结构设计
出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《制盐工业手册》第439页（6371字）
(一)闸室稳定计算
1．水闸的作用力 作用于水闸上的力。主要有以下几种(图2－7－62)：
图2－7－62 水闸的作用力
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－公路桥重 W1、W2－水重 PF－浮托力PS－渗透压力 σS－地基反力 2hl－波浪高度 2Ll－波浪长度
(1)自重，是闸室自身的重量。包括底板、闸墩、胸墙、工作桥、公路桥、闸门及闸门启闭设备等的重量。
(2)水重，是闸室范围内底板上所承受的水体重量。
(3)作用于胸墙、闸门、闸墩上的水平水压力。
当闸前设有粘土铺盖时(图2－7－63)，a点仍按静水压力计算，b点则取该点的扬压力(渗压力和浮托力)，a、b点之间按直线变化。
图2－7－63 水平水压力
当闸前设有钢筋混凝土铺盖，并采用止水片止水时(图2－7－63)，则b点水压力取该点的扬压力，a点的水压力等于该点的浮托力加b点的渗透压力，a、b点之间按直线变化。
(4)波浪压力 由于波浪引起闸前水位升高而施加于水闸的波浪压力分布如图2－7－64，其强度沿水深向下逐渐减小。
图2－7－64 波浪压力分布图
当建筑物迎水面为垂直的或陡于1∶1、水深H满足
(使波浪破碎的临界水深，m)＜H＜
时，在水深H处，波浪力的剩余强度Pl，可按下式计算：
式中 2hl——波浪高度(m)
2Ll——波浪长度(m)
ch——双曲线余弦函数
作用于1m宽的水闸上的波浪压力WB为：
式中 γ——水的重度(kN／m3)
h0——波浪中心线高出静水位的高度(m)
当闸前水深H＞
时，波浪压力在水深2Ll／2以下，近似认为是零(图2－7－62)。
波浪压力的合力作用于分布图形的重心上(图2－7－64)。
(5)扬压力 包括渗透压力和浮托力，作用方向为垂直向上。
(6)地震力 在地震区修建水闸时，应考虑地震对水闸的影响，根据《水工建筑物抗震设计规定》计算地震力。
2．闸室在不同工作情况下的稳定计算
(1)闸刚建成，上下游无水，且无地下水时，此时无水平推力，阻滑不需考虑，且可能产生最大的地基反力(Pmax)，其计算公式如下：
式中 ΣG——作用于基底的所有垂直力之和(kN)
ΣM——作用于水闸的所有外力(包括自重)对底板中心0的力矩总和，力矩以顺时针为正，逆时计为负(kN·m)
L——底板长度(m)
B——底板计算宽度(m)
计算出的基底压力值应小于地基允许承载力。为了减少因基底压力不均匀而引起过大的不均匀沉陷，通常采用的最大应力和最小应力之比(即
)，在砂土中不超过1．5～2，在粘土中则不得超过1．2～1．5。
①地基反力及分配不均匀系数计算 水闸建成后，最不利于稳定的情况是上下游水位差最大。此时上游为最高设计水位，下游为相当于未放水的渠中水位，因此在计算地基反力时，除自重外，还应考虑上下游静水压力、渗透压力、浮托力、水重以及风浪压力等。按公式2－7－58计算地基反力并计算最大应力与最小应力的比值。
②闸室表层抗滑稳定核算 为了保证闸室的抗滑稳定性，必须满足下列条件：
式中 ΣG——所有垂直力之和(kN)
ΣP——所有水平力之和(kN)
〔KC〕——容许的抗滑稳定系数，可按表2－7－25采用
表2－7－25 非岩基土的〔KC〕
注：(1)特殊组合2的安全系数适用于遭遇地震时的载荷组合。
(2)特殊组合1的安全系数适用于特殊组合2以外的其他情况。
f——底板与基土间的摩擦系数。重要的闸要由试验确定，较小的闸或初步设计时可参用表2－7－26所列数值
表2－7－26 摩擦系数
如果抗滑稳定系数不足(KC＜〔Kσ〕)，可利用钢筋混凝土作为阻滑板，即利用铺盖自重Ga和铺盖顶底面间水压差Pa来增加闸室的抗滑稳定性，所增加的抗滑力(S)按下式计算：
S=0．8f(Gn+Pn) (2－7－60)
阻滑板只能补充KC值之不足，水闸本身的抗滑安全系数不应小于1．0。
(二)闸室的结构计算提示
1．整体式平底板的计算 内力计算，工程中多采用倒置梁法和弹性地基梁法。
(1)倒置梁法 是在垂直水流方向截取单位宽度板条作为倒置在闸墩上的梁(或连续梁)，以进行内力计算；并假定地基反力沿顺水流向呈直线分布，沿垂直水流向为均匀分布。
倒置梁法的主要优点是计算简便。在实际工作中，小型水闸或地基较好、底板刚度较大时，常采用此法。
(2)弹性地基梁法 同样是在垂直水流方向截取单位宽度板条为脱离体，进行荷载分析和内力计算。
底板工作情况及计算简图见图2－7－65及2－7－66。
图2－7－65 单孔闸室截面和单孔闸室力系图
a－单孔闸室截面 b－单孔闸室力系图
图2－7－66 多孔闸室截面和多孔闸室力系图
a－多孔闸室截面 b－多孔闸室力系图
