水闸结构设计资料
第五章 水闸
失，以便充分利用内河淡水。
挡潮闸与排水闸类似，也承受双向水头 的作用。但操作更为频繁。
某挡潮闸（二）
某挡潮闸（一）
中顺大围小榄石龙水闸
水闸的类型—按闸室结构的型式分类
1．开敞式水闸 特点
闸室上部没有阻挡水流的胸墙或顶板， 过闸水流能够自由地通过闸室。
开敞式水闸的泄流能力大，一般用于 具有排冰、过木等要求的泄洪闸，如 拦河闸、排冰闸等。
开敞式水闸
2．胸墙式水闸 当上游水位变幅大，而下泄流量又有限制时，
为避免闸门过高，常设置胸墙。
·胸墙式水闸在低水位过流时，属于开敞式水闸自 由出流；
·在高水位过流时，属于孔口出流。
胸墙式水闸多用于进水闸、排水闸和挡潮闸等。 绝大多数大中型水闸为开敞式水闸。
工作桥用于安装卷扬式启闭机，便于工作人 员操作。 6．交通桥
交通桥连接两岸交通，供汽车、拖拉机、行 人通过。
（二）上游联接段
1.上游联接段的作用 ·主要作用是引导水流从河道平稳地进
入闸室，兼有防冲、防渗作用。 2.上游联接段的组成
一般包括上游翼墙、铺盖、护底、上 游防冲槽和上游两岸护坡等。
泄流能力大、上游水位壅高较小，有利于完成冲砂、 排污等其他任务。宽顶堰的流量系数为0.36～0.385。 驼峰堰和实用堰：流量系数较宽顶堰大，可以使枢纽 布置更紧凑。水闸上的实用堰多为低堰，其流量系数 参考有关文献。 实用堰：在淹没出流的情况下，流量系数急剧减少。 因此，经常或主要工况为淹没出流的泄水闸不宜于选 用实用堰。 上游水位变幅较大的水闸，可以考虑设置胸墙，以减 少闸门挡水高度和闸门受力。
（1）消能问题
水闸在开闸泄水时，下泄的高速水流具有较 大的能量，可能对河床和河岸产生不利冲刷。 因此必须采用合适的消能措施进行消能。
水闸的构成及分类
水闸的构成及分类功能与分类水闸是一种利用闸门挡水和泄水的低水头水工建筑物，多建于河道、渠系及水库、海、湖泊岸边。
按功能分类：（1）节制闸拦河或在渠道上建造，用于拦洪、调节水位、控制下泄流量。
河道上的节制闸又称拦河闸。
（2）进水闸又称取水闸、渠首闸。
建在河道、水库或湖泊的岸边，用以控制引水流量，以满足灌溉、发电或供水的需要。
（3）分洪闸常建于河道的一侧，用来将超过下游河道安全泄量的洪水泄入分洪区或分洪道。
（4）排水闸建于江河沿岸，用来排除内河或低洼地区对农作物有害的渍水。
（5）挡潮闸建在入海河口附近，涨潮时关闸，退潮时开闸泄水。
（6）冲沙闸（排沙闸）常建在进水闸一侧的河道上与节制闸并排布置或在引水渠内的进水闸旁。
其他还有排冰闸、排污闸等。
按闸室结构分：开敞式、胸墙式、涵洞式等。
水闸的组成（1）闸室包括闸门、闸墩、边墙、底板、胸墙、工作桥、交通桥、启闭机等。
（2）上游连接段包括两侧的翼墙、护坡、河床部分的铺盖。
（3）下游连接段包括护坦、海漫、防冲槽、两岸的翼墙、护坡等。
软土地基上水闸的工作特点（1）软土地基的压缩性大，承载力低，细砂易液化，抗冲能力差。
地基可能产生较大的沉降或沉降差，造成闸室倾斜，止水破坏，闸底板断裂，甚至破坏，引起水闸失事。
（2）水闸泄流时，土基的抗冲能力较低，可能引起水闸下游的冲刷。
（3）土基在渗流作用下，易发生渗透破坏。
水闸的设计步骤1.闸址选择壤土、中砂、粗砂和砂砾石适于作为水闸的地基。
尽量避免淤泥质土和粉、细砂地基。
2. 闸孔设计（1）堰型选择：宽顶堰、低实用堰（2）闸底板高程（3）闸孔的总净宽（4）闸室单孔宽度和闸室总宽度3．防渗、排水设计（1）防渗设施：构成地下轮廓的铺盖、板桩及齿墙（2）排水设施：铺设在护坦、海漫的底部、闸底板下游段的砂砾石层4．消能、防冲设计（1）消能：一般采用底流消能。
（2）海漫：消力池后接海漫。
要求表面有粗糙度，具有透水性，具有柔性。
形式有干砌石、浆砌石、混凝土板等。
连云港海滨新区水闸资料4p
第一章工程概况1.1建筑和结构概况连云港海滨新区位于海州湾内，海滨新区海堤位于海滨新区北侧和东侧临海侧，东起西墅渔港码头，西至临洪河口，外临黄海。
规划的总体目标是充分合理地利用潮间带滩涂资源，解决连云港市城市发展迫切需要解决的空间制约问题。
由于海滨新区的规划建设，改变了临港产业区防洪规划的边界条件，海岸线前移，原老海堤上六座挡潮闸已丧失其挡潮排水功能，必须外移新建以满足海滨新区海堤挡潮排水要求。
经江苏发展和改革委员会及江苏省水利厅的批复，在连云港市海滨新区新围海堤堤线上兴建挡潮闸三座，分别为“新城闸”、“开泰闸”和“西墅闸”。
西墅闸位于连云港市连云区西墅码头西侧约100m，20年一遇设计洪峰流量232.0m3/s，闸孔净宽20.0m，共2孔，每孔净宽10.0m。
西墅闸工程内容主要由上游引河、上游铺盖、闸室、下游消力池、下游引河（含导流堤）、岸墙、翼墙、引桥及接线海堤等组成。
上游引河采用复式断面，底宽30.0m，河底高程▽-2.00m，高程▽+1.50m处设5.0m宽平台，堤顶高程▽+3.80m（海滨新区地面），高程▽-2.00m～▽+1.50m 边坡1:4.5，高程▽+1.50m～▽+3.80m边坡1:3。
根据新区河系规划，该闸上游引河长80.32m（闸室至海滨大道边），再往上接规划景观湖。
