材料系数 Kc（普通碳素钢材）＝1.0 Kg——孔口高度系数，5m≤H≤8m时， Kg＝0.13 则闸门自重G=1.0×1.0×0.13×7.51.43×100.88＝17.59t＝172.4KN 根据经验公式，初估启门力

FQ=（0.1～0.2）P+1.2G

其中 FQ——启门力；

P——平面闸门上的总水压力； G——估算的闸门自重；

12作用闸门上游面的水压力P上＝?H上＝245kN/m；作用在闸门下游面的水压力

212P下＝?H下＝11.25kN/m

2则门上的总水压力为P总＝（P上－P下）×10＝（245－11.25）×10＝2337.5kN FQ＝0.11×2290.7+1.2×200＝464.0kN

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初选双吊点手摇电动两用卷扬式启闭机QPQ-2×25，其机架外轮廓宽 Qb＝1962mm。满足要求。

5.1.4 上部桥梁

一、工作桥 1） 工作桥高程

为了安置闸门启闭机械和操作管理的需要，需在闸墩或排架柱上架设工作桥。工作桥高度以使闸门开启后不阻碍闸孔泻洪为原则确定，并应留有足够的超高。

工作桥的高程=2*闸门高+超高 =2*7.5+1.5=16.50m

工作桥宽度 B＝启闭机宽度＋2×栏杆柱宽＋2×栏杆外富余宽度

＝1.962+2×0.8+2×0.15＋2×0.05＝3.962m，

取工作桥净宽4.0m，工作桥采用板梁式结构。

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二、交通桥

交通桥的位置应根据闸室稳定，地基应力以及两岸交通连接等条件确定。本设计交通桥位置设在闸室靠下游一侧，桥身为装配式T型梁结构，桥面净宽根据交通要求确定，采用双车道，净宽7m，两侧设宽度为1m的人行道。故交通桥总宽度为9m。交通桥栏杆高为1.1m。

T型梁梁高1m，梁腹宽0.2m，梁翼宽1.6m，以五根组梁组成。两侧人行道为悬臂式。其结构及尺寸如图5-2-1所示。每米延长重量按8T/m计算。

三、检修桥

为了便于进行检修、观测等，在检修门槽处距上游0.5m处设置一检修便桥，桥宽2m。为现浇钢筋砼结构，底梁截面尺寸为0.6m×0.4m（高×宽）,板厚0.1m。

5.2 荷载及其组合 5.2.1 荷载计算

作用于闸室上的荷载主要有结构自重、水重、水平水压力、扬压力、土压力、泥沙压力、风压力、浪压力、地震荷载等等。

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5.2.2荷载组合

荷载组合分为基本组合和特殊组合两类。在基本荷载组合中又分为完建情况、正常蓄水位情况、设计洪水位情况和冰冻情况四种。在特殊荷载组合中又分为施工情况、检修情况、校核情况和地震情况四种。

5.3 闸室稳定计算

取中间一个独立的闸室单元进行分析，闸室结构布置见图5-3-1。 独立体（两孔一联）宽20+2×0.8+1.2＝22.8m

32.0025.0026.0020.3013.0010.2011.20

5.3.1 完建期

完建期的荷载主要包括闸底板重力G1、闸墩重力G2、闸门重力G3、工作桥及启闭机设备重力G4、公路桥重力G5和检修便桥重力G6，取混凝土、钢筋混凝土的容重为25kN/m3。

1）底板重力

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G1＝[（2.5+1.5)×1.0/2+(2.0+1.0)×1.0/2+1.8×20]×22.8×25＝22515kN 2）闸墩重力

