三峡船闸结构分类与尺寸

3.4.2.1 结构型式

（1）结构主要型式。大型水利枢纽船闸闸室，通常采用混凝土或钢筋混凝土结构，一般由闸室墙和闸室底板两部分组成。按照闸墙和底板之间的连接关系，分为整体式结构和分离式结构。

分离式结构的闸室墙，按受力型式又分为重力式、扶壁式、衬砌式和混合式结构等。混凝土重力式为最常用的一种结构型式。葛洲坝1 号、2 号、3 号船闸和万安船闸的闸室墙，均为梯形断面的混凝土重力式结构；钢筋混凝土扶壁式闸墙结构的整体受力条件基本同混凝土重力式，闸墙为钢筋混凝土板系组成的一种轻型结构，其自重和混凝土用量较重力式结构明显要少，但钢筋用量较大。钢筋混凝土衬砌式结构为建于深切开挖的基岩上，并与岩体联合工作的一种结构型式，又可分混凝土重力衬砌式和钢筋混凝土薄壁衬砌式两种，其对围岩的强度和完整性要求较高，具有大量节省开挖和混凝土工程量的优点。混合式结构为当可利用岩体处于闸墙高度的中部以下时，闸室的结构断面在岩面以下为钢筋混凝土衬砌式、在岩面以上为混凝土重力式相结合的一种结构型式，该结构同时具有衬砌式和重力式的受力特点。三峡船闸闸室墙大部分采用衬砌式结构，少部分采用混合式结构。

分离式结构的闸室底板，按工作状态，分为透水式结构和非透水式结构。透水式闸室底板结构，通常只对闸室底部进行简单处理，如在闸室底部用混凝土找平或在底部浇筑透水的薄底板。较高水头的船闸，闸室底板通常采用非透水式结构。透水式结构一般仅适用于水头较小、基岩完整性较好，且基础透水性小的船闸或施工期的临时性通航船闸。如三峡临时船闸设计水头3.7m，基岩为较完整的微新花岗岩，岩体透水性小，经分析、论证，闸室采用透水式结构，直接以开挖后形成的平整岩面作为闸室底板。

钢筋混凝土整体式结构为一种闸墙与底板连接在一起的闸室结构型式，通常指钢筋混凝土坞式结构。另有一种钢筋混凝土悬臂式闸室结构，在底板的中间分缝，每侧的底板与闸墙整体受力，通常将这种型式也列入整体式结构。

闸室结构的主要型式参见图3-55～图3-57。

图3-55 混凝土重力式闸室横剖面图

图3-56 钢筋混凝土整体式闸室横剖面图

图3-57 钢筋混凝土衬砌式闸室横剖面图

（a）透水式；（b）不透水式

（2）结构型式选择。分离式结构具有受力明确、施工技术要求相对简单等优点，通常在基础地质条件较好的工程中采用。但其中的重力式结构，同时又存在混凝土工程量较大的缺点。大中型水利枢纽船闸的基础地质条件一般较好，闸室结构通常采用分离式结构，闸室墙和底板间用纵向结构缝分开，各自满足结构稳定、强度、承载力和结构变形等要求。

钢筋混凝土整体式结构具有结构整体稳定性好、对地基适应性较强、结构混凝土工程量较少等优点，但同时也存在闸室底板钢筋用量较大、施工技术要求较高等缺点。钢筋混凝土整体式结构一般适用于设计水头及闸室宽度均较小、基础地质条件较差的情况，如汉江王甫洲船闸（以下简称王甫洲船闸）设计水头10.8m，闸室宽度12.0m，地基为砾石，闸室采用钢筋混凝土整体式结构。

具体选择闸室结构型式的原则如下：

1）混凝土重力式结构的结构比较简单，可在闸墙内布置输水廊道，便于机械化施工，但混凝土方量大，对基础的要求较高，适用于水头较高、基础条件较好和大量采用机械化施工的工程。钢筋混凝土结构与混凝土重力式结构相比，混凝土工程量相对较少但钢筋用量较多。基础条件要求较低，施工难度相对较高，一般在基础条件相对较差、水头较低的工程上采用。混凝土重力衬砌式结构的结构相对比较简单，便于施工，使用钢筋较少，但混凝土工程量较多，可用于岩石比较坚硬、裂隙较发育，墙后岩坡较缓的情况；钢筋混凝土薄衬砌式结构的结构轻巧，混凝土方量少，但钢筋用量多，对岩坡要求高，可用于基岩坚硬完整，岩坡可以直立开挖的工程。

2）在钢筋混凝土整体式结构中，钢筋混凝土坞式结构的地基应力分布比较均匀，结构的整体性好，一般在基础条件较差时采用；悬臂式结构的钢筋用量较坞式结构少，但对基础的要求高，一般与坞式结构进行比较选用。

3.4.2.2 结构布置

闸室结构布置需满足使用功能——形成船舶在内升降的水域；结构受力，包括结构整体稳定、结构强度和变形3 方面要求。布置工作包括按照不同的结构和输水系统的型式，布置结构的轮廓尺寸，对结构进行分缝，布置缝面止水和墙后排水等结构措施和设施。

（1）闸室结构的轮廓尺寸。拟定船闸闸室结构的轮廓尺寸，是闸室结构布置的基本工作内容。闸室结构断面的尺寸，主要根据对闸室结构的功能要求，取决于闸室结构的受力和设备布置的条件。在结构布置阶段，闸室结构断面的尺寸，通常根据工程经验，参考已建同类工程的资料，结合简单的计算确定。现按闸室结构的分离式和整体式两大类，将供参考的结构轮廓尺寸分列如下。