根据新区基础设施规划，上游引河上设一座总宽30.0m公路桥，闸室上游设10.0m长C30混凝土铺盖，铺盖以外至湖边全部采用C20混凝土灌砌块石护砌，本工程仅计铺盖以外30.0m长护砌工程量，其余部位护砌由新建海滨大道公路桥工程统筹考虑。
下游引河采用复式断面，底宽30.0m，底高程▽-2.00m，两侧边坡1:5，高程▽+1.00m 设15.305m宽平台，平台以外为导流堤。
下游引河底设10.0m长C30混凝土护坦，厚0.6m；护坦以外设35.0m长C20混凝土灌砌块石护底至围堰拆除保留边缘。
护底以外为围堰▽-2.00m以下基础部分（爆破挤淤堤心石），兼作抛石防冲槽。
水利工程中的水闸设计与运行
水利工程中的水闸设计与运行水利工程中的水闸设计与运行在水资源调控和洪水防治中起着至关重要的作用。
本文将从水闸设计原理、水闸类型、水闸运行管理等方面进行探讨和介绍。
一、水闸设计原理水闸设计的目的是通过合理的结构和参数设计，实现对水流进行调节和控制，以满足工程的需要。
水闸设计应基于以下原理：1.水力原理：根据孔口流量公式和流量方程，计算出所需的开孔面积和开孔高度，以控制水流的通过。
2.结构力学原理：根据水流冲击和液压力的作用，确定水闸的结构尺寸和强度，以确保其稳定运行和安全性。
3.水闸自动化控制原理：利用现代控制理论和技术，实现水闸的自动控制和遥测遥控，提高运行效率和安全性。
二、水闸类型根据不同的需求和工程条件，水闸可分为多种类型。
常见的水闸类型包括：1.闸门式水闸：通过开启或关闭闸门来控制水流的通过，适用于中小型河流和渠道的水位控制。
2.提升式水闸：通过提升闸门来改变水流通道的高度，适用于需要快速调节水位和提高水流能力的工程。
3.斜板式水闸：通过调节斜板倾斜度和开启幅度来控制水流的流量和速度，适用于需要灵活调整水流的场合。
4.旋转式水闸：通过旋转闸板来控制水流的开启面积，适用于需要大流量和大尺度的水位调节。
三、水闸运行管理水闸运行管理是保证水闸正常运行和安全的重要环节。
主要包括以下方面：1.定期巡视：对水闸进行定期巡视，检查闸门和液压设备的工作状态，及时发现并修复问题。
2.运行监测：利用现代传感器和监测技术，对水闸的水位、流量等参数进行实时监测，确保水闸运行稳定。
3.操作规程：制定水闸的操作规程，明确操作流程和安全操作要求，提高运行人员的操作技能和安全意识。
4.维护保养：定期进行水闸设备的检修和维护保养，确保设备的正常运行和寿命。
结论水利工程中的水闸设计与运行是确保水资源调控和洪水防治有效进行的关键环节。
水闸设计应基于水力原理和结构力学原理，同时兼顾自动化控制原理，以确保水闸的稳定运行和安全性。
根据工程需求和条件，选择适合的水闸类型，以实现对水流的控制和调节。
苏州河河口水闸底板结构设计(精)
第2期2007年6月水利水运工程学报H YDR O 2SC I ENCE AN D ENGI NEERI NG No .2Jun .2007收稿日期:2006-10-09作者简介:陈峰(1974-,男,江苏无锡人,主要从事水务工程设计和研究工作.苏州河河口水闸底板结构设计陈峰,卢永金,吴维军,盛军(上海市水利工程设计研究院,上海200063摘要:通过对苏州河河口水闸底板结构的方案比选,确定底板采用钢壳混凝土薄壁空箱结构型式.运用三维线弹性有限元模型和B i ot 非线性固结有限元模型,对拟定的底板结构布置进行了优化计算和分析.同时,对闸底板设计中的技术关键提出了相应的处理措施.水闸调试运行期的底板原型观测数据表明,水闸底板结构设计正确、合理.关键词:薄壁空箱钢壳混凝土结构;优化;设计;水闸底板中图分类号:T V314文献标识码:A 文章编号:1009-640X (200702-0036-06Structura l desi gn of slu i ce pl a te of Suzhou R i ver Estuar i n e Slu i ceCHE N Feng,LU Yong 2jin,WU W ei 2jun,SHE NG Jun(Shanghai W ater Conservancy Eng ineering D esign &R esearch Institute,Shanghai 200063,Ch inaAbstract:The p late structure,a holl ow thin 2wall concrete box encased with steel,is selected by comparis on of the sluice p late ′s structure sche mes of Suzhou R iver Estuarine Sluice .By using the 32D linear elastic FE M model and B i ot nonlinear cons olidati on FE M model,the p r ovided p late ′s structure is op ti m ized andanalyzed,meanwhile the p r ocess measures for the key technique in the design of the sluice p late are p resented .The measured data during comm issi oning of the sluice show that the design of the sluice p late is correct and rati onal .Key words:holl ow thin 2wall concrete box encased with steel p late;op ti m izati on;design;sluice p late苏州河河口水闸的建设目的,是为适应苏州河河口地区景观和交通发展规划的需要,提高苏州河防汛能力,并通过河口水闸进行苏州河水系“西引东排”和“东引北排”的水资源综合调度,进一步改善苏州河水质[1].