分缝中墩重：（3.14×0.82+1.6×（20-1.6)-2×0.2×0.3-2×0.6×0.3)×(25-13)×25=9291.2kN

不分缝中墩重：（3.14×0.62+1.2×（20-1.2）－2×0.2×0.3-2×0.6×0.3）×12×25＝6963.3kN

则G2＝9291.2+6963.3=16254.5kN 3）闸门自重 G3=200.0×2=400kN

4）工作桥重力及启闭机设备

排架重力：[1.0×1.0×(32－25)×2+1.0×1.0×2.4×3+1.0×1.0×(20+1.6+1.2)×2]×25＝1670kN

工作桥重力：[4.0×0.95-2×(0.8+0.85)×0.85/2-0.85×1.5]×22.8×25=639.8kN

考虑到栏杆及横梁重力等，取680kN

QPQ2×25启闭机机身重40.7KN，考虑到机架混凝土及电机重，每台启闭机重48.0KN，启闭机重力2×48.0=96.0kN

则G4=1670+680+96.0＝2446kN 5）公路桥重力

公路桥约8t/m＝78.4kN，考虑到栏杆重，则公路桥重力G5=78.4×22.8+30＝1817.5kN。

6）检修便桥重力

G6=（0.6×0.4×2+0.1×2)×22.8×25=340kN 考虑到栏杆重力，取G6=350kN

完建情况下作用荷载和力矩计算见表5-3-1。

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完建情况下作用荷载和力矩计算表 表5-3-1

（对底板底面中心点A求距）

部位 1 底板 分缝中墩 不分缝中墩 闸门 工作桥 启闭机 公路桥 检修便桥 合计 计算地基压力：

Pmax?min重力kN) 798 21717.0 9291.2 6963.3 400 1254 96 1862.5 350 43879 力臂(m) 9.75 0.25 0 0 3.4 3.4 3.4 4.8 8.5 力矩（kN.m） 顺时针 逆时针 5429.3 0 0 8724 14153.3 7780.5 1360 8316.4 326.4 2975 20758.3 2 1 1 闸墩 6605(逆时针) ?G?M? AW ＝

438796605 ?20?22.81732.8 ＝100.58 kN/m2 91.88 kN/m2

P?Pmax?Pmin2

?96.23k N/m 2确定地基容许承载力

由所给资料，河床表层土质为中砂，其标准贯入系数为N63.5=20，由《水闸设计参考资料》图2 查得地基容许承载力[R]＝25(t/m2)。

P?9.28??R??25满足要求。

计算基底压力不均匀系数，即基底压力的最大值和最小值之比，其值不得大于规

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定的容许值，否则会产生较大的不均匀沉降，导致闸室严重倾斜，影响使用甚至严重破坏。

式中[η]=2.0由查《水闸设计参考资料》表4得到，对于中等坚硬，紧密的地基土，基本荷载作用下[η]=2.0，特殊荷载作用下[η]=2.5。

??Pmax?1.09?????2.0 Pmin5.3.2 设计洪水情况

在设计洪水位下，闸室的荷载除了闸室结构的重力外，还包括闸室内水的重力、压力、水压力等。

①闸室内水的重力

W1=6.5×6.3×20×9.8=8026.2KN W2=1.5×13.1×20×9.8=3851.4KN ②水平水压力

因上游平均水深H大于LL，且大于Hlj，故为深水波，可假定浪顶及水深等于LL

处的浪压力强度为零，静水位处的浪压力强度最大，并近似呈三角形分布，如图5-3-3所示。

425.06G5666KN484KN695KN225KN11210024742KN205KN设计洪水位时荷载图因此，P1=0.5×3.025×（3.025+0.23+0.605)×9.8×22.8+0.5×(3.025+6.8)×3.775×9.8×22.8=5448.1(kN) (→)

6.9KN421KN28

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P2＝0.5×[(3.142+14.5-12.7)+(2.957+14.5-10.7)]×2.5×9.8×22.8＝3323.4(kN) (→)

P3＝0.5×2.9×2.9×9.8×22.8＝939.6(kN) (←）

P4＝0.5×[2.9+(0.548+14.5-10.2)×1.4×9.8×22.8=1212.2(kN) (←） ③浮托力

F=[0.5×(1.5+2.5)×3.3+0.5×(1+2)×3.3+3.3×20]×9.8×22.8= 17327.8(kN) (↑)

④渗透压力

U=0.5× (0.72+2.103)×20×22.8×9.8=6307.7(kN)(↑) ⑤地震力

本地区设计烈度为6度,故不进行地震力计算. 设计洪水情况下的荷载和力矩计算见图、表5-3-2。

设计洪水情况下作用荷载和力矩计算表 表5-3-2

(对底板底面中心点A求矩)

坚向力 荷载名称 （kN） 向下 闸室结构重力 水重力 43879 8026.2 3851.4 上游水压力 下游水压力 浮托力 向上 479.9 16847.9 水平力 （kN） 向左 5448.1 3323.4 向右 939.6 1212.2 力臂（m） 力矩（kN·m） 顺时针 27690.4 22064.8 598.2 436.4 4679.0 逆时针 6605 26382.1 1287.3 4212.0 3.45 6.85 4.05 0.18 1.37 0.36 9.75 0.25

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渗透压力 55756.合计 6 3219.5 3090.2 23637.5 0 3.33 10290.4 8771.5 2151.8 65759.2 38486.4 27272.8(顺时针) 32119.1（ ↓ ） 6619.7（ → ） 2）计算地基压力

Pmax?min?G?M ?AW ＝

32119.127272.8 ?20?22.81732.82

＝86.18 kN/m2 54.70 kN/m

P?Pmax?Pmin2

?70.44 k N/m 2基底不均匀系数

??Pmax?1.55?????2.0 Pmin3）设计洪水位情况下的抗滑稳定计算

首先根据下式计算值判别可能滑动的形式（表层滑动或深层滑动）：

Pkp?A?'Btg??2C?1?tg??

