第六章船閘結(jié)構(gòu)計(jì)算(4-7)第四節(jié)船閘閘首結(jié)構(gòu)第五節(jié)引航道上的建筑物第六節(jié)船閘的防滲與排水第七節(jié)船閘結(jié)構(gòu)有限元分析(自學(xué)）第四節(jié)船閘閘首結(jié)構(gòu)一、閘首結(jié)構(gòu)布置與構(gòu)造二、整體式閘首計(jì)算三、分離式閘首計(jì)算一、閘首結(jié)構(gòu)布置與構(gòu)造1.閘首結(jié)構(gòu)布置 閘首由墩墻和底板所構(gòu)成。布置及尺寸與所選用的閘門(mén)型式、輸水系統(tǒng)及有無(wú)帷墻等有密切關(guān)系。船閘閘首一般設(shè)有輸水廊道、閘門(mén)、閥門(mén)、閘閥門(mén)啟閉機(jī)械及其相應(yīng)的設(shè)備等。閘首結(jié)構(gòu)按其受力狀態(tài)：整體式結(jié)構(gòu)和分離式結(jié)構(gòu)。

在土基上：為避免由于邊墩不均勻沉降而影響閘門(mén)正常工作，一般采用整體式閘首結(jié)構(gòu)；

巖基上：可采用分離式結(jié)構(gòu)；

當(dāng)巖石較完整時(shí)，可不設(shè)底板，只有當(dāng)巖石裂隙較多或巖石較軟弱時(shí)，才考慮加設(shè)底板或護(hù)底．必要時(shí)也可采用整體式結(jié)構(gòu)。6-20船閘閘首一號(hào)船閘上閘首2．閘首結(jié)構(gòu)尺度確定

閘首在長(zhǎng)度(順?biāo)?方向上一般由3段組成.(1)門(mén)前段長(zhǎng)度l1門(mén)前段長(zhǎng)度l1，主要根據(jù)工作閘門(mén)形式、檢修門(mén)尺度、門(mén)槽構(gòu)造及檢修要求確定。

檢修門(mén)槽設(shè)于閘首外與導(dǎo)墻接縫時(shí)，門(mén)前段的長(zhǎng)度最小，一般為1.0m左右。檢修門(mén)槽設(shè)于閘首內(nèi):L=1~2+C(米),C為檢修門(mén)槽寬在設(shè)置檢修門(mén)槽不增加閘首長(zhǎng)度的情況下，應(yīng)盡量使檢修門(mén)槽布置在首范圍內(nèi)。

(2)門(mén)龕段長(zhǎng)度l2

①人字閘門(mén)②橫拉閘門(mén)③三角閘門(mén)④平面閘門(mén)

人字閘門(mén)其門(mén)龕段長(zhǎng)度l2為

(6-61)式中：Bc——閘首的口門(mén)寬度(m)；

d——門(mén)龕深度(m)，一般為門(mén)厚加0.4~0.8m；

θ——閘門(mén)與船閘橫軸線(xiàn)的夾角，一般取20°~22.5°。為便于安置橫橫梁和門(mén)底止止水，保證閘閘門(mén)在任何位位置時(shí)均能檢檢查和修理底底部止水，門(mén)門(mén)下的自由空空間高度一般般不小于0.5-0.6m。橫拉閘門(mén)橫拉閘門(mén)的門(mén)門(mén)槽寬度，主主要由門(mén)厚、、上下游支承承木的厚度及及閘墩楔形支支承厚度組成成：l2=h+2(0.2+0.25)(6-62)式中：h——橫拉門(mén)厚度(m)。支承木厚度取取0.2m．楔形支承厚厚度取0.25m。矩形橫拉門(mén)的的厚跨比一般般在1/4~1/7之間。三角閘門(mén)三角閘門(mén)門(mén)庫(kù)庫(kù)較大，其外外形尺寸除要要滿(mǎn)足閘門(mén)尺尺度及構(gòu)造要要求外．還應(yīng)應(yīng)滿(mǎn)足輸水消消能的要求。。據(jù)已建船閘閘三角門(mén)門(mén)庫(kù)庫(kù)尺度的統(tǒng)計(jì)計(jì)，其門(mén)龕長(zhǎng)長(zhǎng)度可取為：：l2=(0.5~0.7)Bc(6-63)平面閘門(mén)平面閘門(mén)的門(mén)門(mén)槽較小，主主要視門(mén)體結(jié)結(jié)構(gòu)尺度而定定。據(jù)已建船閘支支持段尺度的的統(tǒng)計(jì)，l3的變化幅度較較大，其范圍圍如下：l3≈(0.3~1.2)h(6-64)或l3≈(0.4~2.1)H式中：h——邊墩自由高度度(m)；H——設(shè)計(jì)水頭(m)。（3)閘門(mén)支支持段長(zhǎng)度l3閘門(mén)支持段主主要應(yīng)滿(mǎn)足結(jié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及強(qiáng)強(qiáng)度的要求，，并應(yīng)考慮輸輸水廊道進(jìn)出出口布置的要要求。人字閘門(mén)的支支持段長(zhǎng)度，，目前設(shè)計(jì)仍仍假定是在其其獨(dú)立工作條條件下進(jìn)行穩(wěn)穩(wěn)定和強(qiáng)度的的驗(yàn)算確定的的，因此需要要有足夠的長(zhǎng)長(zhǎng)度。(4)閘首邊墩寬度度：根據(jù)門(mén)龕深度度；廊道寬度；閥門(mén)井尺度等等因素確定據(jù)已建船閘的的統(tǒng)計(jì)，邊墩墩厚度一般取取為2~3倍廊道寬度。。邊墩的頂部寬寬度：使用要求；滿(mǎn)足啟閉機(jī)房房；交道通道；管理及維修場(chǎng)場(chǎng)地；其他設(shè)備等的的布置為節(jié)省工程造造價(jià)也可在閘閘首邊墩頂部部設(shè)懸臂加寬寬。閘首的邊墩結(jié)結(jié)構(gòu)：土基上一般采采用空箱式結(jié)結(jié)構(gòu)閘首底板厚底板厚度可取取等于（1/3~1/4.5）邊墩的自由由高度，但不不應(yīng)小于其凈凈跨的（1/6~1/7），在粘性地地基上取較大大值，在砂性性地基上可取取小值。