苏州河河口水闸位于上海市金山路相对的苏州河河口.水闸的单孔净宽为100m (与河口宽相同,水闸闸门为液压水下卧倒门.工程防洪标准的重现期为千年一遇,相应的水位为µ6.42m (吴淞口零点,下同.水闸必须满足双向挡水、灵活启闭的要求.根据苏州河河口水闸工程的总体布置(见图1,闸底板搁置在两个边闸墩和中闸墩之上,钢筋混凝土薄壁空箱结构闸底板总长99m.由闸门门型决定了门体挡潮所承受的外荷载均将传递至闸底板,并通过底板传递至闸墩.整个闸底板将承受非常大的水平力和垂直力.因此,底板简支于3个闸墩上就类似两跨连续梁,同时,中闸墩提供给底板的约束力非常小,底板就类似简支于边闸墩上的单跨箱梁.加之,水闸工程在整个施工过程中,都不允许苏州河断流,故将围绕着双向受力体系和施工条件等的限制,进行闸底板的结构设计和优化调整.第2期陈峰,等:苏州河河口水闸底板结构设计(a平面布置(b 断面图1苏州河河口水闸工程总体布置(单位:mmFig .1General layout of Suzhou R iver Estuarine Sluice (unit:mm1闸底板设计方案的比选由于受闸门设计和现场施工条件的限制,闸底板必须满足能浮运、不能分段,以及在受力情况下闸门垂直与水平向的变形要在允许范围内等条件.因此,底板宜预制.借鉴和参考国内外大型沉管隧道工程管段的设计和工艺[6,7],闸底板结构可选用空箱钢结构、空箱钢壳混凝土结构和空箱钢筋混凝土结构3种型式.这3种结构型式的优缺点综合比较见表1.表1闸底板3种结构型式的比较Tab .1Comparis on of three types of structures of the sluice p late结构型式比较项目整体性重量防水性水下工程量施工工程造价空箱钢结构较好较轻最好较大工期短,工艺复杂,需在船厂实施最高空箱钢壳混凝土结构最好刚度最大较重最好较小工期长,工艺简单需在干船坞内实施较低空箱钢筋混凝土结构较好刚度较大较重较好较小工期长,工艺简单需在干船坞内实施最低根据门体结构受力和启闭的需要,闸底板的变形应控制在一个较小的允许范围之内,由表1可见,空箱钢壳混凝土结构具有整体性好、刚度大,工程造价低,施工工艺简单和水下工程量少等优点,不足之处在于闸73水利水运工程学报2007年6月门自重较大.但考虑到闸底板采用空箱薄壁结构并进行优化布置,使其能完全自浮,故最终确定采用空箱钢壳薄壁混凝土结构形式(见图2.图2闸底板空箱薄壁结构横断面(单位:mmFig .2Cr oss secti on of the holl ow thin 2wall concrete box of the sluice p late (unit:mm2闸底板结构优化与设计确定了闸底板结构型式后,根据闸门门体结构的几何尺寸,初拟了闸底板结构外形尺寸及底板内部纵、横隔仓的分布.除了考虑承受荷载情况下闸底板产生的变形之外,中、边闸墩自身及闸墩之间的变形对底板变形产生的影响不可忽略.为了确定计算底板应力、变形的边界条件,故对整个水闸结构进行了整体模型计算.水闸主体结构计算分别采用了三维线弹性有限元模型[2,3]和B i ot 非线性固结有限元模型[4,5].计算中的设计控制工况分别为:①反向挡潮时,苏州河水位µ2.8m ,黄浦江水位µ6.42m;②正向挡水时,苏州河水位µ3.5m ,黄浦江水位µ0.62(50%低潮位.经计算,水闸结构及地基基础变形的绝对量值和相对量值均不大,闸墩间的差异沉降较小,两种整体模型计算结果表明,底板各部位对应的应力和变形基本一致,闸底板的变形处于弹性范围内,故底板的边界可假设为弹性边界.在确定了底板的计算边界后,再建立闸底板局部细化模型,以进行闸底板结构计算和优化调整.2.1闸底板结构布置的优化在满足结构受力的基础上,闸底板还必须控制自身的重量,确保能够浮运.根据闸底板的外轮廓尺寸,并参照上海市吴淞路闸桥底板结构和外环隧道沉管结构,初步拟定苏州河河口水闸底板横断面分隔成7仓(见图3a ;经浮运稳定和结构应力计算,并调整侧板和隔板不同厚度的试算后表明,将底板横断面分隔成6仓,底板的最大应力与分隔成7仓相当,但底板的自重却减小了(见图3b ;从力的传递方面考虑,最初拟定的底板横断面为自顶面板至第1隔仓止,而顶面板与第1隔仓的相交处恰为闸门门轴的主要传力点,这种布置传力不明确、传力路径复杂,为此,将顶面板延伸穿过第1隔仓与底板的外侧板相交(见图3c ;底板沉放就位后,为提高底板的整体稳定性和增大局部截面的刚度,对底板横向两外侧隔仓的部分仓位(中、边墩附近用混凝土充填,以起到减小底板最大压应力的作用[4](见图3d.