闸基防渗长度的初步确定

第5章　水　闸

【学习指导】

目标：了解水闸的作用、类型、各部分组成、工作特点及适用范围；了解设计内容和构造要点。掌握孔口尺寸确定方法，消能方式选择，地下轮廓线的概念及渗流计算，水闸稳定计算内容、方法及提高闸室抗滑稳定性的措施，地基处理等。

重点：水闸作用、类型、各部分组成及工作特点；水闸稳定计算内容、方法及提高闸室抗滑稳定性的措施。

5.1　概　述

水闸是一种利用闸门的启闭来调节水位、控制流量，以满足水利事业各种要求的低水头水工建筑物，多修建在软土地基上，具有挡水和泄（引）水的双重功能。在防洪、灌溉、供水、治涝、航运、发电、挡潮、冲沙等水利工程中的应用十分广泛，图5.1所示为某水闸实景。

图5.1　某水闸实景

5.1.1　水闸的分类

（1）按水闸所承担的任务分类

1）进水闸（或取水闸）

建在河道、水库或湖泊的岸边，用来控制引水流量，以满足灌溉、发电或供水的需要，又称取水闸或渠首闸。

2）节制闸

河道或渠道上建造。枯水期用以拦截河道，抬高水位，以利上游取水或航运要求；洪水期则开闸泄洪，控制下泄流量，位于河道上的节制闸称为拦河闸。

3）冲沙闸（或排沙闸）

用于排除进水闸、节制闸前河道或渠系中沉积的泥沙，防止闸前河段或管道的淤积。

4）分洪闸

建造在天然河道的一侧，用来将超过下游河道安全泄量的洪水泄入预定的湖泊、洼地，及时削减洪峰，保证下游河道的安全。

5）排水闸

江河沿岸建造。外河水位上涨时关闸以防河水倒灌，外河水位较低时开闸排除其附近低洼地区的积水，防止农田涝渍。因此，排水闸具有双向挡水和双向过流的特点。

6）挡潮闸

建在入海河口附近，涨潮时关闸，以不使海水沿河上溯，退潮时开闸泄水，以达到挡潮、排水和蓄淡的目的。挡潮闸具有双向挡水的特点。

上述各承担不同作用的水闸沿河道布置示意图，如图5.2所示。

图5.2　承担不同任务的水闸的位置示慧图

（2）按闸室结构形式分类

1）开敞式水闸

开敞式水闸闸室上面不填土、不封闭的水闸，应用较为普遍，又可分为无胸墙和有胸墙两种形式。一般有泄洪、排冰、过木等要求时，多采用不带胸墙的开敞式水闸，如图5.3（a）所示。多用于拦河、排冰闸等。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，常采用带胸墙的开敞式水闸，如进水闸、排水闸、挡潮闸多用这种形式，如图5.3（b）所示。

2）涵洞式水闸

涵洞式水闸是闸（洞）身上面填土封闭的水闸，又称封闭式水闸。常用于穿堤取水或排水的水闸，洞内水流可以是有压的或者是无压的，如图5.3（c）所示。

（3）按过闸流量大小分类

按过闸流量可将水闸分为大、中、小型3种。过闸流量在1000m3/s以上的为大型水闸，过闸流量在100～1000m3/s的为中型水闸，过闸流量小于100m3/s的为小型水闸。

图5.3　闸室结构形式

5.1.2　水闸的组成

水闸一般由上游连接段、闸室段及下游连接段3部分组成，如图5.4所示。

（1）上游连接段

上游连接段主要是引导水流平顺、均匀地进入闸室，避免对闸前河床及两岸产生有害冲刷，减少闸基或两岸渗流对水闸的不利影响。

上游连接段一般由铺盖、上游翼墙、上游护底、防冲槽（或防冲齿墙）及两岸护坡等部分组成。铺盖紧靠闸室底板，主要起防渗、防冲作用；上游翼墙的作用是引导水流平顺地进入闸孔、侧向防渗、防冲和挡土；上游护底、防冲槽及两岸护坡是用来防止进闸水流冲刷河床、破坏铺盖，保护两侧岸坡的。

图5.4　水闸的组成

1—闸室底板；2—闸墩；3—胸墙；4—闸门；5—工作桥；6—交通桥；7—堤顶；8—上游翼墙；
9—下游翼墙；10—护坦；11—排水孔；12—消力坎；13—海漫；14—下游防冲槽；
15—上游防冲槽；16—上游护底；17—上、下游护坡

（2）闸室段

闸室段是水闸的主体部分，起挡水和调节水流的作用。它包括底板、闸墩、闸门、胸墙、工作桥和交通桥等。底板是闸室的基础，承受闸室全部荷载并较均匀地传给地基，兼起防渗和防冲作用，同时闸室的稳定主要由底板与地基间的摩擦力来维持；闸墩的主要作用是分隔闸孔，支撑闸门，承受和传递上部结构荷载；闸门则用于控制水位和调节流量；工作桥和交通桥是用来安装启闭设备、操作闸门和联系两岸交通的。

（3）下游连接段

下游连接段主要用来消能、防冲及安全排出流经闸基和两岸的渗流，一般包括消力坎、海漫、下游防冲槽、下游翼墙及两岸护坡等。消力池主要用来消能，兼有防冲作用；海漫的作用是继续消除水流余能、扩散水流、调整流速分布、防止河床产生冲刷破坏；下游防冲槽是用来防止下游河床冲坑继续向上游发展的防冲加固措施；下游翼墙则用来引导过闸水流均匀扩散，保护两岸免受冲刷；两岸护坡是用来保护岸坡、防止水流冲刷的。

5.1.3　水闸等级划分及洪水标准

（1）工程等别及建筑物级别

工程等别及建筑物级别根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2000）及《水闸设计规范》（SL 265—2001）的规定确定。例如，山区、丘陵区水闸枢纽工程等别按照本书“概论”表1.1确定；平原区水闸枢纽工程的工程等别按水闸最大过闸流量及其防护对象的重要性划分成5等，见表5.1。规模巨大或在国民经济中占有特殊重要地位的水闸枢纽工程，其等别应经论证后报主管部门批准确定。

表5.1　平原区水闸枢纽工程分等指标

水闸的级别可根据其所属枢纽工程的等别及水闸自身的重要性按国家现行规范（SL 252—2000）的规定确定（详见“概论”表1.2）。

对失事后造成巨大损失或严重影响，或采用实践经验较少的新型结构的2—5级主要建筑物，经论证并报主管部门批准后可提高一级设计；对失事后造成损失不大或影响较小的1—4级主要建筑物，经论证并报主管部门批准后可降低一级设计。

灌排渠系上的水闸，其级别可按现行的《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288—99）的规定确定。位于防洪（挡潮）堤上的水闸，其级别不得低于防洪（挡潮）堤的级别。

（2）洪水标准

平原区水闸的洪水标准应根据所在河流防洪规划规定的防洪任务，以近期防洪目标为主，并考虑远景发展要求综合分析确定，见表5.2。

表5.2　平原区水闸洪水标准

山区、丘陵区水利水电枢纽中的水闸，其洪水标准应与所属枢纽中永久性建筑物的洪水标准一致。永久性建筑物的洪水标准应按国家现行规范（SL 252—2000）的规定确定。

5.1.4　水闸的工作特点与设计要点

水闸既能挡水又能泄水，且多修建在软土地基上，因此在稳定、防渗、消能防冲及沉降等方面都有其自身的工作特点，也是设计要重点考虑的内容。

（1）防渗方面

由于上、下游水位差的作用，水将通过地基和两岸向下游渗透。渗流会引起水量损失，同时地基土在渗流作用下容易产生渗透变形。严重时地基和两岸的土壤会被淘空，危及水闸安全。渗流对闸室和两岸连接建筑物的稳定也不利，因此应妥善进行防渗设计。

（2）稳定方面

关门挡水时，水闸上、下游较大的水位差造成较大的水平推力，使水闸有可能沿基面产生向下游的滑动。同时，渗流将对水闸底部施加向上的渗透压力，减少了水闸的有效重量，从而降低了水闸的抗滑稳定性。因此，水闸必须具有足够的重量维持自身的稳定。

（3）消能防冲方面

水闸开闸泄水时，在上、下游水位差的作用下，过闸水流往往具有较大的动能，流态也较复杂，而土质河床的抗冲能力较差，可能引起冲刷。此外，水闸下游常出现波状水跃和折冲水流，会进一步加剧对河床和两岸的淘刷。因此，设计水闸除应保证闸室具有足够的过水能力外，还必须采取有效的消能防冲措施，以防止对河道产生有害的冲刷。

（4）沉降方面

在土质地基上建水闸，由于土的压缩性大，抗剪强度低，在闸室的重力和外部荷载作用下，可能产生较大的沉降，影响正常使用，尤其是不均匀沉降会导致水闸倾斜，甚至断裂。在水闸设计时，必须合理地选择闸型、构造，安排好施工程序，采取必要的地基处理等措施，以减小地基沉降。

5.1.5　水闸选址考虑因素

闸址应根据水闸的功能、特点、运用要求及区域经济条件，综合考虑地形、地质、水文、水流、施工、管理、潮汐、泥沙、冻土、冰情、周围环境等因素，经技术经济比较后选定。

闸址选择时，应具体注意以下几个方面的问题：

1）地形地质方面

闸址宜选择在地形开阔、岸坡稳定、岩土坚实和地下水水位较低的地点。特别应考虑选在地质条件良好的天然地基上。

2）水流条件方面

应考虑建闸后，过闸水流平顺，流量分布均匀，不出现偏流和危害性冲刷或淤积。

3）施工管理方面

应考虑材料来源较近，施工导流易解决，对外交通、场地布置、基坑排水、施工水电供应方便及水闸建成后工程管理维修方便、防汛抢险易进行的地点。另外，选择闸址还要考虑占用土地及拆迁房屋少，尽量利用周围已有公路、航运、动力、通信等公用设施，有利于绿化、净化、美化环境和生态环境保护，有利于开展综合经营等。

5.2　闸室的布置与构造

闸室是水闸的主要部分。闸室结构布置包括底板、闸墩、胸墙、闸门、启闭机、工作桥、交通桥等分部结构的布置和尺寸的初步拟定。应在保证稳定的前提下，尽量做到轻型化、整体性好、刚性大、布置匀称，并进行合理的分缝分块，使作用在地基单位面积上的荷载较小、较均匀，并能适应地基可能的沉降变形。

5.2.1　闸室底板

闸室底板按照闸墩与底板的连接方式可分为整体式和分离式两种。

（1）整体式底板

闸墩与底板浇筑成整体的为整体式底板。整个底板起着承受荷载、传递荷载、防冲和防渗的作用。对于宽度较大的水闸，为适应地基不均匀变形和降低温度效应的影响，一般沿水流方向设永久缝将底板分成几个闸段，每个闸段一般由2～4个完整的闸孔组成，靠近岸墙的闸段，考虑到边荷载的影响，宜为单孔，如图5.5（a）所示。

图5.5　底板的分类

1—底板；2—闸墩；3—闸门；4—空箱式岸墙；5—温度伸缩缝；6—边墩

缝中应设止水。缝可设在闸墩中间，其优点是闸室结构整体性好，缝间闸段各自独立，各闸段间有不均匀沉陷时，水闸仍能正常工作，且具有较好的抗震性能；缺点是缝墩施工工期较长，且比其他中墩厚，当缝墩较多时，将增加工程量和施工难度。闸孔孔径过大时，底板应力很大，需配置较多的钢筋。这种底板适用于地质条件较差的地基或地震区。

