水閘閘室工程布置和穩定分析的探討

張 懌

(新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆 庫爾勒841000)

1 閘室布置原則

水閘閘室布置應根據水閘擋水、泄水條件和運行要求，結合考慮地形、地質等因素，做到結構安全可靠，布置緊湊合理，施工方便，運用靈活，經濟美觀。閘室結構布置包括底板、閘墩、胸墻、閘門、工作橋和交通橋等分部結構的型式和尺寸的粗部擬定。

1.1 底板設計

1)作用:閘底板是閘室的基礎，承受閘室幾上部結構的全部荷載，并均勻地傳給地基，還有防沖，防滲等作用。

2)形式:常用的閘底板有平底板和鉆孔灌注樁底板。由于在平原地區軟地基上修建水閘，采用整體式平底板，沉降縫設在閘墩中間。

3)長度:閘底板長為5 m。

4)厚度:閘底板厚為1.0 m。

1.2 閘墩設計

1)作用:分隔閘孔并支承閘門，工作橋等上部結構，使水流順利地通過閘室。

2)外形輪廓:應能滿足過閘水流平順，側向收縮小，過流能力大的要求。上游墩頭采用半圓形，下游墩頭采用流線形。其長度采用與底板同長，為5 m。

3)厚度:邊墩0.7 m，檢修門槽深0.15 m，寬0.2 m。

1.3 工作橋

工作橋是為了安裝啟閉機和便于工作人員操作而設的橋。若工作橋較高可在閘墩上部設排架支承。工作橋設置高程與閘門尺寸及形式有關。根據工作需要和設計規范，工作橋設在閘門正上方，用排架支承工作橋，由啟閉機的型號決定其工作橋的相關尺寸［1］。排架高度=閘門高+安全超高+吊耳高度=3.6 m。工作橋高程=閘墩高程+排架高+T形梁高=915.53 m

1.4 交通橋

交通橋的作用是連接兩岸交通，供車輛和人通行。交通橋的形式采用板式。交通橋的位置應根據閘室穩定及兩岸連接等條件確定，布置在下游。橋面寬度按交通要求確定，僅供人畜通行用的交通橋，其寬度≥3 m，行駛汽車等的交通橋應按交通部門制定的規范進行設計，按設計資料確定公路車道凈寬為6.0 m。

1.5 閘門與啟閉機

閘門按工作性質可分為:工作閘門、事故閘門和檢修閘門;按材料分為:鋼閘門、混凝土閘門、鋼絲網水泥閘門;按結構分為:平面閘門，弧形閘門等。

1)工作閘門:基本尺寸為閘門高2.8 m，寬5 m采用平面滾輪鋼閘門，雙吊點。

2)檢修閘門:采用平面閘門，閘門槽深為0.15 m，寬0.2 m。

3)啟閉機類型:啟閉機采用手動螺桿式啟閉機，啟閉機的選型根據如下資料:

a)根據《水工設計水冊》平面閘門的自重計算公式為:

b)閘門啟閉機的啟門力和閉門力的計算:

平面閘門啟閉力的計算:

閘門采用前拉式起吊式，啟閉機采用螺桿式啟閉機。露頂式斜支臂弧形鋼閘門。①材料:承重結構—16Mn(面板，主梁)Q235;②支撐部分:45 號優質碳素鋼和ZG310－570 號鑄鋼;③止水橡皮:側止水采用P 型橡皮，底止水采用條型橡皮。混凝土等級C25。

閉門力計算:

由于本設計閘門屬于滾動軸承的滾輪，故支承摩阻力為:

式中:1.2 為摩阻力超載系數;nG為門重修正系數，閉門時選用0.9 ～1.0;G 為閘門自重，kN，見《水工鋼結構》附錄十一;W 為作用在閘門上的總水壓力，kN;Ri為滾動軸承的平均半徑，(Ri=r+d);fk為滾動摩擦系數，鋼對鋼時為0.1 cm;當計算結果T閉為“正”值時，需要加重閘門才能下落，加重方式有加重塊、利用水柱壓力或機械下壓力等。當T閉為“負”值時，說明閘門依靠自重可以關閉孔口。