1）分离式闸室墙。分离式结构断面的轮廓尺寸，见图3-58和表3-4。

图3-58 分离式闸室结构横剖面图

（a）混凝土重力式；（b）钢筋混凝土悬臂式；（c）混凝土重力衬砌式；（d）钢筋混凝土衬砌式；（e）钢筋混凝土和混凝土混合式

表3-4 分离式闸室断面尺寸参考表单位：m

注 1.混合式结构尺寸参照重力式和衬砌式。
2.H 为闸墙高度，e 为输水廊道宽度。
3.墙底坎入基岩深度d0≥0.4m。

2）整体式闸室墙。整体式结构断面的形状和轮廓尺寸，见图3-59 和表3-5。

图3-59 整体式闸室结构横剖面示意图

（a）圬式；（b）悬臂式

表3-5 整体式闸室断面尺寸参考表单位：m

注 BK 为闸室有效宽度，h 为闸墙在底板以上高度，其余符号与表3-4相同。

（2）闸室结构分缝分块。根据闸室的不同基础条件、结构型式和尺寸，为适应沉降、温度收缩等变形，需对结构进行分缝。闸室结构的分缝有永久结构缝和临时施工缝两大类，永久结构缝又有纵缝、横缝和水平缝3 种。

纵缝随闸室结构型式不同而不同。分离式闸室底板顺水流方向，距每侧闸室墙迎水面附近的位置各布置一条纵缝，将闸墙与底板分开。葛洲坝1 号、2 号、3 号船闸和万安船闸、三峡船闸，均按此进行分缝。整体式闸室结构中，坞式结构完全不设纵缝，悬臂式闸室结构，通常在船闸中轴线处分一条纵缝。

闸室结构横缝的间距，主要根据地基条件、混凝土浇筑强度及温控措施、闸墙结构轮廓沿闸室纵向变化的情况、输水系统型式及其布置等因素确定。如葛洲坝1 号船闸闸室分缝长度一般为12～20m，但根据底板内输水系统布置，在输水系统分流口的部位，横缝的距离可有小范围变化。如万安船闸闸室分缝一般为18m；王甫洲船闸闸室分缝一般为16m；葛洲坝1 号船闸闸室分缝长度一般为18m，在布置输水系统的分流口部位结构分缝长度为22m；三峡双线五级船闸闸室双线五级船闸闸室底板分缝一般为12m，在布置输水系统的分流口部位结构分缝长度为24m。

水平缝一般在分离式衬砌式闸室结构的闸墙高度大于横缝距离的2倍时，为减少墙背基岩对混凝土结构的约束而产生的温度裂缝，需沿衬砌式闸墙高度布置水平缝。如三峡船闸衬砌墙水平分缝间距结合墙后岩坡开挖梯段的高度定为15m左右。对于混合式闸墙，当下部衬砌墙较高且较薄时，必须在衬砌墙与重力墙之间布置水平缝，以改善重力墙的稳定条件和降低衬砌墙内的拉应力。如三峡船闸混合式闸墙的衬砌墙高度达15m以上，衬砌墙厚度为1.5m，在衬砌墙与重力墙之间布置了水平缝。但当下部衬砌墙较矮且较厚时，在衬砌墙与重力墙连接处可不设水平缝，如赣江万安船闸混合式闸墙的衬砌部分高度为8m左右，厚度达6m左右，在衬砌墙与重力墙连接处没有设置水平缝。

临时施工缝通常在坞式闸室大跨度闸室底板或分离式闸室底板的宽度较大，为减小温度应力时采用。临时施工缝的型式有键槽缝和宽槽缝等不同的型式。

闸室结构分缝时，需考虑与相邻结构块的分缝尽可能对齐。如闸室纵缝与闸首纵缝对齐，闸室墙横缝与闸室底板横缝对齐，以及闸室墙相邻结构块的水平缝尽可能对齐等。

（3）闸室防渗。闸室防渗与排水决定墙后水压力和基础扬压力的大小，影响到结构的安全性和经济性。闸室结构缝的防渗是指墙顶及其外侧填土或岩石开挖表面受降水影响部位的防渗。如在闸墙结构缝顶部设置止水，对船闸两侧一定范围的填土表面或开挖岩面设置护面等。对闸室结构缝，除为透水式结构外，在缝面均需布置止水。对于结构缝止水要求较高的闸室，缝面应布置两道止水。对于纵缝和横缝的水平止水部位，混凝土振捣和排气较困难，很容易出现局部不密实而形成集中渗漏通道，一般布置两道止水铜片；竖缝和横缝中的竖向部位，一般布置一道止水铜片和一道塑料止水片。为检查止水效果和在必要时对止水进行处理，应对范围较大的止水部位进行合理分区，并在两道止水之间设置检查槽和在止水分区两端应分别布置渗漏水引出管。

船闸设置止水的范围大，水平止水的长度长，运行实践表明，在船闸结构缝中，尤其是位于底板上的纵缝和横缝的水平部分，是施工的难点，往往成为船闸防渗系统的薄弱环节，在止水分区的两端应分别布置渗漏水引出管，在止水系统施工完成后应进行压水检查，有渗漏的部位，采用水胀性材料进行灌浆封堵。三峡船闸将闸室结构块的竖向止水和水平止水，分隔成各自独立的分区，对止水检查和处理比较方便。

（4）闸室墙后排水。墙后排水一般分为地表排水和地下排水两部分。地表排水是结合地表防渗措施布置排水沟、管，以控制墙后地表水的入渗；地下排水通常是在墙后设置排水廊道，对衬砌式闸室，由于闸室结构与墙后的岩体联系在一起，其排水通常包括墙后山体排水和墙背与岩体间结合面的排水两部分。山体排水一般在两侧山体内按上、下一定间距设置排水隧洞，并在隧洞间布置排水孔幕；墙背排水通常需设置由水平和垂直排水管组成的排水管网和将水流集中排入基础排水廊道。