如果地基条件较好，相邻闸段不致出现不均匀沉降的情况下，也可将缝设在闸孔底板中间，如图5.5（b）所示，可缩短工期，减小闸的总宽度和底板的跨中弯矩，但须确保闸门的启闭安全可靠。

（2）分离式底板

在闸墩两侧附近设缝，将底板与闸墩断开，称为分离式底板，如图5.5（c）所示。缝中设止水。其闸室上部结构的质量将直接由闸墩或连同部分底板传给地基。中间底板仅起防冲、防渗和稳定的作用，其厚度根据自身稳定的需要确定。一般用混凝土或浆砌石建成，必要时加少量钢筋。其优点是可缩短工期，减小闸的总宽度，工程量小；其缺点是底板接缝较多，闸室结构的整体性较差；对地基要求较高。一般适用于地质条件较妤、承载能力较大的地基。

底板顺水流方向的长度应根据闸室地基条件和上部结构布置要求，以满足闸室整体稳定和地基允许承载力为原则来分析确定。初拟时对于碎石土和砾（卵）石地基可取（1.5～2.5）H（H为水闸上下游最大水位差），砂土和砂壤土可取（2.0～3.5）H，黏土可取（2.5～5.5）H。底板厚度必须满足强度和刚度的要求，大中型水闸可取闸孔净宽的1/8～1/6，一般为1～2m，最薄不小于0.7m，小型水闸可薄至0.3m。闸室底板应具有足够的整体性、坚固性、抗渗性和耐久性。常用钢筋混凝土结构，小型水闸也可用混凝土浇筑。常用的强度等级为C15，C20。

5.2.2　闸墩

闸墩的外形轮廓应满足过闸水流平顺、侧向收缩小、过流能力大的要求。上游墩头用半圆形，下游墩头宜用流线型。闸墩上游部分的顶面高程主要应满足两种运用情况：

①挡水时，闸顶高程不应低于水闸正常蓄水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应安全超高值之和；

②泄水时，不低于设计洪水位（或校核洪水位）与相应安全超高值之和。下游部分的闸顶高程可适当降低，但应保证下游的交通桥底部高出泄洪水位0.5m以上，以及桥面能与闸室两岸道路衔接。

闸墩的长度取决于上部结构布置和闸门的形式，一般与底板等长或稍短些。闸墩上、下游面常为铅直面，如上部结构布置后闸墩有富裕，两端可做成10∶1～5∶1的竖坡。如上部结构布置不下，顶部可做成向外挑出的牛腿。

闸墩厚度应满足稳定和强度要求，根据闸孔孔径、受力条件、结构构造要求、闸门形式和施工方法等确定。根据经验，一般混凝土闸墩厚1.0～1.6m，少筋混凝土闸墩厚0.9～1.4m，钢筋混凝土闸墩厚0.7～1.2m，浆砌石闸墩厚0.8～1.5m。平面闸门的闸墩厚度主要受门槽深度控制，闸墩在门撑处的最小厚度主要是根据结构强度和刚度的需要确定，一般不宜小于0.4m。弧形闸门的闸墩因没有门槽，可采用较小的厚度。兼作岸墙的边闸墩还应考虑承受侧向土压力的作用，其厚度应根据结构抗滑稳定性能和结构强度的需要计算确定。

平面闸门的门槽尺寸取决于闸门尺寸和支承形式。工作门槽深一般不小于0.3m，宽0.5～1.0m，最优宽深比宜取1.6～1.8。检修门槽深一般为0.15～0.25m，宽0.15～0.30m。检修门槽与工作门槽之间应留1.5～2.0m的净距，以便安装和检修。弧形闸门的闸墩不需设主门槽。

5.2.3　胸墙

图5.6　胸墙的形式

胸墙常用钢筋混凝土结构，做成板式或梁板式，如图5.6所示。闸孔孔径小于或等于6.0m时可采用板式，墙板也可做成上薄下厚的楔形板，其顶部厚度一般不小于0.2m。闸孔孔径大于6.0m时，宜采用梁板式，它由墙板、顶梁和底梁组成，其板厚一般不小于0.12m；顶梁梁高为胸墙跨度的1/15～1/12，梁宽常取0.4～0.8m；底梁由于与闸门顶接触，要求有较大的刚度，梁高为胸墙跨度的1/9～1/8，梁宽为0.6～1.2m。当胸墙高度大于5.0m且跨度较大时，可增设中梁及竖梁构成肋形结构。各结构尺寸应根据受力条件和边界支承情况计算确定。

胸墙与闸墩的连接方式有简支式和固接式两种，如图5.7所示。简支式胸墙与闸墩分开浇筑，缝间涂沥青，也可将预制墙体插入闸墩预留槽内，成为活动胸墙。其优点是可避免在闸墩附近迎水面出现裂缝，但断面尺寸较大。固接式胸墙与闸墩整浇在一起，胸墙钢筋伸入闸墩内，形成刚性连接。其优点是断面尺寸小，可增强闸室的整体性，但受温度变化和闸墩变位的影响，易在胸墙支点附近的迎水面产生裂缝。整体式底板可用固接式，分离式底板多用简支式。胸墙顶宜与闸顶齐平。胸墙底部高程应根据孔自流量要求计算确定，应不影响泄水。

图5.7　胸墙与闸墩的连接形式

胸墙相对于闸门的位置取决于闸门的形式。若采用弧形闸门，胸墙设在闸门上游侧；若采用平面闸，胸墙可设在闸门上游侧，也可设在闸门下游侧，如图5.8所示。前者止水放在闸门前面，启闭机螺杆或钢丝绳与吊耳等铁环不致因浸在水中而锈蚀，但其止水设备较复杂，且易磨损。后者因门紧靠胸墙，使止水设备简单，且止水效果好，只是对螺杆等防锈蚀不利。

图5.8　胸墙与闸门的位置关系

5.2.4　闸门

闸门是水闸的重要组成部分，水闸利用它的启闭来达到控制水位和调节流量的目的。

（1）闸门的分类

1）按结构形式分类

闸门按结构形式可分为平面闸门（图5.9）、弧形闸门（图5.10）等。

平面闸门是平板形式的门叶，按提升方式不同又可分为直升式和升卧式两种。弧形闸门的挡水面板是圆弧面，启闭时绕位于弧形挡水面圆心处的支承铰转动。弧形闸门与平面闸门比较，其主要优点是启门力小，可以封闭较大面积的孔口，无影响孔口水流状态的门槽，闸墩厚度较小，机架桥的高度较低，预埋件少。其主要缺点是所需闸墩较长，不能提出孔口以外进行检修维护，也不能在孔口之间互换，总水压力集中于支铰处，闸墩受力复杂。

图5.9　直升式平面钢闸门门叶

1—主梁；2—纵向联结系；3—主轮；4—支承边梁；5—吊耳；6—面板；
7—顶梁；8—水平次梁；9—横向隔板（竖直次梁）

图5.10　弧形钢闸门

1—工作桥；2—公路桥；3—面板；4—吊耳；5—主梁；6—支臂；7—支铰；
8—牛腿；9—隔板；10—水平次梁

2）按工作性质分类

闸门按工作性质可分为工作闸门、检修闸门和事故闸门。

工作闸门是在水闸正常运行情况下使用，要求其在动水中启闭；检修闸门是检修时临时挡水用，通常在静水中启闭；事故闸门是在水闸或机械设备出现事故时用，要求在动水中快速关闭，在静水中开启。

3）按闸门所用材料分类

闸门按所用材料可分为钢闸门、钢筋混凝土及钢丝网水泥闸门、钢木混合结构闸门、木闸门和铸铁闸门等。钢闸门具有自重轻、工作可靠的优点，故在大中型水闸中应用广泛。钢筋混凝土及钢丝网水泥闸门和铸铁闸门可节约钢材，近些年有所发展，但有的较重，增加了启闭设备的造价，有的耐久性或韧性较差，一般只用于小型水闸。木闸门因其耐久性差，已很少采用。

（2）闸门的构造组成

闸门一般由活动部分（即门叶）、埋固部分和悬吊设备3部分组成。活动部分主要是由面板、梁板系统组成的门体结构；埋固构件是预埋在闸墩和胸墙等结构内部的固定构件；悬吊设备是指连接闸门和启闭设备的拉杆或牵引索等。

平面钢闸门的活动部分（也称门叶，如图5.9所示）由承重结构、支承移动装置（或称行走支承）、止水装置及吊耳等组成，其中承重结构包括面板、梁格、竖向联结系、门背（纵向）联结系和支承边梁等。支承移动装置有轮式支承和滑块支承两种，常用的是轮式支承。弧形钢闸门的活动部分由弧形面板、主梁、次梁、竖向联结系（或隔板）、起重桁架、支臂和支铰等所组成，如图5.10所示。

闸门的基本尺寸根据孔口尺寸确定。露顶式闸门顶部应在可能出现的最高挡水位以上有0.3～0.5m的超高。

5.2.5　启闭机

闸门启闭机可分为固定式和移动式两种。

常用的固定式启闭机有卷扬式、螺杆式和油压式3种。移动式启闭机一般有门架式和桥式两种。

启闭机的形式应根据门型、尺寸及其运用条件等因素选定。所选用的启闭机的启闭力应大于等于计算的启闭力，同时应符合国家现行的《水利水电工程启闭机设计规范》（SL 41—93）所规定的启闭机系列标准。若要求短时间内全部均匀开启或多孔闸门启闭频繁，每孔应设一台固定式启闭机。

（1）卷扬式启闭机

固定卷扬式启闭机广泛应用于大中型水闸，其定型产品有卷扬式平板闸门启闭机和卷扬式弧形闸门启闭机两种。其主要由电动机、减速箱、传动轴和绳鼓所组成。绳鼓固定在传动轴上，围绕钢丝绳，钢丝绳连接在闸门吊耳上。启团闸门时，通过电动机、减速箱和传动轴使绳鼓转动，进而钢丝绳牵引闸门升降，并通过滑轮组的作用，使用较小的钢丝绳拉力，便可获得较大启门力。固定卷扬式启闭机适用于闭门时不需施加压力，且要求在短时间内全部开启的闸门。一般每孔布置一台。

（2）螺杆式启闭机

螺杆式启闭机主要由摇柄、主机和螺杆组成。螺杆的下端与闸门的吊头连接，上端利用螺纹与承重螺母相扣合。当用机械或人力转动主机时，迫使螺杆连同闸门上下移动，从而启闭闸门。其优点是结构简单、使用方便、价格较低且易于制造；其缺点是启闭速度慢、启闭力小，所以只适用于小型水闸。当水压力较大、门重不足时，可通过螺杆对闸门施加压力，以便使闸门关闭到底。当螺杆长度较大（如大于3m）时，可在胸墙上每隔一定距离设支撑套环，以防止螺杆受压失稳。其启门力一般为3～100kN。

