宿迁水库闸门、水库斜拉闸门
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一、水闸简介 修建在河道和渠道上利用闸门控制流量和调节水位的低水头水工建筑物。关闭闸门可以拦洪、挡潮或抬高上游水位，以满足灌溉、发电、航运、水产、环保、工业和生活用水等需要；开启闸门，可以宣泄洪水、涝水、弃水或废水，也可对下游河道或渠道供水。在水利工程中，水闸作为挡水、泄水或取水的建筑物，应用广泛。关闭闸门，可以拦洪、挡潮、蓄水抬高上游水位，以满足上游取水或通航的需要。开启闸门，可以泄洪、排涝、冲沙、取水或根据下游用水的需要调节流量。水闸在水利工程中的应用十分广泛，多建于河道、 渠系、水库、湖泊及滨海地区。 二、水闸沿革 中国修建水闸的历史悠久。公元前598～前591年,楚令尹孙叔敖在今省寿县建芍陂灌区时,即设五个闸门引水。以后随建闸技术的提高和建筑材料新品种的出现，水闸建设也日益增多。1949年后大规模现代化水闸的建设,在中国普遍兴起,并积累了丰富的经验。如长江葛洲坝枢纽的二江泄水闸，***泄量为84000km3/s，位居中国首位，运行情况良好。国际上修建水闸的技术也在不断发展和创新，如兴建的东斯海尔德挡潮闸，闸高53m，闸身净长3km，被誉为海上长城（见彩图）。当前水闸的建设，正向形式多样化、 结构轻型化、 施工装配化、操作自动化和远动化方向发展。三、水闸类型 水闸，按其所承担的主要任务，可分为：节制闸、进水闸、冲沙闸、分洪闸、挡潮闸、排水闸等。按闸室的结构形式，可分为：开敞式、胸墙式和涵洞式（图1）。开敞式水闸当闸门全开时过闸水流通畅，适用于有泄洪、排冰、过木或排漂浮物等任务要求的水闸，节制闸、分洪闸常用这种形式。胸墙式水闸和涵洞式水闸，适用于闸上水位变幅较大或挡水位高于闸孔水位，即闸的孔径按低水位通过设计流量进行设计的情况。胸墙式的闸室结构与开敞式基本相同，为了减少闸门和工作桥的高度或为控制下泄单宽流量而设胸墙代替部分闸门挡水，挡潮闸、进水闸、泄水闸常用这种形式。如中国葛洲坝泄水闸采用12m×12m活动平板门胸墙，其下为12m×12m弧形工作门，以适应必要时宣泄大流量的需要。涵洞式水闸多用于穿堤引(排)水，闸室结构为封闭的涵洞，在进口或出口设闸门，洞顶填土与闸两侧堤顶平接即可作为路基而不需另设交通桥，排水闸多用这种形式。四、水闸组成 水闸由闸室、上游连接段和下游连接段组成（图2）。闸室是水闸的主体,设有底板、 闸门、 、闸墩、胸墙、工作桥、交通桥等。闸门用来挡水和控制过闸流量，闸墩用以分隔闸孔和支承闸门、胸墙、工作桥、交通桥等。底板是闸室的基础，将闸室上部结构的重量及荷载向地基传递，兼有防渗和防冲的作用。闸室分别与上下游连接段和两岸或其他建筑物连接。上游连接段包括：在两岸设置的翼墙和护坡，在河床设置的防冲槽、护底及铺盖，用以引导水流平顺地进入闸室，保护两岸及河床免遭水流冲刷，并与闸室共同组成足够长度的渗径，确保渗透水流沿两岸和闸基的抗渗稳定性。下游连接段，由消力池、护坦、 海漫、 防冲槽、两岸翼墙、护坡等组成，用以引导出闸水流向下游均匀扩散，减缓流速，消除过闸水流剩余动能，防止水流对河床及两岸的冲刷。
闸门简介闸门用于关闭和开放泄（放）水通道的控制设施。水工建筑物的重要组成部分，可用以拦截水流，控制水位、调节流量、排放泥沙和飘浮物等。闸门分类（1）按制作材料划分。主要有木质闸门、木面板钢构架闸门、闸门、闸门以及钢闸门。（2）按闸门门顶与水平面相对位置划分。主要有露顶式闸门和潜没式闸门。（3）按工作性质划分。主要有工作闸门、事故闸门和检修闸门。（4）按闸门启闭方法划分。主要有用机械操作启闭的闸门和利用水位涨落时闸门所受水压力的变化控制启闭的水力自动闸门。（5）按门叶不同的支承形式划分。主要由定轮支承闸门、铰支承闸门、滑道支承的闸门、闸门、串辊闸门、圆辊闸门等。结构组成闸门主要由三部分组成:①主体活动部分，用以封闭或开放孔口，通称闸门，亦称门叶；②埋固部分；③启闭设备。活动部分包括面板梁系等结构、支承行走部件、导向及止水装置和吊耳等。