闸室与闸首墙后的管网、基础排水廊道和排水泵井等组成船闸的排水系统。基础排水廊道底板上，也可根据需要布置与基岩间排水孔。一般需沿分离式闸室底板的横向结构缝，在下部布置有与排水廊道连通的排水沟。排水廊道断面应满足对系统的排水效果进行检查和维修的需要。

三峡船闸经过现场和室内试验，确定衬砌墙后排水系统采用竖向排水管与水平向排水管组成的井式排水管网。竖向排水管采用钢筋混凝土预制件，间距4.0m，排水管底部与基础排水廊道连通，顶部引入闸顶管线廊道，以备在必要时作为检修扫孔疏通用；横向排水管采用广式塑料排水管，间距为开挖梯段高度的一半，7.5m。横向排水管将渗水汇入竖向排水管，再由竖向排水管排入基础排水廊道引至位于第六闸首的排水泵井抽排入下游引航道。

（5）墙后回填土布置。大、中型水利枢纽船闸闸室结构，除兼作泄水闸导墙外，多数需在闸室墙两边布置回填土以改善结构受力和整体稳定性的条件并兼顾闸顶的交通布置的需要。填土高度按闸室设计最高通航水位运行工况和闸室抽干检修工况下，结构稳定和受力之间的平衡来确定。葛洲坝2 号、3 号船闸的左墙、万安船闸和王甫洲船闸闸室结构，从结构受力考虑，闸室均采取了在墙背回填土的方案。

（6）闸室结构锚杆。衬砌式闸室结构需通过布置结构锚杆，以保证衬砌墙与岩体间的协同工作，同时在一定程度上增加衬砌结构墙后岩体的整体性。结构锚杆通常根据墙后水压力的图形按照上稀下密的形式布置，锚杆在靠近岩面的岩体内，设置一定长度的自由段，以适应衬砌结构温度伸缩变形的需要。

3.4.2.3 结构分析

（1）计算内容及计算工况。

1）计算内容。室闸结构计算的基本内容，包括结构稳定性、结构强度和变形。闸室结构整体稳定性计算，包括抗滑稳定、抗倾稳定、抗浮稳定、地基承载力、地基渗透稳定等。结构强度计算包括闸室墙、闸室底板整体和局部应力，以及锚杆的应力等。结构变形计算主要计算结构的整体变形。闸室结构受力相对简单，布置有输水廊道和阀门井的闸室墙，以及布置有输水分支廊道的闸室底板为空间结构。但通常可以简化为平面问题进行分析计算。

2）计算工况。应考虑闸室在施工、使用、检修等不同阶段可能出现的不利工况及荷载组合，通常包括：①正常运用工况。闸室内设计最高通航水位组合闸室外设计最低地下水位；闸室内最低设计通航水位组合闸室外最高地下水位。对并列布置的双线船闸，还应考虑一线船闸闸室内为设计最高通航水位，与另一线船闸闸室内设计最低通航水位组合工况。②检修工况。闸室完全排干、闸室外为检修期最高地下水位。对并列布置的双线船闸，还应考虑一线船闸闸室完全排干时，与另一线船闸闸室内为设计最高通航水位组合的情况。③施工工况。主要是分析结构温度应力。④完建工况。闸室无水，闸室外回填土完成。对整体式闸室结构，还应考虑闸室无水两侧未填土工况。⑤非常工况。包括接缝止水失效、墙后排水失效和发生地震等几种情况。

根据不同的计算工况、荷载性质和作用特点，闸室结构的荷载组合划分为基本组合和特殊组合两种。

基本组合一：相应于正常运用工况。

基本组合二：相应于施工工况、完建工况、检修工况。

特殊组合一：相应于止水、排水失效工况。

特殊组合二：相应于正常运用加地震工况。

（2）重力式闸室结构计算。重力式闸室墙一般断面尺寸较大，整体稳定性计算和结构计算一般参照重力坝规范进行。当建基面为岩基时，抗滑稳定一般按抗剪断公式计算，除完建工况建基面允许出现0.1MPa的拉应力外，其余工况不允许出现拉应力；建基面为土基时，一般按抗剪公式计算，建基面不允许出现拉应力，且最大压应力与最小压应力之比不超过3。

（3）衬砌式闸室结构计算。闸室衬砌墙设计工况分施工期、运行期和检修期3 种。经过计算分析，在运行期闸室内水压力和检修期墙背地下水渗压力作用下，由于墙背岩体及墙背布置的结构锚杆的有利作用，衬砌墙结构应力均较小；而在施工期，由于墙背岩体对温度变形的约束，衬砌墙结构温度应力较大。

衬砌墙温度应力计算采用考虑混凝土弹性徐变，并模拟施工过程的有限元仿真计算方法。施工过程模拟包括混凝土浇筑时间、入仓温度、气温变化、混凝土水化热温升等。计算重点是对结构与墙背岩体的接触性态进行分析研究。接触性态除了完全粘接和完全脱开两种极端情况外，参考相关工程经验，可考虑介于这两者之间的两种情况：一是当接触缝面法向拉应力不大于某值（如0.30MPa）时，接触缝面闭合，传压、传剪（如f＝0.7，C＝0）、传拉；当接触缝面法向拉应力大于某值（如0.30MPa）时，接触缝面张开，不传压、不传剪、不传拉。二是考虑开挖岩壁面存在凹凸不平的情况，无论接触缝面闭合或张开，均计入切向摩阻力，缝面传压、传剪（如f＝0.7，C＝0）、不传拉。

上述不同的接触性态，温度应力相差很大。三峡船闸闸室衬砌墙接触性态为完全粘接时，应力达2.80MPa以上；接触性态为完全脱开时，仅有结构锚杆对温度变形产生约束，在设置锚杆自由变形段后，拉应力为0.30MPa左右。经分析，在采取混凝土施工温控措施后，选择开挖岩壁面凹凸不平接触性态的温度应力计算值，作为温度应力设计值。