(a(b83第2期陈峰,等:苏州河河口水闸底板结构设计(c(d图3闸底板结构横断面优化过程Fig .3Op ti m izati on p r ocess of cr oss secti on of the p late2.2闸底板结构计算与设计根据水闸结构整体模型,采用三维线弹性有限元计算闸底板结构内力,为确保计算结果的可靠性,还采用了结构力学和材料力学的方法进行复核.由于闸底板结构完全对称于中心线,故在有限元建模时取底板的一半进行计算.有限元计算中采用板壳单元,并在底板中轴线位置施加对称约束,在边墩位置约束底板的底部竖向位移和两侧的水平向位移,在中墩位置只约束底板底部的竖向位移.用结构力学和材料力学方法复核计算时,则将底板竖向简化为两跨连续梁,水平向简化为单跨简支梁,底板横截面简化成同刚度工字型梁.经计算,底板受力的最不利条件为挡潮和挡水两种工况.最大拉、压应力发生在底板两侧面板.有限元计算得到的最大拉应力为15.86MPa 、最大压应力为15.39MPa 和最大弯矩为3.55×105kN ・m;结构力学计算得到的最大弯矩为6.67×105kN ・m .可见,两种方法得出的计算结果属于同一数量级.由于水闸结构整体模型可考虑底板内部纵隔板的约束作用,因此计算的内力结果小于结构力学的计算结果.由于挡潮工况下计算底板的最大压应力已超过C30混凝土的抗压强度设计值,采用普通钢筋混凝土结构设计已难以满足要求.故在闸底板设计中,曾考虑采用预应力结构,这样既能满足大跨度底板结构对强度的要求,又能适当减少底板的自重.但苏州河河口水闸底板受到挡潮和挡水两种控制工况产生的应力场正好相反,且同一工况下,底板上、下游侧板部位的拉、压应力接近.因此,无论在哪一侧设置预应力钢筋都会加大另一种工况下的压应力,而为了抵消预应力附加的压应力,大幅度提高混凝土强度则得不偿失,故否定了预应力结构方案.为了满足高应力状态下对闸底板强度的要求,考虑底板的外包钢壳参与受力,形成钢-混凝土组合结构共同承担外荷载.通过计算[8]确定底板钢壳不同部位的厚度,采用C40混凝土,这样既能保证底板承载的整体强度和刚度,又能充分利用高强度混凝土的特性.最终确定闸底板采用空箱混凝土结构.并在此基础上,分别进行了多种工况下底板应力、变形计算.主要控制工况下底板的应力、变形计算结果见表2.表2主要工况下应力和变形计算结果Tab .2Calculati on results of stress and defor mati on under maj or working conditi ons工况竖向应力/MPa变形/mm 水平向应力/MPa 变形/mm 最大应力/MPa 挡潮工况9.1327.215.8628.8挡水工况5.9916.112.6618.5空箱无水下沉工况4.40浮运工况2.532.3中闸墩约束对闸底板的影响受闸门启闭的限制,要求闸底板的水平向相对位移差不宜大于20mm.而计算结果表明,在假设中闸墩对闸底板无水平约束以及底板满足强度要求的情况下,底板水平向最大相对位移差竟达到40mm.由于底板93水利水运工程学报2007年6月与3个闸墩之间均采用橡胶板式支座连接,两者之间必然存在约束,且中闸墩对底板的约束力由中闸墩桩基础水平承载力控制.因此,通过计算中闸墩桩基础的水平承载力,可反算中闸墩对底板的水平向约束力.假定取中闸墩顶部的水平位移为20mm ,通过线性插值,可确定中闸墩对底板的水平约束力为16985kN.闸底板水平向位移差与中闸墩对底板产生的反作用力关系曲线见图4.图4闸底板水平向位移差与中闸墩对底板产生的反作用力关系Fig .4Relati onshi p bet w een horizontal difference dis p lace ment of the p late andreacti on of the p late caused by the m iddle p ier3闸底板结构设计技术关键3.1控制闸底板自重计算结果表明,闸门运行时,闸底板的变形虽相对较小,但闸门自重较大,从而增加了浮运的难度.为减小底板的重量,将空箱薄壁结构的壁厚控制在140~180mm 之间.经过结构优化计算和比较,最终确定闸底板的结构布置.在满足底板受力的情况下,对闸底板的干舷高度、吃水深度、浮运稳定及定倾稳定性分别进行了计算和分析,且均能满足闸底板浮运的要求.3.2底板外包钢壳与混凝土结构联合受力经闸底板内力计算可知,底板混凝土结构承受外荷载所需配置的钢筋量已超过薄壁结构的最大配筋率,即已不符合结构按承载能力极限状态设计的原则.为了发挥外包钢壳混凝土结构的优点,充分利用外包钢参与混凝土结构联合受力,可通过绘制底板内力包络线,以确定不同截面配置的钢筋量和外包钢壳的厚度.这样,既能保证底板结构的强度,又能保证底板结构的抗裂要求.3.3闸底板与地基间的处理闸底板沉放就位后,在底板与地基之间仍存在一定的空隙.虽然假设底板竖向受力的计算模型为连续梁,但若将底板与地基之间进行适当的处理,不仅可提高底板结构安全富裕度,还可减少底板下地基渗透破坏的可能性.