大跨径水闸底板结构型式分析

王 洁杨 宁张耀乾

（1.南京市水利规划设计院有限责任公司，江苏南京 210022；2.南京市栖霞区水利局，江苏南京 210005；3.南京市栖霞区龙潭办事处水利管理服务站，江苏南京 210057）

随着工程技术水平的不断提高，水闸单孔净宽逐渐扩大到20～40 m，远远大于以往10 m左右及以下跨径，且有的水闸为单块整底板，即超出了《水闸设计规范》规定的分段长度。而底板作为水闸最重要的基础部件，其结构应满足功能需要并保证结构的安全及长期稳定，因此，对大跨径底板结构型式的研究是十分有必要的，对水闸工程的发展具有重要意义。

1 大跨径水闸底板结构类型

1.1 实体结构底板

实体底板是传统的水闸底板结构型式之一，大跨径水闸中同样可以采用此种型式。具体实例如：南京三汊河口闸，见图1，共2孔，单孔净宽40 m，底板厚2.5 m；无锡江尖水利枢纽节制闸，共3孔，单孔净宽25 m，底板厚2.5 m；南京划子口河闸，共1孔，净宽30 m，底板厚2.5 m。3座水闸每孔均为独立整底板，沉降缝位于闸墩之间，底板不设缝。

1.2 钢筋混凝土空箱结构底板

钢筋混凝土空箱底板为一种较新颖的结构型式，利用空箱部分，其在减小底板实体厚度的同时又增加了刚度。具体实例有：淮安楚州控制工程节制闸，见图2，共1孔，净宽30 m，底板总厚度为3.8 m，其中，空箱高度为2.2 m，上下层面板均为0.8 m厚；南京中山河闸，采用闸坝结合的结构型式，中间为一单孔水闸，两侧为溢流堰，闸孔净宽24 m，闸门上游底板总厚度为3.8 m，其中，空箱高度为2.2 m，底板及顶板均为0.8 m厚，闸门下游底板为厚2.15 m的实体底板。两座水闸均为独立整底板，不设缝。

图1 南京三汊河口闸横剖面图（单位：高程m，尺寸cm）

图2 淮安楚州控制工程节制闸横剖面图（单位：高程m，尺寸cm）

图3 上海苏州河河口水闸横剖面图（单位：cm）

1.3 空箱钢壳薄壁混凝土结构底板

上海苏州河河口水闸，见图3，单孔净宽为100 m，闸底板借鉴大型沉管隧道工程管段的设计，底板采用空箱钢壳薄壁混凝土结构，底板总长99 m，厚度为6.35～4.4 m。底板搁置在两个边闸墩和中墩之上，竖向类似简支于3个闸墩之上的两跨连续梁，同时，由于中墩提供的水平向约束力非常小，底板水平向又类似简支于边闸墩上的单跨箱梁。

2 底板结构型式分析

2.1 实体底板厚度分析

上述水闸底板单跨跨径均较大，若按《水闸设计规范》中建议闸室底板厚度取闸孔净宽的1/6～1/8，则底板厚度将达到3.00～6.67 m，属于大体积混凝土，具有结构面积大、混凝土强度等级高、水泥用量多等特点，水泥水化所释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩变形，形成温度应力，导致裂缝产生。因此，底板厚度应在适中的范围内，既能满足结构的要求，又能减少工程量，避免裂缝的产生。

目前，几座已经建成使用的采用实体底板的大跨径水闸，底板厚度均为2.5 m，与闸孔净宽比为1/16～1/10，同时，为满足底板结构强度的要求，南京三汊河口闸与划子口河闸底板均采用C30混凝土，江尖水利枢纽节制闸底板采用C25混凝土。从配筋上看，3座水闸底板顶面主筋（跨径方向）均采用直径28 mm的HRB335级钢筋，间距为100 mm；底面主筋江尖枢纽采用直径25 mm的HRB335级钢筋，间距为125 mm，另两座均与顶面配筋相同。底板顶面配筋率为0.255%，底面配筋率为0.255%（江尖枢纽为0.163%），均大于工程设计时采用《水工混凝土结构设计规范》SL/T191-96）所规定的最小配筋率0.15%，所用钢筋也属于常用钢筋，配筋较合理。底板厚度取值合理，既可以使配筋在合理范围内，又有利于控制大体积混凝土在施工中由于温度应力而产生裂缝。

2.2 钢筋混凝土空箱结构底板受力分析

钢筋混凝土空箱结构是用隔墙、上下层面板将水闸底板纵横向均分隔成相互独立的箱体，空箱净宽可取2～3 m，空箱净高一般为2.0～2.2 m，上下层面板厚度为0.8～1.0 m，底板总高度为3.6～4.2 m。图4为淮安楚州控制工程节制闸底板水平向剖面图，可以看出，通过设置垂直水流向的隔墙将底板设计成空箱结构，又通过设置顺水流向的隔墙将空箱再次分隔成更小的相互独立的隔仓，使空箱跨径缩短，顺水流向隔墙可以看作是垂直向隔墙所形成的“工”字形梁的肋板。这种空箱结构大大减小了底板的实体厚度，同时又利用纵横向隔墙增强了底板的刚度。此种底板结构受力情况较为复杂，整体上看，底板成为多个“工”字形梁结构，而同时各隔仓上下层面板又成为四边固支的双向板结构。因此，底板内力计算时，隔墙应作为T形梁计算，而隔仓上下层面板应作为双向板计算，有条件时应同时采用三维线弹性有限元方法进行计算。

