南水北调东线穿黄河工程建设理论与实践
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7.3 出湖闸设计

7.3.1 设计概况

出湖闸为3孔一联,孔口尺寸宽6m,高3.5m,底板顶高程为34.54m,闸室总宽23.2m,长15m。工作闸门为平板钢闸门,采用固定式卷扬启闭机启闭,检修门槽采用叠梁钢闸门,以移动式电动葫芦启闭。在闸室左侧设一叠梁检修门库,右侧为回填土,高程为40.50m。

出湖闸边墩厚1.2m,中墩厚1.4m,底板厚1.3m。底板底高程33.24m,闸墩顶高程为42.80m。

排架垂直水流方向共3跨,两侧净宽为6.85m,中间为6.7m。顺水流方向为1跨,净宽为2.2m。

出湖闸为地下环境,属于二类环境。允许裂缝宽度短期组合0.3mm,长期组合0.25mm。

本工程等别为Ⅰ等,主要建筑物按Ⅰ级建筑物设计。闸址区地震烈度为Ⅶ度,建筑物按Ⅶ级地震烈度设计,地震峰值为0.1g。

7.3.2 出湖闸优化设计

7.3.2.1 初步设计

初步设计中,出湖闸闸前水位39.15m,闸下水位39.07m。涵闸总长135m,2孔一联共4孔,孔口尺寸宽5m,高3.5m,四孔过流净宽20m,闸室总宽26.42m,长15.00m。闸后为2孔一联的钢筋混凝土无压箱涵,共二联4孔,每孔净宽5.0m,高6.0m。箱涵总长60m。

7.3.2.2 优化设计

东平湖内共用段为济平干渠清淤底宽加宽到60m后,出湖闸闸上水位可达到39.17m。考虑充分利用该部分水头,同时为了小流量操作运行方便,经断面模型试验验证,出湖闸由四孔过流净宽20m(4×5m)调整为三孔过流净宽18m(3×6m),孔口尺寸宽6m,高3.5m,闸后为3孔一联的钢筋混凝土无压箱涵,每孔净宽6.4m,高6m。箱涵每18.5m设一浇筑段,共3段,总长55.5m。出湖闸如图7-6、图7-7所示。

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图7-6 出湖闸正视图

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图7-7 出湖闸侧视图

7.3.3 防渗止水设计

闸基抗渗稳定性验算时,要求水平段和出口段的渗流坡降必须分别小于表7-1规定的水平段和出口段允许的渗流坡降值。

出湖闸的防渗布置以水平防渗为主,垂直防渗为辅。水平防渗措施为上游设混凝土铺盖,下游设混凝土消力池。铺盖、闸室、各段箱涵以及消力池之间均以止水相连,闸室两侧回填壤土。环向伸缩缝和变形缝内设橡胶止水带,缝内填充聚乙烯闭孔泡沫板,表面设双组分聚硫密封胶明止水。垂直防渗主要是一些齿墙。水平防渗投影长度(不计上游铺盖)100.5m。

表7-1 水平段和出口段允许渗流坡降值

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注 当渗流出口处设滤层时,表列数值可加大30%。

该闸室地基为壤土。渗流计算的控制工况为滞洪工况,此时闸上水位为44.80m,闸下游按无水考虑。

均匀地基中的渗流作用运动负荷拉普拉斯方程式。理论上,在一定的边界条件下,可以获得渗透要素(渗透压力。渗透坡降、渗透流量)的解答。但是,由于数学上的困难,只有在边界条件比较简单的情况下,才能得出精确地解答。为了满足工程设计的实际需要,前人做了大量工作,国外学者曾提出了一系列足够准确的近似计算方法,例如柯斯拉独立变数法,巴甫洛夫斯基分段法,丘格也夫阻力系数法等。

本工程渗流计算采用改进阻力系数法,具体采用公式如下。

(1)地基有效深度的计算。按照扬压力分布曲线、渗流量、出逸坡降值等均不再变化时的有效深度为:

img时:

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img时:

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若不透水层的埋深T>Te,则用有效深度Te进行计算,若T<Te,应按实际透水层深度T进行计算。

(2)进、出口段的阻力系数为:

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阻力系数计算示意图如图7-8所示。

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图7-8 阻力系数计算示意图

1)内部垂直段的阻力系数为:

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2)水平段的阻力系数为:

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3)各分段的水头损失值的计算为:

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渗流计算结果见表7-2,涵闸的进出口及水平段均满足规范要求。

表7-2 渗透坡降计算表

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注 表中的计算结果未考虑铺盖和消力池的防渗作用。

7.3.4 设计计算

7.3.4.1 闸室稳定计算

(1)计算依据。

水位:上游设计输水位39.3~40.30m,校核水位44.80m,下游设计水位39.07m,地下水位35.43m。

地震:地震基本烈度为Ⅶ度,按Ⅶ度设防。

(2)计算荷载和荷载组合。根据出湖闸的实际运用情况,其计算工况主要有:完建工况、正常运行、正常运行+地震工况、挡洪工况。各工况的具体计算条件和荷载组合见表7-3和表7-4。