啟門力的計算:

式中:nG 為門重修正系數，啟門時采用1.0 ～1.1;Gj加重塊重量，kN;Ws為作用在閘門上的水柱壓力，kN;px為下吸力，px=pD2B，kN;p 為閘門底止水至主梁下翼緣的距離，m;p 為閘門底緣D2部分的平均下吸強度，一般按20 kN/m2計算，對溢流壩頂閘門、水閘閘門和壩內明流低孔閘門，當下游流態良好，通氣充分時，可以不計下吸力;選擇啟閉機類型。啟閉力見表1。

計算結果如下表所示:

表1 啟閉力

2 荷載分析

2.1 波浪壓力

浪壓力的計算:

風速:V=20 m/s，吹程:D=600 m

平均波高:

波浪高:h浪=0.5 m;h閘=2.8 m，平均波高:2hl=0.23 m。查《水工建筑物》書得:

P(%)=5%，2hl/H1=0.24/2.8=0.086 ＜0.1，所以2hl/2hl′=1.95，所以2hl=0.45 m，

通過試算法解得2L1=2.4 m，

用試算法解得Ll=3.0 m，故2 Ll=6.0 m，h0=0.106 m，

每米浪壓力:PZl=4.94 kN/m，

總浪壓力:P浪=24.7 kN/m。

2.2 閘底板自重

G底板=816 kN。

2.3 閘門重

G閘門=11 kN。

2.4 邊墩重

門槽深度0.2 m，寬度0.5 m。檢修門槽深度0.15 m，寬度0.2 m(邊墩尺寸見設計圖紙)。G邊墩=905.04 kN。

2.5 機架梁重

G機架梁=30.72 kN。

2.6 工作橋重

工作橋重=縱梁重+橫梁重+蓋板重

蓋板長5 m，寬3 m，厚度0.1 m。G蓋板=36 kN，G橫梁=18 kN，G縱糧=10.8 kN，G工作橋=64.8 kN。

2.7 啟閉機重

查《閘門與啟閉設備》書，設計采用雙吊點螺桿式手動啟閉機。該機型號定為QL—SD 型雙吊點式螺桿啟閉機，因當地人口稀少，沒有電力供應，采用手動式比較可靠，G啟閉機=50 kN。QL—SD 型雙吊點式螺桿啟閉機外型安裝參數見表2。

表2 QL—SD 型雙吊點式螺桿啟閉機外形安裝參數 mm

2.8 水自重，水壓力，揚壓力，滲透壓力計算

水重:G水=497.5 kN，

水平水壓力:P水=γH=259 kN，

揚壓力:P揚=1/2×γHL+γH=68.3 kN，

滲透壓力:P滲=γHL=97.5 kN。

2.9 交通橋重力計算

G交通橋=576 kN。

3 閘室穩定性分析

閘室穩定性分析見圖1。

圖1 閘室穩定性分析

以上荷載通過列表計算如表3 所示。

閘室基底抗壓穩定性驗算:Pmax=140.89 kN;Pmin=72.9 kN。

因為η=1.9〈［η］=2.0，

所以閘室基底穩定，基底壓力滿足要求。抗滑穩定性驗算:

式中:∑G 為鉛直方向作用力總和，kN;∑P 水平方向作用力總和，kN;f 為閘室地面與地基之間的摩擦系數，見《水工建筑物》表7－12，取0.35;［kc］抗滑穩定安全系數的容許值，見《水工建筑物》表7－13。

KC=3.3，因為KC=3.3 ＞［Kc］=1.05，所以閘室穩定，抗滑能力良好。所以抗滑穩定滿足要求。

表3 各荷載計算結果

［1］陳寶華，張世儒.水閘［M］.北京:中國財政經濟出版社，2003:39－45.