胸墙在水闸闸室结构中的“扁担效应”

田晋生 甄 峰

（江苏省水利工程科技咨询有限公司，江苏南京 210000）

1 概述

水闸是控制水位与调节流量的低水头水工建筑物，主体是闸室段，其构造形式主要取决于泄放水流的方式以及闸门的构造和操作方式。按照水闸的泄流特点，闸室段有开敞式、胸墙式、涵洞式、双层式结构，根据挡水、泄水条件和运行要求，结合考虑地形、地质等因素，合理选择闸室结构是水闸设计的要点，应力求做到结构可靠、布置紧凑、施工方便、运用灵活，同时做到经济美观。

当水闸的闸槛高度较低，挡水高度较大，需要泄放或取用底层水流时，常用胸墙式水闸，例如沿海、沿江的挡潮闸和一些送水河道上的送水闸常采用该种闸室布置。胸墙式水闸一般由闸底板、闸墩、胸墙、闸门、工作桥、交通桥等结构组成。闸室设置胸墙挡水，底部设置孔口泄水，可以减少闸门尺寸，利于下游冲淤保港，有其独特的优点。平原河网地区的节制闸有时为了限制过闸最大单宽流量，防止下游产生局部冲刷，亦采用这种类型的闸室。

2 胸墙的“扁担效应”

胸墙的主要作用是减少闸门高度，从而减轻闸门重量和启闭机启门力，胸墙在闸室中的位置取决于闸门的型式和闸室的稳定性。当采用弧形钢闸门时，胸墙应布置在靠上游一侧，以使闸室有足够的位置布置闸门。当采用平面钢闸门时，胸墙一般布置在略偏下游一侧，利用胸墙和闸门前的水重增加闸室的抗滑稳定性。挡水高度不大的小孔径水闸，胸墙可做成实心板式结构，挡水高度与孔径较大的水闸则多数采用墙板、顶梁与底梁组成的肋板式胸墙。

闸室上部结构与闸墩的连接方式要与闸室的构造要求相配合。江苏省早期建造的水闸，无论闸室底板采用分离式、反拱式还是整体式，一般情况下，胸墙等上部结构均采用简支方式，因为简支结构受力比较明确，计算相对简单，适应变形能力好，施工方便。当地基较为软弱，压缩性较大，可能出现不均匀沉陷的情况下，则宜采用铰支或固支，利用上部结构的刚度增加闸室的横向刚度，以防止产生过大的变形。随着我国综合国力的增强，胸墙式水闸闸室结构设计采用胸墙与闸墩中的“扁担效应”的近似计算方法。

弹性地基梁假定计算水闸底板内力，是以闸门、胸墙分界在垂直水流方向截取上、下游两条板带进行计算，为了计算胸墙的竖向内力即“扁担效应”，也可以沿闸室胸墙两侧截取一定宽度的板带作为脱离体，将胸墙视作框架的顶板，按弹性地基上的框架计算闸室胸墙段的结构内力。首先，按常规计算方法，确定脱离体两侧的不平衡剪力以及脱离体段总不平衡剪力，脱离体总不平衡剪力由闸墩和底板共同承担，闸墩和底板承担的数值根据剪应力分布图形确定，计算时须绘制剪应力分布图，据此计算闸墩与底板之间的剪力分配比例，按分配比例进行总不平衡剪力分配。一般情况下，闸底板分担不平衡剪力约10%~15%，闸墩分担约85%~90%。不平衡剪力分配确定之后，即可按一般计算方法，分别确定框架结构各部位固支连接的趋势。此时胸墙的设计必须充分考虑胸墙在闸室结构计算中竖向的“扁担效应”以及温度影响产生的次内力。

3 胸墙内力计算方法

在水闸结构设计时，一般按二维平面问题进行计算，即根据确定的闸室结构特点，将其分解为各自独立的构件，分别计算内力并配筋。在采用弹性地基梁计算水闸底板内力时，往往也是在垂直水流方向截取有代表性的若干板带进行计算，以垂直水流方向的地基反力作为待求数值，水闸闸墩及上部结构的重量通过闸墩传至底板，可作为水闸底板的外荷载看待，无论胸墙与闸墩的连接方式如何，一般不考虑胸墙以及上部结构与闸墩的连接作用，胸墙内力也仅仅是由水压力、浪压力的大小计算确定。