故在底板与地基之间灌注由级配砂和水泥熟料配制而成的混合砂,即将粒径为2~3mm 的水泥熟料(掺量比例由试验确定与砂混合后通过底板内预埋管灌注.3.4中闸墩外侧高压旋喷加固土体为控制中闸墩顶部水平向位移不大于20mm ,提高闸门启闭时的安全富裕度,在垂直于水流方向的中闸墩边墙外侧,采用高压旋喷法加固墩两侧的土体,以提高土体的强度和水平地基反力比例系数,通过中闸墩对闸底板提供水平向反力形成一定的约束,从而保证底板水平向相对位移差满足闸门启闭的要求.4闸底板原型观测苏州河河口水闸底板结构型式和受力模式在国内水闸中尚属首次.为确保闸门的可靠运行,设计水闸时就考虑了埋设原型观测仪器,即在闸底板内布设了钢筋应力计和沉降观测仪,在应力较大的部位布设钢筋计,在底板的跨中和端部布设沉降观测点.目前,苏州河河口水闸处于运行调试阶段,虽未经受最大设计挡潮水位工况,但连续观测的数据仍较真实地反映了闸底板的工作状态.042期第陈 , 等 : 苏州河河口水闸底板结构设计峰 41 水闸第一次系统性连续 5 d 的联动调试中监测的数据表明 ,在闸门承受水位差为 1. 7m 的情况下 ,闸底板钢筋计应力为 - 35. 5 ～41. 9 M Pa (其中的正值为拉应力 ,负值为压应力 ,绝大部分应力变幅小于 2 M Pa, 应力变幅较大处均位于计算中的高应力区 ,实测应力变化趋势与计算结果较为吻合 . 根据钢筋计测得的最大平均拉、压应力值计算 ,主筋发挥了约 13% ～35%的设计强度 ; 运用变形协调原理 ,用压应力区钢筋计测得的数据计算受压区混凝土的最大平均应力 , 发挥了约 30%的设计强度 . 闸底板内的各沉降观测点的数据表明 ,各测点有沉、有升 ,但变化均不大 ,测点中相对沉降最大的为 4 mm ,其余的小于 2 mm ,测点间的不均匀沉降约为 3 mm. 5结语通过对苏州河河口水闸底板结构方案的优选比较、计算分析、优化布置和技术关键的处理以及原型观测结果表明 ,水闸底板结构的设计合理、 . 可靠闸底板结构设计中技术关键的处理措施 ,如通过对结构优化计算、比较 ,确定了大跨度空箱薄壁的底板结构型式 ; 充分利用底板外包钢壳和混凝土结构联合受力 ; 对底板与地基间的空隙灌混合砂以提高地基强度 ; 高压旋喷加固闸中墩边墙外侧的土体等 ,不仅提高了闸底板结构的安全可靠度 , 同时也满足了水闸总体布置、闸门金属结构设计和施工工艺要求 . 参 : 考文献 [1]国家电力公司华东勘测设计研究院 , 上海市水利工程设计研究院 . 上海市苏州河河口水闸工程初步设计报告 [ R ]. 上海 : 上海市水利工程设计研究院 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[2]同济大学地下建筑与工程系隧道及地下工程研究所 . 苏州河河口水闸底板结构三维有限元优化计算报告 [ R ]. 上海 : 同济大学 , 2003. [3]缪圆冰 , 王瑟澜 , 夏才初 , 等 . 苏州河水闸工程大跨度箱形底板结构优化设计 [ J ]. 地下空间与工程学报 , 2005, ( 1 : 112 - 116. [4]河海大学岩土工程研究所 . 苏州河河口水闸地基基础与结构空间有限元固结计算分析 [ R ]. 南京 : 河海大学 , 2003. [ 5 ] , 陈 , 卢廷浩 , 等 . 苏州河河口水闸三维固结有限元计算 [ J ]. 岩石力学与工程学报 , 2004, 23 ( 12 : 2054 王伟剑 - 2058. [6]上海市建设委员会科学技术委员会 . 上海大型市政工程设计与施工丛书 - 道路工程 [M ]. 上海 : 上海科学技术出版社 , 1997. 193 - 232. [ 7 ] , 杨国祥 . 上海外环线越江沉管隧道工程技术概览[ J ]. 世界隧道 , 2000, (5 : 32 - 37. 李侃 [ 8 ] DL / T5085 - 1999, 钢 - 混凝土组合结构设计规程 [ S ].。
04.第四章-水闸
水闸修建在河、渠堤之下时，便成为涵洞式水闸。根 据水力条件的不同，可分为有压式和无压式两类。
（三）按过闸流量大小分类
大（1）型水闸。过闸流量大于5000m³/s。 大（2）型水闸。过闸流量1000~5000m³/s。 中型水闸。过闸流量为1000~100m³/s。 小（1）型水闸。过闸流量为20~100m³/s。 小（2）型水闸。过闸流量小于20m³/s。
建闸后，为便于行人或车马通行，通常也在 闸墩上设置交通桥。交通桥的位置应根据闸室稳 定及两岸交通连接的需要而定，一般布置在闸墩 的下游侧。
四、分缝与止水
（一）分缝方式与布置
除闸室本身分缝以外，凡是相邻结构荷重相 差悬殊或结构较长、面积较大的地方也要设缝分 开。
（二）止水设备
凡是具有防渗要求的缝中都应设置止水设备。 对止水设备的要求是：①应防渗可靠；②应能适 应混凝土收缩及地基不均匀沉降的变形；③应结 构简单，施工方便。
（2）节制闸。在河道上或渠道上建造，枯水期用以抬高水位满足上游 取水或航运的需要；洪水期控制下泄流量，保证下游河道安全。
（3）冲沙闸。主要建在多泥沙河道上，用于排除进水闸、节制闸前或 渠道淤积的泥沙，减少引水水流的含沙量。
（4）分洪闸。建于天然河道的一侧。用来将超过下游河道安全泄量的 洪水泄入湖泊、洼地等滞洪区，以削减洪峰保证下游河道安全。
四、水闸的等级划分和洪水标准