（3）油压式启闭机

油压式启闭机主体由油缸和活塞组成。活塞经活塞杆或连杆和闸门连接，改变油管中的压力即可使活塞带动闸门升降，是一种比较理想的启闭设备。其主要优点是利用液压原理，可以用较小的动力获得很大的启门力；液压传动比较平稳和安全（有溢流阀，超载时起自动保护作用）；机体体积小，质量小，当闸孔较多时，可以降低机房、管路及工作桥的工程造价；较易实现遥测、遥控和自动化。其主要缺点是对金属加工条件要求较高，质量不易保证，造价较高。同时，设计选用时要注意解决闸门起吊同步的问题，否则会发生闸门歪斜卡阻的现象。

5.2.6　工作桥、交通桥

（1）工作桥

为了安装启闭设备和便于工作人员操作的需要，通常在闸墩上设置工作桥，如图5.10所示。桥的位置由启闭设备、闸门类型及其布置和启闭方式而定。当桥面很高时，也可在闸墩上部另建支柱或排架来支承工作桥，以减小闸墩高度，节省材料。

工作桥的高程与闸门和启闭设备的形式、闸门高度有关，一般应使闸门开启后，门底高于上游最高水位，以免阻碍过闸水流。对于平面直升门，若采用固定启闭设备，桥的高度（即横梁底部高程与底板高程的差值）为门高的2倍加上1.0～1.5m的富余高度；若采用活动式启闭设备，则桥高可以低些，但也应大于1.7倍的闸门高度。对于弧形闸门及升卧式平面闸门，工作桥高度可以降低很多，具体应视工作桥的位置及闸门吊点位置等条件而定。

大中型水闸的工作桥一般采用板梁结构。小型水闸多采用板式结构。工作桥的总宽度取决于启闭机的类型、容量和操作需要。大型水闸总宽度为2.5～4.5m，小型水闸为2.0～2.5m。

（2）交通桥

为建闸后便于行人或车马通行，通常也在闸墩上设置交通桥，如图5.10所示。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。交通桥的梁（板）底高程应高出最高洪水位0.5m以上；如果有流冰，则应高出流冰面以上0.2m。交通桥可根据闸孔孔径、设计荷载标准等具体条件来选梁板式或板拱式，有条件时，可采用预制构件，现场吊装。仅供人畜通行的交通桥，其宽度应不小于3m；行驶汽车等的交通桥按交通部制订的相应规范进行设计。

5.2.7　分缝与止水

（1）分缝

除了上述闸室本身分缝，凡是相邻结构荷重悬殊或结构较长、面积较大的地方也要设缝分开，如铺盖与闸室底板、翼墙的连接处及消力池与闸室底板、翼墙的连接处要分别设缝。另外，翼墙本身较长，混凝土铺盖、消力池的护坦在面积较大时也需设缝，以防产生不均匀沉陷，如图5.11所示。缝的间距一般为15～20m，缝宽为2～3cm。

图5.11　水闸的分缝与止水平面

（2）止水

凡具有防渗要求的缝，都应设止水。按照止水设备的方向，有铅直止水和水平止水两种。前者设在缝墩中、边墩与翼墙之间及各段翼墙之间等，后者设在铺盖、消力池底板与闸底板、翼墙之间，闸底板与铺盖、消力池底板间的分缝处等，止水布置如图5.11所示。

1）止水形式

①垂直止水。用于闸墩（缝墩）中的边墩与岸墙之间（岸墙与翼墙之间的接缝、翼墙的分段缝）。

②水平止水。用于铺盖与底板之间、铺盖与两侧翼墙底板之间、底板分缝隙段、混凝土铺盖的分坝缝、闸后护坦与闸底板之间的分缝、护坦与翼墙之间的接缝、护坦分坝缝。

2）止水设备

垂直止水设备一般都设在靠近上游挡水面处（临水面0.2～0.5m）。止水设备上游部分的缝应该是不透水的，下游宜保持通畅。此外，止水设备应防止两个相邻构件之间因发生相对垂直位移而被撕裂。

水平止水多布置在距上游面0.2～0.3m处，在缝下面铺设2～3层油毛毡或沥青片。材料为紫铜片、塑料止水带、橡皮止水带。

两种止水交叉处的构造必须妥善处理，以便形成一个完整的止水体系。交叉连接有两类，即垂直交叉和水平交叉。交叉处止水片的连接方式也可分为两种：一种是柔性连接，即将金属止水片的接头部分埋在沥青块体中；另一种是刚性连接，即将金属止水片剪裁后焊接成整体。在实际工程中可根据交叉类型及施工条件决定连接方式，铅直交叉常用柔性连接，而水平交叉则多用刚性连接，如图5.12所示。

图5.12　止水交叉构造图

1—铅直缝；2—铅直止水片；3—水平止水片；4—沥青块体；5—接缝；
6—纵向水平止水片；7—横向水平止水片；8—沥青柱

5.3　闸孔设计

5.3.1　闸孔形式选择

闸孔有宽顶堰孔口、低堰孔口和胸墙式孔口3种形式，如图5.13所示。

图5.13　闸孔形式

（1）宽顶堰孔口

宽顶堰孔口即宽顶堰不设胸墙的形式，实际工程中采用较多。其主要优点是结构简单，施工方便，泄流能力比较稳定；缺点是自由泄流时流量系数较小，比较容易产生波状水跃。可用作泄洪、冲沙、通航、排污、排冰等。

（2）低堰孔口

低堰孔口即实用堰不设胸墙的形式，具体有WES低堰、梯形堰和驼峰堰等形式。其优点是自由泄流时流量系数较大，水流条件较好，泄流能力较强，且闸门高度可减小；缺点是泄流能力不如平底板孔口泄流时稳定，下游水位变化对泄流能力有显著的影响，同时施工也较平底板孔口复杂。当上游水位较高，为限制过闸单宽流量，需要抬高堰顶高程时，或由于地基表层松软，需要降低闸底高程以避免地基处理时，以及在多泥沙河道上有拦沙要求时，常选用这种形式。

（3）胸墙式孔口

胸墙式孔口包括宽顶堰设胸墙及实用堰设胸墙的情况。在上游水位变幅较大，且高水位需要控制泄量时，则常于孔口顶部设胸墙形成孔口出流，可以减小闸门高度。

5.3.2　闸底板顶面高程的确定

闸底板顶面高程的确定关系到闸孔形式和尺寸的确定，也直接影响整个水闸的工程量和造价。如将闸底板高程定得低些，闸前水深和过闸单宽流量都要大些，从而使闸孔总宽度缩小，减少工程投资。但是，闸底板高程定得太低，将增大闸身和两岸结构的高度，并增加基坑开挖和闸下消能防冲布置上的困难，可能反而增加工程投资。可见，闸底板高程的确定应根据河（渠）底高程、水流、泥沙、闸址地形、闸址地质等条件，结合水闸规模、所选用的堰型、门型，经技术经济比较确定。应将闸底板置于较为坚实的地基上，并应尽量利用天然地基。

5.3.3　过闸单宽流量的确定

过闸单宽流量的采用，对水闸的工程造价和下游消能防冲设施的安全运用都有直接的影响。所选单宽流量越大，所需要的闸孔净宽越小，闸的总宽便可以缩短，但过闸单宽流量越大，下游消能防冲越困难，则消能防冲设施的投资越大，工程总费用也不一定经济。故应综合考虑下游河床的地质条件，上、下游水位差，下游尾水深度，闸室总宽度与河道宽度的比值，闸的结构构造特点和下游消能防冲设施等因素来确定。在不致造成下游消能防冲过大的条件下，一般选用较大的过闸单宽流量，但对其数值应有所限制。在水闸的可行性研究阶段，其过闸单宽流量可按下列数据选用：黏土地基，可取15～25m3/（s•m）；壤土地基，可取15～20m3/（s•m）；砂壤土地基，可取10～15m3/（s•m）；粉砂、细砂、粉土和淤泥地基，可取5～10m3/（s•m）。

5.3.4　过闸水位差的选用

过闸水位差的选用，关系到水闸的上游淹没影响和工程造价。若采用较大的过闸水位差，虽可缩减闸孔总净宽，降低工程造价，但抬高了闸的上游水位，不仅要加高上游坝顶高程，而且有可能增加上游淹没损失。因此，选用水闸的过闸水位差时，应认真处理好水闸工程造价、上游堤防工程量及淹没影响等方面的关系，设计中应结合水闸所承担的任务、特点、运用要求等具体情况来选定。一般水闸的过闸水位差可采用0.1～0.3m。

5.3.5　闸孔宽度的确定

根据确定的过闸流量、过闸水位差、闸底板顶面高程、闸孔形式，即可运用水力学公式计算闸孔总净宽，然后根据运用要求选定每孔净宽b，进而求得闸孔数。

（1）计算闸孔总净宽B0

以下仅介绍平底板闸孔的堰流和孔口出流的B0水力学计算公式。对设有低堰或其他堰型的水闸，B0计算可参考有关水力学计算手册。①当为堰流时，闸孔总净宽B0可按式（5.1）进行计算，计算示意图如图5.14所示。

式中　B0——闸孔总净宽，m；

　　　Q——过闸流量，m3/s；

　　　H0——计入行进流速水头的堰上水深，m；

　　　σ、ε、m——分别为堰流淹没系数、侧收缩系数和流量系数，可由《水闸设计规范》

　　　（SL265—2001）的附表A查得，设计时，要先拟定，后校核；

　　　g——重力加速度。

图5.14　平底板堰流计算示慧图

图5.15　平底板孔口出流计算示慧图

②当为孔口出流时，闸孔总净宽B0可按式（5.2）计算，计算示意图如图5.15所示。

式中　he——孔口高度，m；

　　　σ′、μ——分别为孔流的淹没系数和流量系数，可由《水闸设计规范》（SL265—2001）查得；其他符号意义同上。

（2）确定每孔孔径b0

选定b0时要综合考虑闸的地基条件、运用要求、闸门结构形式、启闭机容量，以及闸门的制作、运输、安装等因素。选用的闸孔孔径应符合国家现行的《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74—95）等所规定的闸门孔口尺寸系列标准。

（3）确定闸孔数目n

选定每孔净宽b0后，则所需闸孔数目为n≈B0/b0，n值取略大于计算值的整数，但总净宽不宜超过计算值的3％～5％。当闸孔孔数少于8孔时，n值最好采用单数，以使过闸水流匀称。

（4）确定闸室总宽度B

最后确定闸室总宽度B，为nb0+（n-1）dz+2db，其中dz为中墩厚，db为边墩厚。从过水能力和消能防冲两方面考虑，闸室总宽度B值应与上、下游河道或渠槽宽度相适应。一般闸室总宽度应等于或大于0.6～0.85倍的河（渠）道宽度，河（渠）道宽度较大时，取较大值。

（5）过流能力校核

按拟定的闸孔尺寸，考虑闸墩形状等的影响，进一步验算水闸的过水能力。一般实际过闸流量与设计过闸流量的差值不得超过±5％，否则需调整闸孔尺寸，直至满足要求为止。

5.4　水闸的消能防冲设计

水闸泄水时，部分势能转为动能，流速增大，具有较强的冲刷能力，而土质河床一般抗冲刷能力较低。因此，为了保证水闸的安全运行，必须采取适当的消能防冲措施，做好水闸的消能防冲设计。