胸墙式水闸存在工程建设完成数年后，随着地基土壤的固结、闸室结构的变形，会出现使胸墙开裂的情况，有些胸墙开裂甚至比较严重。当胸墙与闸墩固结连接，据类似工程的设计经验，可对胸墙式闸室结构的计算模型进行简化，为此提出了考虑胸墙在闸室中的作用荷载，并绘制计算模型后计算结构内力。水闸闸室连续胸墙结构竖向跨高比（跨度/高度）一般为l0/h＜0.5，按照《水工混凝土结构设计规范》的规定，胸墙应按深受弯构件进行配筋计算，并按深弯构件构造要求布置钢筋，最后还应按梁板结构核算配筋是否满足水压力、浪压力作用下水平向限的承载力要求。

采用上述计算方法，主要需要确定脱离体宽度、框架计算高度以及胸墙作为框架顶板的刚度。为此作如下假定：（1）首先计算胸墙的竖向形心位置，以胸墙形心位置至底板中心的距离作为框架的计算高度，胸墙形心至闸墩顶之间的外部荷载，应根据等效原则转换成水平力、力矩作用在框架上部节点上；（2）参照《船闸水工建筑物设计规范》6.1.21规定，近似取胸墙形心至底板顶面高度y的2/3y为脱离体的宽度；（3）计算胸墙竖向惯性矩，将竖向惯性矩平均分配在2/3y宽度范围，作为单位宽度框架的顶板计算刚度（见图1）。按照上述计算假定，取胸墙段单位宽度确定计算模型，依此计算闸室胸墙段结构内力。

4 计算实例

4.1 框架内力计算

某胸墙式水闸，闸址地貌类型属长江新三角洲平原区，地面高程2.3~3.0 m。场地区位于扬子准地台苏北拗陷的次一级海安凹陷区，勘探揭示深度范围内地层均为第四系全新统长江冲积层（Q4a1），闸底板下持力层为灰色中、轻粉质软壤土夹砂壤土、粉砂或为互层，具有水平层理。该层上部以淤泥质壤土为主，标准贯入击数一般为3~5击，下部砂性逐渐增大，标准贯入击数一般为6~14击，层厚5~12 m，压缩模量Es=9.5 MPa，地基容许承载力［R］=80 kPa（DJ2）。下卧层为灰、青灰色细砂、极细砂，夹中、轻粉质壤土，稍密~中密状态，局部松散，含云母片，夹黄灰色淤泥质重粉质壤土薄层，一般厚度6 m左右，局部厚10~11 m，压缩模量Es=18.0 MPa，地基容许承载力［R］=130 kPa（DJ3）。

该闸单孔净孔径5.50 m，计3孔，底板面高程-2.0 m，厚度1.1 m，闸顶高程6.0 m，胸墙顶高程同闸顶高程，底高程为3.0 m，两端与闸墩固结。胸墙为梁、板式结构，面板厚0.25 m，中梁高度 0.55 m（横向），宽0.3 m（纵向），底梁高度 0.7 m，宽 0.4 m。水闸中墩厚1.2 m，两侧边墩为变截面，墩顶厚0.8 m，下部墩厚1.4 m，采用整体式底板，三孔一联，不设岸墙，两侧边墩直接挡土。

图1 胸墙段单位宽度计算模型图

闸底板四周采用双排Φ60 cm水泥搅拌桩套打围封，闸基采用Φ60 cm水泥搅拌桩处理，间距1.1 m×1.2 m，围封、承载水泥搅拌桩桩长均为6.0 m。桩基置换率约为αe=0.214，水泥搅拌桩压缩模量：

Es=（100 ～120）fcu=100 ×120=120000 kPa

桩、土压缩模量：

Es=33000 kPa（DJ1）

框架内力计算采用河海大学工程力学研究所编制的《水工结构有限元分析系统》（AutoBANK V5.6）程序中梁系结构，分别按完建、挡水两种工况计算，计算中荷载没有计入分项系数的影响，计算模型见图2。

经计算，两种工况下胸墙弯矩图基本形态相同，均表现为两侧边孔临边墩处下部受弯，临中墩处上部受弯，中孔则上部受弯。以完建工况为例（完建工况弯矩、剪力图见图3），胸墙承担脱离体4.5 m宽度的顶板弯矩。

