羊头铺电站水闸底板结构计算

能源·水利

LOWCARBONWORLD2014/5

羊头铺电站水闸底板结构计算

重庆400020）（重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，阳代刚徐育平，

【摘

要】本文对水闸底板计算采用文克尔假定的基床系数法进行计算，考虑了基床系数K值的选择和不平衡剪力的计算，计算结果表明，采用文克尔假定的基床系数法计算水闸底板结构简单实用，对同类工程具有一定参考。【关键词】文克尔假定的基床系数法；基床系数K；不平衡剪力【中图分类号】TV662+.1

【文献标识码】B

【文章编号】（2014）2095-206609-0102-03

1工程简介

羊头铺水电站工程坝址控制流域面积4439.3km2，水库正常蓄水位247m时相应库容2367.5万m3，校核洪水位255.242m时相应库容6272万m3，电站总装机容量40MW。采用河床式厂房+泄洪冲沙闸+溢流坝+重力坝的枢纽总布置方案。羊头铺水电枢纽属Ⅲ等中型工程，其中水库为中型，电站装机为小（1）型。枢纽主要建筑物泄洪冲沙闸按3级建筑物设计。本工程设计确定设计流量8093m3/s（P=2%），校核流量11986m3/s（P=0.2%）。

泄洪冲沙闸紧靠厂房布置，闸室共5孔，每孔净宽12.0m，泄洪冲沙闸挡水总宽度为82.0m，闸室顺水流方向长24.0m。闸底板建于中风化基岩上，建基面高程227.0m、顶高程

231.0m，闸墩顶高程257.55m。泄洪冲沙闸检修闸门设一台移

动式门机，门机轨道中心间距9.0m，门机大梁为T型梁，梁高

1.5m。工作闸门为平板闸门，启闭机平台高程278.55m，净宽6.4m，其上设有工作闸门固定式启闭机。闸室上游侧设检修闸

门槽，中段设工作闸门槽。检修闸门门槽距闸室上游端7.07m，距工作闸门槽9.0m。

2闸底板的结构型式及分缝宽度

本工程结合地质情况，采用平底板宽顶堰结构型式。工程布置采用一跨一缝，永久缝设置于闸墩中间，本工程最大分缝宽度为17m。

3荷载计算及组合

3.1基本荷载

基本荷载有：①水闸结构及其上部结构和永久设备自重；

②相应于正常蓄水位或设计洪水位情况下水闸底板上的水

重；③相应于正常蓄水位或设计洪水情况下的静水压力；④相应于正常蓄水位或设计洪水情况下的扬压力（及浮托力与渗

D

透压力之和）；⑤土压力；⑥淤沙压力；⑦风压力；⑧相应于正LRO常蓄水位或设计洪水情况下的浪压力。

WNO3.2特殊荷载

BR特殊荷载有：①相应于校核洪水位情况下水闸底板上的ACW水重；②相应于校核洪水位情况下的静水压力；③相应于校核OL洪水位情况下的扬压力（及浮托力与渗透压力之和）；④相应界世于校核洪水位情况下的浪压力。

碳低3.3荷载组合

102

计算考虑作用在水闸上的荷载组合如表1所示。

表1水闸计算荷载组合表

荷载

荷载类别

组合

计算情况

自重水重静水扬压土压淤沙风压浪压

压力力力压力力力

其它

完建情况

√√√基本

组合

正常蓄水位情况√√√√√√√√√设计洪水位情况√√√√√√√√特殊

检修情况√√√√√√√√√

组合校核洪水位情况

√

√

√

√

√

√

√

√

4闸底板结构内力计算

4.1整体式平底板计算方法的选用

底板支撑在地基上，因其平面尺寸远较厚度为大，可视为地基上的一块板，受力情况比较复杂，计算采用近似的计算方法进行强度分析，本工程采用弹性地基梁法进行计算。弹性地基梁法是将梁与地基都视为弹性体，梁卧置于弹性地基上，梁受荷载发生弯曲变形，地基受压产生沉降，而梁与地基紧密接触，所以他们的变形和沉降是相等的，根据变形协调条件和静力平衡条件，确定地基反力及梁的内力。采用弹性地基梁法分析水闸闸室底板应力时，考虑可压缩土层厚度（T）与弹性地基梁半长（L/2）之比值的影响，计算采用文克尔假定的基床系数法。

