船闸与升船机设计：输水系统结构

3.4.3.1 闸室底板出水支廊道设计

根据船闸不同的输水系统型式，输水系统结构的组成和型式有较大的差别。集中式输水系统和水头较低的分散式输水系统的结构比较简单，充泄水系统的结构通常为与闸首或闸室相结合的孔洞或空腔。高水头船闸的分散式输水系统，其结构相对比较复杂，按照对充、泄水时间和上下游引航道及闸室内停泊条件的要求，通常有上游进水箱涵、输水主廊道及其阀门竖井、闸室出水支廊道、下游泄水箱涵等结构，这些结构一般尽可能与闸首、闸室结构相结合，成为在闸首、闸室内的孔洞。有的则由于船闸的水头特高或船闸结构条件的原因，成为与船闸的主体结构完全分开的独立结构，主廊道为在岩体开挖后进行衬砌的隧洞，阀门井为在岩体开挖后进行衬砌的竖井。

在前面章节里介绍的集中输水系统几种常见型式和简单分散输水系统的结构设计，主要根据水力设计和结构受力要求确定相关的结构尺寸和验算结构典型断面的强度，其结构关系和设计内容相对比较简单，不再多作介绍，这里着重介绍高水头船闸的复杂分散式输水系统的闸室出水支廊道和主廊道及阀门竖井等结构的设计。

（1）结构布置。闸室底板出水支廊道通常布置在闸室底板断面的顶部，其孔口个数、位置和尺寸，根据输水系统水力设计的成果确定。结构布置主要根据水动力条件确定孔口距离底板顶面的厚度。

（2）结构计算。闸室底板出水廊道结构计算，一般与底板结构一道，按弹性地基上的框架计算内力，或按地基反力均匀分布的框架计算内力。计算时分别考虑两种不利情况：①闸室充水，闸室内为低水位，而廊道中的内水压力由上游水位确定，包括动水压力和静水压力，其中动荷系数应由试验确定，一般设计时，取为静水压力的0.3～0.5 倍；②闸室泄水，闸室内为高水位，而廊道中的内水压力为下游水位。

3.4.3.2 闸首或闸室边墩中的主廊道计算

（1）结构布置。与船闸主体结构结合布置的主廊道的断面尺寸，按输水系统水力设计的成果采用；孔口位置和周围的结构厚度，按结构的受力条件确定。

（2）结构计算。结构计算方法根据廊道壁的厚度和其他结构条件进行选择：

1）当廊道周围的壁厚小于2.5 倍廊道孔洞化引直径时，可按杆件系统简化为平面刚架计算。刚架计算轴线的选取视墙体情况而定，两侧立柱（即廊道壁）的轴线一般取廊道壁厚的中心线；在廊道顶部为厚度较大的刚性体时，横梁按无限刚度考虑，在其他情况下，刚架横梁的轴线可取与立柱距孔边相同的距离，按有限刚度考虑。作用在刚架上的荷载，为上部墙体传来的全部荷载，以及各种计算情况下立柱直接承受的土压力和内、外水压力。另外还必须考虑阀门开启后，在廊道顶面和侧面所承受的动水压力。

2）当廊道周围的壁厚大于2.5 倍廊道孔洞化引直径时，则可按无限弹性体中的孔洞进行应力分析，或按弹性力学有限元法进行计算。

3.4.3.3 隧洞结构设计

（1）结构布置。当主廊道为在岩体内的隧洞时，隧洞的洞径根据输水系统水力设计的成果采用；隧洞的位置和衬砌厚度，根据结构的受力条件确定。

（2）结构计算。

1）隧洞结构设计原则。

①保持围岩稳定。船闸的输水隧洞一般与闸室开挖形成的边坡坡脚保持一定距离，要在满足由主廊道与闸室底部出水廊道间连接廊道的弯曲半径的同时，考虑在隧洞施工过程中，不致影响隧洞围岩和闸室边坡的稳定。