埋件部分包括主轨、、铰座、门楣、底槛、止水座等，它们埋设在孔口周边，用锚筋与水工建筑物的混凝土牢固连接，分别形成与门叶上支承行走部件及止水面，以便将门叶结构所承受的水压力等荷载传递给水工建筑物，并获得良好的闸门止水性能。启闭机械与门叶吊耳连接，以操作控制活动部分的位置，但也有少数闸门借助水力自动控制操作启闭。形式选择进行闸门形式选择时，需要根据闸门工作性质、设置位置、运行条件闸孔跨度、启闭力和工程造价等，结合闸门的特点，参照已有的运行实践经验，通过技术经济比较确定。其中平面闸门和弧形闸门是***常采用的门形。大、中型露顶式和潜没式的工作闸门大多采用弧形闸门，高水头深孔工作闸门尤为常用弧形闸门。当用作事故闸门和检修闸门时，大多采用平面闸门。工作闸门前常设置检修闸门和事故闸门。对高水头泄水工作闸门由于经常作动水操作或局部开启，应设法减少闸门振动和空蚀现象，改善闸门水力条件，按不同的部件考虑动力的影响，并对门体的刚度和动力特征进行分析研究。对门叶和埋件的制造、安装精度都应严格控制，当门槽边界流态复杂或体形特殊时，除需参考已有运行的成功试验，还应通过水工试验解决可能发生的振动、空蚀问题，以选定合适的门槽体形。
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水闸胸墙结构的有限元概述
本文是水利工程论文，本论文介绍了传统的胸墙结构计算方法：板式胸墙按胸墙简支或固支在闹墦上的结构条件，取单宽板条按简支梁或固端梁计算其内力和配筋；板梁式胸墙分成面板
1.1问题的提出
水闸，是一种低水头水工建筑物，其主要作用是通过闸门的启闭控制流量和调节水位，同时还担负着防止潮水倒灌和讯期排泄洪（漠）水的功能，是水利工程中主要建筑物之一水间由上游连接段、闸室段和下游连接段三个部分组成，上下游连接段又包括防渗排水设施、消能防冲设施及两岸连接建筑物，其中闸室段是水闸挡水、控制过闸水流的主体部分，包括闸底板、闸壤、胸墙、闸门、工作桥、交通桥[5]等部分。目前，随着我国水利事业的不断发展，水利工程越来越起着决定性的作用，如控制主要江河洪水，提高抗御自然灾害，保证人民生命财产安全，开发水力资源，发展水力发电，提高工农业生产和人民生活水平方面等。水利工程建设的目的是为了准确、安全的控制水流，为人类造福，而通过利用水闸，可以很好的控制水流，是控制水流的主要方法。水闸的间室中包含闸门、启闭机等金属结构，随着工程规模的日益增加，闸门尺寸、启闭机的启闭力都将会大大增加，尤其是上游水位变幅较大而过闸流量有控制要求时，利用胸墙挡水，可降低闸门高程及启闭力；另外，胸墙与闸墩相连，可以增加闸室垂直水流向的刚度，提高工程的可靠性和安全性，在地震区能提高水闸的抗震能力。可以大大减少工程投资。胸墙与闸壤的连接形式有简支形式或固支形式。对于简支形式，工程设计计算中一般按两端简支在闸壤上计算，而固支形式按两端固支在间鐵上的计算方法。然而两种计算方法不能准确的反映实际情况，反映不出闸堪以及整个闸室对胸墙的影响。胸墙是水利工程中最常见的工程细部结构之一，它的设置是否经济合理将直接影响工程的安全运行和建成后的经济效益。因此有必要对胸墙的结构计算进行研究，完善其计算理论和方法。
1.2胸墙的作用及构造
胸墙是一般都是钢筋混凝土结构，在闸室中总是跟阐门配合使用，分为前置胸墙和后置胸墙[6-7]。前置胸墙即胸墙在阐门上游，在大、中型水闸中，这种结构比较常见，它有如下优点：（1)门顶无水压力，可以减少启闭力；（2)启闭机杆或启闭用钢丝绳及其它支承部分不至于在水中长期浸泡而锈烛，不仅维护方便，还可以延长使用寿命，同时减少运行费用。如果闸门采用弧形闸门，这种前置胸墙也有缺点：（1)门顶无水，无法通过利用水柱压力而关闭闸门；（2)水压力大的情况下，容易将顶部止水橡皮压开，这时要防止闸门过分受压而翻转；（3)对间门的止水结构精度要求高。由前置胸墙的这些缺点知，它可以用在工程长期不间断运行，且止水要求不是很高的水闸上，如引水枢纽进水闸、引水渠道退水闸、冲砂闸和压力前池冲砂闸。后置胸墙，即闸门在上游，胸墙在下游；这种结构型式通常在小型水闸或止水精度要求较高的工程中采用。后置胸墙也它的优点和不足，其优点有：（1)可以利用门顶水柱压力关闭间门，尤其是在用眷扬式启闭机的闸门时，可以减少闸门的自重；（2)闸门紧靠胸墙，使止水设备简单，止水效果较好且可靠；（3)可以增加闸室稳定性。缺点：（1)启闭机梁长期处于运行状态；（2)启闭设备以及支承部分，由于长期浸泡，使用寿命缩短，维修费用增加；(3)由于水压力作用，启闭力增加，工程投资增加。