倒拱底板的拱拱厚一般取為為口門(mén)寬度的的（1/15~1/20），矢跨比一一般為（1/7~1/10）。倒拱底板對(duì)邊邊墩的不均勻勻沉降、相對(duì)對(duì)水平位移和和轉(zhuǎn)角相當(dāng)敏敏感，邊墩即即使只產(chǎn)生較較小的變位，，也會(huì)使倒拱拱產(chǎn)生較大的的附加內(nèi)力。。因此，倒拱拱底板一般用用于地基條件件好，邊墩高高度不大的閘閘首。二、整體式閘閘首計(jì)算閘首結(jié)構(gòu)的計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)化：閘首結(jié)構(gòu)的計(jì)計(jì)算系屬空間間問(wèn)題，通常常是將空間問(wèn)問(wèn)題簡(jiǎn)化為平平面問(wèn)題，分分段進(jìn)行計(jì)算算。閘首結(jié)構(gòu)的計(jì)計(jì)算內(nèi)容：閘首結(jié)構(gòu)穩(wěn)定定驗(yàn)算包括：：整體抗滑、、抗傾、抗浮浮、滲流穩(wěn)定定性和地基承承載力等驗(yàn)算算。強(qiáng)度驗(yàn)算算包括：邊墩墩強(qiáng)度、底板板強(qiáng)度、局部部強(qiáng)度等驗(yàn)算算。（一）整體抗抗滑穩(wěn)定計(jì)算算抗滑穩(wěn)定安全全系數(shù)按下式式計(jì)算：其中式中Kc——抗滑穩(wěn)定安全全系數(shù)，可按按船閘設(shè)計(jì)規(guī)規(guī)范規(guī)定數(shù)值值取用；——作用于閘首上上的垂直力總總和，kN；U——作用于閘首底底板上的揚(yáng)壓壓力，kN；f——閘首沿地基面面的摩擦系數(shù)數(shù)；Ep——作用于閘首下下游端面埋深深部分的抗力力，kN，土基與埋置置不深的巖基可可不計(jì)；Et——邊墩背面與回回填料間的摩摩擦力，kN，在粘性填土土段可不計(jì)；；kt——摩擦力折減系系數(shù)：上、中中閘首可取0.6，下閘首可取取0.4；E——邊墩背面的土土壓力，kN；——回填料與邊墩墩背面間的摩摩擦角，（°），取=。H1、H2——作用于閘首上上、下游端面面的水壓力，，kN；E1、E2——作用于閘首上上、下端面的的靜止土壓力力，kN；（6-65））（二）閘首邊邊墩計(jì)算閘首邊邊墩一一般采采用分分段計(jì)計(jì)算法法。1．支持持段計(jì)計(jì)算（1）計(jì)算算假定定：通通常將將支持持墻視視為一一獨(dú)立立體，，即假假定支支持墻墻與門(mén)門(mén)龕段段用縫縫分開(kāi)開(kāi)，與與底板板也用用縫分分開(kāi)，，獨(dú)立立承受受全部部閘門(mén)門(mén)推力力。圖6-24人字閘閘門(mén)閘閘首支支持墻墻段荷荷載圖圖式（2）閘門(mén)門(mén)推力力式中R———閘門(mén)推推力，，kN；P———作用于于每扇扇閘門(mén)門(mén)上的的總水水壓力力，kN；——閘門(mén)與與船閘閘橫軸軸線(xiàn)的的夾角角。將閘門(mén)門(mén)推力力R分解為為平行行于船船閘軸軸線(xiàn)的的縱向向分力力E1及垂直直于船船閘軸軸線(xiàn)的的橫向向分力力S，即（6-66）（6-67）（3）其它它荷載載支持墻墻還作作用有有門(mén)龕龕水壓壓力E2;支持墻墻與門(mén)門(mén)龕分分縫間間的水水壓力力E3支持墻墻與底底板分分縫間間的揚(yáng)揚(yáng)壓力力E4土壓力力和自自重等等荷載載。其中E3、E4為縫隙隙水壓壓力，，均應(yīng)應(yīng)乘以以小于于1.0的折減減系數(shù)數(shù)（一般般取為為0.5）。（4）支持持墻的的抗滑滑穩(wěn)定定性式中——作用于于支持持墻全全部垂垂直力力的總總和,（包括括墻底底縫內(nèi)內(nèi)的揚(yáng)揚(yáng)壓力力E4），KN；f——支持墻墻底面面的摩摩擦系系數(shù)，，一般般取0.7~0.75；——作用于于支持持墻全全部水水平力力的總總和，，kN（6-68）其中作作用的的縱向向水平平力的的總和和，為為作作用的橫向向水平平力的的總和和。（5）支持持墻的的強(qiáng)度度計(jì)算算支持墻墻的強(qiáng)強(qiáng)度計(jì)計(jì)算，，采用用雙向向彎曲曲受壓壓公式式墻底四四角點(diǎn)點(diǎn)應(yīng)力力按下下式計(jì)計(jì)算：：式中——支持墻墻底面面的最最大應(yīng)應(yīng)力，，[]為材料料允許許抗壓壓強(qiáng)度度；——支持墻墻底的的最小小應(yīng)力力，>0；F———支持墻墻底面面的面面積，，m2；Wx、Wz——支持墻墻底面面對(duì)x、z軸的斷斷面模模量，，m3；Mx、Mz——分別為為縱向向水平平力對(duì)對(duì)x軸的力力矩和和及橫橫向水水平力力、垂垂直力力對(duì)z軸的力力矩和和，kN··m。（6-69）（6）帶形形鋼筋筋當(dāng)支持持墻不不能獨(dú)獨(dú)立滿(mǎn)滿(mǎn)足水水平抗抗滑穩(wěn)穩(wěn)定要要求時(shí)時(shí)，則則須設(shè)設(shè)置縱縱向帶帶形鋼鋼筋帶形鋼鋼筋所所受的的力可可按下下式計(jì)計(jì)算：：式中Eg——帶形鋼鋼筋所所受的的力，，kN；Em——閘門(mén)推推力的的縱向向分力力，kN；Es——作用于于支持持墻上上門(mén)龕龕的縱縱向水水壓力力，kN；Ef——縫面上上的縱縱向水水壓力力，kN；——折減系系數(shù)，，取為為0.5；——作用于于支持持墻計(jì)計(jì)算面面以上上的垂垂直力力總和和,kN；f———摩擦擦系系數(shù)數(shù)，，取取0.7~0.75；Kc———支持持墻墻抗抗滑滑穩(wěn)穩(wěn)定定安安全全系系數(shù)數(shù)，，取取為為1.4--1.5。