②满足水力学条件的要求。输水隧洞一般流速较高，对隧洞表面平整度和抗冲刷能力有一定要求，混凝土强度等级一般高于C30。

③满足防渗要求。要在输水系统工作水头作用下，防止内水外渗影响闸室边坡稳定。当隧洞的围岩抗渗能力差，内水外渗造成的危害（围岩、边坡、相邻建筑物的渗透失稳或环境破坏）处理费用大或很难处理时，应按抗裂要求设计；当围岩具有较好的抗渗性，内水外渗不存在渗透失稳和环境破坏问题时，可按限裂要求设计。

④隧洞支护和衬砌设计应充分发挥围岩的自承和承载能力，支护结构宜按围岩自承能力确定，衬砌结构宜按围岩与衬砌结构联合承担作用设计。

⑤隧洞衬砌型式应综合考虑断面的形状和尺寸、运行条件及内水压力、围岩条件（覆盖厚度、围岩分类、承担内水压力能力、地下水分布及连通情况、地质构造及影响程度）、防渗要求、支护效果、施工方法等因素，经过技术经济比较确定。

2）荷载和荷载组合。作用在衬砌上的荷载，按其作用状况分为基本荷载和特殊荷载两类，两类荷载定义及其内容应符合下列规定：

基本荷载：长期或经常作用在衬砌上的荷载。基本荷载包括衬砌自重、围岩压力、预应力、设计条件下的内水压力（包括动水压力）以及稳定渗流情况下的地下水压力等。

特殊荷载：出现机遇较少的不经常作用在衬砌上的荷载。特殊荷载包括地震作用、校核水位时的内水压力（包括动水压力）和相应的地下水压力、施工荷载、灌浆压力以及温度作用等。

计算荷载应根据基本荷载和特殊荷载同时存在的可能性，分别组合为基本荷载组合和特殊荷载组合两类。在衬砌结构计算中应采用各自的最不利组合情况。

①内水压力。隧洞的内水压力应结合输水系统各种运行工况，按可能出现的最大内水压力（包括动水压力）确定。

②外水压力。内水压力是作用在衬砌内缘的水压力，其值比较明确。外水压力是作用在衬砌外缘的水压力，它等于衬砌外边缘的水头值，一般按边界力考虑。即使地下水位已知，如何确定计算衬砌结构的外水压力，仍然是尚待解决的问题。最简单的办法是取地下水位相对于衬砌高程的全水头为计算外水压力。这样做对非圆形的隧洞在检修工况下常较安全，但当地下水位稍高时，要很厚的衬砌才能抵抗外水压力所产生的弯矩。对压力隧洞，因外水压力能抵消内水压力，外水压力取得过高又可能导致衬砌不安全。一些实测资料表明，衬砌外缘处的实际水压力常小于相当于地下水位的静水压。实际上，当洞内无压或压力低于地下水位时，地下水向洞内渗透，因渗透损失，衬砌外缘处的水头小于地下水静水头，见图3-67。

由此引伸出外水压力折减系数的概念，即

图3-67 外水压力折减系数示意图

式中 β——外水压力折减系数；

h——衬砌外缘作用水头；

he——地下水位线至隧洞中心的作用水头，内水外渗时取内水压力。

显然，外水压力折减系数主要与围岩渗透系数与衬砌渗透系数之比值有关。当围岩破碎，衬砌施工质量很好时，β＝1；反之，当围岩完整，节理不发育，混凝土施工质量较差时，β＝0。但隧洞设计中如何选择β值却十分困难，SL279—2002 《水工隧洞设计规范》建议根据洞壁开挖面的渗水状态来确定β值，参见表3-14。

表3-14 外水压力折减系数β值

注 当有内水组合时，β应取较小值；无内水组合时，β应取较大值。

SL279—2002《水工隧洞设计规范》规定，对设有排水设施的水工隧洞，可根据排水效果和排水设施的可靠性，对作用在衬砌结构上的外水压力作适当折减，其折减值可通过工程类比或渗流计算分析确定。对工程地质、水文地质条件复杂及外水压力较大的隧洞，应进行专门研究。