闸室衬砌墙按《水工混凝土结构设计规范》的要求，进行强度和裂缝控制计算，最大裂缝宽度允许值为0.25mm。

（4）混合式闸室结构计算。对下部衬砌墙高度较大、厚度较小的混合式闸室结构，按下部衬砌墙与上部重力墙分开受力进行计算。上部重力墙按闸室内最高通航水位和闸室外无水或最低地下水位组合工况，计算稳定安全系数和基础应力，基础宽度包括下部衬砌墙厚度；在闸室内最低通航水位或无水与闸室外最高地下水位组合工况，基础宽度不考虑下部衬砌墙厚度，在按抗剪公式计算满足抗滑稳定要求情况下，建基面可允许出现较大的拉应力。下部衬砌墙分析计算时，需考虑上部重力墙对其伸缩变形的约束。

对下部衬砌墙厚度较厚的混合式闸室结构，按重力墙与衬砌墙联合受力分析计算。

（5）衬砌式闸室结构锚杆计算。船闸在低水位运行工况或检修工况，结构锚杆是衬砌墙与岩体联合工作的根本保证。锚杆承受的荷载主要有：墙前内水压力、墙背地下水渗压力、施工期衬砌墙结构混凝土自重及温度荷载。墙背地下水渗压力使锚杆产生拉力，施工期衬砌墙结构混凝土自重及温度荷载使锚杆产生拉力和剪力，而墙前内水压力使锚杆产生压力。

锚杆受力直接受衬砌墙与岩体接触性态的影响，当衬砌墙与岩体接触面完全粘接时，衬砌墙与岩体接触面间的结合强度远比锚杆的作用大，衬砌墙与岩体协同工作，锚杆仅在其中承担很小的轴力；当衬砌墙与岩体接触面完全张开时，锚杆不仅承受墙后地下水渗压力产生的拉力，同时承受由于锚杆对衬砌墙混凝土自重及温度变形约束而产生的剪力和拉力。考虑到墙后垂直开挖边坡较高，以及船闸衬砌结构的重要性，结构锚杆的受力以接触面张开情况作为设计的控制条件。

计算表明，锚杆在墙背地下水渗压力作用下，除底部受建基面基岩强约束影响外，锚杆内力按墙背地下水渗压力沿高度三角形分布的规律变化，即每根锚杆的拉力，近似等于锚杆处渗压力强度乘以该锚杆承压面积。

分析表明，在衬砌墙与岩体接触面上设置锚杆自由变形段，能有效减少锚杆对衬砌墙体切向变形的约束，降低锚杆剪力，较大程度改善跨缝处的锚杆受力条件，充分适应锚杆抗拉强度大而抗剪强度低的特点。锚杆自由变形段长度一般为50cm。

船闸在闸室频繁充、泄水的运行过程中，衬砌墙高强结构锚杆承受拉、压交替作用，为增强锚杆耐久性，需对锚杆的自由段进行必要的防腐处理。锚杆自由变形段防腐处理的构造，从内至外分别为喷锌层、三油两布封闭层和橡胶套管。

为满足高强结构锚杆在混凝土内的锚固要求，根据混凝土衬砌厚度需要，锚杆在衬砌混凝土内的一端可设置钢锚板。

（6）结构孔洞应力计算。闸室墙体和闸室底板内的孔洞、局部应力计算，可根据孔洞周边混凝土的厚度及结构情况，按杆件系统简化为平面框架或弹性力学无限弹性体中孔洞进行计算。

闸室底板内输水系统分流口的结构强度，一般按结构模型试验成果或有限元方法参考相似工程实例进行计算。

（7）整体式闸室结构计算。整体式闸室结构主要计算内容如下：

1）整体稳定性验算，包括抗浮稳定性和抗滑稳定性。

2）截面强度验算，包括闸墙和闸底板。

整体式闸室的边墙，按固定在底板上的悬臂梁计算，考虑其高度一般不大于25m，一般按材料力学偏心受压公式计算内力。计算截面应力时，须考虑渗透水压力。

整体式闸室底板，通常简化为平面变形问题的地基梁进行计算。地基梁的计算方法通常有两种类型，一是基床系数假定法，二是半无限弹性体和有限弹性压缩层假定法。

基床系数假定法，由于不考虑边荷载，实际上偏于不安全：基床系数k 的取值，变化较大，一般仅在地基可压缩层较薄的情况下采用。通常当可压缩层厚度小于0.25 倍底板半宽L 时，采用这种方法的结果与实际较接近。

可当压缩层厚度较厚，超过底板宽度2L 的1.5 倍时，通常采用半无限弹性体假定法进行计算；当可压缩层厚度小于2L 的1.5 倍而大于2L 的0.2 倍时，可按有限弹性压缩层的假定进行计算。但已往的计算分析表明，采用这两种不同假定计算所得的结果并无明显差异，因此，在设计时可根据具体情况任选一种方法。通常采用半无限弹性体的假定进行计算是比较方便的，有具体的计算表格和现成的计算程序可供采用。

半无限弹性体假定方法，主要有郭氏法、连杆法和有限元法。对于等截面梁，郭氏法有现成表格可查，计算工作简便，已往被广泛采用。但连杆法可以考虑变截面、变刚度及地基的不同特性。

在闸墙底宽小于或等于L／2、底板柔度指数t 不大于3 时，通常可忽略闸墙的刚度影响作为常刚度梁采用郭氏法计算，内力值误差约为5%，在工程允许范围之内。对常刚度梁采用连杆法计算，当连杆的数目足够多时计算成果的精度较高，可接近精确的弹性理论解，若连杆的数目较少，计算成果与采用郭氏法相当接近，故作为等刚度梁计算的闸室底板，一般采用郭氏法计算可以满足工程需要。