边孔胸墙下部最大弯矩：

Mmax=341×4.5=1534.5 kN·m

边孔胸墙上部最大弯矩：

Mmax=437×4.5=1966.5 kN·m

中孔胸墙上部最大弯矩：

Mmax=86.8×4.5=390.6 kN·m

胸墙上部最大剪力：

Qmax=130×4.5=585 kN

4.2 胸墙配筋复核

该闸胸墙截面为倒“F”型，高度为3.0 m，面板厚0.25 m，混凝土强度等级C20，强度设计值fc=9.6 N/mm2，ft=1.1 N/mm2。钢筋采用Ⅱ级钢，强度设计值：

fy=fy′=300 N/mm2

按《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008），深受弯构件的正截面受弯承载力应符合下列规定：

KM≤fyAsZ式中：

Z=αd（h0-0.5x）

现以胸墙下部钢筋计算为例：

（1）计算截面有效高度h0

l0/h=6.70/3.0=2.23

αs≈0.1h=300 mm

h0=3000-300=2700 mm

（2）验算胸墙截面尺寸要求

hw=2700 mm，

KM=1.35×585×1000

截面尺寸满足要求。

（3）计算内力臂系数αd

αd=0.8+0.04×l0/h=0.8+2.23=0.89

（4）计算截面受压区高度

按单筋矩形截面简化计算，As′=0

图2 计算模型图

胸墙剪力图（完建）

图3 完建工况剪力、弯矩图

（5）计算横向受拉钢筋

按深梁配筋构造要求，深弯梁的下部纵向收拉钢筋应均匀地布置在下缘以上0.2 h范围内；2.5≥l0/h=2.23≥1.5，按构造要求，深弯梁上部钢筋应按0.4 h范围配2As/3，其下0.4 h范围配2As/3。该闸胸墙下部0.2 h范围内实配钢筋11Φ20+2Φ14，As=3454+3762 mm2，满足要求；胸墙顶部向下0.4 h范围实配钢筋6Φ20+3Φ18+8Φ14，As=3878 mm2，其下 0.4 h 范围实配 12Φ14，As=1846 m2，经计算，胸墙上部钢筋、构造也满足上述规范要求，但该闸胸墙立面采用倒“F”型布置，设计时未考虑胸墙的“扁担效应”，钢筋布置不尽合理。按使用阶段极限状态计算，胸墙边孔下边角、上边角及中孔中间裂缝宽度分别为 δ边下=0.231 mm，δ边上=0.263 mm，δ中上=0.060 mm。该闸裂缝修补的部位与计算裂缝位置一致，笔者采用的基本假定和计算方法，结果与实际状况比较吻合。

5 结论

按照上述假设、计算方法，通过对现有建筑物的胸墙结构分析计算可知，当胸墙与闸墩固结时，连同闸室胸墙段其他结构的共同作用，由于胸墙竖向刚度相对较大，在外部荷载及结构自重的作用下，必然产生较大的结构内力。根据计算模型，通过对外部荷载逐次加载分析，对胸墙内力影响较大的外部荷载依次是作用在边墩上的水平荷载和作用在闸室两侧的边荷载。为了改善胸墙受力条件，当两侧边墩挡土高度较大时，可以在闸室边墩两侧设置空箱岸墙，以抵消闸室两侧边墩上的水、土压力，降低边荷载强度，是降低胸墙内力的有效措施。胸墙立面梁板结构布置也应充分考虑胸墙的“扁担效应”，以有利于按构造要求布置钢筋。当闸室净宽大于或等于8.0 m时，胸墙是采用固支还是简支即“抗”与“放”，应通过计算分析比较确定。

闸室中胸墙的位置一般在闸室偏中间部位，位于工作桥的下方，低水位情况下，胸墙顶部处于自然环境中，下部则可能浸入水面以下，常年受气温、水温的变化影响和太阳的照射，会导致纵向产生位移。当胸墙与闸墩固结时，会产生温度次内力。当跨径大于或等于8.0 m时，建议考虑温度作用对胸墙内力的影响。

采用上述方法也可对其他类型水工建筑物的结构进行分析计算，例如：立式泵站的进水流道段，卧式泵站的进、出流道段，这两种类型泵站结构的上述部位，均为下部是箱涵结构（流道），上部为站身胸墙以及隔水墙，结构特点也是胸墙、隔水墙竖向刚度大。笔者曾采用该方法对涵洞工程上、下洞首进行内力计算，并按深受弯构件对箱涵上部槽壁进行配筋，通过20多年的运行，经检验，涵洞箱涵槽壁未发现结构开裂现象。实践证明，采用笔者介绍的计算方法可以较好地解决水利工程界常说的结构“挑扁担”的问题。