（6-70））2．空空箱箱結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)計(jì)計(jì)算算（1）以以距距底底板板頂頂面面1.5L（L為箱箱內(nèi)內(nèi)隔隔墻墻跨跨度度））高高度度為為界界，，以以上上部部分分的的側(cè)側(cè)墻墻按按多多跨跨連連續(xù)續(xù)梁梁計(jì)計(jì)算算；；以以下下部部分分則則按按三三邊邊固固定定一一邊邊簡(jiǎn)簡(jiǎn)支支的的支支持持板板計(jì)計(jì)算算。。（2）垂垂直直方方向向可可近近似似地地按按固固定定在在底底板板上上的的空空心心懸懸臂臂梁梁進(jìn)進(jìn)行行核核算算。3．閘閘首首邊邊墩墩中中的的廊廊道道結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)（1）當(dāng)當(dāng)廊廊道道壁壁厚厚小小于于2.5D（D為廊廊道道孔孔洞洞化化引引直直徑徑））時(shí)時(shí)，，可可按按桿桿件件系系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算算。。人人字字門(mén)門(mén)閘閘首首，，將將廊廊道道在在平平面面上上分分成成四四段段，，即即進(jìn)進(jìn)口口段段I、門(mén)門(mén)龕龕段段II、支支持持段段III和出出口口段段Ⅳ圖6-18閘首首廊廊道道計(jì)計(jì)算算分分段段I、Ⅳ段廊廊道道可可按按固固定定在在底底板板上上Г形懸懸臂臂梁梁計(jì)計(jì)算算；；II段廊廊道道可可按按固固定定在在底底板板上上的的型型剛剛架架計(jì)計(jì)算算。。當(dāng)廊廊道道壁壁厚厚大大于于2.5D時(shí)，，可可按按彈彈性性力力學(xué)學(xué)方方法法計(jì)計(jì)算算。。（三三））閘閘首首底底板板計(jì)計(jì)算算簡(jiǎn)化化計(jì)計(jì)算算方方法法一般般將將底底板板縱縱向向劃劃分分為為幾幾個(gè)個(gè)特特征征段段，，計(jì)計(jì)入入不不平平衡衡剪剪力力，，按按平平面面問(wèn)問(wèn)題題進(jìn)進(jìn)行行分分段段計(jì)計(jì)算算，，然然后后考考慮慮整整體體影影響響，，將將各各段段所所得得的的內(nèi)內(nèi)力力進(jìn)進(jìn)行行調(diào)調(diào)整整。。計(jì)算算步步驟驟：：1．閘閘首首底底板板的的縱縱向向分分段段2．不不平平衡衡剪剪力力計(jì)計(jì)算算3．內(nèi)內(nèi)力力計(jì)計(jì)算算4．內(nèi)內(nèi)力力的的調(diào)調(diào)整整大型型船船閘閘底底板板內(nèi)內(nèi)力力：：可可先先將將橫橫向向荷荷載載在在縱縱向向進(jìn)進(jìn)行行的的分分配配，，然然后后計(jì)計(jì)算算各各段段底底板板內(nèi)內(nèi)力力，，內(nèi)內(nèi)力力可可不不再再調(diào)調(diào)整整。1．閘閘首首底底板板的的縱縱向向分分段段閘首首底底板板的的特特征征段段，，一一般般可可根根據(jù)據(jù)荷荷載載、、剛剛度度及及跨跨度度等等因因素素劃劃分分。。圖6-19閘首首底底板板特特征征段段劃劃分分(a)人字字閘閘門(mén)門(mén)；；（（b）平平面面閘閘門(mén)門(mén)；；（（c）弧弧形形閘閘門(mén)門(mén)2.不平平衡衡剪剪力力計(jì)計(jì)算算（1）不不平平衡衡剪剪力力概概念念閘首首底底板板劃劃分分為為幾幾個(gè)個(gè)特特征征段段后后，，對(duì)對(duì)每每一一特特征征段段，，考考慮慮了了相相鄰鄰段段的的作作用用后后，，其其作作用用在在各各段段的的垂垂直直力力與與地地基基反反力力也也應(yīng)應(yīng)該該是是平平衡衡的的，，因因此此相相鄰鄰段段分分隔隔的的截截面面上上必必然然產(chǎn)產(chǎn)生生剪剪力力以以使使各各段段保保持持平平衡衡，，該該剪剪力力被被稱(chēng)稱(chēng)為為不不平平衡衡剪剪力力2.不平衡衡剪力力計(jì)算算（2）計(jì)算算圖式式分段計(jì)計(jì)算的的不平平衡狀狀態(tài)Qi=Ri—Vi式中：Qi—不平衡衡剪力力，kN；Ri—閘首沿沿縱向向按直直線(xiàn)反反力法法計(jì)算算所得得的作作用于于該特特征段段上的的地基基反力力，kN；Vi—該特征征段上上的向下的的垂直力力總和和，kN；包括自自重、、水重重、浮浮托力力、滲滲透壓壓力。。圖6-21邊墩不不平衡衡剪力力計(jì)算算圖（3）不平衡衡剪力力截面面分配配各特征征段不不平衡衡剪力力值在在閘首首截面面中按彈性性力學(xué)學(xué)方法法進(jìn)行行分配配分配于于邊墩墩截面面abef上的不不平衡衡剪力力QT，可由由下式式計(jì)算算：（6-72）式中———相相應(yīng)特特征段段上邊邊墩截截面上上的不不平衡衡剪力力，kN；；Jy———邊邊墩和和底板板截面面對(duì)y軸的的慣矩矩，m4；；H——邊邊墩高度，，m；(Sy)abcd———abcd截截面對(duì)y軸軸的靜矩，，m3。(Jy)abef———abef截截面對(duì)y軸軸的慣矩，，m4。