5.4.1　水闸的泄流特点及消能方式的选择

（1）水闸的泄流特点

①水流形式复杂。初始泄流时，闸下水深较浅，随着闸门开度的增大而逐渐加深，闸下出流由孔流到堰流，由自由出流到淹没出流都会发生，水流形态比较复杂。因此，消能设施应在任意工作情况下均能满足消能的要求，并与下游水流很好地衔接。

②闸下易形成波状水跃。上、下游水位差较小，出闸水流的弗劳德数较小（Fr=1～1.7），容易发生波状水跃，特别是在平底板的情况下更是如此。此时无强烈的水跃旋滚、水面波动，消能效果差，具有较大的冲刷能力。另外，水流处于急流状态，不易向两侧扩散，致使两侧产生回流，缩小河槽过水有效宽度，局部单宽流量增大，严重冲刷下游河道。

③闸下易出现折冲水流。一般水闸的宽度较上下游河道窄，水流过闸时先收缩而后扩散。若工程布置或运行操作不当，出闸水流不能均匀扩散，将使主流集中，蜿蜒蛇行，左冲右撞，形成折冲水流，冲毁消能防冲设施和下游河道。

（2）消能方式的选择

水闸消能方式一般有底流式、挑流式和面流式3种，我国水闸多修建在平原地区的土基上，最常用的是底流式消能。平原土基上的水闸，河床及岸坡的抗冲刷能力较差，且承受水头不高，闸下跃前水流弗劳德数较小，故宜采用底流式消能；当水闸承受较高水头，且闸下河床及岸坡为坚硬岩体时，可采用挑流式消能；当水闸闸下尾水深度较深且变化较小，河床及岸坡抗冲刷能力较强时，可采用面流式消能。在夹有较大砾石的多泥沙河流上的水闸，不宜设消力池，可采用抗冲耐磨的斜坡护坦与下游河道连接，末端应设防冲墙。在高速水流部位，应采取抗冲磨与抗空蚀的措施。

（3）水闸消能防冲设施的布置与构造

这里主要介绍底流式消能方式。底流式消能的作用是通过增加下游水深，以保证产生淹没式水跃，防止土基冲刷破坏。消能防冲设施主要由消力池、海漫、防冲槽等部分组成。

1）底流式消能工设计

①布置形式

底流式消能主要有下挖式消力池、突槛式消力池和综合式消力池3种形式，如图5.16所示。当闸下尾水深度小于跃后水深时，可采用下挖式消力池消能。消力池可采用斜坡面与闸底板相连接，斜坡面的坡度不宜陡于1∶4；当闸下尾水深度略小于跃后水深时，可采用突槛式消力池消能；当闸下尾水深度远小于跃后水深，且计算消力池深度又较深时，可采用下挖式消力池与突槛式消力池相结合的综合式消力池消能。当水闸上、下游水位差较大，且尾水深度较浅时，宜采用二级或多级消力池消能。对于大型多孔闸，可根据需要设置隔墩或导墙进行分区消能防冲布置。

图5.16　消力池形式

②尺寸确定

消力池的尺寸主要包括深度、长度和底板厚度等。计算步骤如下：首先分析下游水流的衔接形式，判断是否要建消力池，再选定消力池形式，经过水力计算，最终确定池深池长。

a.消力池深度

消力池深度可按式（5.3）计算，计算示意图如图5.16所示。

式中　d——消力池深度，m；

　　　σ——水跃淹没系数，可采用1.05～1.10；

　　　h″c——跃后水深，m；

　　　hs——出池河床水深，m；

　　　Δz——出池落差；m。

b.消力池的长度

消力池的长度可按式（5.4）和式（5.5）计算，计算示意图如图5.16所示。

式中　Lsj——消力池长度，m；

　　　Ls——消力池斜坡段水平投影长度，m；

　　　β——水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8；

　　　Lj——水跃长度，m。

c.消力池底板厚度

消力池底板厚度可根据抗冲和抗浮要求，按照有关公式计算。一般大、中型水闸为0.5～1.0m，长消力池可自上而下逐渐减薄，采用不同的厚度。末端厚度可采用t/2（t为消力池底板始端厚度），但不宜小于0.5m，个别大型水闸可更厚。小型水闸一般是等厚的，可减薄，但也不宜小于0.3m。

大型水闸的消力池深度和长度，在初步设计阶段，应进行水工模型试验验证。

③构造要求及措施

a.消力池底板（即护坦）。承受水流的冲击力、水流脉动压力和底部扬压力等作用，应具有足够的重量、强度和抗冲耐磨的能力，一般用C15或C20混凝土浇筑而成。底板一般按构造配置φ10～12mm，间距25～30cm的长度构造钢筋，大型水闸消力池的顶、底面均需配筋，中、小型的可只在顶面配筋。为了降低护坦底部的渗透压力，可在水平护坦的中后部设置排水孔，孔下敷设反滤层，排水孔孔径一般为5～10cm，间距1.0～3.0m，呈梅花形布置。

b.分缝与止水。消力池与闸底板、翼墙、海漫之间及消力池本身顺水流方向均应分缝，以适应不均匀沉降和温度变形。缝间距为10～20m，地基差时为8～12m，靠近翼墙的消力池缝距应取得小一些。垂直水流方向通常不设缝，以保证其整体稳定性，缝宽⒉0～2.5cm。缝的位置如在闸基防渗范围内，缝中应设止水；否则不用设止水，但一般都敷设沥青油毛毡。

c.尾槛和齿墙。消力池末端通常还设有尾槛，其作用是抬高池内水位，形成水跃，缩短水跃长度，将出流挑向水面，调整出池水流的流速分布，减小对下游河床的冲刷。尾槛的形式可分为连续式的实体槛和差动式的齿槛两大类。为增强护坦的抗滑稳定性，常在消力池的末端设置齿墙，墙深一般为0.8～1.5m，宽为0.6～0.8m。

2）辆助消能工

主要有消力墩、消力齿等辅助消能工，如图5.17所示。设置的目的是使水流受阻，促使水流撞击，形成涡流及加强紊动扩散，稳定水跃，减小消力池尺寸，提高消能效果，节省工程量。辅助消能工的消能效果与其自身形状、尺寸、在池中的布置情况及池中水深、泄量变化等因素有关，应慎重布置。对于大型水闸，应通过水工模型试验来进行布置。

图5.17　消力池辅助消能工

3）海漫及防冲槽

紧接护坦后还要采取海漫等防冲加固措 施，以使水流均匀扩散，调整流速分布逐步接近天然河道的水流形态。

①海漫

a.海漫的作用是进一步消除水流剩余能量，保护消力池后面的一段河床不受冲刷，保证消力池的安全。

b.对海漫的要求。海漫应具有一定的柔性，以适应下游河床可能的冲刷变形；具有一定的透水性，以便渗水自由排出，降低扬压力；具有一定的表面粗糙性，以利进一步消除余能；具有与水流流速相适应的抗冲能力，以保证海漫本身不致被水流冲动，从而达到保护河床的目的。

c.海漫长度计算。海漫的长度应根据可能出现的不利的水位、流量组合情况按式（5.6）进行计算确定：

式中　LP——海漫长度，m；

　　　ks——海漫长度计算系数，可由表5.3查得；

　　　qs——消力池末端单宽流量，m3/（s•m）；

　　　ΔH′——闸孔泄水时的上、下游水位差，m。

此式适用于，且消能扩散良好的情况。

表5.3　ks值

d.海漫的布置和构造。如图5.18所示，海漫一般采用整体向下游倾斜的形式，或将前5～10m做成水平段，其顶面高程可与护坦齐平或在消力池尾槛顶以下0.5m，水平段后宜做成等于或缓于1∶10的斜坡，同时沿水流方向在平面上向两侧逐渐扩散。

图5.18　海漫布置示慧图

e.海漫常用的结构形式有如下5种：

•干砌石海漫。一般由粒径大于30cm的块石砌成，厚度为0.3～0.5m，下面敷设垫层，厚度为10～15cm。其抗冲流速为2.5～5.0m/s。为了增大其抗冲能力，可每隔6～10m设一浆砌石埂，常用在海漫后段。

•浆砌石海漫。常以粒径大于30cm的块石用强度等级M5或M8的水泥砂浆砌筑而成，厚度为0.3～0.5m，砌石设排水孔，下面敷设反滤层或垫层。其抗冲流速可达3～6m/s，但柔性和透水性较差。一般用于海漫的前部水平段。

•混凝土海漫。整个海漫由边长为2～5m、厚度为0.1～0.2m的板块拼铺而成，板中有排水孔，下面敷设反滤层或垫层。其抗冲流速可达6～10m/s。通常采用斜面式或垛式拼铺形式，以增加表面糙率。

•钢筋混凝土海漫。当出池水流的剩余能量较大时，可在尾槛下游5～10m范围内采用钢筋混凝土板海漫，板中有排水孔，下面敷设反滤层或垫层。

•其他形式海漫，如铅丝石笼海漫等。

②防冲槽

为了防止海漫末端处发生冲刷破坏而波及海漫和消力池的稳定，进而危及闸室安全，常在海漫末端设置防冲槽或其他加固措施。

a.防冲槽。在海漫末端挖槽抛填足够的粒径大于30cm的块石，当水流冲刷河床形成冲坑时，槽内石块便可沿着冲刷坑的上游斜坡陆续滚下，铺满整个上游斜坡，防止冲刷坑向上游扩展，保护海漫安全。如图5.19所示。

图5.19　防冲槽

b.其他防冲加固设施主要有齿墙、板桩、沉井等形式。对于冲坑深度较小的工程，可以采用深度为1～2m的防冲齿墙代替防冲槽；当冲坑深度较大，河床为粉、细砂时，采用板桩、井柱或沉井等形式的防冲加固设施较安全，此时应尽量缩短海漫长度，减小工程量。

4）上游河床和上下游岸坡的防护

为了避免水流对上游河床及上下游岸坡的冲刷，一般上游河床在靠近铺盖的一段需要防护，其长度为上游水深的3～5倍。上游岸坡在对应铺盖和护底的范围内都要进行防护。护底护坡在靠近铺盖和闸室的一段距离内，由于流速较大，防护材料一般用浆砌块石，其他部分用干砌块石。下游岸坡的防护长度应大于河底防护长度，护坡材料同上游岸坡。

上下游护坡的顶部应在最高水位以上。砌石护坡、护底的厚度通常为0.3～0.5m，下面铺设卵石及砂垫层，厚度均为10cm，防止岸坡土壤在水位降落时被渗透水流带出。护坡每隔8～10m常设置混凝土埂（或浆砌石埂）工道，在护坡坡脚处应做混凝土齿墙嵌入土中，以增加护坡的稳定性。若护坡改用现浇混凝土，其厚度一般采用0.2～0.3m，寒冷地区宜加厚至0.3～0.5m；若改用预制混凝土板铺砌，其厚度一般采用0.1～0.2m。

5）波状水跃、折冲水流的防治措施

①波状水跃的防治措施。若水闸底板采用低实用堰型，则有助于消除波状水跃。对于平底板水闸，可在消力池斜坡段的顶部上游预留一段0.5～1.0m宽的平台，其上设置一道小槛，使水流越槛入池，促成底流式水跃。槛高约为闸孔出流的第一共轭水深的1/4。小槛迎水面做成斜坡，以减弱水流的冲击作用：槛底设排水孔。如将小槛改成齿形槛分水墩，效果会更好。

