船闸结构设计规范

Te 0.5L0
当 L0 5 S0
时，T e
5L0
1.6 L0
2
S0
（6-22） （6-23）
（3）计算各段的阻力系数
①进出口段（如图6-9a）阻力系数 ： 0
3
1.5( S ) 2 0.441
0
T
（6-24）
式中： S0——地下轮廓的垂直投影长度，m； S——垂直防渗设施的深度，m；
2、阻力系数法
阻力系数法的基本原理是将建筑物地基内的整个渗流区域大 致按等势线位置分成几个基本渗流段形，各段渗流水头损失与各 段的阻力系数成正比。 主要计算步骤： （1）地基分段
将地基沿渗流流程，一般可通过板桩角点和尖点的等水头线进 行分段（图6-8、图6-9）。地基分段可归纳为进出口段、内部垂 直段和水平段。三种基本段形。
由于进出口段水头损失的减小，必然引起相邻水平 段的水头损失的增加，进出口段齿墙不规则部位，应 对与进出口板桩相邻水平段的水头损失和渗透压力图 形进行修正，具体的修正方法可见船闸设计规范相关 部分。
（7）计算出口坡降
出口处渗流的平均坡降可按下式计算：
Jf
hf s
（6-29）
出口段的平均坡降应小于在渗透水流作用下，按地基 土壤平衡条件所求得的出口段容许坡降，其值见教材 （p121）表6-4。
第六章 船闸结构计算
第一节 作用在船闸结构上的荷载
船闸水工建筑物设计时，须根据建筑物在施 工、完建、运用及检修等不同时期所承受的全 部荷载，并按各种可能的最不利荷载组合进行 计算。
一、荷载种类
作用于船闸水工建筑物上的荷载包括： （1）建筑物自重、水重及建筑物内部或上部填料重。 （2）闸门、阀门及其他设备的重量。 （3）土压力。 （4）静水压力。 （5）扬压力（包括浮托力及渗透压力）。 （6）船舶荷载。 （7）活荷载。 （8）波浪压力。 （9）水流力。 （10）地震力。 （11）其他。
筑物，它们各自都应设置防渗设备。
图6-5 船闸为透水闸底的防渗布置
土壤分类：
砂性土：透水性大，容易发生渗流变形；防渗方法是减
少渗透压力，减小渗流量，防渗布置难度较大；
粘性土：透水性小，土壤颗粒间存在凝聚力，不容易发
生渗流变形。防渗方法注要是减少渗透压力。减小渗流量记
及防止变形不太重要，防渗设计较容易；
对未设帷幕、排水的船闸，一般假定渗透压力呈三
角形分布，图6-2中 H 1 为上游水深， H 2 为下游水深，
H 为渗透水头。
但观测资料表明，岩基上渗透压力线的变化，往往
不是一条直线，而是曲线。为了便于计算和比较符合实
际，将曲线变化的渗透压力图折算为相应的直线变化的
渗透压力图，即将渗透水头H乘以折减系数α，使其按
（1）平原地区船闸，按有限水深公式计算：
2hw 0.0151W (HD)0.33 2Lw 0.104WH D 0.57 0.33
（6-16） （6-17）
（2）狭长山谷地带的船闸，按官厅水库公式计算：
2hw 0.0166 W 1.25 D 0.33 2Lw 10.4(2hw )0.8
（6-18） （6-19）
（3）墙高大于15m的整体式悬臂式钢筋混凝土结构，观测表明， 结构上部产生大于静止土压力的附加土压力，因此应按附加 土压力的影响进行分析研究。
主动土压力计算方法：
库仑理论适用——墙背与垂线夹角不大α＝（45°－
φ/2）的主动土压力 k计ax 算（ φ为内摩擦角 ）。
朗肯理论适用——
β＝0（地面与水平面夹角）；
当闸室采用透水闸底时，随着船闸的灌水和泄水，作用在 船闸上的水头在很短时间内将最大值降为零，然后又由零增升 到最大值，从而渗流的方向也随着改变，这就使得船闸的渗流 具有不稳定流性质。
其过程如流水、管涌…等。 注意船闸与其他水工建筑物相比在渗流方面所具有的特点。
二、船闸的防渗布置
1、船闸为透水闸底的防渗布置 船闸为透水闸底时，闸首和闸室均是独立的挡水建
船舶行进时对建筑物的撞击力是一动力荷载，它与船 舶排水量、撞击速度及撞击角度、船舶与建筑物及其防撞 设施的变形特性等因素有关。其计算公式为：
PC 0.9kw23
（6-13）
撞击力分布长度可按下列公式计算：
Ly
2 3
y
（6-14）
2bLy Ld
（6-15）
对于连续的闸墙及导航墙，由于力的扩散作用，撞 击力将分布在一定的长度范围内，因此单位长度上的 力往往不大，对结构影响较小。而对独立建筑物或轻 型结构，如墩柱或框架式等，则影响较大。