4.2基床系数K值的确定

选用基床系数法（文克尔假定）计算弹性地基梁水闸底板内力时，应首先确定基床系数K值。基床系数K是使单位面积的地基上产生单位变形所需的力，K值反映了地基特性，即地基坚硬或软弱的程度，合理选择K值对于计算成果的精确性和可靠性具有重要意义。K值的确定通常有三种途径：①按理论公式或经验公式确定；②工程实践积累数据；③试验确定。

本工程采用中国船舶工业总公司第九设计院编《弹性地基梁及矩形板》介绍的魏锡克建议的计算方法，该方法是利用地基弹模、地基泊桑比、基础梁的弹模、惯性矩和基础梁宽度来计算基床系数，根据本工程地质资料，计算确定基床系数

K=500000kN/m3。

4.3板条

（闸底板）及墩条（闸墩）不平衡剪力的计算当闸门上下游水位差较大时，以闸门为界，将闸室分为上下游两段，分别在两段的中央取一单宽板条进行分析和计

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算。由于闸室上的荷载沿水流方向是有突变的（门机大梁、工作桥和启闭框架等设备只是在闸顶某一局部处），而地基反力是连续变化的，作用于整个闸段的荷载是不平衡的。计算底板时，取单位宽度为脱离体，向上的荷载不等于向上的荷载，从而产生不平衡剪力。这个不平衡剪力由脱离体两侧闸墩和底板截面上的剪力差来平衡，剪应力之和的差值即为不平衡剪力。

对正常运行工况，以工作闸门前为界，分闸室为上下游两段，各自承担分段内的上部结构重力和其它荷载（水重、浮托力、渗透压力及地基反力等竖向荷载）。对检修工况，以检修闸门前为界，分闸室为上下游两段，各自承担分段内的上部结构重力和其它荷载（水重、浮托力、渗透压力及地基反力等竖向荷载）。

4.4闸墩及底板不平衡剪力的分配计算

分配原则：不平衡剪力Q由闸墩及底板共同承担、各自承担的数值，本工程是闸底板和闸墩是简单的板条和墩条截面，计算直接应用积分法求解。

由材料力学可知，截面上的剪应力：

τQy=S

式中：J———截面惯性矩；

Q———

截面上的不平衡剪力；S———

计算截面以下（外）的面积对全截面形心轴的面积矩；

b———

截面在y处的宽度，底板部位为一闸段的底板长度（垂直水流向），在闸墩部位则为闸墩厚度总和。

图1不平衡剪力分布示意图则闸底板板条上的不平衡剪力Q底板按下式计算：

Q2底=Ql

f3-f2n+1n3

Q墩=Q-Q底

4.5计算基础梁上的荷载

（1）分配给闸墩的不平衡剪力作为梁的集中力：

P1=∑G1+Q（b1）12P2=∑G2+Q（b2）

12

式中：∑G1———作用在1号闸墩上的自重（顺水流向单宽1m）；

∑G2———

作用在2号闸墩上的自重（顺水流向单宽1m）。

（2）分配给底板上的不平衡剪力化作均布荷载，与其他荷载合并。单宽板条上的均布荷载q为：

能源·水利

q=q地+q扬-g底-g水+

Q底

式中：q地———单宽板条上的地基反力；

q扬———

单宽板条上的扬压力；q底———

单宽板条上的底板自身重力；q底———

单宽板条上的水重。4.6基床梁的类型确定

按文克尔模型计算弹性地基梁，基础梁可分为长梁，有限长梁和刚性梁。

先计算基础梁的特征系数β：

β=

姨

4

式中：E———基础梁的弹性模量；E=3.3×106kPa；I———

基础梁的截面惯性矩；I=Bh3/12，h为基础梁厚度；

B———

基础梁的宽度；B=1。经计算，β=0.29，本工程基础梁均属有限长梁。

4.7计算结果

闸室弯矩M、剪力V、横向基底反力P见表2～6。

表2闸室底板弯矩剪力计算结果表（竣工工况）

M（kN·m）

V（kN）

P（kN/m）

距离

上游段

下游段

上游段

下游段

上游段

下游段

M上

M下V上V下P上P下0.[**************]80.85-304-[**************]1.70-328-[**************]2.55-749-[**************]3.40-1065-[**************]4.25-1276-1137-48-43110985.10-1357-1211-176-15758525.95-1334-1190-279-24919176.80-1416-1263-350-312-8-77.65-1498-1336-385-344-22-198.50-1580-1409-385-344-23-209.35

