5、船闸结构设计——【航道工程】
航道工程学-船闸的结构荷载与设计
03
船闸的荷载分析
船闸的静荷载分析
01
02
03
静水压力
船闸结构在静止水体中受 到的水压力，包括水体对 闸墙和闸顶的侧压力以及 水体对闸门的顶压力。
船闸自重
船闸各组成部分的自重， 包括闸墙、闸顶、闸门、 启闭机等。
土压力
闸门材料一般采用钢材或混 凝土，具体选择需考虑工程 要求和环境因素。
闸门的尺寸和结构需根据最 大通航船舶的尺寸和数量进 行设计。
闸门的设计还需考虑水压力、 风载、地震等外部荷载的影 响。
船闸的引航道设计
01
02
03
04
引航道是连接船闸与上下游航 道的通道。
引航道的设计需考虑通航安全 、水流条件、船舶操纵等因素
。
引航道宽度、深度、转弯半径 等参数需根据最大通航船舶的
尺寸进行设计。
引航道的设计还需考虑河床变 迁、泥沙淤积等因素的影响。
船闸的稳定性和安全性设计
稳定性是船闸设计的关键因素 之一，包括整体稳定性和局部
稳定性。
安全性也是船闸设计的重点， 需考虑结构强度、防洪能力、
抗震能力等因素。
船闸的基础设计需根据地质勘 察资料进行，确保基础稳定可 靠。
航道工程学-船闸的结构荷载与设计
目录
• 船闸概述 • 船闸的结构设计 • 船闸的荷载分析 • 船闸的设计优化
01
船闸概述
船闸的定义和作用
船闸的定义
船闸是一种水利设施，通过闸门 的开启和关闭来调节水位，使船 舶能够顺利通过河流、湖泊等水 域。
船闸的作用
船闸在航道工程中起着至关重要 的作用，它能够调节水位，克服 河流落差，保证船舶安全、顺畅 地通航。
水运工程知识点
水运工程知识点水运工程是指利用水体进行货物和人员运输的相关工程。
它是水路运输的重要组成部分，既包括水路本身的建设和维护，也包括与之相关的港口、码头、船只等设施的建设和运营管理。
水运工程涉及的知识点很多，下面将从规划设计、建设施工、设备运营等方面介绍一些水运工程的重要知识点。
一、规划设计阶段1.水运工程选址：选取适宜的水域作为水运工程建设的位置，考虑水深、水流情况、地理条件等因素。
2.航道设计：确定航道的宽度、深度、曲线半径等参数，确保船只顺利通行。
3.港口设计：设计港口的布局、泊位数量和尺寸，考虑到船只停泊、装卸货物等需求。
4.码头设计：设计码头的结构和设备，包括装卸设备、堆场、货物存储设施等。
二、建设施工阶段1.土建施工：水运工程的建设需要进行土方开挖、填筑、浇筑混凝土等工程。
2.结构施工：建设码头、泊位、船闸、船坞等结构设施，确保其稳固可靠。
3.设备安装：安装码头起重设备、装卸设备、导航设备等，保证设备正常运行。
4.建设验收：对已建成的水运工程进行验收，确保其符合设计要求和安全标准。
三、设备运营阶段1.航道维护：定期对航道进行疏浚，清除淤泥和杂草，保持航道畅通。
2.港口管理：管理港口的进出口货物，组织装卸作业，维护港口设施的日常运行。
3.设备维护：定期检修和保养码头起重设备、装卸设备等，确保设备正常运行。
4.安全管理：制定并执行安全管理制度，加强水运工程的安全监控和事故预防工作。
四、水运工程的意义1.便捷高效：水运工程能够提供便捷高效的货物运输方式，节省时间和成本。
2.促进贸易：水运工程能够促进国内外贸易，扩大商品流通范围。
3.保护环境：与其他运输方式相比，水运工程对环境影响较小，能够减少空气污染和交通拥堵。
4.促进经济发展：水运工程的建设和运营能够带动相关产业的发展，促进经济的繁荣。
总结起来，水运工程的知识点涵盖了规划设计、建设施工和设备运营等方面。
它不仅提供了一种便捷高效的货物运输方式，还能促进贸易发展、保护环境和推动经济发展。
船闸设计
门槛水深H
一、船闸的基本尺度 船闸有效长度Lx的计算
取值： LX lc l f
Lc——设计船队、 船舶计算长度( m) ，当一闸次只有一个船
队或一艘船舶单列过闸时， 为设计最大船队、船舶的长度; 当
一闸次有两个或多个船队船舶纵向排列过闸时， 则为各设计最
3、原理：类似船闸 4、特点
升船机一般在高水头情况下采用，在提升船舶、
船队的过程中不消耗水，提升速度较快，但机 电设备重量大，制造与安装精度要求高，适用 枢纽上下游水位变幅能力差。
船闸与升船机比较 1、相同：克服上下游水位差的通航建筑物 2、不同 原理不同 船闸：利用水力作用使船舶升降 升船机：利用机械作用使船舶升降
船闸 升船机
引航道 相同
闸首 有输水系统 没有输水系统
躯干
闸室 （固定）
承船厢 （活动）
船闸分级
船闸组成 闸室、闸首、引航道三个基本部分及相应的设备组成。
一、船闸组成 1、闸首：上、下闸首（多级船闸还有中闸首） 设备：工作闸门，输水系统，闸、阀门的启闭机械， 交通桥，辅助设备 作用：将闸室与上、下游引航道隔开，使闸室内维 持上游或下游水位，以便船舶（队）通过。
一、船闸组成 5、引航道(上、下游)： 分段：直线段、过渡段、制动段 设施：导航及靠船设施
作用：保证船舶（队）顺利进出船闸，并为 等待过闸的船舶提供临时停泊的场所。
⒈上行作业 ①打开下闸门→②进入闸室→③关闭下闸门→④打开上
阀门灌水至齐平→⑤打开上闸门→⑥进入上游引航道 ⒉下行作业 ①打开上闸门→②进入闸室→③关闭上闸门→④打开下
组成
闸墙：设有系船柱和系船环 闸底板：整体式或分离式
航道工程
《航道工程》课程设计任务书指导教师杨红霞题目：某II级船闸总体规划及平面布置1设计资料1.1航运资料（1）航道等级：II级。