见书中表格。
第二节 水闸的孔口尺寸确定
一、底板型式选择
闸底板型式有宽顶堰和低实用堰两种。 （1）平底板宽顶堰具有结构简单、施工方便、有利于排 沙冲淤、泄流能力比较稳定等优点；其缺点是自由泄流时 流量系数小，闸后比较容易产生波状水跃。 （2）低实用堰有WES低堰、梯形堰和驼峰堰等型式，其 优点是自由泄流时流量系数较大，可缩短闸孔宽度和减小 闸门高度，并能拦截泥沙入渠；缺点是泄流能力受下游水 位变化的影响显著，当淹没度增加时，泄流能力急剧下降。
水闸工程结构优化及设计分析
水闸工程结构优化及设计分析摘要：文章对水闸工程的结构优化设计数学模型进行了分析，并结合工程实例，对水闸工程的结构优化设计进行了详细的介绍，该水闸工程结构优化设计满足工程的规范要求，取得了良好的成效，可供类似工程结构优化设计参考。
关键词：水闸工程；结构优化；设计0 引言水闸工程是兼有挡水、泄水的重要水工建筑物，在水力发电、防洪排涝、供水、航运、灌溉等水利工程中发挥着至关重要的作用，并且对保障国民经济的发展具有十分很重要的作用。
随着我国国民经济的发展，水闸工程的建设也日益增加，而水闸工程结构设计的合理与否直接关系到水闸工程的整体施工质量，并且与水闸工程建设的效益息息相关，对其结构设计优化进行分析十分必要。
式中：xi为优化的设计变量，代表设计方案；F（x）为优化的目标函数，如造价最低，质量最轻等；hj（x）、Gk（x）为优化的约束函数，如规范规定的结构在强度、刚度、稳定性等方面的要求和限制；n为设计变量个数；l为等式约束的个数；m为不等式约束的个数。
工程结构的优化设计问题一般都是有约束的非线性规划问题。
2 水闸整体结构优化设计工程实例2.1 工程背景某水闸工程闸室总净宽为20.0m，共2孔，单孔净宽10.0m，采用钢筋混凝土结构，两孔一联整体式底板。
闸室底板顶面高程－2.00m，底板厚1.5m，顺水流方向长度为16m，中墩厚1.2m，边墩厚1.0m，闸室总宽度23.2m。
闸室采用钻孔灌注桩基础，桩径120.0cm，桩顶高程－3.50m，桩底高程－21.50m，桩长18.0m，共30根。
闸室为开敞式，采用闸门结合胸墙挡水。
胸墙采用钢筋混凝土板梁结构，底高程2.50m，顶高程5.50m，闸顶高程与海堤等高，为7.50m。
2.2 水闸整体结构优化设计数学模型结合该水闸工程的结构特征，根据规范规程及安全经济的设计要求，建立其整体结构优化设计数学模型。
2.2.1 设计变量根据闸室的结构特点及影响闸室受力和稳定的主要因素，同时考虑闸室和基础相互作用机理，选取底板厚度（x1）、中墩厚度（x2）、边墩厚度（x3）、桩径（x4）等关键几何尺寸为设计变量，如图1所示；而底板长度与闸室防渗要求及上部结构布置有关，底板宽度由水力计算确定，桩基长度由桩端所处持力层确定，因此定为不变参数。
水闸闸室结构计算
水闸闸室结构计算在闸室布置和稳定分析之后，还需对闸室各部分构件进行计算，验算其强度，以便最后确定各构件的形式、尺寸及构造。
闸室是一个空间结构，受力比较复杂，可用三维弹性力学有限元法计算。
为了简化计算，一般分成胸墙、闸墩、底板、工作桥及交通桥等单独构件分别计算，同时又考虑相互之间的连接作用。
以下仅简要介绍闸墩、底板和胸墙的结构计算。
1闸墩闸墩结构计算的内容主要包括闸墩应力计算及平面闸门槽（或弧形闸门支座）的应力计算。
1. 平面闸门闸墩应力计算平面闸门闸墩的受力条件主要是偏心受压，可假定闸墩为固定于底板上的悬臂梁，其应力状况可采用材料力学的方法进行分析。
闸墩应力主要有纵向应力（顺水流方向）和横向应力（垂直水流方向）。
闸墩每个高程的应力都不同，最危险的断面是闸墩与底板的结合面，因此，应以该结合面作为计算面，并把闸墩视为固支于底板的悬臂梁，近似地用偏心受压公式计算应力。
当闸门关闭时，纵向计算的最不利条件是闸墩承受最大的上下游水位差时所产生的水压力（设计水位或校核水位）、闸墩自重以及上部结构等荷载（图7-48）。
在此情况下，可用式（7-40）验算闸墩底部上、下游处的铅直正应力σ，即 2x G M L A I σσ=∑∑上下 （7-40） 式中：G ∑为铅直方向作用力的总和；x M ∑为全部荷载对墩底截面中心轴x x -的力矩总和；A 为墩底截面面积；x I 为墩底截面对x x -轴的惯性矩，可近似取用()30.9812x I d L =，d 为闸墩厚度；L 为墩底长度。
图 7-48 闸墩结构计算示意图（第5版 图7-45 图名相同）1p 、2p —上、下游水平水压力；1G —闸墩自重；3p 、4p —闸墩两侧水平水压力；2G —工作桥重及闸门重；z F —交通桥上车辆刹车制动力；3G —交通桥重在水闸检修期间，当一孔检修（即上、下游检修闸门关闭而相邻闸孔过水）时，闸墩承受侧向水压力、闸墩自重及其上部结构重等荷载（图7-48），这是横向计算最不利的情况。
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1 指导老师： 班级： 姓名： 学号： 2