船舶系缆力由配缆破断力计算确定。设计时，可根 据过闸船舶的载重量，按表6-1选用。
内河货船、驳船系缆力值
表 6-1
船舶载重量 DW (t) 系缆力值 (kN) 船舶载重量 DW (t) 系缆力值 (kN)
DW≤100
30
1000<DW≤2000
150
100<DW≤500
50
2000<DW≤3000
T——地基计算深度，m 。
②内部垂直段（见图6-9b）阻力系数 y ：
y1.46l6 g1 [c 4(o 1tT S)]
（6-25）
③水平段（如图6-9C）阻力系数 x ：
式中：
x
L0.7(S1 TT
S2) T
（6-26）
S1 、S2——计算段两端垂直防渗设施深度，m； L ——计算段水平投影长度，m。
（4）计算渗透流量 地基的渗透化引流量 q ，按下式计算：
k q 1 H
k i
（6-27）
（5）计算各段的水头损失并确定渗透压力图形
地基内各段水头损失计算：
hi
i
H
i
（6-28）
（6）进出口处水头损失和渗透压力图形的局部修正
当进出口段板桩较短时，进出口水力坡降呈急变曲 线型式，需对按式（6-28）计算出的进出口水头损失 和渗透压力图形进行修正，使得与实际的急变曲线及 渗透压力图形接近。
图6-8 地基断面分布图
图6-9 基本分段形式图
（2）计算地基有效深度
地基有效深度系指渗流计算的影响深度。 ①当地基内的透水层深度小于有效深度（计算深度），按
地基的实际透水层深度取用； ②当实际透水深度大于有效深度，则取有效深度计算。 地基的有效深度按下列公式计算：
当 时 ，
L0 5 S0
三、渗 流 计 算
通常，船闸的渗流计算可简化为平面问题进行。工 程设计中，常用的方法有渗径系数法和阻力系数法。 1、渗径系数法
渗径系数法是一种简化的方法。该法是将船闸下的 地下防渗轮廊线，化引为水平的计算轮廊线，即将板 桩、齿墙等垂直的下轮廊线按比例化引为水平长度而 展开，然后绘制渗透压力图形，从而可以求出各相应 段的渗透压力值，如图6-7 ：
桩（相邻板桩水平间距应大于总长的1.5倍）m取2.0， 对齿墙、对墙身垂直段m取小于等于1.0。
土壤种类 粉砂 细砂 中砂和粗砂
渗径系数 C 值
渗径系数 C
土壤种类
9~13 7~9
亚粘土和亚砂土 粘土
6~7
渗径系数 C 5~6 3~4
表 6-3
渗径系数法比较粗略，它没有考虑渗流区域的边界和地下轮 廊形状的影响以及地基土壤的不均匀性等，这些必然影响到渗 透压力和渗流坡降值。但该方法计算简便，有一定的实践经验 基础，目前在小型工程中应用较广。
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√ √
注：溢洪情况列入基本组合。
第二节 船闸的渗流及防渗设计
一、船闸的渗流 船闸作为挡水建筑物承受着上、下游水位差的作用。在水
头的作用下，船闸的地基和其两侧的回填土内，产生渗透水流 （简称渗流，见图6-3）。渗流对建筑物产生渗透压力，降代 建筑物抗滑稳定性；也可能经起地基土壤的渗透变形，甚至会 引起建筑物失事。
2、扬压力
作用于建筑物基础底面垂直向上的总水压力称为扬 压力，包括浮托力和渗透压力。
建筑物基底浮托力的强度等于下游水位与建筑物基 底的高程差乘以水的重度。
渗透压力的确定取决于地基的性质。土基上建筑物 的渗透压力计算见本章第二节。下面介绍岩基上建筑 物的渗透压力计算。
图6-2 为设帷幕灌浆、排水设施的扬压力图
图6-6 透水底板的闸室墙的放渗布置
2、闸室为不透水闸底的防渗布置
当闸室位于坝轴线的下游时，由于整个船闸是一个 挡水建筑物，闸首和闸室的总渗径长度大大超过防渗 （闸下或侧向）所必须的安全长度，防渗布置比较简 单。一般仅在闸室墙后回填土内设置明沟或排水管， 以降低墙后地下水位，改善闸室结构工作条件。
为减少渗流的不利影响，通常在船闸首前设置水平防渗设 备——铺盖；在底板下设置垂直防渗设备——板桩、齿墙等。
图6-3 船闸的渗流图式 廓线
图6-4 船闸闸首的地下轮
在水头作用下，在船闸的地基及其两则回填土内产生渗流， 由于两者相互影响，呈空间渗流状态，特别是闸室为透水闸底 时，其闸首渗流的空间性理为显著。
α≥（45°－φ/2）或墙身为L结构（坦墙）时的
主动土压力 k计ax 算。
凝聚力概念…..