②折冲水流的防治措施可从3方面入手：首先，在平面布置上尽量使上游引河具有较长的直线段，并能在上游两岸对称布置翼墙，出闸水流与原河床主流的位置和方向一致；其次，要控制下游翼墙扩散角，每侧宜采用7°～12°，且不宜采用弧形翼墙（大型水闸如采用弧形翼墙，其半径不小于30m），墙顶应高于下游最高水位，以免回流由墙顶漫向消力池；再次，要制订合理的闸门开启程序，如低泄量时隔孔开启，使水流均匀出闸，或开闸时先开中间孔，继而开两侧邻孔至同一高度，直至全部开至所需高度，闭门与之相反，由两边孔向中间孔依次对称地操作。

5.5　水闸的防渗排水设计

5.5.1　渗流对水闸的危害及防渗设计内容

渗流对水闸的危害主要表现在以下3个方面：

①闸基下的渗透压力降低了闸室的稳定性，两岸的绕渗对两岸翼墙产生侧向压力，从而影响两岸翼墙的侧向稳定性；

②渗透水会加速地基中可溶性物质的溶解，进而引起闸基或两岸土体的渗透破坏；

③渗透导致水量损失。

水闸防渗排水设计的基本内容包括：

①初步拟订水闸的地下轮廓线和防渗排水设施的布置；

②闸基下的渗透压力计算及验算闸室的稳定性；

③若满足稳定和抗渗要求，则初拟的水闸地下轮廓线和防渗排水设施布置满足要求，反之需调整初拟设计直至满足要求。

5.5.2　闸基防渗长度的初步确定

闸基防渗长度也称为水闸地下轮廓线，是指水闸上游铺盖和闸底板等不透水部分与地基的接触线，如图5.20所示。在上下游水位差H的作用下，水闸渗流的过程为上游水从河床入渗，绕过上游铺盖、板桩、闸底板，经过反滤层由排水孔排至下游。其中，铺盖、板桩和闸底板等不透水部分与地基的接触线称为地下轮廓线，即图5.20中0—1—2—3—……—16的折线。它是闸基渗流的第一根流线，其长度称为闸基防渗长度（又称渗径长度）。

在工程规划和可行性研究阶段，初步拟定的闸基防渗长度应满足L≥CH（C为允许渗径系数值，可查表5.4获得）。

图5.20　水闸地下轮廓线

表5.4　允许渗径系数值C

5.5.3　闸基防渗排水布置

闸基防渗排水布置，即进行不同地基的地下轮廓布置。闸基防渗长度初步确定后，可根据地基特性，参考已建的工程经验确定闸基地下轮廓形状和尺寸。

（1）布置原则

闸基防渗排水的布置原则是“高防低排”，就是在高水位一侧布置铺盖、板桩、齿墙等防渗设施，以延长渗径，减小作用在底板上的渗透压力，降低闸基渗流的平均坡降。在低水位一侧布置排水孔、反滤层等排水设施，使没有堵住的渗透水流尽快安全地排走，以防渗流出口附近的土壤颗粒被渗透水流带走而产生渗透变形，减小闸底板上的渗透压力。

（2）不同地基地下轮廓线的布置

1）黏性土地基

黏性土不易发生管涌等渗透变形，且摩擦力较小，因此布置地下轮廓时，排水设施可前移到闸底板下，以降低底板下的渗透压力，并有利于黏土加速固结，以提高闸室稳定性。防渗措施常采用水平铺盖而不用板桩，以免破坏黏土的天然结构，在板桩与地基间造成集中渗流通道。黏性土地基内夹有承压透水层时，应考虑设置垂直排水，以便将承压水引出。黏性土地基水闸地下轮廓布置如图5.21所示。

图5.21　黏性土地基水闸地下轮廓布置图

2）砂性土地基

砂性土粒间无黏结力，易产生管涌，主要应防止发生渗透变形。砂性土摩擦系数较大，对减小渗透压力要求相对较小。当砂层很厚时，可采用铺盖与板桩相结合的形式，排水设施布置在护坦上。必要时，在铺盖前端再加设一道短板桩，以加长渗径；当砂层较薄，下面有不透水层时，可将板桩插入不透水层，当地基为粉细砂土时，为了防止地基液化，常将闸基四周用板桩封闭起来，因受双向水头作用，水闸上下游均设有排水设施，而防渗设施无法加长。设计时应以水头差较大的一边为主另一边为辅，并采取除降低渗压外的其他措施来提高闸室的稳定性。砂性土地基水闸地下轮廓布置如图5.22所示。

图5.22　砂性土地基水闸地下轮廓布置图

5.5.4　闸基渗流计算

闸基渗流计算的目的是求解渗透压力、渗透坡降、渗透流量等，并验算地基土在初步拟定的地下轮廓线下的抗渗稳定性。土基上闸基渗流计算有多种方法，本书从理解渗透压力计算概念出发介绍“全截面直线分布法”，从目前工程中广泛应用考虑介绍“改进阻力系数法”。

（1）全截面直线分布法

岩基上水闸基底渗透压力计算采用全截面直线分布法，计算时分两种情况考虑。

图5.23　全截面直线分布法渗透压力计算

①当岩基上水闸闸基未设水泥灌浆帷幕和排水孔时，闸底板底面上的渗透压力的分布图形为三角形，如图5.23（a）所示。

②当岩基上水闸闸基设有水泥灌浆帷幕和排水孔时，闸底板底面上游端的渗透压力作用水头为（H-h0），排水孔中心线处为α（H-h0），α为渗透压力强度系数，可取0.25，下游端为零。其分布图如图5.23（b）所示。

（2）改进阻力系数法

土基上水闸基底渗透压力计算可采用改进阻力系数法和流网法。改进阻力系数法是在独立函数法、分段法和阻力系数法等的基础上发展起来的，此法计算精度高，是目前应用较多的一种方法。

1）基本原理

如图5.24所示，有一简单的矩形断面渗流区，其长度为L，透水土层厚度为T，两断面间的测压管水位差为h。根据达西定律，通过该渗流区的单宽渗流量q为：

令L/T=ξ，则得

式中，ξ称为阻力系数，ξ值仅和渗流区的几何形状有关，它是渗流边界条件的函数。对于比较复杂的地下轮廓，需要把整个渗流区大致按等势线位置分成若干个典型渗流段。每个典型渗流段都可利用解析法或试验法求得阻力系数ξ，其计算公式见表5.5。图5.25所示的简化地下轮廓，可由2，3，4，5，6，7，8，9，10点引出等势线，将渗流区划分成10个典型流段，并按表5.5的公式计算出各段的ξi。再由公式（5.9）得到任一典型流段的水头损失hi：

对于不同的典型段，ξ值是不同的，而根据水流的连续原理，各段的单宽渗流量应相同。所以，各段的q/K值相同，而总水头H应为各段水头损失的总和，于是得

表5.5　典型流段的阻力系数

将式（5.10）代入式（5.9）得各段的水头损失为

求出各段的水头损失后，再由出口处向上游方向依次叠加，即得各段分界点的渗压水头。两点之间的渗透压强可近似地认为成直线分布。进出口附近各点的渗透压强有时需要修正。如要计算q，可按公式（5.8）进行。

图5.24　基本原理图

图5.25　改进阻力系数法计算图

2）计算步骤

①确定地基计算深度。上述计算方法对地基相对不透水层较浅时可直接应用，但在相对不透水层较深时，须用有效深度Te作为计算深度Tc。Te按公式（5.12）计算确定：

式中　L0——地下轮廓的水平投影长度，m；

　　　S0——地下轮廓的铅直投影长度，m。

算出有效深度Te后，再与相对不透水层的实际深度T实相比较，取其中的小值作为计算深度Tc。

②按地下轮廓形状将渗流区分成若干典型渗流段，利用表5.4计算各段的阻力系数ξi，并计算各段的水头损失hi。

如果计算出某一水平段的阻力系数值ξi≤0，说明此段水平距离太短，即可判断其为不合理，此时可将该水平段与附近的渗流段合并后再进行计算。

③以直线连接各分段计算点的水头值，便可绘出渗透压强分布图。

④对进、出口段水头损失值和渗透压强分布图进行局部修正。计算公式如下：

式中　h′0——进、出口段修正后的水头损失值，m；

　　　h0——按式（5.12）计算的水头损失值，m；

　　　β′——阻力修正系数，当计算的β′≥1.0时，则取β′=1.0；

　　　S′——底板埋深与板桩入土深度之和，m，如图5.26（a）所示；

　　　T′——板桩另一侧地基透水层深度或齿墙底部至计算深度线的铅直距离，m，如图5.26所示；

　　　Δh——修正后的水头损失减小值，m。

图5.26　进、出口渗压修正计算示慧图

⑤当阻力修正系数β′＜1时，除进、出口段的水头损失需作修正外，在其附近的内部典型段内仍需修正，即把进、出口段的水头损失减小值Δh分别按不同情况加在附近的几个典型段内。

a.当hx≥Δh时，可按h′x=hx+Δh修正，式中h′x为修正后的水平段水头损失值，hx为水平段的水头损失值；

b.当hx＜Δh时，可按下面两种情况修正：

当hx+hy≥Δh时，则h′x=2hx，h′y=hy+Δh-hx，其中hy为内部铅直段的水头损失值，h′y为修正后的内部铅直段水头损失值；

当hx+hy＜Δh时，则h′x=2hx，h′y=2hy，h′CD=hCD+Δh-（hx+hy），其中hCD为CD段的水头损失值，h′CD为修正后的CD段的水头损失值，如图5.26所示。

⑥按式（5.16）计算出口段渗流坡降J：

出口段和水平段的渗流坡降都应满足《水闸设计规范》（SL265—2001）规定的允许渗流坡降值［J］的要求，防止地下渗流冲蚀地基土并造成渗透变形。

5.5.5　防渗及排水设施

水闸的防渗设施包括水平防渗设施（铺盖）和垂直防渗设施（板桩、齿墙、防渗墙、灌注式水泥砂浆帷幕、高压喷射灌浆帷幕及垂直防渗土工膜等），而排水设施则是指敷设在护坦、浆砌石海漫底部或门底板下游段起导渗作用的砂砾石层。排水体常与反滤层结合使用。

（1）水平防渗设施（铺盖）

铺盖应有可靠的不透水性及一定的柔性，以适应地基变形，保证防渗作用。实际工程中常用的形式有黏土、混凝土、钢筋混凝土或土工膜防渗铺盖等。

1）黏土、黏壤土铺盖

这种铺盖的渗透系数应比地基土的渗透系数至少要小100倍。铺盖的长度应由闸基防渗需要确定。铺盖的厚度应根据铺盖土料的允许水力坡降值计算确定，实际工程上游端一般采用0.6～0.8m，并逐渐向闸室方向加厚，靠近闸室处为1.0～1.5m。为了防止铺盖在施工期被损坏和运用时被水流冲刷，其上面应设置厚0.3～0.5m干砌块石或混凝止板保护层。保护层与铺盖间设置1～2层砂砾石垫层。铺盖与闸室底板连接处是薄弱环节，应处理好，如图5.27所示。

