单孔水闸计算程序编制

摘要：开敞式U型单孔水闸和中小型船闸工程结构计算主要涉及结构自重、人字门侧向推力、扬压力、水压力和土压力等要素，结合各剖面的位置，计入不平衡剪力、墙后水压力的作用。笔者参考《水闸设计规范》[1]结合工程设计要求编制整体U型船闸结构计算流程，经已建工程验算，本程序的电算成果与手算基本无异。

关键词：单孔水闸 计算程序 计算原理

1 概述

珠江三角洲地区的中型工程大部分是开敞式U型单孔水闸和中小型船闸工程。按常规，结构计算主要涉及结构自重、人字门侧向推力、扬压力、水压力和土压力等要素，结合各剖面的位置，计入不平衡剪力、墙后水压力的作用。计算过程包含多道流程，每一道流程的计算与整体结构息息相关，错误率也比较高。鉴于此，笔者参考《水闸设计规范》[1]结合工程设计要求编制整体U型船闸结构计算流程，经已建工程验算，本程序的电算成果与手算基本无异。

2 计算原理

2.1 开敞式单孔水闸、船闸的型式基本可以简化成图1所示的对称U型结构。在图2所示的水位作用下呈现图3所示的荷载型式。闸内水压力为C1，闸内人字门对闸墙的等代压力是C2，闸墙后土压力用C3、C4表示，闸墙后水压力用C5表示。图4为C1、C2、C3、C4、C5叠加简化后的荷载图。NN表示闸墙上部结构传来荷载。墙后土压力相当于距地面h处的土侧压力，可运用朗金公式进行计算：q=hrtg2（45°-φ/2）

式中：r——回填容重（水下取浮容重）；

φ——回填土内摩擦角。

2.2 运算过程应兼顾不平衡剪力的作用，宜采用积分法计算不平衡剪力系数[2]。

2.3 通过截面法展开运算时，底板均布荷载Q是自重、水重、不平衡剪力、地基反力、浮托力与渗透压力之和。上述荷载逐项对断面A～E取矩计算。

2.4 弹性地基梁底板的荷载可简化如图4所示。MC、NC取截面法计算结果，底板均布荷载Q值同上。计算结果输出半截梁L的内力，可将L等分成6份，等分6为A截面，通过链杆法计算弹性地基梁，把地基梁等分为十二份，代以链杆和地基联系，基于梁体平衡及地基变形协调条件构建方程式对地基反力、梁体内力进行运算。

2.5 边荷载主要涉及均匀分布与三角形分布，须查表计算[3]，程序数据库用于存储数据，可在运算过程中自动查取。

2.6 在上下游取不同位置的剖面进行验算，最终确定最不利内力组合。

3 程序功能

基于稳定计算所获取的地基反力数据及渗透压力数据，分别在建成未填土、建成填土无水、有水情况1及有水情况2 四种条件下，运用截面法、弹性地基梁法（不考虑边荷载）和计算内力。其中，运用弹性地基梁法计算内力时必须考虑边荷载，而运用弹性地基梁法计算内力时无需考虑边荷载。

除上述情况以外的水位条件可分次输入计算。通过截面法对上述四种条件下A、B、C、D、E 截面（详见图3）的内力及配筋进行运算，以确定各截面最大最小内力值和相应的配筋。

本程序针对地基相对密实度在0.5以上的粘性土地基和沙土地基， 本程序分别在考虑与不考虑边荷载的条件下，根据上述四种情形，运用弹性地基梁法（链杆法）对底板内力进行运算。

整个程序包括三个主要模块，即荷载计算、内力计算和配筋计算。

4 程序框图（图5）

5 输入变量（表1，2）

6 计算例题

人字水船闸前首闸，根据原计算书中所示的剖面Ⅱ-Ⅱ，输入数据参考输入变量表顺序建立数据文件，继而制作人字水船闸手算电算结果比较表，将计算结果与原计算结果作比对。（表3）

7 结语

一个船闸闸首手算过程7～15天完成，运算时每一道流程与其他流程紧密联系，即使一个小流程出错都有可能影响整个运算过程。若运算条件达不到设计要求，还须重新计算结构尺寸。而本程序只需两天就能完成稳定计算的内容，并且还可以进行其他的运算，运算结构准确，能够为方案优化提供客观真实的参考数据。本程序除了适用于船闸结构的运算，在整体式单孔水闸与一般U形结构的运算中得到充分运用。而在计算双孔一联和三孔一联水闸结构时，只须对程序作简单调整即可应用。

本程序包含多种计算模式，无需输入大量数据，自动程度高，对于结构计算有很强的适用性。经人字水船闸、河清船闸等已建工程验证，电算成果与手算基本一致。目前，该程序已被广泛应用在东海船闸、南洲水闸、鹤峰水闸、官山导流闸、太平船闸及一拱船闸等省基建中型工程中，设计效率大幅提升。

参考文献：

[1]SL265-2001，水闸设计规范[S].

[2]张敬楼.水闸设计（第1版）[M].河海大学，1992.

[3]沈英武.弹性地基梁上的框架计算[M].水利出版社，1980.

作者简介：许志发，男，本科，工程师，从事水工设计施工。