图6-1 主动土压力计算（库仑法）
静止土压力通常是指墙体没有位移时的土压力，一 般为墙身刚度较大和地基不发生沉降的情况。为方便 计算，静止土压力系数可采用主动土压力系数的 1.25～1.5倍。
关于附加土压力的计算，须按整个结构与周围土体 共同工作的条件考虑，目前已有的计算方法都具有很 大的假定性，有待进一步研究。
200
500<DW≤1000
100
3000<DW≤5000
250
船舶系缆力在建筑物长度方向上的分布与船舶撞击力相同。
4、波浪压力
计算波浪压力，首先要确定波浪的大小即波浪要 素——波高和波长。受风浪作用的船闸建筑物，当无 可靠波高、波长资料时，根据船闸所处的位置，可参 照下列方法进行计算：
波高、波长计算：
图6-7 渗径系数法计算渗透压力
采用系数法，其渗流稳定应满足下列公式要求：
L CH
L Ln m Lv（6-20） Nhomakorabea（6-21）
式中：
L——地下轮廓线的化引总长度，m；
C——渗径系数。在出口处设有反滤层时，按表6-3选用；
H——计算水头（渗透水头），m；
Ln ——地下轮廓线水平段长度，m； Lv——地下轮廓线垂直段长度，m； m——垂直段换算为水平段长度的换算系数，对多板
砂性土地基，当闸首底板的渗径长度不够时，可采用板桩及铺 盖等防渗措施，并在渗流排出的地方设置后滤层。
闸首边墩两侧回填土内的渗流，主要应防止回填土与混凝土边 墩接触处产生集中渗流。采用的措施是：
（1）边墩背面不宜有向回填土侧的倒坡，水下部分沿墙高不宜 有突出部分；
（2）当闸首为挡水线的一部分时，在挡水线及其上游侧宜设置 粘土防渗墙，必要地还可设置刺墙等防渗设备。 对于闸室，由于在透水闸底的闸墙下面产生横向渗流，最简单的 防渗措施是设置齿墙，若还不能满足防渗要求时，则可在闸室内 侧闸墙下渗流出口处设置一道板桩，在闸室内设置反滤层。 在粘性土地基上，通常不宜施打板桩。船闸防渗，一船多采用齿 墙和铺盖等设施。
二、荷 载 计 算
1、土压力 土压力是作用在船闸上的主要荷载之一。计算土压
力时，应根据地基性质、结构类型及回填土性质等因素 判别土压力的计算状态。根据分析、观测并结合 船闸建 设具体情况复算，基本可以分为以下三种状态：
（1）土基上的重力式、扶壁式、悬臂式等结构，墙后填土应按 主动土压力计算；
（2）土基上设斜桩和带横撑的直桩基础上或岩基上的重力式、 扶壁式、悬臂式、混合式结构等，以及一般的整体式结构， 由于墙身变位受到限制，主动极平衡状态一般难以发生，墙 后填土应按静止土压力计算；
荷载组合
表6-2
荷 主要考虑 自
载 情况
重
组
合
基 运用情况 √
本 检查修情 √
组况
√
合 施工情况 √
完建情况
特 校核洪水
√
殊 排水管堵塞
组 合
及止水 局部破坏 地震情况
√
运用+地震
√
检修+地震
√
设备 土压 水压 扬 压 船 舶 水流 波 浪 活 荷 地 震
力
力
力
力
荷载 力
力
载
力
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
直线变化的三角形面积和按曲线变化的面积近似相等，
则单位宽度上总渗透压力为：
Vs 121HB
（6-12）
3、船舶荷载
船舶荷载包括：船舶行进时，船舶对建筑物的撞击力； 船舶停靠时，由系船设备传到建筑物上的系缆力。
停靠在建筑物前的船舶受风力作用而产生的横挤力，一 般比撞击力小，在船闸设计中多不予以考虑。
（3）港口附近的船闸也可参照现行行业标准《海港水 文规范》的有关规定计算。
在波浪要素确定后，可根据建筑物轮廓形状（直立、 斜坡、或孤立墩住）和教育处情况的相应水深，选用 有相关公式计算波浪压力。
设计船闸结构时，应根据各种计算情况，将荷载分 别组合为基本组合和特殊组合两类见表6-2，必要时还 应考虑其他可能的不利组合。