-1603-1430-392-350-9-810.20-1685-1503-359-320181611.05-1709-1524-285-254615511.90-1802-1607-154-[1**********].75-1767-[**************]3.60-1510-[***********].45-1123-[***********].30-492-[**************]16.15-456-[**************]17.00

826

737

745

664

5结论

本文对水闸底板计算采用文克尔假定的基床系数法进行D

LR计算，考虑了基床系数K值的选择和不平衡剪力的计算，计算OW结果表明，采用文克尔假定的基床系数法计算水闸底板结构NOB简单实用，对同类工程具有一定参考。

RACWO参考文献

L界[1]王世夏.水工设计的理论和方法（第一版）.中国水利水电出版社

，

世碳低103

能源·水利

表3闸室底板弯矩剪力计算结果表（正常运行工况）

M（kN·

m）V（kN）

P（kN/m）

距离

上游段

下游段

上游段

下游段

上游段

下游段

M上

M下V上V下P上P下0.[**************]30.85-96-[**************].70-103-[**************]42.55-236-[**************]3.40-335-[**************].25-402-2266-15-86351965.10-427-2411-55-313181035.95-420-2370-88-4966336.80-446-2515-110-621-2-147.65-472-2661-121-685-7-388.50-497-2806-121-685-7-409.35-505-2848-124-697-3-1610.20-531-2993-113-63863311.05-538-3035-90-5061910911.90-567-3201-49-2743821312.75-556-[1**********]813.60-475-[**************]4.45-354-[***********]5.30-155-[***********].15-144-[**************]17.00

260

1467234

1323

表4闸室底板弯矩剪力计算结果表（设计洪水工况）M（kN·

m）V（kN）

P（kN/m）

距离

上游段

下游段

上游段下游段上游段

下游段

M上

M下V上V下P上P下0.[**************]70.85-176-[**************].70-190-[**************]2.55-434-[**************]3.40-616-[**************]4.25-738-1447-28-55641255.10-786-1540-102-20034665.95-772-1514-162-31711216.80-820-1607-202-397-5-97.65-867-1700-223-437-12-248.50-914-1792-223-437-13-269.35-928-1819-227-445-5-1010.20-975-1912-208-408112111.05-989-1939-165-323367011.90-1043-2045-89-1756913612.75-1023-[**************].60-874-[***********].45-650-[***********].30-284-[***********].15

-264-[**************]D

17.00

478

937

431

845

LRO2002，7.

WN[2]中国船舶工业总公司第九设计院编.弹性地基梁及矩形板（第一版）.OB国防工业出版社出版，1983，1.

RACWO收稿日期：2014-4-8

L界作者简介：世徐育平（1965-），男，高级工程师，本科，主要从事水

碳利水电工程设计工作。

低104

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表5闸室底板弯矩剪力计算结果表（校核洪水工况）

M（kN·m）

V（kN）

P（kN/m）

距离

上游段

下游段

上游段

下游段

上游段

下游段

M上M下V上V下P上P下0.[**************]00.85-150-[**************].70-162-[**************]2.55-369-[**************]3.40-525-[**************].25-629-1479-24-56541285.10-670-1575-87-20429675.95-658-1547-138-3249226.80-699-1642-173-406-4-97.65-739-1737-190-447-11-258.50-779-1832-190-447-11-269.35-791-1860-194-455-5-1110.20-831-1955-177-41792111.05-843-1982-141-331307111.90-889-2090-76-1795913912.75-872-[1**********]713.60-745-[***********].45-554-[***********].30-242-[***********].15-225-[**************]17.00

408

958

367

864

表6闸室底板弯矩剪力计算结果表（检修工况）

M（kN·m）

V（kN）

P（kN/m）

距离

上游段

下游段

上游段

下游段

上游段

下游段

M上M下V上V下P上P下0.0000-47715-426380.8526-395-11173-345261.7028-425-54826-274202.5563-972-30456-213173.4090-1383-11164-152244.25108-16564-63-91435.10115-176315-229-5755.95113-173224-363-2246.80120-183930-4541-107.65127-194533-5012-288.50134-205133-5012-299.35136-208233-5091-1210.20143-218830-467-22411.05145-221824-370-58011.90152-234013-200-1015612.75149-2294-118-1725413.60128-1960-21327-2437114.4595-1459-48742-3350515.3042-638-831275-4365316.1539-593-18273-5380617.00

-70

1073

-63

967

阳代刚（1975-），男，高级工程师，研究生，主要从事水利水电工程设计工作。