（2）建筑物等级：闸室，闸首，闸门按II级建筑物设计；导航建筑物，靠船建筑物按III—IV级建筑物设计；临时建筑物IV级。
（3）设计船型：根据调查，该河段近、远期船型资料见表1。
表1船型资料船型顶（拖）轮马力——长x宽x吃水（m)驳船长X宽X吃水（m)船队长X宽X吃水（m)备注—顶+2x2000 370马力75xl4x（2.6~2.8) 185xl4x (2.6〜2.8) 远期船型—顶+2x1000 270马力62xl0.6x (2.0~2.2) 151.5xl0.6x (2.0〜2.2) 远期船型—拖+ 4x500 270-27.5x6.1x2.46 53x8.8x1.9 239.5x8.8x2.46 近期船型—拖+12x100 250-23x4.9x1.85 24.85x5.24x1.85 321.2x5.2x1.85 近期船型（4）货运量近期：1200万吨/年；远期：2200万吨/年。
（5）通航情况通航期N=352天/年，每天过闸次数n=8,客轮及工作船每天过闸次数n=6，船只装载量利用系数α=0.84,货运量不均匀系数β= 1.30,船闸昼夜工作时间t=21小时，一般船速V=9.5km/小时，空载干弦高度(最大)取1.5m。
1.2地质资料根据地质钻探资料得知，地基无不良地质构造情况，地层分布近似水平，地基土表层至▽7.0m以上为重壤土，厚约1.5〜3m,其下▽7.0〜6.0m为轻砂壤土，厚约1.0m, ▽6.0m 以下为亚粘土，土壤物理性质见表2。
表2各种土壤的主要物理力学性质土壤名称重度（kN/m3)土颗粒重度G （kN/m3)内摩擦角含水率ɷ (%)粘结力c (kPa)渗透系数K(cm/s)承栽力天然.十.+土ɸ (°)[σ](kg/cm2)重壤土18.91 14.7 26.17 23.0 28.4 53.90 4.8x610-225.4轻砂壤土19.11 14.90 26.17 27.5 28.3 22.524 1.03xl510-313.6亚粘土19.01 15.29 26.85 26.0 24.4 56.84 1.0x710-294.01.3水文气象资料特征水位：上游设计洪水位：▽11.2m上游最高通航水位：▽11.2m上游最低通航水位：▽8.5m下游最高通航水位：▽9.0m下游最低通航水位：▽7.2m下游校核低水位：▽6.8m检修水位：上游▽1Om;下游▽8.Om气象资料：降雨量及气温资料从略。
船闸
船闸工作原理：
假定船舶从下游驶向上游，闸室内水位与下游水位齐平， 下闸门开启，上闸门及上游输水阀门关闭。
首先将船舶从下游引航道内驶向闸室，关闭下闸门及下 游输水阀门，然后打开上游输水阀门给闸室灌水，等闸室 内水位与下游水位齐平后，打开上闸门，船舶驶出闸室， 而进入上游引航道。
三、船闸基本尺寸确定 船闸的基本尺寸决定于过闸船队的船只数目、船只大小。 基本尺寸主要指闸室在有效长度、有效宽度及闸槛上最小 水深。
1、闸室有效长度：即船舶过闸时闸室可供船舶安全停泊 的长度，包括船队及其进闸所需的富裕长度，与驳船一次 过闸数量和编组方式有关。
Lk L1 nL2 L(n 2)
从上游驶向下游其过闸程与此相反。
二、船闸类型 根据船闸所处的位置分： 1、内河船闸 建在内陆渠化河流及人工运河上的船闸。 2、海船闸 建在封闭式海港洪池口门、海运河及入海河流 河口处的船闸。 根据船闸的闸室级数不同分： 1、单级船闸 沿船闸纵向只建有一个闸室的船闸，船舶通 过单级船闸时只需进行一次灌泄水，即可克服上下游水位的 全部落差，这种船闸适用于水头不超过15~20m。 2、多级船闸 沿船闸纵向连续建两个以上闸室的船闸、船 舶通过船闸时城进行多次灌水泄水才能克服上下游水位全部 落差，当水头超15~20m宜采用多级船闸。
船闸布置在河弯的裁直引河上
七、船只过闸时间 过闸方式：单向过闸，船只从上（下）游向下（上）游过闸
双向过闸，一次灌水泄水时间内船只从上游到下 游，从下游到上游，两方向依次交替过闸。
船只从下游到上游单向过闸程序： 1、打开下游输水系统的阀门放水，使闸室水位与下游齐平（t3） 2、打开下闸门 (t1) 3、船只进闸（t2） 4、关闭下闸门(t1) 5、打开上游输水系统阀门向灌水，使闸室水位与上游齐平（t3） 6、开启上闸门(t1) 7、船只出闸(t4) 8、关闭上闸门(t1)
连江架桥石航运枢纽船闸设计
L x = ∑ l c f l 第 1 章船闸总体设计船闸主要由闸首、闸室、引航道、导航和靠船建筑物及相应的设备组成。
上闸首：17.0 ⨯ 34.0（长 ⨯宽）；下闸首：20.0 ⨯ 34.0（长 ⨯宽）；闸室：16.0 ⨯ 150.0 ⨯ 2.0 （长 ⨯宽 ⨯门槛水深）。
如图 1.1。
1、上闸首2、下闸首3、闸室4、上引航道5、下引航道6、导航建筑物7、靠船建筑物图 1.1 船闸组1.1 船闸基本尺度1.1.1 船闸尺度(一)设计船型船闸尺度选择须进行技术经济综合论证，应符合国民经济发展和我国水运网发展对航道建设的要求，主要基本尺度应采用有关部门制定的统一标准。
本设计采用100t 机动驳船：45⨯ 5.5 ⨯1m(长 ⨯宽⨯吃水），一次过闸设计为 2 列 3 排的队型，6 艘机动驳船同时通过，船闸等级为Ⅵ级。
（二）船闸有效长度船闸基本尺度是指船闸有效尺度，即船闸正常通航过程中，闸室为满足过闸船队安全停泊和通过所需的尺度。