图5.27　黏土铺盖的细部构造

1—黏土铺盖；2—垫层；3—浆砌块石保护层（或混凝土板）；4—闸室底板；
5—沥青麻袋；6—沥青填料；7—木盖板；8—斜面上螺栓

2）混凝土或钢筋混凝土铺盖

如当地缺乏黏土、黏壤土，或要用铺盖兼作阻滑板以提高闸室抗滑稳定性时，可采用混凝土或钢筋混凝土铺盖（见图5.28）。其厚度一般根据构造要求确定，最小厚度不宜小于0.4m，在与底板连接处应加厚至0.8～1.0m。铺盖与底板、翼墙之间用沉降缝分开。铺盖本身亦应设温度沉降缝，靠近翼墙的缝距应小一些。缝宽可采用2～3cm，缝中均应设止水。混凝土铺盖中混凝土强度等级一般为C15，配置温度构造筋。对于起阻滑作用的钢筋混凝土铺盖，则要根据受力情况配置轴向受拉钢筋。受拉钢筋与闸室在接缝处应采用铰接的构造形式。这种铺盖的混凝土强度等级一般不低于C20。

图5.28　混凝土和钢筋混凝土铺盖的细部构造

3）土工膜防渗铺盖

水闸防渗铺盖也可用土工膜代替传统的弱透水土料。用于防渗的土工合成材料主要有土工膜或复合土工膜，其厚度应根据作用水头、膜下土体可能产生裂隙宽度、膜的应变和强度等因素确定，但不宜小于0.5mm。防渗土工膜上部可采用水泥砂浆、砌石或预制混凝土块作以防护层、上垫层，下部应设下垫层。

（2）板桩

板桩的作用随其位置不同而不同。一般设在闸底板上游端或铺盖前端，主要用以降低渗透压力，有时也设在底板下游端，以减小出口段坡降或出逸坡降。板桩长度与透水层深度有关，如果透水层较浅，板桩插入不透水层0.5～1.0m；透水层较深，则采用悬挂式板桩，考虑防渗效果、工程造价、施工方法等因素，入土深度一般为作用水头的0.7～1.2倍。目前采用最多的是钢筋混凝土板桩，适合于各种地基。其最小厚度不宜小于0.2m，其入土深度多数采用3～5m，最长达8m。

图5.29　板桩与闸底板的连接

1—沥青；2—预制挡板；3—板桩；4—铺盖

板桩与闸底板的连接形式有两种：一种是将板桩紧靠底板前缘，顶部嵌入黏土铺盖一定深度，适用于闸室沉降量较大，而板桩尖已插入坚实土层的情况；另一种是将板桩顶部嵌入底板底面特设的凹槽中，桩顶填塞沥青等可塑性较大的不透水材料，适用于闸室沉降量小而板桩桩尖未达到坚实土层的情况，如图5.29所示。

（3）齿墙

闸底板的上、下游端一般设有齿墙，它有利于抗滑稳定，并可延长渗径。齿墙深度一般为0.5～1.5m，最大不宜超过2.0m，否则施工困难。

根据具体情况，水闸的防渗设施还可采用混凝土防渗墙、水泥砂浆帷幕、高压喷射灌浆帷幕及垂直防渗土工膜等。

（4）排水设施

闸基设置排水设施的目的是将闸底渗透水流尽快排到下游，以减小渗透压力，因此要求排水设施透水性好，并与下游畅通。排水形式通常有：

1）平铺式排水

图5.30　反滤层做法

平铺式排水即在护坦和浆砌石海漫的底部平铺反滤层，目前常用在开挖好的地基上平铺1～2层200～300g/m2的土工布，土工布上平铺1～2cm、厚15～30cm的卵石、砾石或碎石，如图5.30所示。

2）垂直排水

在地基内有承压水层时，用垂直排水可有效降低承压水头。将排水井伸入到该层内0.3～0.5m，引出承压水，达到降压的目的。排水井的井径一般为0.3cm左右，间距3m左右，内填滤料。

3）水平带状排水

水平带状排水多用于岩基上。

5.5.6　水闸的侧向绕渗

水闸建成挡水后，除闸基渗流外，渗流还从上游高水位绕过水闸两侧翼墙、岸墙和刺墙等流向下游。绕渗对翼墙、岸墙施加水压力，影响其稳定性，在渗流出口处，以及填土与岸墙、翼墙的接触面上可能产生渗透变形。此外，它还会影响水闸和地基的安全。因此，应做好侧向防渗排水设施。

侧向绕渗具有自由水面，属于三维无压渗流。侧向防渗排水布置（包括刺墙、板桩、排水井等）应根据上下游水位、墙体材料和墙后土质及地下水位变化等情况综合考虑，并应与闸基的防渗排水布置相适应，使在空间上形成防渗整体。

5.6　水闸的稳定分析及地基处理

水闸在运行期间，受水平荷载的作用，有可能沿闸底板与地基接触面或地基深层软弱面产生滑动，因此，必须分别验算水闸在不同工作状态下的抗滑稳定性。

5.6.1　荷载及其组合

（1）荷载

作用在水闸上的荷载可分为基本荷载和特殊荷载两类。

基本荷载主要有自重、水平水压力、扬压力、浪压力、土压力、淤沙压力、风压力、冰压力、土的冻胀力，其他出现机会较多的荷载等。

特殊荷载主要有相应于校核洪水位情况下水闸底板上的水重、静水压力、扬压力、浪压力、地震荷载、其他出现机会较少的荷载等。

因水闸具有挡水作用，故其所承受的荷载的计算与重力坝基本类似。

1）自重

自重应按其几何尺寸及材料重度计算确定。闸门、启闭机及其他永久设备应尽量采用实际重量。

2）水重

水重指闸室范围内作用在底板顶面以上的水体重量。多泥沙河流上的水闸，还应考虑含沙量对水的重度的影响。当上下游坝面倾斜时，应计入竖向静水压力。

3）水平水压力

水平水压力指作用在胸墙、闸门及闸墩上的水平水压力。上下游的水平水压力数值不同，方向相反。

图5.31　闸室承受的荷载（或作用力）

P1，P2，P3—水压力；WB—波浪压力；G—底板重；G1—启闭机重；G2—工作桥重；G3—胸墙重；
G4—闸墩重；G5—闸门重；G6—交通桥重；W1，W2—水重；PF—浮托力；PS—渗透压力；σ—地基反力

作用在铺盖与底板连接处的水平水压力因铺盖所用材料不同而略有差异。当为黏土铺盖时，如图5.31（b）所示，a点处按静水压强计算，b点处则取该点的扬压力强度值，两点之间以直线相连进行计算。当为混凝土或钢筋混凝土铺盖时，如图5.31（a）所示，止水片以上的水平水压力仍按静水压力分布计算，止水片以下按梯形分布计算，c点的水平水压力强度等于该点的浮托力强度值加上e点的渗透压力强度值，d点则取该点的扬压力强度值，c点、d点之间按直线连接计算。

底板上下游浅齿墙内侧斜面上的水平水压力因方向相反，数值相差不多，一般忽略不计。

4）扬压力

扬压力包括渗透压力和浮托力两部分。渗透压力计算同本章5.5.4节内容；底板底部某一点的浮托力强度值等于该点与下游水位间的高差乘以水的重度。

5）浪压力

根据规范，平原地区水闸按重力坝章节中莆田试验站的公式进行计算。

6）土压力

土压力应根据填土性质、挡土高度、填土内的地下水位、填土顶面坡角及超荷载等计算确定。对于向外侧移动或转动的挡土结构，可按主动土压力计算；对于保持静止不动的挡土结构，可按静止土压力计算。

7）淤沙压力、地震荷载、冰压力

淤沙压力、地震荷载、冰压力的计算同重力坝。

（2）荷载组合

水闸在施工、运用及检修过程中，各种作用荷载的大小、分布及出现的几率情况是经常变化的。因此，设计水闸时，应将可能同时作用的各种荷载进行组合。荷载组合分为基本组合和特殊组合两类。基本组合由基本荷载组成，特殊组合由基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。但地震荷载只许与正常蓄水位情况下的相应荷载组合。

每种组合中所包含的计算情况及每种情况中所涉及的荷载参见表5.6。计算闸室稳定和应力时的荷载组合可按此表采用。必要时也可考虑其他可能的不利组合。

表5.6　荷载组合表

注：表中“√”为需要考虑的荷载，“―”为不需要考虑的荷载。

（3）闸室的稳定性及安全指标

①基上的闸室稳定计算应满足：

a.在各种计算情况下，闸室平均基底应力不大于地基允许承载力，最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2倍；

b.闸室基底应力的最大值与最小值之比不大于《水闸设计规范》（SL265—2001）规定的允许值；

c.沿闸室基础底面的抗滑稳定安全系数应不小于《水闸设计规范》（SL265—2001）规定的允许值。

②岩基上的闸室稳定计算应满足：

a.在各种计算情况下，闸室最大基底应力不大于地基允许承载力。

b.在非地震情况下，闸室基底不出现拉应力；在地震情况下，闸室基底拉应力不大于100kPa。

c.沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数不小于《水闸设计规范》（SL265—2001）规定的允许值。

③对于土质地基，在竖向荷载作用下，可按限制塑性区开展深度的方法计算地基容许承载力；在竖向荷载和水平向荷载共同作用下，可按Ck法验算地基的整体稳定性，也可用汉森公式计算地基的容许承载力。对于碎石土地基的容许承载力，可根据碎石土的密实度查表确定。对于岩石地基，地基的容许承载力可根据岩石类别及其风化程度查表确定，详细计算见《水闸设计规范》（SL265—2001）的附录H。

5.6.2　闸室稳定计算

计算时取两相邻顺水流向永久缝之间的间段作为计算单元。

（1）闸室基底应力验算

①当结构布置及受力情况对称时，按下式计算：

式中——闸室基底应力的最大值或最小值，kPa；

　　　ΣG——作用在闸室上的所有竖向荷载总和，kN；

　　　ΣM——作用在闸室上的所有竖向荷载和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的

　　　形心轴的力矩和，kN•m；

　　　A——闸室基础底面的面积，m2；

　　　W——闸室基础底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩，m3。

②当结构布置及受力情况不对称时，按下式计算：

式中　ΣMx，ΣMy——分别为作用在闸室上的所有竖向荷载和水平向荷载对于基础底面形心轴x、y的力矩和，kN•m；

Wx，Wy——闸室基础底面对于该底面形心轴x、y的截面矩，m3。

（2）闸室抗滑稳定验算

①土基上的水闸，一般情况下闸基面的法向应力较小，不会发生深层滑动，故只验算其在荷载作用下沿基底面的抗滑稳定。但当基底面的法向应力较大时，还需要核算深层抗滑稳定性。闸室沿基底面的抗滑稳定计算公式为

式中　Kc——沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；

　　　f——闸室基底面与地基之间的摩擦系数，可查《水闸设计规范》（SL265—2001）；

　　　ΣH——作用在闸室上的全部水平向荷载，kN；

　　　φ0——闸室基础底面与土质地基之间的摩擦角，（°），可查《水闸设计规范》（SL265—2001）；

　　　C0——闸室基底面与土质地基之间的黏结力，kPa，可查《水闸设计规范》（SL265—2001）。

式（5.19）由于计算简便，故在水闸设计中，特别是在水闸的初步设计阶段采用其进行闸室抗滑稳定计算的较多。但其f值的取用较困难，并有一定的任意性。式（5.20）是根据现场混凝土板的抗滑试验资料进行分析研究后提出来的，既考虑了混凝土板底面与地基土之间的摩阻力，也考虑了两者之间的黏结力对闸室抗滑稳定的影响，故其计算成果能够比较真实地反映黏性土地基上水闸的实际运用情况，更具合理性。黏性土地基上的大型水闸宜按式（5.20）计算。