2.3 空箱结构底板对闸室稳定性的影响及优化

传统型式的实体结构底板，重量较重，对闸室抗滑及抗浮稳定有利；而空箱结构底板由于板中空箱部分体积较大，底板实体厚度大大减小，自身重量相比实体底板也较轻，故在有水工况下浮托力较大，不利于闸室抗滑及抗浮稳定。为满足整体稳定的要求，可在隔仓内填充土、砂等，为节省工程投资，也可以设置进水孔，向隔仓内充水，利用填充物的重量提高闸室整体稳定性。水闸关门挡水时，由于上下游水头差作用，底板最大应力位于上下游侧，苏州河河口水闸底板沉放就位后，为提高底板的整体稳定性和增大局部截面的刚度，对底板横向两外侧隔仓的部分舱位（中、边墩附近）用混凝土填充，以起到减小底板最大压应力的作用。

图4 淮安楚州控制工程节制闸底板水平向剖面图（单位：cm）

3 实体与空箱结构底板比较

3.1 跨径适用情况比较

水闸跨径越大，底板厚度也相对越厚，但厚度过大会使底板重量大幅度增加，闸底地基应力相应变大，而水闸多处于河口地区，地质条件为较差的软土地基，地基处理难度更大。同时，大体积混凝土的水泥用量更多，水化热大，更容易产生裂缝。而空箱结构能有效地减小底板实体厚度及自重，利用空箱增加了底板的总体高度，纵横向隔墙又使刚度得到保证与提高，同时，空箱部分节省了大量的混凝土，有利于控制裂缝的产生，施工质量较好。因此，空箱结构比实体结构更适合大跨径闸孔，且适用的跨径范围更大，如：单孔净宽达到100 m的上海苏州河河口水闸。

3.2 结构内力计算比较

闸室底板是整个闸室结构的基础，是全面支承在地基上的一块受力条件复杂的弹性基础板，这样的“结构—地基”体系应按空间问题分析其应力分布状况，计算极为繁冗，因此，工程实践中往往将其近似地简化成平面问题，采用“截板成梁”的方法进行计算，地基反力一般采用弹性地基梁法计算。实体底板取单位宽度为脱离体，再按矩形截面构件计算正截面受弯承载力并配筋；而空箱结构底板由于底板不均匀，因此，应将垂直水流向的隔墙作为梁肋，将隔墙两侧各一半空箱宽度的上下层面板分别作为上下翼缘，组成“T”形截面构件计算正截面受弯承载力并配筋，上下层面板应按四周固支在纵横向隔墙上的双向板计算。另外，采用有限元方法计算空箱结构时，由于水闸结构整体模型可考虑底板内部顺水流向隔墙的约束作用，计算的内力结果小于结构力学的计算结果。

3.3 施工质量

实体底板较空箱结构底板厚、混凝土用量大，水泥水化热聚集在内部不易散发，易形成较大的内外温差，内部产生压应力，外部产生拉应力，如内外温度差超过25℃时，则混凝土表面将产生裂缝，由此将给工程带来严重危害。而空箱结构底板被隔仓分割成上下两层面板，厚度大大减小，浇筑时也可将上下两层分开浇筑，浇筑方量较实体底板大幅度减少，降低了裂缝产生的机率。但两种结构底板混凝土用量相对均较大，施工过程中须采取有效措施控制裂缝的产生。

空箱结构虽然较实体底板混凝土用量较少，但总厚度方面却大于实体底板。因此，在底板顶面高程相同情况下，空箱结构底板底面需挖得更深，增大了基坑内外水头差，渗透压力变大易引起砂性土地基发生流砂现象，给工程带来较大危害，因此，对施工期降排水要求更高，增加了降排水难度。

4 结语

（1）实体结构和空箱结构均可用于大跨径水闸闸室底板，但空箱结构刚度更大，自重较轻，更适合大跨径结构，且可向空箱内填土或充水提高闸室整体稳定性，但应特别注意施工期的降排水。

（2）实体结构底板厚度应控制在适当范围内，不宜太厚，初步可按闸孔净宽的1/16～1/10取用，底板配筋应在合理范围内。施工时必须采取有效措施控制大体积混凝土结构裂缝的产生。

（3）空箱结构底板受力及计算更加复杂，宜同时采用结构力学方法与有限元法，保证结构安全。

［1］中华人民共和国水利部.水闸设计规范（SL265-2001）［S］.北京：中国水利水电出版社，2001.

［2］陈宝华，张世儒.水闸［M］.北京：中国水利水电出版社，2003.

［3］陈峰，卢永金，吴维军，盛军.苏州河河口水闸底板结构设计［J］.水利水运工程学报，2007（2）：36-41.