表7-3 计算条件

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表7-4 闸室稳定计算工况的荷载组合表

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(3)计算公式。土基上沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数计算公式如下:

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对于粉质壤土,C0值约为固结快剪试验测得的黏聚力的30%~50%,φ0约为室内饱和固结快剪试验测得的内摩擦角的90%~95%。

抗倾稳定计算采用公式如下:

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闸基反力不均匀系数为闸室基底应力的最大值与最小值之比。根据偏心受压公式求得底板上下游段的基底压力强度为:

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闸室稳定计算结果见表7-5。

土基上的闸室稳定计算应满足下列要求:

1)在各种计算情况下(一般控制在完建情况下),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。

2)在各种计算情况下(多数控制在设计洪水位情况下或校核洪水位情况下,或正常挡水位遭遇地震情况下),基地压力分布不均匀系数不大于规范允许值,以免产生过大不均匀沉降。

3)沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数不小于规范允许值。

通过各种工况计算,闸室抗滑稳定系数、抗倾稳定系数、应力不均匀系数均能满足规范要求,但地基应力不能满足规范要求,需进行地基处理。

表7-5 闸室稳定计算结果

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7.3.4.2 闸室结构计算

(1)计算模型。采用SAP2000程序。取顺水流方向集中荷载最大段的单位宽度计算,将闸墩、底板和地基作为一个整体,简化为弹性地基上的平面框架结构,计算断面简图如图7-9所示。

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图7-9 计算断面简图(单位:m)

(2)荷载组合和计算工况。作用在闸室(泵房)上的主要荷载有:闸室(泵房)自重和永久设备自重、水重、静水压力、扬压力、浪压力、土压力、地震力等。

水平水压力:上游水平水压力,作用在闸墩迎水面和闸墩上游两侧,以面力形式加在闸墩的单元上。

扬压力为浮托力及渗透压力之和,根据改进阻力系数法计算各工况渗透压力,计算公式见抗渗稳定计算;浮托力的大小等于该点与下游水位的高程差乘以水的容重,即:

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地震动水压力折算为与单位地震加速度相应的迎水面附加质量。

按基本组合和特殊组合两种荷载组合考虑。荷载组合和计算工况见表7-6。

表7-6 荷载组合和计算工况

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(3)计算结果。内力计算结果见图7-10。

计算结果统计见表7-7。

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图7-10 闸室内力图

表7-7 主要内力计算结果

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计算成果汇总见表7-8。

表7-8 闸室配筋计算表

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闸室配筋均大于最小配筋率要求,计算裂缝宽度均小于规范允许值。闸室后段为箱涵结构,后段底板配筋采用埋涵配筋数据。闸室底板配筋施工如图7-11所示。

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图7-11 闸室底板配筋施工

7.3.4.3 排架结构计算

(1)基本资料。计算采用整体计算方法,运用SAP2000程序进行结构计算。排架计算模型如图7-12所示。

(2)荷载组合和计算工况。按基本组合和特殊组合两种荷载组合考虑,荷载组合和计算工况见表7-9。

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图7-12 计算模型

表7-9 荷载组合和计算工况

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(3)计算结果。排架各部位内力计算主要结果如图7-13~图7-15所示。

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图7-13(一) 主梁最大内力图

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图7-13(二) 主梁最大内力图

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图7-14 次梁最大内力图

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图7-15 排架柱最大内力图

内力计算及配筋、裂缝计算结果略。

7.3.4.4 箱涵结构计算

(1)基本资料。闸后为3孔一联的钢筋混凝土无压箱涵,共3孔,每孔净宽6.4m,高6.0m。总长55.5m。箱涵出口底高程34.48m,纵坡为1/925。

该闸为地下环境,属于二类环境。允许裂缝宽度短期组合0.30mm,长期组合0.25mm。

计算条件如图7-16所示。

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图7-16 计算条件图(单位:m)

(2)荷载组合和计算工况见表7-10。

表7-10 荷载组合和计算工况

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(3)计算结果。本计算只取顺水流方向单位宽度计算,按基本组合和特殊组合两种荷载组合考虑,荷载取集中荷载最大段进行计算,运用SAP2000程序进行内力计算。

内力及配筋、裂缝计算结果为:埋涵内力图如图7-17所示,埋涵内力计算结果汇总见表7-11,配筋及裂缝计算结果见表7-12。

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图7-17 埋涵内力图

表7-11 埋涵内力计算结果汇总

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表7-12 配筋及裂缝计算结果

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