不少研究资料及试验成果表明，处于土基上的地基梁，由于地基与梁接触面上水平反力较小，忽略不计对地基梁的内力无明显影响。但是在岩石地基上，特别是较好的岩基上，在外力作用下，地基与梁的接触面上将产生较大的水平反力，影响地基的垂直反力分布，从而使地基梁的内力产生明显的改变，计算和试验证明，计入水平反力，底板跨中弯矩值可降低l5%以上。考虑水平反力作用的计算，通常可采用有限元法或设置双向连杆的连杆法。

船闸墙后填土所形成的边荷载对底板内力影响较大，边荷载的大小与回填土的填筑、施工程序、地基特性等因素有关。精确计算边载大小十分困难，在目前只能近似地进行假定。有关资料表明：底板半宽以外的边载对底板内力影响不大，因此边载的计算长度可取为底板的半宽。边载的分布形状，视回填土断面形状而定，一般为三角形分布或矩形分布。在计算中可将边荷载化为若干个集中力，分别计算其产生的底板内力值后进行叠加。

设计中对边荷载的作用考虑，需根据地基的性质而定。为确保建筑物的安全，设计时一般可按如下经验数值采用：当使底板增加弯矩时，砂性土取50%～100%，粘性土取70%～100%；当使底板减少弯矩时，砂性土取30%～50%，粘性土取20%～30%。

计算闸墙结构时，对墙后土压力的取值，通常可根据不同情况取土压力的两个极限值。土压力起减载作用时，如船闸为闸室内高水位运用情况，墙后土压力取为主动土压力；地压力起加载作用时，如闸室低水位运行或闸室检修时，则墙后土压力取为被动土压力。

根据上述的计算原则和计算方法，将底板以上的荷载确定后，即按底板计算图式进行地基梁的计算。计算图式见图3-60。

图3-60 整体式闸室底板地基梁计算图式

附：衬砌式闸室墙设计要点

（1）衬砌墙最小厚度确定。闸室薄衬砌墙厚度主要取决于锚杆在墙中的结构布置及施工要求，衬砌墙最小厚度计算示意图如图3-61 所示。

衬砌墙的最小厚度可根据式（3-42）拟定：

式中 δR——锚杆抗拔出最小厚度；

δD——锚头厚度；

δC——保护层厚度。

锚杆抗拔出最小厚度由结构锚杆在衬砌墙混凝土内抗拔剪力锥确定，混凝土抗拔剪力锥示意图见图3-62。

图3-61 衬砌墙最小厚度计算示意图

图3-62 混凝土抗拔剪力锥示意图

参照美国预应力协会《PCIDesign Handbook》标准，结构锚杆在衬砌墙混凝土内抗拔剪力锥计算公式为：

式中 Pu——锚杆承受的拉力；

Vu——锚杆承受的剪力；

Ps——锚杆达到屈服强度时承受的拉力；

Vs——锚杆达到屈服强度时承受的剪力；

Pc——混凝土拉拔锥达到屈服破坏时受到的拉力；

Vc——混凝土拉拔锥达到屈服破坏时受到的剪力；

v1——锚杆强度安全系数；

Φ1、Φ2——系数。

为避免在衬砌墙混凝土内产生群锚效应，使锚杆在墙体混凝土内产生的剪力锥不重叠，锚杆间距需满足Δ≥2Le＋dh。同时，剪力锥不能超出墙体混凝土的边界。

结构布置时尽量使锚头靠近闸室内墙面，以改善锚头附近混凝土结构的应力状态。同时，最小厚度应满足衬砌墙施工及构造的基本要求。根据三峡船闸闸室衬砌墙的布置条件及作用荷载，闸室薄衬砌墙的最小厚度取为1.5m。

（2）衬砌墙后水压力分析及排水系统设计。影响衬砌墙整体稳定的主要荷载是墙后水压力。衬砌墙在墙后水压力作用下，本身不能满足稳定要求，必须设置高强锚杆保证其稳定。

三峡船闸布置于深切开挖形成的花岗岩山体中，船闸两侧高边坡最高达170m，经过船闸区高边坡稳定分析得出结论为：闸室段两侧高边坡岩体内的渗流状况，除第一闸室受到库水影响外，主要受降雨及岩体地下水影响，而在高边坡岩体内采取排水措施，可有效控制地下水位，对保证高边坡岩体的整体稳定有重要作用。

1）衬砌墙后水压力计算方法。墙后水压力计算采用二维、准三维（简化三维）及三维有限元共3 种计算模型，二维模型将岩体视为各向同性介质，准三维和三维考虑了岩体各向异性性质。

假定岩体属连续介质，且表面厚风化层对降雨起调蓄作用，降雨可概化为稳定过程。假定水流服从达西定律，三维正交各向异性稳定渗流的控制方程，各向异性主轴与坐标轴一致时为：

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式中 kx，ky，kz——主渗透系数。

第一类边界条件：

第二类边界条件：

为边界r1 的法向，在不透水边界上，q＝0；在自由面上，若无流量补给，则满足q＝0且H＝Y；有入渗时，q 为入渗强度。

2）衬砌墙后水压力计算条件。闸室墙后主要为来自闸室两侧高边坡地下水、降雨、闸室及输水廊道渗水。

①高边坡地下水：根据船闸水文地质勘察资料，船闸区岩体地下水位位于弱风化带内，计算模型边界考虑定水位边界，水位值为弱风化顶板高程。

②降雨：多年平均降水量1147mm，入渗系数0.145，降雨入渗强度6.0×10－7 cm／s。为安全考虑，比较分析了入渗强度为6.0×10－6cm／s 和6.0×10－5cm／s 的两种情况。③闸室及输水廊道渗水：船闸结构地面工程（闸首和闸室）结构总长约9600m，迎水面积约50×104m2，地下工程（输水廊道）总长度约6400m，迎水面积约15×104m2。船闸结构缝总长约15×104m，其中施工难度较大的水平止水长度约2×104m。闸首、闸室和输水廊道较薄的混凝土结构产生的裂缝渗水和止水产生的漏水极易出现，但又难以准确量化。计算假定以高边坡岩体中排水洞和排水孔幕失效，闸室墙后水压力基本接近或略大于边墙高度全水头作为其计算条件。

