水闸的稳定分析及地基处理.docx

1、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： 2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

2、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

3、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

4、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8m 7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2093739.1539校核洪水50122040 .3540.2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：可能沿地基面发生滑动，当地基承受的

5、压力过大时， 地基也可能丧失稳定；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：

6、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

7、莆田试验站公式计算 2hc和2Ll比较麻烦，对于平原水库 DW 10km , 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 （ 1.52.0） 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Gib.闸墩G2C.闸门G3d.检修桥G4e.工作桥与启闭机G5f.交通桥G62水重

8、 W ：a.闸门前Wib.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、P35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

9、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Paa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Dfmax5B，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，

10、及闸前风区范围内的平均水深 H ,计算程、或。Vi2 Vi02按莆田实验站公式计算平均波高 2hc及坐值。Hg2hc= 0.13th 0.70.0018(gD)0.45070.13th 0.7” 粵)试中：th 双曲线正切函数关系 thxx _xe -ex _xe e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H4-12得尘（设计波浪波列累计频率的波高与平均波高的比2hc值）。计算波浪压力:HLj*/(Ll 2hL h)LLPl 一 2式中：Pl 作用在水闸铅直迎水面上的波浪压力（吨

11、/米）；2 4兀hc兀H 1h。 c 12Ll Ll式中Hi指闸前风范区的水深。Lld当H HLj时，属破碎波，波浪压力可按下式计算。p 2hL(1.5 + 0.5k )+(0.7 + 丸 H Pj式中:闸底处波浪压力强度的折算系数当H 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

12、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 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

13、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：,fW S 广 W 0.8 G1 G2-Gvkc = 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）；G

14、i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 1.002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

15、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：maxmin、W 作用于闸底板的全部竖向荷载之和， kpa；A 闸底板面积，m2；7 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。BL式中：二一为平均基地压力；二m:为基地压力的最大值和最小值;二G 为作用在闸室

16、上的全部竖向荷载（包括基底面上的扬压力）a 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：maxmin GBL6、M- 厂BL2式中：maxpmin 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；a 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

17、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:式中：V Mx、V My 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;Wx、Wy底板底面对形心轴 x、y的截面矩，m3。注意: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。要求Pmax和Pmin不能相差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。【步骤4】案例讲解教学地点教师任务学生任务教学条件时间（分钟）多媒体教室（1） 通过案例讲解使学生掌握绘制取水闸下游干渠 的水位一流量关系曲线；（2） ）通过案

18、例讲解使学生掌握选择闸室结构型式 的方法；探（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；探（4）通过案例讲解使学生掌握确水闸的闸孔总净听课，获取有关 知识和信息多媒体 课件30宽度计算方法；探（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

19、速为0.6m/s,引水流量36.0m /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，弓冰流量72 m3/s，相应的干渠水位为 103.160m。【步骤5】学生实训教学地点教师任务学生任务教学条件时间（分钟）多媒体教室布置背景资料分 析实训任务 辅导、解惑接受任务 分组进行背 景资料分析多媒体课件，背景资料30（在课堂提示在课后 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/

20、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寸51弓2币 .图i i-i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、6卩选用或计算、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教师任务学生任务教学条件时间（分钟）多媒体教室评判、任务布置记录课后任务多媒体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1. -.0 一厂S.0 - 沁 S.- .3 L.二 1. S.Z _.1L - /i ZX /、，-r/Jf、 /X JF X/ / Jf 11Xf / / 图2闸孔横向布置图