式中：?'——地基土的浮容重 kN/m3

B——底板顺水流方向的宽度，m； ?——地基土的内摩擦角； C——地基土的单位粘聚力，kPa； A——系数，一般取2.5； 将已知值代入上式得

Pkp?2.5??20.5?10??18?tg27??2??1?tg27??

＝240.8 (kN/m2)

因设计洪水位情况下Pmax＝86.18 kN/m2＜240.8 kN/m2，故不再验算地基深层滑

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动的稳定性，只须验算沿地基表层滑动的稳定性即可。按下式计算沿地基表层的抗滑稳定系数为

Kc?f?G??Kc? ?HKc——抗滑稳定安全系数

f——闸基底板与地基土之间的摩擦系数，参考表4－8查得f＝0.4

?H——作用在闸室上的全部水平向荷载（kN） 由表4－9查得?Kc??1.25

Kc?0.4?32119.1?1.94??Kc??1.25

6619.75.3.3 校核洪水情况

校核洪水位情况时的荷载与设计洪水位情况下相似，所不同的是浪压力、水压力、扬压力是相应校核水位下的浪压力、水压力、扬压力。

①闸室内水的重力

W1＝7×6.3×20×9.8＝8643.6kN W2＝1.5×13.1×20×9.8＝3851.4kN ②水平水压力

同理试算得2LL=12.21m；Hlj＝1.047；h0＝0.24m

可见，上游平均水深H大于LL，且大于HLJ，故为深水波。其浪压力分布如图5-3-4所示：

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425.06G5715KN515KN722KN225KN112100247742KN226KN校核洪水位时荷载图

因此P1＝0.5×3.053×（3.053+0.24+0.61)×9.8×22.8+0.5×(3.053+7.3)×4.247×9.8×22.8＝6243.4kN(向右）

P2＝0.5×[(3.456+14.5-12.7)+(3.252+14.5-10.2)]×2.5×9.8×22.8＝3577.3kN(向右）

P3＝0.5×2.9×2.9×9.8×22.8＝939.6kN(向左）

P4＝0.5×（2.9+4.903)×1.4×9.8×22.8＝1220.5kN(向左） ③浮托力

因下游水位没有变化，故浮托力与设计洪水情况相同。 F＝15529.1kN(向上） ④渗透压力

U＝0.77×9.8×20×22.8+0.5×1.54×9.8×20×22.8＝6882kN(向上) 校核洪水情况下的荷载和力矩计算见图、表5-3-3。

7.5KN421KN32

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校核洪水位下荷载力矩计算表 表5-3-3

（对中心点A点求矩）

荷载名称 竖向力（kN） 向下 向上 水平力(kN) 向左 6243.4 3577.3 9820.7 向右 力臂（m） 3.45 6.85 4.22 力矩(kN·m) 顺时针 29820.4 26347.1 逆时针 6605 26382.1 闸室结构重力 43879 水重力 3851.4 上游水压力 下游水压力 浮托力 渗透压力 56374.合计 0 8643.6 479.9 16847.7 3534.8 3400.8 24263.4 939.6 1220.5 2140.1 0.18 1.37 0.36 9.75 0.25 0 3.33 643.9 439.4 4679 0 11324.7 1287.3 4212.0 73254.5 38486.4 34768.1(顺时针) 32110.6( ↓ ) 2）计算地基压力

Pmax?min7680.6( → ) ?G?M ?AW ＝

32110.634768.1 ?20?22.81732.8 ＝90.48 kN/m2 50.35 kN/m2

P?Pmax?Pmin2

?70.42k N/m 2

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基底不均匀系数

??Pmax?1.79?????2.0 Pmin3）校核洪水位情况下的抗滑稳定计算

首先根据下式计算值判别可能滑动的形式（表层滑动或深层滑动）：

Pkp?A?'Btg??2C?1?tg??

式中：?'——地基土的浮容重 kN/m3

B——底板顺水流方向的宽度，m； ?——地基土的内摩擦角； C——地基土的单位粘聚力，kPa； A——系数，一般取2.5； 将已知值代入上式得

Pkp?2.5??20.5?10??18?tg27??2??1?tg27??