④闸室不透水：计算参数见表3-6。

表3-6 计算参数表

3）计算工况。计算分别考虑山体有无排水洞、墙后有无横向及纵向排水设施、闸室墙顶及边坡有无防渗工程措施、不同降雨入渗强度、有无闸室及输水廊道渗水等不同工况。

4）分析结论。①墙后排水系统布置间距为7.5m的水平排水沟，或布置间距为16m的垂直排水沟时，衬砌墙所受水压力折减系数小于0.2；②排水沟断面大小对墙后水压力没有大的影响；③在设置墙后排水设施后，降雨强度和边坡面防渗措施对墙后水压力没有太大影响。

计算结果参见图3-63 和图3-64。其中，图3-63 表示的为无山体排水洞、有闸室渗水、边坡有水入渗、布置水平排水沟（间距7.5m）的情况；图3-64 表示的为无山体排水洞、有闸室渗水、边坡有水入渗、布置水平排水沟（间距15m）的情况。

图3-63 墙后水压力图之一

（a）闸室边墙横剖面压力等势线分布图；（b）闸室边墙水压力分布图

图3-64 墙后水压力图之二

（a）闸室边墙横剖面压力等势线分布图；（b）闸室边墙水压力分布图

5）墙后排水系统设计。综合墙后水压力分析成果，墙后排水系统由竖向排水管和水平向排水沟构成井字型结构，并通过竖向排水管与闸墙底部的基础排水廊道连通。

墙后排水系统布置为：根据结构分缝分块，竖向排水管间距为4m，水平向排水沟间距为7.5m。在竖向和水平向结构缝部位设置排水管沟，以便快速有效排除结构缝止水漏水。为方便衬砌墙采取分层或滑模工艺浇筑混凝土，确保排水系统施工质量，在室内排水材料试验和现场施工试验的基础上，竖向排水管布置在结构块中部时，采用马蹄状预制钢筋混凝土管；布置在结构纵缝面时，采用预制钢筋混凝土板，板一边支撑在岩壁面，另一边支撑在现浇块侧立面，形成三角形排水管。水平排水沟布置在结构块中部时，采用轻型的广式排水软管或土工格栅外包土工布形成的拱形排水沟，用射钉固定在岩壁面上；布置在水平结构缝面时，同样采用预制钢筋混凝土板，板一边支撑在岩壁面上，另一边支撑在底部现浇块顶面，形成三角形排水管。为满足检修疏通要求，竖向排水管要求铅直布置，管顶与闸墙顶部的管线廊道连通，设有可以打开的盖板，必要时可以用吊锤进行检查和用钻机进行扫孔；管底接入与基础排水廊道连通的连通槽。

衬砌墙背排水布置见图3-65。

图3-65 衬砌墙背排水布置图（单位：cm）

（3）衬砌墙结构锚杆设计。结构锚杆的主要功能是维持衬砌墙与岩坡的联系，满足结构的稳定及强度要求，不同于一般的岩坡支护锚杆。结构锚杆的设计主要包括：锚杆的稳定性作用分析、锚杆的布置与受力、锚杆的构造等内容。

1）锚杆的稳定性作用分析。锚杆的稳定性作用具有两个方面：①对衬砌墙的稳定作用。在闸室低水位或检修工况，衬砌墙承受墙后水压力作用，结构锚杆是维持衬砌墙稳定的根本保证。②对岩体边坡的稳定作用。根据船闸工程地质及水文地质条件，边坡的整体稳定条件能满足设计要求。

衬砌墙部位，岩体均属于完整性较好、强度高的微风化新鲜岩层，但由于深部的地应力在开挖后卸荷的塑性效应明显，直立坡段岩体的局部稳定问题仍应予以重视。局部稳定可概化成楔形体稳定和塑性区稳定两类，对这两类问题处理如下：①局部楔形体的稳定。一般指由断层、裂隙组合的在开挖坡面上出现的定位、半定位或随机块体，对于这些块体通过对其稳定性分析，采取针对性的喷锚支护或予以清除。②塑性区的加固。直立坡开挖卸荷后，在近坡顶的一定范围内，岩体塑性屈服，抗剪力学指标降低，再加之与不利结构面的组合，特别在爆破振动作用下，可能出现局部岩体的不稳定。对于这类问题的处理方法是：通过计算和现场监测，确定塑性区的范围，施加必要的预应力锚索，以限制塑性区的扩展，在塑性区范围内，施加必要的支护锚杆，以提高岩体的整体性，增加岩体稳定性。经分析，这种处理方案对改善塑性岩体的局部稳定条件是较为有效的。经过以上处理，直立岩体能维持整体和局部稳定，可作为衬砌墙支持岩体。在边坡的稳定分析中，未计入衬砌墙结构锚杆的作用。但事实上，这部分结构锚杆将为岩体的稳定储存一定的余度，也为直立高边坡的施工安全提供了可靠的保障。

2）锚杆的布置与受力。结构锚杆按衬砌墙与支持岩体完全脱开时，墙后水压力全部由锚杆承受的假定进行布置，墙后水压力图式为水面线取与闸室最高通航水位同高，水压力沿墙高三角形分布，折减系数0.25，因此，每根锚杆受力为其受力范围内墙后水压力总和，按“上疏下密”布置，然后根据各种工况下衬砌墙的结构分析，包括温度应力作用等，复核结构锚杆受力。结构锚杆长度按其对岩体稳定的作用来确定。根据边坡稳定分析结论，直立开挖岩体稳定边坡坡度可简化为1∶0.3，锚杆长度在穿过稳定边坡线后的长度按锚固长度计算，因此结构锚杆长度按“上长下短”布置。

