水闸在强浪区的受力分析与结构设计

水闸在强浪区的受力分析与结构设计

金德钢魏立峰

宁波市水利水电规划设计研究院315192

[摘要：本文主要针对强潮涌浪水闸主要受力情况进行分析，对比《水闸设计规范》和实际模型试验测力成果，针对强潮涌浪地区水闸结构设计提出合理方案，并对其他有关一些问题进行了讨论，供广大设计人员参考。]

1、工程概况

洋沙山万亩造地项目位于北仑区春晓镇东南海域，属山区独立水系，流域面积42km2。三山大闸工程是该项目的主要挡潮排涝工程，排涝标准20年一遇，设计最大排涝流量为469m3/s。内河正常水位为0.63m，20年一遇水位为1.98m。挡潮标准为50年一遇，设计潮位为4.44m。水闸所处为无限风区，外海历史最高潮位为4.33m，多年平均高潮位为2.39m，多年平均潮位为0.68m，多年平均低潮位为-1.20m。

三山大闸共10孔，每孔净宽4m。水闸底板顶高程-1.9m，胸墙底高程1.9m，工作平台高程6.7m。闸门板尺寸宽为4.5m,高为4.02m，厚为0.4m。闸门板由三块叠合而成，每块高1.34m。

05年“麦莎”台风袭击三山大闸时，导致十孔闸门的上、中板梁几乎被全部打断；07年“罗莎”台风袭击时，又导致闸门板梁被大量打裂；且两次台风的袭击，均给水闸带来较大的振动感，影响了管理人员和当地百姓对水闸正常安全运行的心理期望。

从这两次台风袭击来看，水闸确实存在着一些影响正常使用的安全问题。由于三山大闸肩负着上游近40 km2流域面积的排涝任务，且所处的洋沙山围区区块目前已成为北仑重点发展区块——宁波经济开发区春晓区块，区位的重要性决定了水闸的运行和安全更容不得一点闪失。为此，有必要对三山大闸存在的问题进行分析，并提出针对性的防护工程措施。工程区波浪要素见表1~2。

表1 闸前各向50年一遇波要素

2.00（破碎）

3.39 3.09 3.02 2.72 1.99 1

4.6

图1 工程位置图

2 大闸结构受力分析

2.1结构受力分析的重点

三山大闸的结构受力分析，实际上是对原水闸设计进行复核，本次三山大闸结构受力分析的重点内容是水闸的滑动稳定、闸门板承荷能力及前胸墙安全分析。几次台风袭击也表现出这些都是需要特别重视的地方。

本次分析分为理论计算分析和模型试验测力分析。

2.2水闸滑动安全理论分析

2.2.1工况

1、向外海滑

①内河洪水位2.92m＋外海平均低潮位-1.2m，水头差4.12m；②内河常水位1.2m＋外海无水-1.9m，水头差3.1m。

2、向内河滑

内河常水位1.2m＋外海设计高潮位4.40m，水头差3.2m。

3.2.2向外海滑动分析

1、滑动力

静水压力组合①P1=0.5×10×（4.822－0.72）＝117.6 KN

静水压力组合②P1=0.5×10×3.12＝48.05 KN

静水压力取不利的P1=117.6 KN。

2、抗滑力

根据《水闸设计规范》（SL265－2001）中公式（7.3.6-1），抗滑力＝f∑G。

f为闸室基底面与地基的摩擦系数，按规范可取0.25；

∑G为竖向力总和，包括自重、水压力、扬压力等；

同时，根据《水闸设计规范规范》中的7.3.7条，“对于土基上采用钻孔灌注桩基础的水闸，若验算沿闸室底板底面的抗滑稳定性，应计入状体材料的抗剪断能力”。

（1）、∑G经计算为800kN/m；f∑G＝0.25×800＝200 kN/m。

（2）、桩体材料的抗剪断能力，根据《水闸设计规范》要求，取桩体材料抗剪强度与桩体横截面积的乘积。经计算，为1300×3.14×0.4×0.4×24/25＝627KN/m。若按钢筋砼梁的抗剪断能力计算，即抗剪力由砼和箍筋共同承担，计算结果也与上值接近。

（3）、根据《水闸设计规范》，总抗滑力P2＝200＋627＝827 kN/m。但是，我们认为，闸室重力首先由桩体承担、土体承担的重力很少，甚至没有，这样f ∑G值很少、甚至为0；同时，由于施工原因造成闸底板下部分土体流空，闸室

与土基接触不严密，同样说明土体所能贡献的摩擦抗力很小。故我们认为抗滑力应只能计桩的抗剪断能力627KN/m。

3、滑动复核

K C= P2/ P1=627/117.6＝5.33>1.25，满足要求。

3.2.3向内河滑动分析

1、抗滑力

根据上述计算，每延米抗滑力P2=627kN/m。

2、滑动力

①静水压力P1=0.5×10×（6.32－3.12）＝150.4 kN。

②涌浪压力

涌浪压力根据《水闸设计规范》（SL265-2001）中附录E（P70～P75页）计算。计算浪压力的波列累积率按下表取：

本水闸为3级，故P取5％。闸前设计波要素见下表：

经计算：

hz＝0.47m；Ps＝38.7kPa；P1＝350KN/m。

3、滑动复核

K C= P2/（P1水＋P1浪）＝627/（150+350）＝1.254，符合规范要求。

2.2.4超《水闸设计规范》情况

《水闸设计规范》中是根据水闸建筑物级别取波列累积率5％，但是《浙江省海塘工程技术规定》以及《海港水文规范》中要求用波列累积率1％的波浪压力进行强度稳定计算。

根据波浪要素hp取4.69m，对应计算结果：

hz＝0.62m；Ps＝44.4kPa；P1＝425KN/m。

则K C=627/(150+425)=1.09，略小于规范要求值，即使根据《水闸设计规范》中的“7.3.15条第6款”计入上游钢筋砼铺盖的阻滑板效应，提供0.1的安全系数后，仍仅为1.19，略小于规范要求。

3.2.5理论分析结论

根据理论分析，原设计水闸满足《水闸设计规范》的抗滑要求，水闸整体上是安全的。如果将《水闸设计规范》中荷载计算时波浪累积率标准由5％提高到《海港水文规范》中要求的1％，则向外海的滑动系数略小于规范要求。

2.3闸门板安全理论分析

2.3.1闸门板承载能力

三山大闸的闸门板为钢筋砼梁板式闸门板，分三块。单块闸门板宽度1.34m，跨度4.54m，跨中有一次梁联系；承担荷载的梁宽0.3m，梁高0.4m，梁截面配9