③围岩压力。围岩压力系指围岩对衬砌结构产生的主动作用力，要准确地确定围岩压力数值是困难的，SL279—2002《水工隧洞设计规范》列出了8款围岩压力的取值方法和取值原则：

（a）自稳条件好，开挖后变形很快稳定的围岩，可不计围岩压力。

（b）薄层状及碎裂散体结构的围岩，作用在衬砌上的围岩压力可按式（3-47）、式（3-48）计算：(www.xing528.com)

垂直方向

水平方向

式中 qv——垂直均布围岩压力；

qh——水平均布围岩压力；

γr——岩体重度；

B——隧洞开挖宽度；

H——隧洞开挖高度。

（c）不能形成稳定拱的浅埋隧洞，宜按洞室顶拱的上覆岩体重力作用计算围岩压力，再根据施工所采取的支护措施予以修正。

（d）块状、中厚层至厚层状结构的围岩，可根据围岩中不稳定块体的作用力确定围岩压力。

（e）采取了支护或加固措施的围岩，根据其稳定状况，可不计或少计围岩压力。

（f）采用掘进机开挖的围岩，可适当少计围岩压力。

（g）具有流变或膨胀等特殊性质的围岩，可能对衬砌结构产生变形压力时，应对这种作用进行专门研究，且宜采取措施减小其对衬砌的不利作用。

（h）地应力在衬砌上产生的作用应进行专门研究。

④温度荷载。隧洞是地下建筑物，埋深越大，围岩的温度也越高。测试资料表明，地壳表层的温度与气温有关。地下25～30m深的范围内，岩石处于常温度状态，其温度值等于年平均气温。超过这一深度，岩石温度随深度加大而升高。温度梯度与岩石性质、岩体构造及地下水活动等多种因素有关，一般深度增加50～150m岩石温度增高1℃。隧洞开挖后，洞内温度与通风条件有关。船闸输水隧洞一般上下游均敞开，其间还有竖井，通风条件较好，洞内温度随外部气温变化而变化。隧洞充水后，洞内温度即为水温，如水温与岩石温度不同，衬砌随水温变化产生变形，衬砌变形受围岩约束而形成温度应力。当水温低于岩石温度时，衬砌将产生拉应力。衬砌温度荷载有两个极端情况，即充水初期仅在衬砌内形成降温温度场和充水后期在围岩内也形成很大范围降温温度场。但两种情况的温度应力处理方式有所不同。当围岩温度与洞内水温温差很大时，衬砌内的温度应力可能较大，一般不按温度应力来设计衬砌，而采取构造措施加以解决。

⑤地震荷载。地震对地下结构的破坏作用远比对地面建筑物的破坏作用小，1978年的唐山地震，震级为7.8级，地面建筑物几乎全遭破坏，但煤矿井巷工程完好率在60%以上。遭到破坏的支护绝大部分是由于地质条件复杂，支护在震前已有不同程度损坏或年久失修，有的系震后受水浸破坏。因此，隧洞洞身一般不考虑地震荷载，对隧洞进、出口部位按《水工建筑物抗震设计规范》的有关规定执行。

⑥围岩弹性抗力。当隧洞采用结构力学方法进行计算时，需考虑衬砌变形受到围岩约束的影响，这一约束即为弹性抗力，一般假定弹性沿衬砌法向作用，并与法向位移成正比，弹性抗力的大小在结构计算前为未知数，计算过程中通过变形条件加以确定。

3）隧洞结构计算方法。几十年来我国建成了大量的混凝土、钢筋混凝土衬砌结构的水工隧洞，衬砌结构的应力采用了不尽相同的计算方法，如结构力学方法（包括衬砌边值法、假定反力图形、封闭框架、刚构）、弹性力学方法、边界元法、有限元法等。尽管方法各异，但这些隧洞绝大多数运行正常，说明衬砌结构计算的条件和理论较接近实际情况，并有一定的安全裕度。