分配于底板板上的不平平衡剪力QH為；QH=Qi——2QT（4）經(jīng)驗(yàn)分配配對(duì)于人字閘閘門(mén)閘首邊邊墩和底板板可分別按按相應(yīng)特征征段的總不平衡剪剪力Qi的85%取值和15%取值。不平衡剪力力在閘首橫橫斷面上的的分布，通通常以集中力的方式作用用于兩邊墩的中點(diǎn)上；；以均布力的方式作用用于整個(gè)底板上。Mc、Qc——閘首底板單單位條寬的的彎矩和剪剪力加權(quán)平平均值，kN·m，kPa。Bi——各段的長(zhǎng)度度3、內(nèi)力計(jì)算算：地基梁梁法4．內(nèi)力的調(diào)調(diào)整對(duì)縱向斷面面變化不大大的閘首閘閘底可采用用加權(quán)平均均法，進(jìn)行行底板內(nèi)力力的調(diào)整。。式中Mip、Qip——各特征段調(diào)調(diào)整后的計(jì)計(jì)算彎矩和和計(jì)算剪力值值，kN·m，kPa；Mi、Qi——各特征段單單位條寬的的彎矩和剪剪力值，kN·m，kPa；Mc、Qc——閘首底板單單位條寬的的彎矩和剪剪力加權(quán)平均均值，kN·m，kPa。對(duì)縱向斷面面變化較大大的閘首底底板，各特特征段內(nèi)力力可按剛度度進(jìn)行調(diào)整整。（6-76）橫向荷載的的分配(中小船閘可可不進(jìn)行分分配）人字閘門(mén)推推力的橫向向分力分配配：圖6-22人字閘門(mén)橫橫向推力沿沿高度分布布通過(guò)閘首邊邊墩傳遞到到單位長(zhǎng)度度底板上的的橫向力T及其所產(chǎn)生生的彎矩M為：（6-73）式中hi——橫向力Syi距閘首底板板中心軸的的距離，m；li——橫向力Syi在閘首底板板處的分布布長(zhǎng)度，m。圖6-30閘門(mén)推力的的橫向分力力矩沿閘首首長(zhǎng)度分布布三、分離式式閘首計(jì)算算計(jì)算內(nèi)容分離式閘首首的邊墩和和底板應(yīng)分分別進(jìn)行穩(wěn)穩(wěn)定和強(qiáng)度度計(jì)算。（1）橫向的抗抗滑、抗傾傾穩(wěn)定性進(jìn)進(jìn)行驗(yàn)算；；（2）閘首的中中間底板抗抗浮穩(wěn)定驗(yàn)驗(yàn)算；（3）土基上分分離式閘首首邊墩沉降降及邊墩傾傾斜驗(yàn)算；；（4）強(qiáng)度驗(yàn)算算（底板及及邊墩）第五節(jié)、引引航道導(dǎo)航航和靠船建建筑物船閘引航道道上的建筑筑物：設(shè)有導(dǎo)航和和靠船建筑筑物以及護(hù)護(hù)坡、護(hù)底底等結(jié)構(gòu)。。1．導(dǎo)航和靠船船建筑物導(dǎo)航和靠船船建筑物型型式：（1）重力式導(dǎo)導(dǎo)航、靠船船建筑結(jié)構(gòu)構(gòu);（2）墩式、框框架式導(dǎo)航航、靠船建建筑物;（3）樁墩式、、浮式、空空箱式、扶扶壁式和連連拱式等浮式導(dǎo)航墻墻：適用于庫(kù)區(qū)區(qū)或水深較較大的河流流中，預(yù)制制施工進(jìn)度度較快，對(duì)對(duì)地基無(wú)要要求。但操操作麻煩，，維護(hù)工作作量大，容容易受水流流及風(fēng)向等等自然因素素的影響，，船舶停靠靠不太理想想。（1）導(dǎo)航、靠靠船建筑物物結(jié)構(gòu)形式式的選擇：：根據(jù)地基特特性、船閘規(guī)模；；材料來(lái)源；；施工條件；；使用要求等等因素確定定盡可能采用用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單單、便于施施工、使用用方便、經(jīng)濟(jì)合合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)形式。（2）導(dǎo)航和靠靠船建筑物物設(shè)置要求求：前沿做成垂垂直平整面面，以利于于船舶?？靠考跋挡窗舶踩划?dāng)引航道水水位變幅較較大時(shí)，可可在靠船建建筑物正面面分層設(shè)置系船船鉤；為施工方便便，墩與墩墩間的距離離，常布置置為等間距距；１５～～２５m;墩與墩間一一般設(shè)有人人行引橋供供管理人員員工作及船船員上、下岸之之用。尺度應(yīng)滿(mǎn)足足穩(wěn)定和強(qiáng)強(qiáng)度要求；；滿(mǎn)足系船、、照明及信信號(hào)裝置等等布置要求求。2.護(hù)坡和護(hù)底底護(hù)坡和護(hù)底底的必要性性：引航道的岸岸坡和底部部，由于經(jīng)常受受船閘泄水水和溢洪時(shí)水流的的沖刷以及及暴雨、風(fēng)風(fēng)浪及船行行波的影響響等，容易造成岸岸坡崩塌，，引起引航航道泥沙大大量淤積，阻礙船船舶航行。。因此靠近近閘首附近近的一段引引航道的邊坡坡和底部，，應(yīng)適當(dāng)加加以保護(hù)。。護(hù)坡和護(hù)底底的型式：：一般采用漿漿砌塊石；；干砌塊石；；混凝土塊體體；草皮等護(hù)坡坡護(hù)坡和護(hù)底底的長(zhǎng)度：：在閘首外底底部和輔導(dǎo)導(dǎo)墻外鋪砌砌30m左右長(zhǎng)度的的護(hù)底；護(hù)坡結(jié)構(gòu)為25-40cm塊石，下墊墊以10cm中石子和10cm黃砂;通常將漿砌砌塊石或干干砌塊石護(hù)護(hù)坡鋪至正正常通航水水位以上0.5m左右，砌石岸岸坡以上至至坡頂則可可加鋪草皮皮保護(hù)。6-34一、船閘的的滲流１．滲流對(duì)對(duì)建筑物的的影響：產(chǎn)生滲透壓壓力，降低低建筑物抗抗滑穩(wěn)定性性；可能引起地地基土壤的的滲透變形形，甚至?xí)?huì)引起建筑筑物失事。。