结构锚杆的具体布置为：为避开墙后排水管沟并满足混凝土的施工要求，结构锚杆为矩形行列式、水平布置，锚杆在结构混凝土内设有锚垫板，在岩体内采用水泥沙浆有压注浆。中下部锚杆长8m，锚杆间距2m×1.5m～1.5m×1.35m，自由变形段长50cm，锚入结构混凝土内1.45m。中上部锚杆长为10m，锚杆间距2m×1.8m，自由变形段长50cm，锚入结构混凝土内1.75m。上部锚杆长12m，锚杆间距2m×2m，自由变形段长100cm，锚入结构混凝土内2.05m。

3）锚杆的构造。

①杆体参数。结构锚杆受力较大，研究采用高强精轧螺纹钢筋。高强精轧螺纹钢筋在国内尚属研究试制产品，且无国家或行业标准作为生产、检测的质量标准。通过广泛的调查研究和参与高强结构锚杆的研制，并结合衬砌结构研究中的锚杆受力状况和变形要求，对高强结构锚杆的材质、力学性能指标作如下规定：材质为高强精轧螺纹Ⅴ级钢筋；直径φ32mm；屈服强度不小于800MPa；极限抗拉强度不小于1000MPa；延伸率σs≥6%；冷弯a＝8d，弯曲90°。

②锚头。为满足高强结构锚杆在结构混凝土内的锚固要求，锚杆在结构混凝土内设有由螺帽和钢锚板整体组合而成的锚头构造。

③自由段构造。在结构混凝土与岩基脱开时，考虑这种脱开的间隙很小，这样间隙处锚杆单元的长径比较小，锚杆剪切效应大。为此，在结构与岩基缝面处设置锚杆自由段，并外包弹性材料，以改善锚杆在跨缝处的受力条件，充分发挥锚杆抗拉强度大而抗剪强度低的特点。

在一般条件下，钢筋混凝土中的钢筋由于混凝土的保护，能满足建筑物的正常使用年限要求。但对于船闸高强结构锚杆自由段，在结构与岩基的接触面发生张、合变形的情况下，一方面长期受大气、水的腐蚀作用，另一方面在船闸的运行过程中，随着船闸充、泄水，又受到拉、压交替荷载的反复作用，将加速对锚杆的腐蚀。若锚杆自由段受腐蚀，锚杆的有效受力面积将受到影响，以至不能满足受力要求。因此，锚杆的自由段构造研究包括防腐材料及外包弹性材料的研究。

自由段防腐材料性能应满足如下要求：所采用的防腐材料应具有良好的耐腐蚀性，使用年限长，保证对锚杆起有效的保护作用；具有良好的附着强度，保证施工期和运行期防腐涂层不起泡、不破裂、不脱落；具有良好的柔韧性，能与锚杆同步变形，在拉、压或弯曲状态下不产生疲劳和破裂，不影响防腐效果；对锚杆和外包弹性材料无不良反应，施工操作简单。通过深入调研和室内防腐试验，确定自由段锚杆采用喷锌、涂料封闭、外套橡胶管的联合防腐处理方式。

自由段外包弹性材料的环境特点是埋在锚杆水泥砂浆和衬砌墙内，弹性材料的外表面与强碱性混凝土及地下水接触，内表面与自由段防腐材料接触，后期无检修条件。其性能应满足如下要求：在强碱条件下，应具有较好的稳定性和耐久性，在所要求的使用期内不产生老化、龟裂现象。对锚杆及防腐材料无不良反应；有较好的弹性、韧性，能与锚杆同步变形，在长时间交变应力状态下，不产生脆裂、疲劳；永久压缩变形小、强度高、硬度适中。根据以上要求，通过调研试验，船闸高强结构锚杆自由段选用以天然／合成橡胶为主材的弹性材料。

高强结构锚杆构造见图3-66。

图3-66 高强结构锚杆构造图

（4）衬砌墙结构分析。

1）计算模型。分析计算时将岩体简化为均匀理想弹性体，考虑了混凝土的分层浇筑过程及温度变形和徐变，混凝土内水平缝、混凝土与岩体间的接触缝均按三维接触非线性进行模拟，锚杆与岩体和混凝土间假定为理想连接，在接触缝附近锚杆自由长度0.5m、1m，计算时间为5年，考虑环境温度的变化、外水压力和混凝土自重等荷载作用。温度场及缝面接触非线性三维有限元仿真计算方法与表3-6 中采用的方法相同。