第2章有限元计算理论
2.1有限元法概述
有限元法这种模型方法不是一般研究意义上的模型方法，它是一种对初始模型再进一步模型化的方法。即在得到需要的分析模型后，有限元法再应用计算机数值模拟对结构进行研究，这样使传统的模型分析法与数学模拟法结合起来。这种结合具体体现在建立单元的位移函数、单元刚度矩阵和结构的总刚度矩阵的过程中。这个过程就是对最初的分析模型进一步进行数学描述的过程，即建立分析模型的数学模型过程。有限元法模型的分析过程如图2-1所示。有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元可以按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同的形状，因此可以模拟成不同几何形状的求解小区域；而有限元的基本思路就是对单元也就是小区域进行力学分析，最后再整体分析，即，化整为零，集零为整。
2.2有限元分析软件ABAQUS
abaqus[48-53]被誉为国际上功能最强大的有限元分析软件之一，尤其是在非线性分析领域，它即可以完成简单的有限元分析，也可以用来模拟非常庞大复杂的模型，解决工程实际中大型模型的高度非线性问题，融结构、流体、传热学、电学、声学，以及流一固耦合、热一固耦合、热一电稱合、声一固耦合于一体，具有驾驳庞大求解规模的能力。ABAQUS使用非常简便，很容易建立复杂问题的模型。对于大多数数值模拟用户，用户只需要提供结构的几何形状、材料性质、边界条件、载荷情况等工程数据。在分析非线性问题时，ABAQUS能自动选择合适的载荷增量和收敛准则，并在分析过程中对这些参数进行调整，保证结果的精确性。此外，ABAQUS基于其丰富的单元库，可以用于模拟各种复杂的几何形状，并且拥有丰富的材料模型库，可以用于模拟绝大多数工程材料，如，金属、聚合物、复合材料、橡胶、可压缩的弹性泡沫、钢筋混凝土及各种地质材料等。
第3章胸墙结构的有限元分析..........&19
3.1闸室概况&..........19
3.1.1材料参数..........&19
3.2计算工&..........19
3.3有限元模型的建立..........&20
3.4有限元模型计算..........&22
3.4.1模型提交计算..........&22
3.4,2应力计算结果..........&23
3.5有限元计算与传统力学计算的对比分析&..........26
3.6本章小结..........&36
第4章水闸整体有限元分析..........&37
4.1工程概况..........&37
4.2计算工况..........&37
4.3有限元模型的建立..........&38
4.4有限元模型计算..........&40
4.5本章小结..........&55
第5章结论与建议&..........56
5.1研究结论..........&56
5.2展望..........&56
第4章水阐整体有限元分析
4.1工程概况
某干渠渠首胸墙式节制闸，闸孔数是2孔，每孔净宽5.0米，闸总长13米，顺水流长度为15米，闸顶高程8.5米，胸墙结构为板式结构，胸墙底高程5.5米，闸底高程0.5米。闸壤厚度为1m;附近堤顶高程10.0米；交通桥净宽4.0米，设计荷载为汽-6级，工作桥净宽2.4米。启闭机为两台，启闭方式为手摇绳鼓式。启闭机能力为10吨。采用平面钢闸门挡水。灌概水位蓄水期：除了完建期的荷载外，还包括水重，水平水压力，扬压力，及其他荷载等（因为本文重点研究胸墙及胸墙与闸填接触处，因此不考虑闸门槽受力）；设计洪水期的荷载与灌溉水位蓄水期基本一致。该模型主要分为闸室、胸墙和地基土三部分，选用建立六面体单元计算模型。为了接触运算收敛，使接触面的网格密度基本一致。模型共划分92904个单元，其中闸室划分网格18172，胸墙划分网格720*2，地基划分网格46592，其他为翼墙、翼墙底板和侧土单元，具体网格划分见图4-3和图4-4。
