[12-11 17:00:46] 来源：http://www.tmgc8.com 水利水电 阅读：3134次
[摘要：本文主要针对强潮涌浪水闸主要受力情况进行分析，对比《水闸设计规范》和实际模型试验测力成果，针对强潮涌浪地区水闸结构设计提出合理方案，并对其他有关一些问题进行了讨论，供广大设计人员参考。]
1、工程概况 洋沙山万亩造地项目位于北仑区春晓镇东南海域，属山区独立水系，流域面积42km2。三山大闸工程是该项目的主要挡潮排涝工程，排涝标准20年一遇，设计最大排涝流量为469m3/s。内河正常水位为0.63m，20年一遇水位为1.98m。挡潮标准为50年一遇，设计潮位为4.44m。水闸所处为无限风区，外海历史最高潮位为4.33m，多年平均高潮位为2.39m，多年平均潮位为0.68m，多年平均低潮位为-1.20m。 三山大闸共10孔，每孔净宽4m。水闸底板顶高程-1.9m，胸墙底高程1.9m，工作平台高程6.7m。闸门板尺寸宽为4.5m,高为4.02m，厚为0.4m。闸门板由三块叠合而成，每块高1.34m。 05年“麦莎”台风袭击三山大闸时，导致十孔闸门的上、中板梁几乎被全部打断；07年“罗莎”台风袭击时，又导致闸门板梁被大量打裂；且两次台风的袭击，均给水闸带来较大的振动感，影响了管理人员和当地百姓对水闸正常安全运行的心理期望。 从这两次台风袭击来看，水闸确实存在着一些影响正常使用的安全问题。由于三山大闸肩负着上游近40 km2流域面积的排涝任务，且所处的洋沙山围区区块目前已成为北仑重点发展区块——宁波经济开发区春晓区块，区位的重要性决定了水闸的运行和安全更容不得一点闪失。为此，有必要对三山大闸存在的问题进行分析，并提出针对性的防护工程措施。工程区波浪要素见表1~2。 表1 闸前各向50年一遇波要素 方向 H1%(m) H4%(m) H5%(m) H13%(m) H (m) T(s) L(m) E-ESE 4.69 4.18 4.09 3.62 2.56 14.6 118 SE-SSE 4.50 4.01 3.91 3.45 2.42 14.0 113 表2 闸前不同潮位下50年一遇不利波要素 潮位 H1%(m) H4%(m) H5%(m) H13%(m) H (m) T(s) L(m) 4.40 4.69 4.18 4.09 3.62 2.56 14.6 118 3.00 3.92 3.52 3.45 3.07 2.21 14.6 106 2.00（破碎） 3.39 3.09 www.tmgc8.com3.02 2.72 1.99 14.6 96 图1 工程位置图 2 大闸结构受力分析 2.1结构受力分析的重点 三山大闸的结构受力分析，实际上是对原水闸设计进行复核，本次三山大闸结构受力分析的重点内容是水闸的滑动稳定、闸门板承荷能力及前胸墙安全分析。几次台风袭击也表现出这些都是需要特别重视的地方。 本次分析分为理论计算分析和模型试验测力分析。 2.2水闸滑动安全理论分析 2.2.1工况 1、向外海滑 ①内河洪水位2.92m＋外海平均低潮位-1.2m，水头差4.12m；②内河常水位1.2m＋外海无水-1.9m，水头差3.1m。 2、向内河滑 内河常水位1.2m＋外海设计高潮位4.40m，水头差3.2m。 3.2.2向外海滑动分析 1、滑动力 静水压力组合①P1=0.5×10×（4.822－0.72）＝117.6 KN 静水压力组合②P1=0.5×10×3.12＝48.05 KN 静水压力取不利的P1=117.6 KN。 2、抗滑力 根据《水闸设计规范》（SL265－2001）中公式（7.3.6-1），抗滑力＝f∑G。 f为闸室基底面与地基的摩擦系数，按规范可取0.25； ∑G为竖向力总和，包括自重、水压力、扬压力等； 同时，根据《水闸设计规范规范》中的7.3.7条，“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，应计入状体材料的抗剪断能力”。 （1）、∑G经计算为800kN/m；f∑G＝0.25×800＝200 kN/m。 （2）、桩体材料的抗剪断能力，根据《水闸设计规范》要求，取桩体材料抗剪强度与桩体横截面积的乘积。经计算，为1300×3.14×0.4×0.4×24/25＝627KN/m。若按钢筋砼梁的抗剪断能力计算，即抗剪力由砼和箍筋共同承担，计算结果也与上值接近。 （3）、根据《水闸设计规范》，总抗滑力P2＝200＋627＝827 kN/m。但是，我们认为，闸室重力首先由桩体承担、土体承担的重力很少，甚至没有，这样f∑G值很少、甚至为0；同时，由于施工原因造成闸底板下部分土体流空，闸室与土基接触不严密，同样说明土体所能贡献的摩擦抗力很小。故我们认为抗滑力应只能计桩的抗剪断能力627KN/m。 3、滑动复核 KC= P2/ P1=627/117.6＝5.33>1.25，满足要求。 3.2.3向内河滑动分析 1、抗滑力 根据上述计算，每延米抗滑力P2=627kN/m。 