2.滲流特點(diǎn)第六節(jié)船船閘的防滲滲與排水圖6-35船閘的滲流流圖式船閘的橫向向滲流船閘滲流特特點(diǎn)：（1）閘室墻下下的滲流為為雙向滲流流;（2）船閘滲流流呈空間滲滲流狀態(tài)；；（3）船閘的滲滲流具有不不穩(wěn)定流性性質(zhì)3．閘室底透透水與否以以及閘室相相對(duì)于壩軸軸線(xiàn)位置對(duì)對(duì)滲流影響響：（1）閘室為不不透水閘底底，且布置置在壩軸線(xiàn)線(xiàn)下游時(shí)（2）閘室為不不透水閘底底，閘室布布置在壩軸軸線(xiàn)上游時(shí)時(shí)，下閘首首位于擋水水線(xiàn)上，其其滲流情況況在很大程程度上取決決于閘室墻墻后回填土土的構(gòu)筑方方式。（3）當(dāng)閘閘室為透水水閘底時(shí)，，閘首和閘閘室均為獨(dú)獨(dú)立的擋水水建筑物1）閘首：：滲流自上上游（或閘閘室）經(jīng)上上（或下））閘首底板板向閘室（（或下游））滲出，同同時(shí)它也繞繞過(guò)閘首邊邊墩向下游游流動(dòng)。2）就閘室室而言，當(dāng)當(dāng)閘室泄空空時(shí)，閘室室墻后回填填土中的地地下水經(jīng)過(guò)過(guò)閘室墻底底向閘室方方向滲出。。當(dāng)閘室灌灌滿(mǎn)水時(shí)，，滲流則向向閘室墻后后回填土滲滲出4．船閘閘首首地下輪廓廓線(xiàn)地下輪廓線(xiàn)線(xiàn)，亦即閘閘基滲流的的第一根流流線(xiàn)：該線(xiàn)線(xiàn)長(zhǎng)度稱(chēng)為為防滲長(zhǎng)度度或滲徑長(zhǎng)長(zhǎng)度。二、地基滲滲流變形1．流土在粘性土壤壤中，由于于土壤顆粒粒之間存在在粘著力，，阻礙了滲滲透水流使使土壤顆粒粒分離，因因而不易產(chǎn)產(chǎn)生土壤顆顆粒的單獨(dú)獨(dú)移動(dòng)，但但是滲透水水流在其逸逸出處卻可可能將部分分土體頂起起，使其處處于懸浮狀狀態(tài)，這種種現(xiàn)象成為為流土。2．管涌當(dāng)滲透坡降降（或滲流流流速）達(dá)達(dá)到某一數(shù)數(shù)值時(shí)，就就有可能使使那些微小小顆粒開(kāi)始始移動(dòng)，使使它們象處處在懸浮狀狀態(tài)一樣，，沿著滲流流方向通過(guò)過(guò)土體的孔孔隙被帶走走。由于小小顆粒的被被帶走，土土體中孔隙隙的容積和和尺寸增大大，那些較較大粒徑的的土粒將有有可能繼續(xù)續(xù)被帶走。。發(fā)展下去去，有可能能把土體中中承重的骨骨架顆粒帶帶走，于是是建筑物將將因此而發(fā)發(fā)生較大的的沉陷，甚甚至地基因因而發(fā)生破破壞。這種管涌現(xiàn)現(xiàn)象主要發(fā)發(fā)生在無(wú)粘粘性或粘性性很小的土土壤（如砂砂土、砂壤壤土等）中中。三、船閘的的防滲與排排水布置船閘的防滲滲布置的影影響因素：：●地基的土壤壤性質(zhì)、土土層的分布布等●作用水頭的的大小；●船閘結(jié)構(gòu)型型式；●船閘在樞紐紐中位置等等因素1．船閘閘室室為透水閘閘底的防滲滲布置當(dāng)閘室為透透水閘底時(shí)時(shí)，閘首和和閘室均是是獨(dú)立的擋擋水建筑物物，它們各各自都應(yīng)設(shè)設(shè)置防滲設(shè)設(shè)備：圖6-5船船閘為為透水閘底底的防滲布布置1—鋪蓋；；2—齒墻墻3——板樁；4—反濾層層（1）閘首首的防滲設(shè)設(shè)施（2）閘室室防滲設(shè)施施1、防滲墻2、反濾層3、排水管一般多采用用齒墻、防滲墻、明溝或排水水管等設(shè)施，在粘性土地基上，通通常不宜施施打板樁1）設(shè)置齒墻墻，土基上上深度一般般不大于２２米,寬度不小于于0.5米．2）在閘室內(nèi)內(nèi)側(cè)閘墻下下滲流出口口處設(shè)置一一道板樁，，在閘室內(nèi)內(nèi)設(shè)置反濾濾層。3）在閘墻的的回填土內(nèi)內(nèi)，設(shè)置明明溝或排水水管排水（2）閘室室防滲設(shè)施施明溝和排水水管的布置置：明溝和和排水管的的起始點(diǎn)布布置在閘室起點(diǎn)點(diǎn)附近，其其出口高程程可根據(jù)檢檢修要求確確定；排水管及及明溝的縱縱坡宜取為為1:200－1:500；墻后回填填土中的排排水管距墻墻背的距離離宜為2－3m。沿排水水管每隔隔25-50m應(yīng)設(shè)置檢檢查井。。對(duì)于雙向向水頭的的船閘，，必要時(shí)時(shí)可設(shè)置置上、下下兩層排排水管，，在排水水管出口口處設(shè)置置可控制制閥門(mén)，，以防止止高水時(shí)時(shí)水流進(jìn)進(jìn)入墻后后回填土土內(nèi)。2．閘室為為不透水水閘底的的防滲布布置（1）當(dāng)閘室室位于壩壩軸線(xiàn)的的下游時(shí)時(shí)，一般般僅在閘閘室墻后后回填土土內(nèi)設(shè)置置明溝或或排水管管。（2）當(dāng)閘室室位于壩壩軸線(xiàn)上上游時(shí)，，在閘室墻墻后填筑筑寬度較較大的回回填土體體，并在在回填土土內(nèi)設(shè)置置排水管管，以減減少作用用在閘室室墻上的的水壓力力。在閘室墻墻后可以以不填筑筑回填土土或者不不填筑到到頂，此此時(shí)整個(gè)個(gè)滲流水水頭由位位于壩軸軸線(xiàn)的下下閘首承承受．四、防滲滲與排水水構(gòu)造1、防滲鋪蓋蓋：長(zhǎng)度度一般采采用設(shè)計(jì)計(jì)水頭的的2-3倍；防滲鋪蓋蓋有柔性性和剛性性的兩種種；粘性性鋪蓋適適用于砂砂性土地地基，混混凝土鋪鋪蓋適用用于透水水性較小小的地基基。