《渠化工程》 第6章 船闸水工建筑物(1,2节)

• 10、地震荷载
作用于建筑物上的地震力有： 由建筑物自重及其上的垂直荷载所引起的地震惯性力； 建筑物与土接触，而由土所产生的地震土压力； 建筑物与水接触，由水所产生的地震动水压力。 地震荷载的大小主要取决于地震烈度
• 震级: • (1)根据地震仪记录确定震级 用M表示地震规模的大小,在离震中100公里处 记录到的最大水平地动位移表示. (2)震级与能量的关系 根据不同的能量划分震级 2 × 1015 焦耳 7级: 8级： 6 ×1016 焦耳
2b ≤ Ly ≤ Ld
式中
Ly 沿墙长方向的分布长，m； y 撞击点至计算截面的高度，m； b 计算截面处的墙厚度，m； Ld 墙分块长度，m。
（4）船舶系缆力（闸室设计用） 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6-3 选用。 内河货船、驳船系缆力值 表6-3
船舶载重量DW（t） DW≤100 100<DW≤500 500<DW≤1000 1000<DW≤2000 2000<DW≤3000 3000<DW≤5000 系缆力值（KN） 30 50 100 150 200 250
第二节 作用于船闸的荷载计算分析
一、作用荷载
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、阀门及其它设备的重量; （3）土压力; （4）静水压力; （5）扬压力（包括浮托力及渗透压力）;
一、作用荷载
（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
• 土基上建筑物的渗透压力
岩基上建筑物的渗透压力计算：
影响因素与基岩特性、裂隙程度、节理分布、 建筑物与基岩接触面附近材料和施工质量、防 渗和排水效果等多种因素有关。
图6-3 未设帷幕、排水的岩基上扬压力分布图
H1--为上游水深
α1 为渗压折减系数
H2
为下游水深
（2）单位宽度上总渗透压力为：
船闸级别 水工建筑物级别 永久性建筑物 闸首、闸室 Ⅰ Ⅱ、Ⅲ Ⅳ、Ⅴ Ⅵ、Ⅶ 1 2 3 4 导航、靠船建筑物 3 3 4 5 4 4 5 临时性建筑物
为提高其结构的可靠性，宜将有下列情况之一的 ，按表6-2所列级别提高1级采用。 (1)当最大水头超过15m； (2)当建筑物失事后，将使下游城镇、田地、工矿区 或其他国民经济部门遭受严重灾害或引起巨大损 失，以及临时性建筑物失事可能引起永久性建筑 物遭受严重破坏。 (3)水工建筑物的工程地质条件特别复杂，或采用实 践经验较少的新型结构。
式中 F——水流力，kN； v——计算流速，m／s； C——水流力系数，与计算构件的断面形状等因素有关 ，可取为1.2～2.0； r——水的重度，KN/m3 ； g——重力加速度，取9．81m／s2； A——构件在与水流流向垂直的平面上的投影面积(m)。 计算流速采用建筑物使用期间，在其所处范围内可能出 现的最大平均流速。
α
6．船舶荷载
（1）船舶荷载类型：
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。
（2）撞击力计算公式： 采用经验公式计算船舶的撞击力， 其计算公式为
p c = 0.9kw 2 / 3
ka =
cos2 α cos(α + δ)[1 +
k ax = k a ⋅ cos( α + δ )
k ay = k a sin(α + δ) / tgα
墙背外摩擦角 δ影响因素：填土性质、墙背型 式、粗糙程度等 墙背外摩擦角取值： (1)仰斜的混凝土或砌体墙背采用1/2~2/3） ϕ 阶梯 型采用（2/3~1） ϕ； ϕ (2)垂直的混凝土或砌体墙背采用（1/3~1/2） ( 3 )俯斜的混凝土或砌体墙背采用（0~1/3） ϕ 。
二、荷载计算
3．土压力
三种土压力状态： 主动土压力 静止土压力 被动土压力
主动土压力：当墙体发生背离填土方向 产生水平位移，填土达到主动极限平衡状 态，此时的土压力为主动土压力；
△／Ｈ＝0.001~0.005