目录 一、 设计基本资料 .................................................................. 5 1：设计基本资料 ................................................................ 5 2：设计图纸 ...................................................................... 6 二、板的设计................................................................................ 6 1：一楼楼板盖的设计.............................................................. 6 (1) 画结构简图.................................................................. 7 (2) 荷载计算...................................................................... 8 (3) 内力计算...................................................................... 8 (4) 钢筋计算...................................................................... 8 2：二楼楼板盖的设计............................................................... 9 （1） 画结构简图................................................................... 9 （2） 荷载计算...................................................................... 10 （3） 内力计算...................................................................... 11 （4） 钢筋计算...................................................................... 11 3：悬臂板的设计 .................................................................... 12 （1） 画结构简图.................................................................. 12 （2） 荷载计算...................................................................... 12 （3） 内力计算...................................................................... 13 （4） 钢筋计算...................................................................... 13 3
三、次梁的设计 ........................................................................ 14 1：一层次梁设计 .................................................................... 14 （1） 画计算简图 ................................................................... 14 （2） 荷载计算 ....................................................................... 14 （3） 内力计算 ....................................................................... 15 （4） 纵向钢筋计算 ............................................................... 16 (5) 箍筋计算 ...................................................................... 17 2：二层次梁设计 ..................................................................... 17 （1）画计算简图 ..................................................................... 17 （2）荷载计算 ......................................................................... 