2）计算边界条件和计算参数。

①气温。多年各月最高及最低日平均气温值见表3-7。

表3-7 三斗坪多年各月最高及最低日平均气温值单位：℃

计算采用的年气温变化曲线：

式中 17.3——年平均气温，℃；

15.3——年气温变幅，℃；

τ——计算时刻，以d计，τ0＝169。

气温骤降（日平均气温降低值）见表3-8。

表3-8 三斗坪气温骤降资料

计算采用的气温骤降方案：气温骤降考虑11月的骤降值13.6℃，即衬砌墙遭遇寒潮，按线性变化2d内降温13.6℃，再过2d恢复正常气温。

地温：地表下20cm处多年平均温度为17.3℃。

②混凝土、岩体及锚杆计算参数。

混凝土标号及胶凝材料用量：R28＝250 号，采用中热525 号水泥，水泥用量230～240kg／m3，掺10%Ⅰ级灰。水泥水化热见表3-9。

表3-9 水泥水化热

混凝土绝热温升采用的公式为：

式中 t—混凝土龄期，d。

混凝土徐变度采用试验值：

式中 C（t，τ）——徐变度，10－6／MPa；

t——混凝土龄期，d；

τ——加荷龄期，d；

C1（τ）、C2（τ）、K1、K2——系数，C1（τ）＝C1＋D1／τ，C2（τ）＝C2＋D2／τ，各系数值见表3-10。

表3-10 徐变表达式系数表

混凝土弹模公式：

式中 E（t）——某一龄期的混凝土弹性模量；

E0——最终弹模，取E0＝32.0GPa；

t——龄期，d；

A——系数，取A＝0.1。

混凝土、岩体热学和力学参数见表3-11。

表3-11 混凝土、岩体热学和力学参数表

锚杆直径40／32mm 力学参数见表3-12。

表3-12 锚杆力学参数表

③回填土力学指标。

按混合料计算，容重1.96t／m3，φ＝34°，C＝0。

土压力按静止土压力计算，为主动土压力的1.25 倍。

④闸室墙混凝土浇筑过程有关数据。

混凝土入仓温度见表3-13。

表3-13 混凝土入仓温度表

衬砌墙开始浇筑时间及分层厚度：10月1日开浇，中下部分层厚1.5m左右，上部分层厚3m左右。浇筑按7d一层连续上升。

⑤衬砌墙设水平缝的接触条件。

（a）钢筋不过缝，缝面传压、不传拉，f＝0，C＝0。

（b）钢筋不过缝，缝面传压、不传拉，f＝0.6，C＝0。

（c）钢筋过缝，缝面传压、不传拉，f＝0.6，C＝0，衬砌墙竖向钢筋实际按墙迎水面和背水面双面布置Φ25@20，过缝筋取为Φ25@40。迎水面钢筋保护层7cm，背水面保护层10cm。

（d）迎水面钢筋不过缝，背水面钢筋过逢，取Φ25@20，缝面传压、不传拉，f＝0.6，C＝0。

⑥衬砌墙与岩体接触条件。

墙与岩体水平接触面：传压、传剪、传拉，f＝1.0，C＝1.2MPa。

墙与岩体竖向接触面：

（a）接触面完全粘接。

（b）接触面具有0.3MPa的法向抗拉强度，当法向应力不大于0.3MPa时，接触面闭合，传压、传剪、传拉，f＝0.7，C＝0；当法向应力大于0.3MPa时，接触面张开，不传压、不传剪、不传拉。

（c）无论接触面开与合，均计入切向摩阻力，f＝0.7，C＝0.5MPa，缝面传压、传剪、不传拉。

（d）接触面完全脱开。

3）计算工况荷载组合。

温度应力工况组合：按水平缝的接触状况和墙与岩体竖向接触面接触状况进行不同组合。衬砌墙内分水平缝的接触状况分4 种，衬砌墙与墙背岩体竖向接触面的接触状况分4种。

检修工况荷载组合：衬砌墙内分水平缝的接触条件为钢筋不过缝，缝面传压、不传拉，f＝0.6，C＝0。衬砌墙与岩体竖向接触面取接触面具有0.3MPa 的法向抗拉强度，当法向应力不大于0.3MPa时，接触面闭合，传压、传剪、传拉，f＝0.7，C＝0；当法向应力大于0.3MPa时，接触面张开，不传压、不传剪、不传拉。

4）结论。

①由于衬砌墙较薄，分别按墙厚1.2m、1.5～2.1m、2m进行仿真计算，衬砌墙均不存在稳定温度场，混凝土浇筑初期2～3d水化热作用即消失，随后至第5年，衬砌墙温度场随外界气温同步作正弦曲线变化。

②在影响衬砌墙温度应力诸因素中，以混凝土与岩体竖向接触缝性态和设置水平结构缝两种因素作用最大。混凝土与岩体完全接触时，墙温度压力达2.8MPa；完全脱开，在锚杆自由长度7cm时，墙温度应力除极个别点应力集中外为0.3～0.4MPa。根据一般的工程经验和衬砌墙岩壁开挖后起伏凹凸的现状，设计采用“无论接触面开与合，均计入切向摩阻力，f＝0.7，C＝0.5MPa，缝面传压、传剪、不传拉”的不利接触条件作为结构设计的主要依据。

③衬砌墙分水平缝后，铅直向应力在下、中部有较大改善，水平向应力和上部铅直向应力基本不变。但是，分水平缝破坏了结构锚杆温度应力的均匀性。

④衬砌墙温度应力中受气温年变化引起的伸缩应力最大，墙内外表面温差引起的外约束应力和墙内温度非线性分布引起的内约束应力比较小，即衬砌墙以拉压受力为主，弯曲较小，结构设计可以按轴拉控制。

⑤在运行工况条件下，由于闸室水位升降频繁，气温对结构的影响较小，根据结构力学方法计算，闸室高水位作用时，结构内力较小；在检修工况条件下，温度荷载与渗压力同时考虑时，渗压力作用对结构锚杆影响很大，对衬砌墙应力影响很小，衬砌墙设计按温度应力控制。

⑥当考虑混凝土与岩体完全粘合时，衬砌墙锚杆的受力较小，但当考虑混凝土与岩基面脱开时，锚杆承受较大的剪力和拉力，锚杆在混凝土与岩体接触面附近设自由段能有效地降低锚杆内力（包括剪力及最大轴向力），并沿竖向使锚杆受力分布均匀。

⑦在考虑混凝土与岩体完全脱开时，在渗压作用下，锚杆的内力与衬砌墙锚杆相应作用区域的渗压荷载成正比。

⑧衬砌墙接触面各部位的张开状态随着季节而变化，每一部位出现最大张开度的时刻是不一致的。显然，锚杆自由段长度越小，对墙体的约束作用越大，张开度也就越小。