图中M0、P0为外力矩和竖向集中外力，它们作用在闸墩和底板的交点处，各等于所有作用在梁端的力矩和竖向力(包括闸墩本身重、上部结构如公路桥或工作桥、胸墙等传来荷载)的代数和；q0为底板自重及作用在底板上的水重(包括浮托和渗压力)；S0为相邻结构物的荷载；S1、S2为两旁附加荷载(如两岸土堤重，开挖回填土重等)。
根据工作情况，算得各力的数值后，按图2－7－67各种图式分别利用弹性地基梁图表进行内力计算，然后进行迭加，验算底板强度和配置钢筋。
图2－7－67 垂直水流向各种典型力系图
a－板上负有对称力矩 b－板上负有均布荷载 c－板上负有对称集中力 d－两旁有对称三角形附加荷载 e－两旁有对称均布附加荷载
弹性地基梁法的计算结果与实际比较符合，通常对地基较差、工程规模较大及重要的水闸，多采用此法。
2．闸墩计算 闸墩在结构上应满足强度和稳定的要求。由于闸墩的长度和厚度较大，闸墩与底板接合处的抗剪强度也较高，一般可不进行闸墩的稳定验算。
对闸墩的强度校核，主要包括顺水流向和垂直水流向的两个方面。
(1)闸墩纵向强度校核 根据闸前、闸后最不利的水位情况，按偏心受压公式计算出闸墩与底板结合面的应力。
(2)闸墩横向强度校核 横向最不利的荷载作用情况，如图2－7－68所示，为修理时期闸墩侧向所受水压力的情况。
图2－7－68 修理时期闸墩受力情况
计算时，沿闸墩纵向截取1m宽为计算单位，仍用偏心受压公式计算墩底应力(图2－7－68a)。
当闸墩上设有横向加劲梁时，可认为闸墩是下端固定、上端铰支的构件，其计算如图2－7－68b。
3．胸墙计算 中小型水闸中常采用板式胸墙。计算时，沿高度截取1m高的水平条，作为承受均布荷载q的简支梁或固支梁，进行内力计算及配筋。均布荷载强度q为该条中心线处静水压力强度与波浪压力强度之和(图2－7－69)。
图2－7－69 板式胸墙计算图
4．工作桥计算 工作桥所承受的荷载有：工作桥自重、启闭机重、启门力和工作桥桥上活荷载等。根据这些力的作用点，按一般板梁结构进行内力计算和配筋。
平面提升门的启门力F可按下式计算：
式中 
(rf+f0)——滚轮支承由闸门水压力P所引起的摩擦力(kN)
R——支承轮半径(m)
r——支承轮轮轴半径(m)
f——轴承滑动摩擦系数，见表2－7－27
表2－7－27 摩擦系数
f0——滚动摩擦系数，见表2－7－27
pf′——滑块支承由闸门水压力P所引起的摩擦力(kN)
f′——滑块与滑道之间的摩擦系数，见表2－7－27
Ts——止水摩擦力，Ts=止水数目×止水长度×止水中心处水压强度×止水宽度×止水与门槽的摩擦系数f″(f″见表2－7－27)(kN)
G——门重(包括加重块重)(kN)
1．1——门重的增大系数
W——门顶水柱重(kN)
Pt——门的浮托力(kN)
K——安全系数。用电动启闭时，取K=1．2～1．4；若用人力手摇，且门底用橡皮止水时，可取K=1．1；若门底用止水木时，可取K=1．15
启门力求出后，并考虑留有一定的余地，即可按表2－7－28选用启闭机的型号。
表2－7－28 启闭机型号的选择
注：本表为河北省黄骅县五一机械厂产品资料，其他规格的启闭机见《起重机械产品样本》。
5．木闸门厚度设计 上提式平面闸门系根据二端自由支持的简支梁公式计算。依照水压力理论，愈靠近闸底，其所受压力愈大，但海盐场中、小型平面闸门都采用厚度一致的木板，设计时可按表2－7－29选用。
表2－7－29 松木闸门板厚度表
6．两岸连接建筑物的计算 两岸连接建筑物主要由挡土墙组成。在中小型水闸工程多采用圬工重力式挡土墙和钢筋混凝土悬臂式的挡土墙。
(1)重力式挡土墙(图2－7－70) 常用混凝土或浆砌块石建成。为了改善地基应力状态，常将基础底部面积扩大。例如，在浆砌石墙的地基上，可先浇一层厚0．5～0．8m的混凝土底板，两端悬出0．3～0．5m(图2－7－70a)。如挡土墙为混凝土筑成，可直接将底部前端向外伸长，使所有作用力的合力作用线尽可能通过底面中心。如底板的伸出部分较长，则底板内须配置一定数量的钢筋(图2－7－70b)。
图2－7－70 重力式挡土墙(单位：m)
重力式挡土墙一般应用偏心受压公式校核其强度。
(2)悬臂式挡土墙(图2－7－71) 为钢筋混凝土建造的轻型结构，一般形状有上形、L形及U形(图2－7－72)。
图2－7－71 悬臂式挡土墙
1－直墙 2－前趾 3－后趾 4－上游翼墙 5－铺盖
图2－7－72 悬臂式挡土墙的一般形状
1－⊥形 2、3－L形 4－U形
悬臂式挡土墙由直墙与底板两部分组成。直墙顶部厚度一般不小于15cm；底部厚度则由计算决定，常为挡土墙高的
；底板内外边缘厚度不小于15cm。
这种形式的特点是厚度小，自重轻，可以调整底板的尺寸，以改善稳定条件和基底的压力分布。
直墙和底板都近似按悬臂梁进行计算。