鋪蓋的滲透系系數(shù)與地地基土滲滲透系數(shù)數(shù)之比宜宜小于0.01.2、鋼筋混混凝土鋪鋪蓋厚度度約為30-50cm，一般采采用C20混凝土。。為適應(yīng)應(yīng)地基沉沉降，鋼鋼筋混凝凝土鋪蓋蓋應(yīng)用縱縱橫縫分分塊，縫縫距可取取10—20米，縫內(nèi)內(nèi)設(shè)置止止水。3、防滲板樁樁可采用用鋼筋混混凝土板板樁，板板樁厚度度一般采采用15-30CM，入土深度度不小于于2.5M，樁尖應(yīng)應(yīng)埋入不不透水層層一定深深度。在粘性地地基中，，由于板板樁打入入后粘性性土被切切斷，板板樁與粘粘土的接接觸面比比較光滑滑容易產(chǎn)產(chǎn)生集中中滲流，，因此在在這類(lèi)地地基中一一般不宜宜采用板板樁，可可采用防滲墻。。防滲墻是是使用專(zhuān)專(zhuān)用機(jī)具具鉆鑿圓圓孔或直直接開(kāi)挖挖槽孔，，孔內(nèi)澆澆灌混凝凝土、回回填黏土土或其他他防滲材材料等形形成連續(xù)續(xù)的地下下墻體。。也可用用灌注樁樁、旋噴噴樁、定定噴樁等等各類(lèi)樁樁體連續(xù)續(xù)形成防防滲墻。。4、齒墻深深度一般般不大于于2.0M，底寬不不小于0.5M，巖基上上齒墻較較淺，一一般嵌入入新鮮巖巖層0.5-1.0M。5、墻后填填土中的的排水暗暗管，可采用塑塑料、鑄鑄鐵、混混凝土材材料。預(yù)制混凝凝土管管管徑一般般為30CM，管壁厚厚約5CM，管的下下半部開(kāi)開(kāi)有小孔孔，孔徑徑約為10MM，管外做做反濾層層。6、反濾層層的作用用：主要要是增加加地基的的抗?jié)B能能力和防防止產(chǎn)生生滲透變變形，防防止土壤壤顆粒被被滲流帶帶走，通通常設(shè)置置在滲流流逸出處處。反濾層應(yīng)應(yīng)符合以以下規(guī)定定：（1）透水性性應(yīng)大于于其所保保護(hù)的土土壤。（2）較細(xì)一一層的顆顆粒不應(yīng)應(yīng)穿過(guò)顆顆粒較大大一層的的孔隙。。（3）被保護(hù)護(hù)的土壤壤不應(yīng)穿穿過(guò)反濾濾層被帶帶走。（4）同層必必須穩(wěn)定定，顆粒粒在層內(nèi)內(nèi)不發(fā)生生移動(dòng)。。五、滲流流計(jì)算船閘的滲滲流計(jì)算算可簡(jiǎn)化化為平面面問(wèn)題。。土基上船船閘的滲滲流計(jì)算算方法可可采用滲徑系數(shù)數(shù)法；當(dāng)水頭較較高或重重要的船船閘，宜宜同時(shí)采采用阻力力系數(shù)法法、空間間滲流計(jì)計(jì)算法和和三維電電模擬試試驗(yàn)法進(jìn)進(jìn)行分析析研究。。滲徑系數(shù)數(shù)法（直線(xiàn)法法）認(rèn)為建筑筑物基底底的滲透壓力力與滲徑長(zhǎng)長(zhǎng)度成直直線(xiàn)比例例。該法是將將船閘下下的地下下防滲輪輪廓線(xiàn)，，化引為為水平的的計(jì)算輪輪廓線(xiàn)，，即將板板樁、齒齒墻等垂垂直的地地下輪廓廓線(xiàn)按比比例化引引為水平平長(zhǎng)度而而展開(kāi)，，然后繪繪制滲透透壓力圖圖形，從從而可以以求出各各相應(yīng)段段的滲透透壓力值值。圖6-7滲徑系數(shù)數(shù)法計(jì)算算滲透壓壓力滲流穩(wěn)定定性驗(yàn)算：應(yīng)滿(mǎn)足下下列公式式要求：：L≥CH式中L——地下輪廓線(xiàn)的的化引總長(zhǎng)度度，m；C——滲徑系數(shù)；H——計(jì)算水頭（滲滲透水頭），，m；Ln——地下輪廓線(xiàn)水水平段長(zhǎng)度，，m；Lv——地下輪廓線(xiàn)垂垂直段長(zhǎng)度，，m；m——垂直段換算為為水平段長(zhǎng)度度的換算系數(shù)數(shù)；對(duì)多板樁樁,m取2.0；對(duì)齒墻、單單板樁m取1.5；對(duì)墻身垂直直段m取小于等于1.0。L=滲徑系數(shù)C值表6-3土壤種類(lèi)滲徑系數(shù)C粉砂細(xì)砂中砂和粗砂亞粘土和亞砂土粘土9~137~96~75~63~4滲徑系數(shù)法特特點(diǎn)：★沒(méi)有考慮滲流流區(qū)域的邊界界；★沒(méi)有考慮地下下輪廓形狀的的影響以及地地基土壤的不不均勻性等該法計(jì)算簡(jiǎn)便便，有一定的的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基基礎(chǔ)，目前在在中小型工程程中應(yīng)用較廣廣。2.滲透水頭的確確定上閘首：為上游的設(shè)計(jì)計(jì)高水位和對(duì)對(duì)應(yīng)的閘室水水位之差，通通常當(dāng)閘室抽抽干檢修時(shí)，，滲透水頭最最大，為計(jì)算算控制工況；；下閘首：為閘室內(nèi)高水水位和對(duì)應(yīng)的的下游水位之之差，同時(shí)應(yīng)應(yīng)核算閘室檢檢修時(shí)，由下下游向閘室的的滲透穩(wěn)定。。閘室的滲流穩(wěn)定主主要計(jì)算垂直直于船閘軸線(xiàn)線(xiàn)的橫向滲流流穩(wěn)定，滲透透水頭需根據(jù)據(jù)墻前墻后水水位確定。墻后的地下水水位：當(dāng)閘室處于擋擋水線(xiàn)下游，，墻后回填土土中未設(shè)置排排水管時(shí)，墻墻后地下水位位縱向分布可可簡(jiǎn)化為上、、下游水位的的直線(xiàn)連線(xiàn)分分布；當(dāng)墻后設(shè)有排排水管時(shí)，地地下水位一般般取排水管中中心高程，當(dāng)當(dāng)此時(shí)下游水水位超過(guò)排水水管高程時(shí)，，地下水位以以下游水位計(jì)計(jì)。