被动土压力：当墙体发生向着填土方向 位移或变形，填土达到被动极限平衡状态， 此时的土压力为被动土压力； △／Ｈ＝
1 Vs = α1 γHB 2
（6-12）
式中
Vs ：总渗透压力，KN/m ； α ：渗压折减系数； γ ：水的重度，KN/m3； B：建筑物基底的宽度，m。 渗压折减系数，一般根据地质 条件、建筑物等级、承受水头的大 小、建筑材料、施工条件及质量等 因素综合考虑，按0.3～1.0选用
渗压折减系数影响因素
二、建筑物级别的划分
根据通过船闸的设计最大船舶吨位，船闸 可分为七级； 根据船闸级别及各部分建筑物在工程中的 作用和重要性，船闸水工建筑物划分为5级 。
表6-1 船闸分级指标
船闸级别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ
设计最大船舶吨位
3000
2000
1000
500
300
100
50
表6-2 船闸水工建筑物级别划分
i=1
n
作用在垂直面上，第n层土上、下端处 / // e nx 、 为： e nx 的水平分土压力强度
/ e nx
= (k q q + ∑ ri h i )k ax
i=1
n
n −1
（6-7）
e = (kq q + ∑ri hi )kax
// nx i =1
（6-8）
作用在水平面上，第n层土上、下端处的 / // e ny e 、 为： 垂直分土压力强度 ny
• 烈度:表示地震时一定地点的地面震动的强烈程
度; 我国分为12度;一般根据对建筑物的破坏程度划分 当设计烈度为6度时，可不进行抗震计算，但应适 当采取抗震构造措施； 设计烈度为7-9度的船闸应进行抗震设计。 船闸的施工期间可不考虑地震作用。 船闸检修情况宜按设计烈度降低一度进行验算。 抗震设计烈度高于9度的水运工程建筑物，其抗震 设计应作专门的研究讨论。
n −1 i =1
/ e ny
= (k q q + ∑ ri h i )k ay
n
（6-9）
// e ny
= (k q q + ∑ ri h i )k ay （6-10）
i =1
以上式中
cosα kq = cos(α − β)
cos2 (ϕi − α) sin(ϕi + δ) sin(ϕi − β) 2 ] cos(α + δ) cos(α − β)
库仑主动土压力计算：
对于无粘性多层土或折线墙背，当 -15 ≤ α ≤ θ ′ 时： hn 1 / 土压力： // E = (e + e )
n
2
n
n
cos α
（6-1） （6-2） （6-3） （6-4）
E nx =
1 / // (e nx + e nx )h n 2
1 / // E ny = (e ny + e ny )h n tgα 2 1 1 θ′ = (90° − ϕ) − (ε − β) 2 2
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。静止土压力系 数可采用主动土压力系数的1.25～ 1.5倍。
5．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 低 水 一 侧 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；
地质条件好，节理裂隙不发育的基岩，α 取小值； 承受水头高时，取较大值； 建筑物级别较大时，取较大值； 建筑物采用的材料为混凝土取小值，采用浆砌块石，取 较大值； 施工质量好， 取小值．
α
作用于衬砌式闸墙背后的水压力，按静水压力乘以折减 系数计，其值应与墙底的渗压折减系数相协调，也取 =0.3~1.0。
对无粘性土： 当 β =0， α ≥
45 ° −
ϕ
2
或墙身为L型结构时，
主动土压力可按朗肯公式计算。主动土压力系数
k ax
对粘性土： 粘性土主动土压力根据经验可采用楔体 极限平衡图解法、公式法； 也可将凝聚力 换算为内摩擦角（即等代内摩擦角）,按无 粘性土计算主动土压力。对于土质较差或回 填不密实的粘性土，可不计凝聚力。
（2）狭长山谷地带的船闸，按官厅水 库公式计算：
2hw=0.0166W1.25 D0.33 2Lw=10.4（2hw）0.8 （6-20） （6-21）