2、滑动力 ①静水压力P1=0.5×10×（6.32－3.12）＝150.4 kN。 ②涌浪压力 涌浪压力根据《水闸设计规范》（SL265-2001）中附录E（P70～P75页）计算。计算浪压力的波列累积率按下表取： 本水闸为3级，故P取5％。闸前设计波要素见下表： 表3 闸前50年一遇波要素 方向 H1%(m) H4%(m) H5%(m) H13%(m) H (m) T(s) L(m) E-ESE 4.69 4.18 4.09 3.62 2.56 14.6 118 计算公式及方法如下： 经计算： hz＝0.47m； Ps＝38.7kPa； P1＝350KN/m。 3、滑动复核 KC= P2/（P1水＋P1浪）＝627/（150+350）＝1.254，符合规范要求。 2.2.4超《水闸设计规范》情况 《水闸设计规范》中是根据水闸建筑物级别取波列累积率5％，但是《浙江省海塘工程技术规定》以及《海港水文规范》中要求用波列累积率1％的波浪压力进行强度稳定计算。www.tmgc8.com 根据波浪要素hp取4.69m，对应计算结果： hz＝0.62m； Ps＝44.4kPa； P1＝425KN/m。 则KC=627/(150+425)=1.09，略小于规范要求值，即使根据《水闸设计规范》中的“7.3.15条第6款”计入上游钢筋砼铺盖的阻滑板效应，提供0.1的安全系数后，仍仅为1.19，略小于规范要求。 3.2.5理论分析结论 根据理论分析，原设计水闸满足《水闸设计规范》的抗滑要求，水闸整体上是安全的。如果将《水闸设计规范》中荷载计算时波浪累积率标准由5％提高到《海港水文规范》中要求的1％，则向外海的滑动系数略小于规范要求。 2.3闸门板安全理论分析 2.3.1闸门板承载能力 三山大闸的闸门板为钢筋砼梁板式闸门板，分三块。单块闸门板宽度1.34m，跨度4.54m，跨中有一次梁联系；承担荷载的梁宽0.3m，梁高0.4m，梁截面配9根D22主筋，2根D16腰筋。结构计算结果： 1、闸门板极限承载力为16t/m2，但是限裂不能满足要求； 2、当闸门板承担外荷载6t/m2时，刚好能满足四类环境短期组合0.15mm的限裂要求； 3、当闸门板承担外荷载7.5t/m2时，裂缝宽度为0.20mm，不能满足限裂要求。 2.3.2闸门板理论荷载 从理论上讲，当遭遇设计高潮位和设计波浪要素作用时，闸门板荷载最不利，如果忽略了强大的水锤效应，闸门板在中低潮位时理论荷载相对要小。 1、设计高潮位和设计波浪要素作用时，闸门板上的静水荷载为3.2 t/m2；闸门板上波浪荷载按《水闸设计规范》的附录E计算，hp＝H5％＝4.09m，hz=0.47m，相应均布浪压力约为4t/m2，整个闸门板均布荷载约为7.2 t/m2；若取hp＝H1％＝4.69m时，hz=0.62m，相应均布浪压力约为4.3t/m2，整个闸门板均布荷载约为7.5 t/m2； 2、潮位2.0m时，作用在闸门板上的静水荷载最大值为0.8 t/m2；取相应潮位时的50年一遇设计波要素（见表2-4），hp＝H5％＝3.02m，hz=0.31m，由于此时闸前水深小于破波临界水深，按《水闸设计规范》的附录E中破波荷载计算，此时上板的荷载最大，均布浪压力可达4.2t/m2，上板的均布荷载可达5.0 t/m2；若取hp＝H1％＝3.39m时，hz=0.39m，相应上板的均布浪压力约为4.7t/m2，上板的均布荷载可达5.5 t/m2。 2.3.3理论分析结论 根据理论分析，闸门板的限裂设计荷载为6t/m2，中低潮位时的理论计算荷载只有5.0～5.5 t/m2；当遭遇50年一遇设计潮位与50年一遇涌浪波要素叠加时，闸门板的计算裂缝宽度为0.20mm，略大于规范要求的0.15mm。 根据《水闸设计规范》理论分析表明：在中低潮位时，外荷载不足以使闸门板打裂；在设计频率以内的任何工况，外荷载都不足以将闸门板打断。 但是从05年“麦莎”台风和07年“罗莎”台风的袭击破坏来看，闸门板实际受力远大于理论计算值。显然，由于采用外胸墙结构，造成波浪破碎时能量无法自然释放，结果破波荷载集中作用在闸门板上，对水闸也产生较大的撞击力，类似水工上的水锤效应。下一节的模型试验分析将说明这个问题。 2.4前胸墙安全理论分析 2.4.1前胸墙承载能力及荷载 三山大闸的前胸墙为0.4m厚的钢筋砼剪力墙，高约4m，单跨宽度4m，横向主筋为D16@150，纵向主筋为D12@200，经计算水平承载力在7t/m2左右。 前胸墙承担的浪压力在设计潮位时最大，计算方法同上节，理论浪压力值不超过6t/m2，应该说是安全的。 2.4.2挡浪高程 前胸墙的顶高程为6.7m，加上启闭层1.2m高的钢筋砼基础墙，水闸实际挡浪高程为7.9m。 《水闸设计规范》对于外海闸的挡浪高程，一般要求不低于连接段海堤，本工程是满足的。另外，在浪压力计算中，由于浪压力可作用到设计潮位以上hp＋hz范围，故目前省里设计单位习惯上将挡浪高程设计的在这个高程以上。对于本水闸，设计潮位