①结构力学计算方法。结构力学方法计算的基本原理是把衬砌视为弹性地基的杆系结构。作用在衬砌结构上的荷载是围岩压力及内、外水压力。在电子计算机出现以前，通常假定抗力图形，按结构力学方法计算。随着计算机和计算技术的发展，将衬砌结构计算化为求解非线性常微分方程的边值问题，用初参数法求解。目前，已有专用程序，对弹性抗力不必作任何假定，可由计算机进行迭代计算自动求得抗力分布，输出结构内力及配筋。

②有限元计算方法。近年来国内许多水工隧洞都成功地进行了有限元法联合承载的分析计算，包括软质岩、硬质岩、高压洞、低压洞、线性或非线性变形、有无构造影响、不同渗流场、不同开挖程序等，实践证明用有限元方法进行围岩与衬砌结构整体计算分析，其成果较为接近实际，是一种有效的方法。有限元计算要注意以下问题：

（a）边界条件。隧洞的内边界是确定的，外边界除地表面是确定的外，其他方向都无限延伸。普通的有限元法只能对有限域进行计算，为了使计算能够进行，首先应选择计算域的外边界。根据孔洞所产生的应力干扰的范围分析，当厚壁圆筒的厚度大于孔径的3 倍时，在均匀内压作用下孔口边缘的应力与按无限域计算所得值的相对误差均小于5%，因此，一般将计算域的厚度取为3 倍洞径以上，对非圆形隧洞，以隧洞长边控制。除地表面外的其他计算域边界一般全部约束。

（b）隧洞衬砌与围岩接触面的模拟。对隧洞结构而言，衬砌结构底板和边墙一般能与围岩紧密贴合，顶拱因混凝土在浇筑时有向下塌落的趋势形成脱空，一般要求进行回填灌浆，但灌浆形成的水泥结石易干缩，加之混凝土温度收缩作用，因此在顶拱仍有少许空隙存在，对以承受内水压力为主的水工隧洞，宜考虑这一情况，可用只承受压力，不承受拉力并可考虑初始缝隙的界面接触单元来模拟。

（c）计算软件及结构配筋。在确定边界条件、隧洞衬砌与围岩接触面的模拟方法及荷载组合后，若采用弹性有限元计算模型，可选用通用有限元计算软件进行相关计算，根据应力成果按应力图形法配筋，或将应力成果转化为截面内力后按现行《水工混凝土结构设计规范》配筋。若采用非线性计算方法，可采用专用程序，模拟隧洞开挖时的地应力释放情况，隧洞衬砌的混凝土及钢筋应力情况，对隧洞安全性作出相关评价。此外，对主廊道与支廊道在廊道间的交联段结构，宜采用三维有限元方法对结构进行分析。

（3）隧洞灌浆和衬砌构造。

1）回填灌浆。回填灌浆的目的是使衬砌与岩石紧密贴合，以便使岩石承受一部分内水压力并保证岩石压力均匀作用于衬砌上，因此对衬砌结构的顶部（顶拱）必须进行回填灌浆。回填灌浆的范围、孔距、排距、灌浆压力及浆液浓度等，应根据隧洞的衬砌结构型式、运行条件及施工方法等分析决定。一般而言，回填灌浆的范围宜在顶部或顶拱中心角90°～120°以内，孔距和排距宜为2～6m，灌浆压力应视混凝土衬砌厚度和配筋情况确定，对钢筋混凝土衬砌可采用0.3～0.5MPa。灌浆孔应深入围岩50mm以上。衬砌结构遇有围岩塌陷、溶洞、较大超挖等情况时，应在该部位顶部（顶拱）预埋灌浆管及排气管，其数量和位置根据现场情况确定。回填灌浆形成的水泥结石应满足设计要求。水泥结石的弹性模量、填充率、密实度、透水性等设计指标，宜根据围岩的工程地质和水文地质条件、衬砌结构的性质、围岩开挖成形情况以及隧洞的运行要求，通过灌浆试验综合分析确定。