當(dāng)閘室處于擋擋水線(xiàn)上游，，墻后無(wú)排水水管時(shí)，墻后后水位應(yīng)按上上游水位確定定。第七節(jié)有限限單元法在船船閘工程中的的應(yīng)用(自學(xué)）一.有限單元法基基本概念二、船閘結(jié)構(gòu)構(gòu)有限元法有有關(guān)問(wèn)題的處處理一.有限單元法基基本概念有限單元法，，它是將需要要分析的連續(xù)續(xù)區(qū)域通過(guò)幾幾何剖分，使使之成為若干干個(gè)“單元””的結(jié)合，““單元”與““單元”之間間通過(guò)結(jié)點(diǎn)相相連。通過(guò)求求解這些連接接點(diǎn)的力學(xué)量量，進(jìn)而得到到連續(xù)體的應(yīng)應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力力場(chǎng)。有限元方法解解題步驟可概概括如下：1．結(jié)構(gòu)離散成成有限個(gè)單元元；2．選擇形函數(shù)數(shù)；3．建立各單元元結(jié)點(diǎn)力與結(jié)結(jié)點(diǎn)位移的關(guān)關(guān)系式，確定單元的剛度度矩陣[k]e；4．迭加各單元元的剛度矩陣陣成為結(jié)構(gòu)的的總剛度矩陣[k]；5．形成所有結(jié)結(jié)點(diǎn)力{FS}與結(jié)點(diǎn)位移{}之間的關(guān)系，即[K]{}={FS}；6．形成外荷載載向量；7．解線(xiàn)性方程程組得到未知知結(jié)點(diǎn)位移。。8．求出單元應(yīng)應(yīng)力、應(yīng)變。。1．連續(xù)介質(zhì)的的離散化圖6-292．形函數(shù)的選選擇形函數(shù)：即把把單元內(nèi)任一一點(diǎn)的位移描描述為單元節(jié)節(jié)點(diǎn)位移的函函數(shù)。單元內(nèi)任一點(diǎn)點(diǎn)的形函數(shù)可可近似表達(dá)為為坐標(biāo)的函數(shù)數(shù)，對(duì)平面三三角形單元其其形函數(shù)的表表達(dá)式：（6-85）（6-86）其中（6-87）xi，yi，xj，yj，xm，ym為單元結(jié)點(diǎn)坐坐標(biāo)，A為三角形單元元的面積，I為二階單元矩矩陣。則單元元內(nèi)任一點(diǎn)的的位移可表示示為：式中{}e——單元結(jié)點(diǎn)位移移列陣；[N]———形函數(shù)，為坐坐標(biāo)的函數(shù)。。（6-88）3．等效結(jié)點(diǎn)力力與單元?jiǎng)偠榷染仃噷?duì)于單元來(lái)說(shuō)說(shuō)，結(jié)點(diǎn)力是是指通過(guò)結(jié)點(diǎn)點(diǎn)作用于本單單元的力。利利用虛功原理理，可以導(dǎo)出出單元的節(jié)點(diǎn)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)點(diǎn)力之間的關(guān)關(guān)系。即（6-89）式中——單元等效結(jié)點(diǎn)點(diǎn)力；——單元?jiǎng)偠染仃囮嚕湮锢硪庖饬x是單位結(jié)點(diǎn)點(diǎn)位移分量所所引起的結(jié)點(diǎn)力力分量，可根根據(jù)單元的幾何何尺寸、結(jié)點(diǎn)點(diǎn)坐標(biāo)、材料的的性質(zhì)等確定定；4．結(jié)點(diǎn)荷載作用于結(jié)構(gòu)上上的荷載有兩兩種，一種是是集中荷載，，另一種是分分布荷載。對(duì)于集中荷載載，在劃分網(wǎng)網(wǎng)格時(shí)應(yīng)使集集中荷載的作作用點(diǎn)成為一一個(gè)結(jié)點(diǎn)。對(duì)于分布荷載載，應(yīng)轉(zhuǎn)換為為等效的結(jié)點(diǎn)點(diǎn)荷載，其荷荷載的移置應(yīng)應(yīng)按靜力等效效原則進(jìn)行，，即原荷載和和移置到結(jié)點(diǎn)點(diǎn)上的荷載在在任何虛位移移上所作的虛虛功應(yīng)相等。。5．結(jié)點(diǎn)平衡方方程與整體剛剛度矩陣每個(gè)結(jié)點(diǎn)在結(jié)結(jié)點(diǎn)力和結(jié)點(diǎn)點(diǎn)荷載作用下下應(yīng)保持平衡衡，即有（6-90）式中：Fi為i結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)點(diǎn)力，Pi為i結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)點(diǎn)荷載。以以代代入上上式，即可可得到用結(jié)結(jié)點(diǎn)位移表表示的結(jié)點(diǎn)點(diǎn)平衡方程程如下：（6-91）式中[k]——整體剛度矩矩陣，可由由單元?jiǎng)偠榷染仃嚡B加形成；；{}——整體結(jié)構(gòu)結(jié)結(jié)點(diǎn)位移列列陣；{P}———作用在結(jié)構(gòu)構(gòu)上所有結(jié)結(jié)點(diǎn)的外荷荷載列陣。6．