②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，还应计入桩体材料的抗剪断能力。

③岩基上沿闸室基底面的抗滑稳定计算可按式（5.19）或式（5.21）进行。

式中　f——闸室基底面与岩石地基之间的抗剪断摩擦系数，可查《水闸设计规范》（SL265—2001）；

　　　C′——闸室基底面与岩石地基之间的抗剪断黏结力，kPa，可查《水闸设计规范》（SL265—2001）。

式（5.21）中不仅考虑了闸室基底与岩石地基之间的摩擦阻力，而且也考虑了客观存在于闸室基底与岩石地基之间的黏结力因此按式（5.21）计算更加合理。

当闸室承受双向水平向荷载作用时，应验算其合力方向的抗滑稳定性，其抗滑稳定安全系数应按土基或岩基分别不小于《水闸设计规范》（SL265—2001）规定的允许值。

5.6.3　提高闸室抗滑稳定性的措施

当沿闸室基底面抗滑稳定安全系数计算值小于允许值时，可在原有结构布置的基础上结合工程的具体情况，采用下列一种或几种抗滑措施：

①将闸门位置移向低水位一侧，或将水闸底板向高水位一侧加长，以增加水重；

②适当增大闸室结构尺寸；

③增加闸室底板的齿墙深度；

④增加铺盖长度或帷幕灌浆深度，或在不影响防渗安全的条件下将排水设施向水闸底板靠近；

⑤利用钢筋混凝土铺盖作为阻滑板，但闸室自身的抗滑稳定安全系数不应小于1.0（计算由阻滑板增加的抗滑力时，阻滑板效果的折减系数可采用0.80），阻滑板应满足抗裂要求；

⑥增设钢筋混凝土抗滑桩或预应力锚固结构。

当利用钢筋混凝土铺盖作为阻滑板时，则在闸室与阻滑板之间必须用钢筋铰连接，以保证阻滑板与闸室底板起共同抗滑作用。

5.6.4　闸基沉降验算及地基处理

（1）闸基沉降验算

由于土基压缩变形大，容易引起较大的闸基沉降。较大的均匀沉降可能会使闸顶部高程不足，达不到设计要求；过大的不均匀沉降将导致闸室倾斜，产生裂缝，甚至造成止水破坏等，严重地影响水闸正常工作。因此，应计算闸基的沉降，以便了解和分析地基的变形情况，做出合理的地基处理方案。目前我国水利工程多数采用分层综合法计算其最终沉降量。

根据工程经验，天然土质地基上水闸地基的允许最大沉降量为15cm，相邻部位的允许最大沉降差为5cm。当软土地基上的水闸地基沉降计算不满足规范规定的允许值时，可以考虑采用以下一种或几种措施：

①采用沉降缝隔开；

②改变基础形式或刚度；

③调整基础尺寸与埋置深度；

④必要时对地基进行人工加固；

⑤安排合适的施工程序，严格控制施工速度；

⑥变更结构形式（采用轻型结构或静定结构等）或加强结构刚度。

（2）地基处理

水闸设计应尽可能利用天然地基。但对于淤泥质土、高压缩性黏土和松砂等软弱地基，只采取改进上部结构的措施不能满足稳定和沉降要求时，则需进行必要的地基处理。目前，实际工程中常用的地基处理方法见表5.7。

表5.7　地基常用处理方法

注：1.深层搅拌法、高压喷射法等其他处理方法，经论证后也可采用。
2.各种地基处理方法中涉及的具体设计可参考有关资料。

随着科学技术的发展，逐渐提出了一些新的地基处理方法，如深层搅拌法、高压喷射法、硅化法、电渗法等。由于设计或施工技术不成熟、造价高等，这些方法还没有在实际工程中全面推广使用。但在一定条件下，经过论证，有的方法也可采用。

5.7　闸室的结构设计

通过对闸室各部分构件进行结构计算，验算其强度，以便最后确定各构件的形式、尺寸及构造。闸室是一空间结构，受力比较复杂，一般都将其分解成底板、闸墩、胸墙、工作桥及交通桥等若干构件分别计算，并在单独计算时考虑它们之间的相互作用。这里主要介绍闸墩和底板。

5.7.1　闸墩结构计算

闸墩结构计算主要包括闸墩水平截面上的正应力和剪应力计算、平面闸门门槽或弧形闸门支座的应力计算。

计算时应考虑的工作情况有运用期和检修期两种。

1）运用期

①两边闸门都关闭时，闸墩受水压力、自重、上部结构及设备自重作用。根据不同的水位，分别计算设计情况或校核情况。此时，对平面闸门应验算闸墩墩底应力和门槽应力；对弧形闸门闸墩除验算墩底应力外，还需验算牛腿强度及牛腿附近闸墩的拉应力集中现象。

②一孔全开泄水、邻孔关闭或局部开启时，闸墩承受纵、横向水压力及其他荷载，应验算双向受力的墩底边缘应力。

2）检修期

相邻闸孔一孔关门检修，一孔开门放水时，闸墩承受纵、横向水压力及其他荷载，属校核情况，应验算双向受力的墩底边缘应力。

（1）闸墩水平截面上的正应力和剪应力

闸墩水平截面上的正应力和剪应力（主要是墩底）主要包括纵向（顺水流方向）和横向（垂直水流方向）两个方向。闸墩每个高程的应力都不同，而最危险的断面则是闸墩与底板的接触面。因此，主要以墩底截面为控制应力截面，将闸墩视为固结于闸底板上的悬臂结构，近似按材料力学中的偏心受压公式进行应力分析。

1）闸墩水平截面上的正应力计算

如图5.32所示，可按材料力学的偏心受压公式计算闸墩水平截面上的正应力σ：

式中　ΣG——计算截面以上竖向力的总和，kN；

　　　A——计算截面的面积，㎡；

　　　ΣMx，ΣMy——计算截面以上各力对截面形心轴x，y轴的力矩总和，kN•m；

　　　Ix、Iy——计算截面对其形心轴x，y轴的惯性矩，m4；

　　　x、y——计算点至形心轴沿x轴向、y轴向的距离，m。

2）闸墩水平截面上的剪应力计算

如图5.32所示，计算截面上顺水流方向和垂直水流方向的剪应力为

图5.32　闸墩结构计算图

P1—P4—运行期上下游顺水流流向水压力；P5—P11—检修期作用于闸墩不同部位的水压力；
P12—交通桥上车辆刹车制动力；G1—闸墩自重；G2—工作桥重；G3—交通桥重

式中　QxQy——计算截面上顺水流方向、垂直水流方向的剪应力，kN；

　　　SxSy——计算点以外的面积对形心轴x，y的面积矩，m3；

　　　d——闸墩厚度，m；

　　　B——闸墩长度，m。

对缝墩或一侧闸门开启另一侧闸门关闭的中墩，各水平力对水平截面形心还将产生扭矩MT，位于y轴边缘的最大扭剪应力τTmax可近似用下式计算：

（2）平面闸门闸墩的门槽应力计算

平面闸门门槽颈部因受闸门传来的水压力而产生拉应力，须进行强度计算以确定配筋量。下面介绍一种用材料力学法计算的方法。

如图5.33所示，取1m高的闸墩作为计算单元。由左、右侧闸门传来的水压力为P，在计算单元上、下水平截面上将产生剪应力Q上和Q下，剪应力差Q下-Q上应等于P。假设剪应力在上、下水平截面上呈均匀分布，并取门槽前的闸墩作为脱离体，由力的平衡条件可求得此1m高门槽颈部所受的拉力P1为

式中　A1——槽颈部以前闸墩的水平截面面积，m2；

　　　A——闸墩的水平截面面积，m2。

图5.33　门槽应力计算图

从式（5.25）可以看出，门槽颈部所受拉力P1与门槽的位置有关，门槽越靠下游，P1越大。

1m高闸墩在门槽颈部所产生的拉应力σ1为

式中　b——门槽颈部厚度，m。

当σ1小于混凝土的容许拉应力时，可按构造要求进行配筋；否则，应按实际受力情况配筋。

由于水压力是沿闸墩高度变化的，因此应在高度方向分段进行上述计算。

由于门槽承受的荷载是由滚轮或滑块传来的集中应力，故还应验算混凝土的局部承压强度或配以一定数量的构造钢筋。

对于实体闸墩，除闸墩底部及门槽外，一般不会超过闸墩材料的容许应力，只需配置构造钢筋。

（3）弧形闸门支座处应力计算

弧形闸门的支承铰有两种布置形式：一种是在闸墩上直接布置铰座；一种是将铰座布置在伸出于闸墩体外的牛腿上。后者结构简单，制造安装方便，应用较多。

牛腿轴线呈斜向布置，与闸门关闭时的门轴作用力方向接近，一般为1∶2.5～1∶3.5，宽度b不小于50～70cm，高度h不小于80～100cm，端部做成1∶1的斜坡，如图5.34所示。牛腿承受力矩、剪应力和扭矩作用，可按短悬臂梁计算内力，并据以配置钢筋和验算牛腿与闸墩的接触面积。

当闸门关闭挡水时，由弧形闸门门轴传给牛腿的作用力R为闸门全部水压力合力的1/2，该力可分为法向力N和切向力T。分析时可将牛腿视为短悬臂梁，计算它在N与T二力作用下的受力钢筋，并验算牛腿与闸墩相连处的面积是否满足要求。分力N对牛腿引起弯矩和剪应力，分力T则使牛腿产生扭矩和剪应力。有关牛腿配筋计算可参阅有关书籍。

作用在弧形闸门上的水压力通过牛腿传递给闸墩，远离牛腿部位的闸墩应力仍可用前述方法进行计算，但牛腿附近的应力集中现象则需采用弹性理论进行分析。

图5.34　牛腿荷载示慧图

图5.35　牛腿附近闸墩受力图

5.7.2　整体式底板内力计算

闸底板是整个闸室结构的基础，是全面支承在地基上的一块受力条件复杂的弹性基础板。实际工程中，一般近似地简化成平面问题，采用“截板成梁”的方法进行计算。因底板在顺水流方向的弯曲变形远较垂直水流方向小，故一般沿垂直水流方向截取单位宽度的板条作为梁来进行计算。由于闸门前后水重相差较大，底板所受荷载不同，常以闸门为界，分别在闸门上下游段的中间处截取单宽板条及墩条，如图5.36所示。

图5.36　闸底板结构计算示慧图

土基上的闸底板按照不同的地基情况可以采用不同的计算方法：对黏性土地基或相对密度Dr＞0.5的非黏性土地基，采用弹性地基梁法；对Dr≤0.5的非黏性土地基，采用反力直线分布法；对小型水闸，常采用倒置梁法。

（1）倒置梁法

该法假定闸室地基反力沿顺水流方向呈直线分布，垂直水流方向为均匀分布，并把地基反力当作荷载，底板当作梁，闸墩当作支座，按倒置的连续梁计算底板内力。作用在梁上的荷载有底板自重q1、水重q2、扬压力q3及地基反力σ。把上述铅直荷载进行叠加，便得到倒置梁上的均布荷载q=q3+σ-q1-q2。用结构力学法计算连续梁的内力，进而配筋。