＝240.8 (kN/m2)

因校核洪水位情况下Pmax＝90.48 kN/m＜240.8 kN/m，故不再验算地基深层滑动的稳定性，只须验算沿地基表层滑动的稳定性即可。按下式计算沿地基表层的抗滑稳定系数为

Kc?f?G??Kc? ?H2

2

Kc——抗滑稳定安全系数

f——闸基底板与地基土之间的摩擦系数，参考表4－8查得f＝0.4

?H——作用在闸室上的全部水平向荷载（kN） 由表4－9查得?Kc??1.25

Kc?0.4?32110.6?1.67??Kc??1.25

7680.6根据《水闸设计规范》，当闸室设有两道检修闸门或者只设一道检修闸门时，利用工作闸门与检修闸门进行检修时，应按照公式（7.3.16）进行抗浮稳定计算

Kf= ∑V /∑U （7.3.16）

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式中Kf——闸室抗浮稳定安全系数

∑V——作用在闸室上全部向下的铅直力之和（KN） ∑U——作用在闸室基底面上的扬压力之和（KN）

不论水闸级别和地基条件，在基本荷载组合条件下，闸室抗浮稳定安全系数不应小于1.0；在特殊荷载组合条件下，闸室抗浮稳定安全系数不应小于1.05。

综上所述，闸室地基满足抗浮抗滑要求

5.4 水闸结构计算

本设计底板采用整体平底板，整体平底板常用的计算方法是截面法，倒置梁法和弹性地基梁法。弹性地基梁法假定地基和底板都是弹性体，底板下的地基反力是未知数，考虑了底板变形和地基沉降的协调一致性，并可计入边荷载的影响，比较合理，适用于大中型水闸设计。本设计采用弹性地基梁法。

根据地质资料提供闸址处可压缩土层厚H=22.8，地基梁半长L=22.8/2=11.4m，H/L=2，因此可按半无限地基的弹性地基梁计算。

5.4.1 计算情况

底板计算分为完建期，设计水位情况和校核水位情况。

5.4.2 闸基的地基反力计算

1）完建期

σmax= 100.04 kpa (上游段） σmin = 92.41 kpa （下游段） 2）设计洪水情况

σmax= 86.18 kpa (上游段）

σmin= 54.70 kpa （下游段） 3）校核洪水情况

σmax= 93.29 kpa (上游段） σmin= 47.55 kpa （下游段）

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5.4.3 不平衡剪力分配

以闸门上游临水面为界，将闸室分为上、下游段，各自承担其分段内的上部结构重力和其它荷载。

一、不平衡剪力

对完建期，校核洪水情况分别进行计算。 ①完建期

A闸墩上游段及下游段

G1上=（0.5×3.14×0.82+3.2×1.6+0.3×1.2+2×1.6+0.5×3.14×0.62+3.4×1.6+0.3×0.8+2×1.2)×12×25＝5499.2 kN

则G1下=G1－G1上＝6254－5499.2＝10755.3 kN B底板

G2上＝[6.3×1.8+0.5×(2.5+1.5)×1.0]×22.8×25＝7603.8 kN 则G2下＝G2－G2上＝22515－76039.8＝14911.2 kN C公路桥

因其处于闸门下游，故G3上＝0，G3下＝1817.5 kN D工作桥

G4上＝G4下＝G4/2＝2446/2＝1223 kN E检修便桥

因其完全处于闸门上游，故G5上＝350 kN，G5下＝0

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F闸门

因其处上下分界线下游，故G6上＝0，G6下＝400 kN G启闭机

G7上＝G7下＝G7/2＝96/2＝48 kN 完建期上、下游段的地基反力为：

PF上＝0.5×(100.04+94.81)×6.3×22.8＝13994.1kN PF下＝0.5×(94.81+92.41)×13.7×22.8＝29240.0 kN 完建期不平衡剪力值的计算见表。

完建期不平衡剪力计算表 单位：kN

荷载名称 闸墩 底板 公路桥 结构 重力 工作桥 检修便桥 闸门 启闭机 上游段 5499.2 7603.8 0 1223 350 0 48 14724 -13994.1 729.9 729.9 下游段 10755.3 14911.2 1817.5 1223 0 400 48 29155 -29240.0 85 85 小计 16254.5 22515 1817.5 2446 350 400 96 43879 ? 地基反力 不平衡力 不平衡剪力 2）校核洪水情况

校核洪水情况时上、下游段各自承担的结构重力与完建期情况相同。 水重力：G上＝8643.6kN，G下＝3851.4kN

浮托力：F上=[3.3×6.3+0.5×(2.5+1.5)×3.3]×9.8×22.8＝6120.0kN(向上）则F下＝F－F上＝17327.8－6120.0＝11207.8kN（向上）

渗透压力：U上=0.5×(2.313+1.270)×6.3×9.8×22.8＝2521.8kN（向上） 则U下=U－U上=6935.6－2521.8＝4413.8kN（向上）

则上游段扬压力为F上+U上=6120.0+2521.8＝8641.8kN（向上）

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