單元應(yīng)力力及應(yīng)變根據(jù)廣義虎虎克定律，，有（6-92）式中[D]———彈性矩陣，，取決于彈彈性常數(shù)E、；{}——單元應(yīng)變列列陣；{}——單元的應(yīng)力力列陣。對(duì)于平面問(wèn)問(wèn)題：（6-93）將形函數(shù)代代入上式，，即可得（6-94）將式（6-94）代入式（（6-92）有（6-95）式中[B]稱(chēng)為應(yīng)變矩矩陣，[S]稱(chēng)為應(yīng)力矩矩陣，按上上式即可由由結(jié)點(diǎn)位移計(jì)算算單元的應(yīng)應(yīng)力和應(yīng)變變。有限單元法法的特點(diǎn)（1）可以反映映連續(xù)體各各部分的共共同作用和和相互影響響；（2）因?yàn)樗鞘请x散的，，所以允許許各單元體體根據(jù)各自自的材料特特性，所處處的區(qū)域和和受力條件件的不同，，采用不同同的計(jì)算參參數(shù)。適用條件：：不但適用于于分析勻質(zhì)質(zhì)彈性體，，也適用于分分析非勻質(zhì)質(zhì)的連續(xù)體體；不但適用線(xiàn)線(xiàn)性分析，，也能進(jìn)行行非線(xiàn)性分分析。求解多方面面的課題，，如基坑開(kāi)開(kāi)挖問(wèn)題；；邊坡穩(wěn)定定問(wèn)題；地地基承載載力問(wèn)題；；滲流問(wèn)題題；模擬施施工過(guò)程；；土壤與結(jié)結(jié)構(gòu)的相互互作用；結(jié)結(jié)構(gòu)的靜、、動(dòng)力等問(wèn)問(wèn)題。二、船閘結(jié)結(jié)構(gòu)有限元元法有有關(guān)問(wèn)問(wèn)題的處理理1．確定計(jì)算算范圍對(duì)于整體式式閘室或閘閘首，地基基的水平工工作范圍L可取閘室底底部輪廓寬寬度B的2～4倍，即L=（2～4）B，地基深度度H可取B的1.0～1.5倍即H=（1.0～1.5）B。圖6-28船閘地基工工作范圍示示意圖2.剖分單元圖6-29閘室單元剖剖分示意圖圖3．地基和回回填土體的的非線(xiàn)性特特性土體的應(yīng)力力應(yīng)變模型型有非線(xiàn)性性彈性模型型和彈塑性性模型兩大大類(lèi)：（1）彈塑性模模型把總變變形分為彈彈性部分和和塑性部分分，用虎克克定律計(jì)彈彈性變形部部分，用塑塑性理論來(lái)來(lái)解塑性變變形部分。。（2）線(xiàn)性彈性性模型假定定全部變形形都是彈性性，但不同同的應(yīng)力階階段其彈性性常數(shù)是不不同的。常用非線(xiàn)性性彈性模型型：鄧肯（（Duncan）和張（Chang）提出的雙雙曲線(xiàn)模型型。Duncan和Chang建議在加荷荷時(shí)用下列列雙曲函數(shù)數(shù)擬合三軸軸試驗(yàn)應(yīng)力力應(yīng)變曲線(xiàn)線(xiàn)，即（6-96）式中a、b為試驗(yàn)常數(shù)數(shù)，a為軸向應(yīng)變變，并利用上述述關(guān)系推導(dǎo)導(dǎo)出了彈性性模量公式式：式中Et——切線(xiàn)彈性模模量；ut——切線(xiàn)泊松比比；、——大、小主應(yīng)應(yīng)力；Rf——破壞比，對(duì)對(duì)不同的土土約在0.75～1.0之間；（6-97）（6-98）式中——土壤的內(nèi)摩摩擦角；C——土壤凝聚力力；K、n、D、G、F為計(jì)算常數(shù)數(shù)，可由常常規(guī)三軸試試驗(yàn)確定。。利用式（（6-97）和式（6-98），即可計(jì)計(jì)算在不同同的應(yīng)力水水平下單元元的Et和t，從從而而形形成成整整體體剛剛度度矩矩陣陣，，進(jìn)進(jìn)行行非非線(xiàn)線(xiàn)性性有有限限元元分分析析。。卸荷荷及及再再加加荷荷階階段段，，彈彈性性模模量量Eur可按按下下式式確確定定：：（6-100）式中中Kur———由卸卸荷荷、、再再加加荷荷試試驗(yàn)驗(yàn)確確定定的的無(wú)無(wú)因因次數(shù)數(shù)，，一一般般Kur=（1.2～3.0）k。4．接接觸觸面面特特性性目前前工工程程中中常常用用的的接接觸觸單單元元有有Goodman和Decai單元元等等。。（1）Goodman單元元為無(wú)無(wú)厚厚度度四四結(jié)結(jié)點(diǎn)點(diǎn)單單元元，，兩兩接接觸觸面面之之間間設(shè)設(shè)想想由由無(wú)無(wú)數(shù)數(shù)的的法法向向和和切切向向微微小小彈彈簧簧所所連連接接，，其其應(yīng)應(yīng)力力和和相相對(duì)對(duì)位位移移關(guān)關(guān)系系為為式中中ws———切向向相相對(duì)對(duì)位位移移；；wn———法向向相相對(duì)對(duì)位位移移；；Ks———切向向彈彈簧簧系系數(shù)數(shù)。。Ks可由由直直剪剪試試驗(yàn)驗(yàn)確確定定：：（6-101）式中中———接觸觸面面剪剪應(yīng)應(yīng)力力；；K1———無(wú)因因次次勁勁度度；；n———?jiǎng)哦榷戎钢笖?shù)數(shù)；；rw———水的的容容重重；；Pa———大氣氣壓壓力力，，與與法法向向應(yīng)應(yīng)力力n的單單位相相同同；；Rf———破壞壞比比；；———土體體與與結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)物物之之間間的的摩摩擦擦角角。。（6-102）與上上述述其其它它單單元元一一樣樣，，