该法的优点是计算简便。缺点是：①没有考虑底板与地基变形的协调作用；②假定底板在垂直水流方向地基反力为均匀分布，有时与实际情况出入较大；③支座反力与闸墩铅直荷载不相等。因此，该法计算成果的误差较大，只在软弱地基上的小型水阐设计中使用。

（2）反力直线分布法（荷裁组合法或截面法）

该法仍假定闸室地基反力在顺水流方向按直线变化规律分布，在垂直水流方向呈均匀分布。在截取单宽板条计算时，不把闸墩当作底板的支座，而认为闸墩是作用在底板上的荷载，按截面法计算其内力，并考虑上部结构与底板的整体作用，即采用所谓的不平衡剪应力分配法。该法计算简单，比倒置梁法有改进之处。但没考虑底板与地基变形协调条件，且没有考虑边荷载对底板内力的影响。

反力直线分布法的具体计算方法和步骤如下：

①用偏心受压公式计算闸底在顺水流方向的地基反力。

②计算不平衡剪应力。由于在顺水流方向闸室所受的荷载，无论在数值上还是它们的分布情况都是不同的，而地基反力是连续变化的，所以当“截板成条”时，作用在单宽板条（包括底板和闸墩）上的铅垂荷载不能平衡，即在单宽板条两侧必然作用有剪应力Q1及Q2，并由Q1及Q2的差值来维持板条上力的平衡，差值ΔQ=Q1-Q2称为不平衡剪应力，如图5.36（a）所示。通常可根据静力平衡条件，采用作图法或数值积分法求得。

作用在单宽板条上的荷载有底板自重q1、水重q2、中墩重G1/b2及缝墩重G1/b2，中墩及缝墩重中包括其上部结构及设备自重在内，在底板的底面有扬压力q3及地基反力σ，如图5.36（b）所示。以下游段为例，对所截取的单宽板条进行力的分析，取ΣFy=0，则

由式（5.27）便可求出ΔQ。式中q′2=q2（L-2d2-d1）/L，并假定ΔQ的方向向下，若算得结果为负值，则ΔQ的实际作用方向应向上。

③将不平衡剪应力在底板和闸墩上进行分配。不平衡剪应力ΔQ应由底板和闸墩共同承担，每部分所承担的剪应力数值的大小可通过剪应力分布图确定，如图5.37所示。

其截面上的剪应力分布近似地用下列材料力学公式计算：

式中　ΔQ——不平衡剪应力，kN；

　　　B——截面在y处的宽度，底板部分b=L，闸墩部分b=d1+2d2，m；

　　　I——截面惯性矩，m4；

图5.37　不平衡剪应力分配计算示慧图

S——计算截面以下的面积对全截面形心轴的面积矩，m3。

当截面比较简单时，可直接用下列积分法求得底板和闸墩所承担的不平衡剪应力ΔQ板和ΔQ墩为

根据经验，一般底板分担不平衡剪应力的10％～15％，闸墩分担不平衡剪应力的85％～90％。

中墩集中应力P1：

缝墩集中应力P2：

④计算作用在单宽板条上的荷载。将分配给闸墩上的不平衡剪应力与闸墩及其上部结构的重量作为梁的集中应力，并将P1和P2化为局部均布荷载，其强度分别为p1=P1/d1、p2=P2/d2，则作用在单宽板条上的均布荷载q为⑤按静定结构计算底板内力，据以验算强度和进行配筋。

5.8　水闸的两岸连接建筑物

5.8.1　两岸连接建筑物的作用

水闸两端与河岸、堤或坝等建筑物的连接处，需设置连接建筑物，它们包括上、下游翼墙，边墩或岸墙、刺墙和导流墙等。其作用是：

①挡住两侧填土，维持土坝及两岸的稳定；

②引导水流平顺进闸，并使出闸水流均匀扩散；

③阻止侧向绕渗，防止与其相连的岸坡或土坝产生渗透变形；

④保护两岸或土坝边坡不受过闸水流的冲刷；

⑤在软弱地基上设有独立岸墙时，可减少地基沉降对闸身应力的影响。

两岸连接建筑物的工程量占水闸总工程量的15％～40％，闸孔愈少，所占比重愈大。因此，应十分重视其形式的选择和布置。

5.8.2　两岸连接建筑物的布置

（1）闸室与河岸的连接形式

水闸闸室与两岸（或堤、坝等）的连接形式主要与地基及闸身高度有关。当地基较好、闸身高度不大时，可用边墩直接与河岸连接；当闸身较高、地基软弱时，可在边墩外侧设置轻型岸墙，边墩只起支承闸门及上部结构的作用，而土压力全由岸墙承担。这种连接形式可以减少边墩和底板的内力，同时还可使作用在闸室上的荷载比较均衡，可减少不均匀沉降。当地基承载力过低时，可采用护坡岸墙的结构形式，如图5.38所示。

图5.38　护坡岸墙连接形式

护坡岸墙的优点是边墩既不挡土，也不设岸墙挡土。因此，闸室边孔受力状态得到改善，适用于软弱地基。缺点是防渗和抗冻性能较差。为了挡水和防渗需要，在岸坡段设刺墙，其上游设防渗铺盖。

（2）上、下游翼墙的平面布置

上游翼墙应与闸室两端平顺连接，其顺水流方向的投影长度应大于或等于铺盖长度。下游翼墙的平均扩散角每侧宜采用7°～12°，其顺水流方向的投影长度大于或等于消力池长度。上、下游翼墙的墙顶高程应分别高于上、下游最不利的运用水位。翼墙分段长度应根据结构和地基条件确定，可采用15～20m。建筑在软弱地基或回填土上的翼墙分段长度可适当缩短。

翼墙的平面布置通常有以下4种形式：

①圆弧形翼墙（见图5.39（a））。从边墩开始，向上、下游用圆弧形的铅直翼墙与河岸连接。上游圆弧半径为15～30m，下游圆弧半径为30～40m。其优点是水流条件好；缺点是施工复杂，工程量太。适用于上、下游水位差及单宽流量较大、闸身高、地基承载力较低的大中型水闸。

②反翼墙（见图5.39（b））。翼墙自闸室向上、下游延伸一段距离，然后转弯90°插入堤岸，墙面铅直，转弯半径为2～5m。这种布置形式的防渗效果和水流条件均较好，但工程量较大，一般适用于大中型水闸。对于渠系小型水闸，为节省工程量，可采用一字形布置形式，即翼墙自闸室边墩上、下游端即垂直插入堤岸。这种布置形式进出水流条件较差。

③扭曲面翼墙（见图5.39（c））。翼墙迎水面是由与闸墩连接处的铅直面向上、下游延伸而逐渐变为倾斜面，直到与连接的河岸（或渠道）的坡度相同为止。翼墙在闸室端为重力式挡土墙断面形式，另一端为护坡形式。这种布置形式的水流条件好，且工程量小，但施工较复杂，应保证墙后填土的夯实质量，否则容易断裂。这种布置形式在渠系工程中应用较广。

④斜降翼墙（见图5.39（d））。在平面上呈八字形，随着翼墙向上、下游延伸，其高度逐渐降低，至末端与河底齐平。这种布置的优点是工程量省，施工简单，但防渗条件差，泄流时闸孔附近易产生立轴旋涡，冲刷河岸或坝坡，一般用于较小水头的小型水闸。

图5.39　翼墙平面布置形式

（3）两岸连接建筑物的结构形式

两岸连接建筑物的受力状态和结构形式与一般挡土墙基本相同，常用的结构形式有重力式、半重力式、衡重式、悬臂式、扶壁式、空箱式和连拱空箱式等，但在水闸工程中应用最多的是重力式、扶壁式和空箱式3种。

1）重力式

如图5.40所示，用混凝土或浆砌石等材料筑成，主要依靠自重来维持稳定的一种结构形式即为重力式建筑物。其优点是可就地取材，结构简单，施工方便；缺点是材料用量大。其适用于地基较好，墙高为6m以下的挡土墙。墙身较高时，可用混凝土做成半重力式的。

为了改善地基压力分布和增强墙的耐久性，浆砌石结构的墙顶需设置高约0.3m的混凝土盖帽，底板也常用混凝土浇筑。

2）悬臂式

如图5.41所示，由直墙和底板组成的主要利用底板上的填土维持稳定的一种钢筋混凝土轻型挡土结构即为悬臂式建筑物。其断面用作翼墙时为倒T形，用作岸墙时则为L形。其优点是结构尺寸小，自重轻，构造简单。但建筑高度不能太高，适宜高度为6～10m。

图5.40　重力式挡土墙（单位：m）

图5.41　悬臂式挡土墙（单位：m）

3）扶壁式

如图5.42所示，通常采用钢筋混凝土修建，也是一种轻型结构，它由直墙、扶壁及底板3部分组成，利用扶壁和直墙共同挡土，并可利用底板上的填土维持稳定，适用于墙高大于10m的坚实或中等坚实的地基上的情况。

图5.42　扶壁式挡土墙（单位：m）

1—立墙；2—扶臂；3—底板

4）空箱式

如图5.43所示，空箱式建筑物也是一种轻型结构，由顶板、底板、前墙、后墙、扶壁和隔墙等组成，箱内不填土或填少量的土，但可以进水，主要依靠墙体本身的重量和箱内部土重或水重维持其稳定性。其特点是作用于地基上的单位压力较小，且分布均匀，故适用于墙的高度很大且地基允许承载力较低的情况。但其结构复杂，需用较多的钢筋和木材，施工麻烦，造价较高。因此，在某些较差的松软地基上采用扶壁式挡土墙还不能满足设计要求的情况下，宜采用空箱式挡土墙。

5）连拱空箱式

如图5.44所示，是空箱式挡土墙的一种形式，它由底板、前墙、隔墙和拱圈等部分组成。其特点是后墙用拱圈代替，充分利用材料的抗压性能。底板和拱圈一般为混凝土结构，前墙和隔墙多采用浆砌石结构。拱圈净跨一般为2～3m，矢跨比常为0.2～0.3，厚度为0.1～0.2m。拱圈的强度计算可选取单宽拱条，按支承在隔墙（扶壁）上的两铰拱进行计算。其优点是钢筋用量省、造价低、质量轻，适用于软土地基。缺点是挡土墙在平面布置上需转弯时施工较为困难。预制拼装的拱圈整体性和防渗性均较差。

图5.43　空箱式挡土墙

图5.44　连拱式挡土墙

复习思考题

1.水闸按其所承担的任务如何分类？

2.水闸的工作特点有哪些？

3.闸孔形式有哪些？如何确定闸孔宽度？

4.过闸水流的特点有哪些？

5.水闸下游的消能方式有哪些？

6.水闸下游可能发生的不利流态有哪些？产生原因是什么？防止措施有哪些？

7.海漫的作用是什么？对其要求有哪些？结构形式有哪些？

8.地下轮廓的布置原则、布置形式有哪些？如何进行地下轮廓布置？

9.水闸的防渗排水设施有哪些？各适用于什么情况？

10.闸底板的结构形式有哪些？各有什么优缺点？分别适用于什么情况？