水闸的稳定分析及地基处理.docx

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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

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

水闸的稳定分析及地基处理

学时：

项目名称

水闸设计

教学地点

多媒体教室

学生角色

设计辅助人员

教学目标

知识目标

技能目标

态度目标

（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）。

（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）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。

能力训练任务

及案例

（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；

（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。

教学重点、难点

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。

教学组织过程

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，提岀问题，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。

教学条件

工程案例；练习题；课程相关课件。

作业

基础试题（填空、选择题等）、技能训练习题

备注

2■教学实施

【步骤I】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8m7孔。

整体式底板，边2孔

联，中3孔一联。

正常挡水位为38.50m。

项目

重现年

洪水流量（m3/s）

闸前水位（m）

下游水位（m

设计洪水

937

39.15

校核洪水

1220

40.35

40.2

土质名称

重粉质壤土

细砂

中砂

重粉质壤土

中粉质壤土

分布范围由上而下

河床表以下深约3m

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自重一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DW10km,V=1卜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

8地震荷载：

同重力坝。

1自重G：

a.闸底板Gi

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Wi

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：

Pi、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。

―、厂

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。

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Vio、吹程D的确定：

Vio—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Vio和吹程D，及闸前风区范围内的平均水深H,

计算程、或。

Vi2Vi0

2按莆田实验站公式计算平均波高2hc及坐值。

g2hc

=0.13th0.7

0.0018（gD）0.45

0.13th0.7”粵）

试中：

th—双曲线正切函数关系thx

x_x

e-e

x_x

其他符号意义同上。

3计算波咼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

坐值，查表

4-12得尘

（设计波浪波列累计频率的波高与平均波高的比

2hc

值）。

⑥计算波浪压力:

HLj*/

（Ll2hLh°）LL

Pl一2■—

式中：

Pl—作用在水闸铅直迎水面上的波浪压力（吨/米）；

4兀hc兀H1

h。

2LlLl

式中Hi指闸前风范区的水深。

d•当H

p2hL（1.5+0.5k）+（0.7+丸HPj

式中:

'—闸底处波浪压力强度的折算系数

当H<1.72hL时，可采用0.6,

当H1.72hL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

说明

自

重

静水压力

扬压力

土

压

力

泥沙压力

波浪压力

地

震荷载

苴

/、

他

基本组

合

完建情

况

必要时可考虑地下水产生的扬压力。

正常情

况

按正常蓄水位组合计算静水压力，扬压力及波浪压力。

设计洪

水情况

按设计洪水位组合计算静水压力，扬压力及波浪压力。

特殊组

合

施工情

况

应考虑施工过程中各个阶段的临时荷载。

检修情

况

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。

校核洪

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。

、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。

［kc］值，即kc>［k］闸室抗滑稳定才能满

抗滑稳定计算时，需求计算值kc必须大于或等于允许的足要求。

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;

（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）

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

■0，Co。

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

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：

f'WS广W0.8G1G2-Gv

kc=十=十!

'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）；

Gi—阻滑板上的水重，KN；

G2—阻滑板的自重，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1.00

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1.00

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）

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：

max

min

、W—作用于闸底板的全部竖向荷载之和，kpa；

A—闸底板面积，m2；

7M—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