包括闸室有效长度L x，有效宽度B x和门槛水深H。
1. 闸室有效长度L xn+i式中：L x——闸室有效长度；（1-1）n∑l i c——设计最大过闸船队（舶）的长度，本设计中是船队的总长度；l f——富裕长度，视过闸船队（舶）类型不同，按下列数据采用顶推船队：l f ≥ 2 + 0.06l c（m）；拖带船队：l f ≥ 2 + 0.03l c（m）；非机动船：l f ≥ 4 + 0.05l c（m）；上闸首船闸中心线头部输水的镇静端帷墙的下游面防撞装置的上游面下闸首门槛的下游边缘图 1.2 船闸有效长度示意图门槛的上游边缘船闸闸室有效长度起止边界的确定应符合下列规定（1）上游边界应取下列最下游界面（图 1.2）①帷墙的下游面②上闸首门龛的下游边缘③采用头部输水时镇静段的末端④其他伸向下游构件占用闸室长度的下游边缘（2）下游边界应取下列最上游截界面（图 1.2）①下闸首门龛的上游边缘②双向水头采用头部输水时镇静段的一端③防撞装置的上游面④其他伸向上游构件占用闸室长度的上游边缘故L x = 4 ⨯ 45 + 4 + 0.05 ⨯ 3 ⨯ 45 = 145.75 （m）取L x = 150 （m）2. 船闸闸首口门和闸室有效宽度不应小于按下列公式计算的宽度，并采用现行国家标准《内河通航标准》（GBJ139）中规定的8m、12m、16m、23m、34m宽度。
航道工程学船闸的结构荷载与设计
船舶系缆力在建筑物长度方向上的分布与船舶撞击力1相9 同
4．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
（6-18）
2Lw=0.104W H0.57 D0.33
（6-19）
式中 2hw 2Lw W H D
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
29
基本组合①：运用情况； 基本组合②：检修情况、完建情况及施工情况
特殊组合可分为两种情况：
特殊组合①为相应于校核洪水、排水管堵塞或止 水破坏情况的荷载； 特殊组合②为相应于运用期和检修期地震情况的 荷载。 溢洪情况的荷载列入基本组合①。
30
荷载组合
表6-6
荷
主要考虑情
自
设
土
水
扬
船
水
波
活
地
载
况
重
23
（1）运用情况：
1）闸室内为上游最高通航水位，墙后地下水取可能出 现的最低地下水位或墙后排水管水位。此时，除水压力， 土压力及自重力等荷载外，还应考虑船舶撞击力的作用。 这种计算情况的特点是指向回填土方向的水平力最大。
2）闸室内为下游最低通航水位，墙后取可能出现的最 高地下水位或墙后排水管水位。此时，除水压力，土压力 及自重力等荷载外，还应考虑系缆力及闸面活荷载的作 用。 这种计算情况的特点是指向闸室方向的水平力较 大。
17
（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：
Ly = 2- y 3
（6-16）
航道课程设计
航道工程课程设计题目：高良涧二线船闸总体设计学院：海洋环境与工程学院专业：港口航道与海岸工程学号： 200910413016 姓名：周恩先设计书目录第一部分：设计基本资料1.1设计依据1.2设计标准、规范1.3地形资料1.4地质资料1.5水文资料1.6经济资料1.7 交通及建筑材料供应情况1.8公路及桥梁第二部分：船闸总体设计2.1船闸基本尺度的确定2.2船闸各部分高程的确定2.3引航道平面布置及尺度确定2.4船闸通过能力计算2.5船闸总体布置原则第三部分：船闸布置图 (附图)3.1船闸总平面布置图3.2船闸纵断面布置图第一部分：设计基本资料1.1设计依据本工程以国家计委关于《开发淮河运输两淮煤矿水运建设任务书》的批复（计交[1982]979文号）主要依据，并按照1978年9月交通部会同煤炭部和安徽省、江苏省共同编制上报的《两淮煤炭淮申线水运建设计划任务书》及1981年9月18日交通部《关于报送对两淮煤炭淮申线水运建设计划任务书的调整意见的报告》以及安徽省交通厅、交通部水运规划设计院编制的《两淮煤炭淮申线水运建设可行性研究报告》等文件的有关规定进行设计。
1.2设计标准高良涧二线船闸按III 级船闸、II 级建筑物（闸首、闸室）、III 级附属建筑物标准设计。
设计采用中华人民共和国行业标准《船闸总体设计规范JTJ305-2001》1.3地形资料本船闸位于洪泽湖南面，其南面是苏北灌溉总渠，夹于两水系之间，同时两水系之间还隔有一道防洪大堤。
在大堤的北面与洪泽湖水边线之间有一片洼地，标高在之间。
另外，在大堤上有一条淮阴通往南京方向的公路。
1.4地质资料高良涧二线船闸位于洪泽湖大堤，土质较为复杂。
上部为人工夯实的湖堤，多为黄色粘土，持力层为粘土、亚粘土、粉砂夹层，但层次划分不明，软硬变化较大，下卧层基本上为承载力较高的砂性土。
通过对有代表性的02号钻孔（下闸首部位）土层分布及试验成果的分析，范围为的地基土的平均允许承载力为0.27MPa ，平均变形模量为5054KPa ，泊松比为0.32。
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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。
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2、扬压力
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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 计算ka（x φ为内摩擦角 ）。 朗肯理论适用——
β＝0（地面与水平面夹角）； α≥（45°－φ/2）或墙身为L结构（坦墙）时的主动土 压力 计算。 kax 凝聚力概念…..
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• 图6-1 主动土压力计算（库仑法）
200
500<DW≤1000
100
3000<上的分布与船舶撞击力相同。
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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：
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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：
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（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；
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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
√
√
√
√
√
√
（6-13）
撞击力分布长度可按下列公式计算：
PC （06.9-1k4w）2 3
Ly
（26-1y5） 3
2b Ly Ld
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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。
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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
（6-18） （6-19）
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（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。
波高、波长计算：
（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 D 1.25 0.33 2Lw 10.4(2hw ) 0.8
（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；
（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。
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。
√
√
√
√
√
√
√
√
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√
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√
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√
√
√
√
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√
√
√
√
√
√
注：溢洪情况列入基本组合。
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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。
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。
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图6-2 为设帷幕灌浆、排水设施的扬压力图
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• 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 为上游H1水深， 为下游H水2 深，
• 为H 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
1 2
1HB（6-12）
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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。
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：