式中
D
吹程，km，库区船闸取闸前沿 水面至对岸的最大直线距离。
9、水流力
作用于建筑物各部件上的水流力可按下式计算：
6-22）
rv 2 F = Cw A 2g
（6-13）
式中
Pc 船舶撞击力， KN； W 船舶（队）排水量，t； K 系数：闸室K=1.0，引航道中 导航建筑的直线段K=1.67， 曲线段K=2.0。
（3）撞击力方向及分布： 船舶撞击力的作用方向垂直于 建筑物表面。撞击力分布长度可按 下列公式计算：
L
y
2 = y 3
（6-16） （6-17）
三、 设计应具备的基本资料 船闸水工建筑物设计的基本资料包括过闸 货运量、船型、自然条件、航道状况、建 筑材料来源、施工设备及施工条件等。
(1)船闸自上游引航道至下游引航道范围的水上、水下地 形图。有时还应包括上游锚地及下游锚地范围的地形图； (2)整个船闸范围的地质纵横剖面图。 (3)水文、气象资料。包括各种特征水位，河流泥沙淤积 情Байду номын сангаас以及气温、水温、风向、风速等资料； (4)整个船闸范围的地质综合报告，包括工程和水文地质 条件、地基的承载能力、岩石风化程度，持力层深度、地 震烈度以及建筑材料性能、取料场地等； (5)施工条件及施工设备等的有关资料。
0.01~0.05
静止土压力：当墙体静止不动，此时的土压 力为静止土压力
土压力的影响因素
• • • • • • 墙的形式和墙体的刚度； 墙表面的荷载； 墙背的倾斜度及粗糙度 墙的变形和位移 填土的性质 地下水的情况
闸室结构与土压力状态
（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、混合式等结构，由于 墙身变位受到限制，主动极限平衡状态一般难以发 生，墙后填土应按静止土压力计算； （3）整体式结构不论是建在土基上还是岩基上，墙 后土压力均按静止土压力计算； （ 4 ）墙高大于15m的整体式及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。
其中
ε = sin
−1
sin β sin ϕ
θ′ 为第二破裂面与垂线的夹角
主动土压力计算：
图6-1
主动土压力计算（库仑法）
/ e n 、n 为： e // 土压力强度
/ en
= (kqq + ∑ri hi )ka cosα （6-5） i=1
n−1
// en
= (kqq + ∑ri hi )ka cosα （6-6）
第六章 船闸水工建筑物
第一节 第二节 第三节 概述 作用在船闸结构上的荷载 船闸闸室结构
一、船闸水工建筑物设计的基本要求
进行船闸水工建筑物设计时，首先需考虑以下的 基本要求： (1)选择结构型式时 综合比较； (2)闸首、闸室等挡水建筑物，必须满足稳定和强 度要求及防渗排水设计。 (3)溢洪船闸在布置和结构上须有相应的安全措施 （4）隐蔽工程和水下工程 的安全 （5）施工期安全 •
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。
8．波浪压力
（1）平原地区船闸，按有限水深公式计 算
2hw=0.0151W（H D）0.33 2Lw=0.104W H0.57 D0.33 式中 2hw
2Lw W H D
（6-18） （6-19）
波高，m； 波长，m； 计算风速，m/s； 水深，m； 吹程，Km，河道船闸宜取5倍闸前水面宽度
ϕ = tg (45° − ) 2
2
（6-11）
当地面为水平时，在计算垂面上粘性土的主动土压力强度 也可按下式计算： • （6-12） e = ( q + ∑ r h ) K − 2c K • （6-13） ϕ
n aH i =1 i i a a
K a = tan 2 (45o − ) 2
• 式中： eaH——主动土压力强度（kPa），当eaH小于等于 0时，取0； • q——地面均布荷载（kPa）； • ri ——第i层土的重度（）； • hi——第i层土的厚度（m）； • Ka——第n层土主动土压力系数； • c——第n层土的粘聚力（） ϕ ——第n层土的内摩擦角（） • •