2）固结灌浆。固结灌浆的目的是加固围岩，减少岩石压力，提高围岩抗力，减小外水压力，消除或减少渗透流量（地下水渗入隧洞或有压隧洞中的水渗入岩层），防止衬砌混凝土受到侵蚀性的地下水作用等。围岩的固结灌浆，应根据隧洞工程地质和水文地质条件、衬砌型式、施工对围岩的影响程度以及运行要求，通过技术经济比较确定。固结灌浆孔的排距宜采用2～4m，每排不宜少于6 孔，孔位宜对称布置；灌浆深度应根据围岩情况分析确定，可取0.5 倍隧洞直径（或洞宽）；灌浆压力可采用1.0～2.0倍内水压力。

3）破碎带处理。破碎带是指岩层构造破坏切割隧洞的地段，如断层、剪切缝、褶皱等。破碎带一般比较软弱，其中充填物受到水的作用常会溶解或软化，结果使岩石压力增大，弹性抗力减小，因此，必须对破碎带进行处理。处理隧洞的破碎带，通常与处理坝基的破碎带一样，采用混凝土塞和进行固结灌浆，混凝土塞与衬砌分开浇筑，系沿破碎带凿槽后回填混凝土而成，设计时将混凝土塞当作刚性楔体，藉以将压力传递至破碎带两侧岩体上，因而衬砌仍按普通假设的弹性抗力系数四周相同进行计算。当破碎带较宽时，考虑到采用混凝土塞的方式难以将压力传递到两侧岩体上，进行隧洞衬砌结构计算时，宜将围岩的弹性抗力系数或围岩变模降低，以策安全。

4）衬砌分缝。混凝土和钢筋混凝土衬砌结构，在地质条件明显变化处和井、洞交汇处，进、出口处或其他可能产生较大相对变位处，应设置永久缝，并采取相应的防渗措施。围岩地质条件比较均一的洞身段，可只设置施工或温度缝。沿洞线的浇筑分缝的间距，应根据浇筑能力和温度收缩等因素分析确定，一般可采用6～12m。衬砌结构的环向缝不得错开。衬砌的环向施工缝应根据具体情况采取防渗处理措施。

衬砌结构的纵向施工缝应设置在衬砌结构拉应力及剪应力均较小的部位，必须进行凿毛处理。当施工需要先衬砌顶拱时，对拱底反缝的缝面，必须进行妥善处理。

3.4.3.4 阀门竖井结构设计

（1）结构布置。输水系统的阀门井，在阀门部位廊道顶部铅直布置，其尺寸根据阀门结构及其运行和检修要求确定。

（2）结构计算。

1）竖井结构设计原则：

①保持围岩稳定。阀门井开挖必须不影响闸室边坡的稳定的要求，与主廊道布置一并考虑。

②满足防渗要求。防止内水外渗影响闸室边坡稳定。当围岩抗渗能力差，内水外渗造成的危害（围岩、边坡、相邻建筑物的渗透失稳或环境破坏）处理费用大或很难处理时，应按抗裂要求设计；围岩具有较好的抗渗性，内水外渗不存在渗透失稳和环境破坏问题，可按限裂要求设计。

③竖井支护和衬砌设计。应充分发挥围岩的支撑作用和承载能力，衬砌结构宜按围岩与衬砌联合承担作用荷载设计。

2）荷载和荷载组合。竖井标准段的荷载及其组合与输水隧洞基本相同。在竖井与隧洞交连部位，除内、外水压力及其他常规荷载外，因设置闸门槽或弧门支座，尚需计算闸门推力作用下的局部强度。

3）结构计算方法。单井结构与隧洞相同，可采取结构力学方法或有限元方法进行计算；复井结构（大井开挖后，用混凝土衬砌成多个小井），因结构型式较为复杂，一般采用有限元方法进行计算；竖井与隧洞交联段，宜采用三维有限元方法对结构进行分析；弧门支座部位的结构配筋，宜按材料力学方法进行局部复核。