胸墙结构的计算一直以来都比较简单粗略，没有考虑闸墩以及整个闸室对其内力的影响，本文通过有限元软件模拟胸墙与闸墩的连接处的应力状态，所得到的研究结论总结如下：
(1)以典型的板式胸墙为例，利用有限元软件ABAQUS建立了单孔闸室的有限元模型，观察胸墙简支情况和固支情况下的应力状态，为了真实的模拟单孔闸室的受力。将相邻孔胸墙板及闸门所受的水压力等效到了胸墙槽和闸门槽上。得出固支上式胸墙应力大于简支式，尤其是端部即胸墙与闸墩连接处。
(2)将单孔情况下有限元计算和材料力学计算方法做了对比，得出简支胸墙在端部用材料力学的方法不符合实际情况，不能简单把胸墙与闸墩的连接看成简支。而在固支情况下以及简支胸墙的中部，找到了有限元得到的弯矩结果与材料力学计算得到的弯矩结果之间的规律：即两种计算方法所得到的弯矩存在一定的联系，且，材料力学计算方法偏于保守。
(3)本文最后建立了水闸整体的有限元模型，一方面比较整体情况下两种支承情况下的应力，同时另一方面比较了单孔和整体水闸边孔的应力状态，得到整体情况下边孔胸墙的应力状态更复杂一些。说明闸室两侧土压力的影响不可忽略。
参考文献（略）&
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水闸，按其所承担的主要任务，可分为：节制闸、进水闸、冲沙闸、分洪闸、挡潮闸、排水闸等。按闸室的结构形式，可分为：开敞式、胸墙式和涵洞式（图1）。开敞式水闸当闸门全开时过闸水流通畅，适用于有泄洪、排冰、过木或排漂浮物等任务要求的水闸，节制闸、分洪闸常用这种形式。胸墙式水闸和涵洞式水闸，适用于闸上水位变幅较大或挡水位高于闸孔设计水位，即闸的孔径按低水位通过设计流量进行设计的情况。胸墙式的闸室结构与开敞式基本相同，为了减少闸门和工作桥的高度或为控制下泄单宽流量而设胸墙代替部分闸门挡水，挡潮闸、进水闸、泄水闸常用这种形式。如中国葛洲坝泄水闸采用12m×12m活动平板门胸墙，其下为12m×12m弧形工作门，以适应必要时宣泄大流量的需要。涵洞式水闸多用于穿堤引(排)水，闸室结构为封闭的涵洞，在进口或出口设闸门，洞顶填土与闸两侧堤顶平接即可作为路基而不需另设交通桥，排水闸多用这种形式。
水闸由闸室、上游连接段和下游连接段组成（图2）。闸室是水闸的主体,设有底板、 闸门、 启闭机、闸墩、胸墙、工作桥、交通桥等。闸门用来挡水和控制过闸流量，闸墩用以分隔闸孔和支承闸门、胸墙、工作桥、交通桥等。底板是闸室的基础，将闸室上部结构的重量及荷载向地基传递，兼有防渗和防冲的作用。闸室分别与上下游连接段和两岸或其他建筑物连接。上游连接段包括：在两岸设置的翼水闸水闸墙和护坡，在河床设置的防冲槽、护底及铺盖，用以引导水流平顺地进入闸室，保护两岸及河床免遭水流冲刷，并与闸室共同组成足够长度的渗径，确保渗透水流沿两岸和闸基的抗渗稳定性。下游连接段，由消力池、护坦、 海漫、 防冲槽、两岸翼墙、护坡等组成，用以引导出闸水流向下游均匀扩散，减缓流速，消除过闸水流剩余动能，防止水流对河床及两岸的冲刷。
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地下轮廓Y长
③验算应力
面板兼作梁翼缘时的有效宽度
地下轮廓线长
地震惯性力
Pi＝kHCzaiWi
（考虑作用于水闸前的动水压力不利影响）
现有渗径长度
确定地基计算深度
地基计算深度
地基有效深度
透水地基实际深度
地下轮廓线的水平投影长度
地下轮廓线的铅直投影长度
分段计算阻力系数
设计内水位
内部铅直段
渗流段名称
阻力系数ξi
水头损失hi
修正后渗透水头
进出口水头损失值及渗透压力局部修正
h-2-|△h'|
出口段渗透坡降 出逸坡降
直线比例法 （适用初步拟定）
设计外水位
上下节点水头差
改进阻力系数法 用于稳定计算）
关闸外水位
关闸内水位
收缩断面出的流速：vc ψ√2g H0-h
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