18 （3）内力计算 ......................................................................... 18 （4）纵向钢筋计算 ................................................................. 19 (5) 箍筋计算 ........................................................................ 20 四、主梁、柱的设计 ............................................................... 20 1：一层的梁系布置图 ........................................................... 21 （1）荷载计算 ......................................................................... 21 2：二层的梁系布置图 ........................................................... 22 （1）荷载计算 ......................................................................... 22 3：内力计算 ........................................................................... 23 4：一层主梁设计 ................................................................... 26 （1）纵向钢筋计算 ............................................................... 26 （2）箍筋计算 ....................................................................... 26 4
(3)、限裂验算 ...................................................................... 27 5：二层主梁设计 .................................................................. 27 （1）纵向钢筋计算 ............................................................ 27 （2）箍筋计算 .................................................................... 28 (3)、限裂验算 .............................................................. 29 6：柱子的设计 ...................................................................... 30 （1）钢筋计算 .................................................................. 30 五、板式楼梯的设计 ............................................................ 33 （1）画结构简图 .............................................................. 33 （2）阶梯设计 .................................................................. 34 （3）楼梯平台设计 .......................................................... 36 (4) 悬臂梁设计 .............................................................. 39 六、总设计图、总钢筋图、总钢筋表 ................................ 42 (1) 总设计图 ................................................................ 42 (2) 总钢筋表 ................................................................ 45 (3) 总钢筋图 ................................................................ 46