东江水利枢纽船闸总体设计方案优秀工程方案.docx
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东江水利枢纽船闸总体设计方案优秀工程方案
学 号:
2013105219
密 级:
公开
航道工程课程设计
设计说明书
题目:
东江某水利枢纽通航船闸总体设计
学院:
船舶与工程学院
专业:
港口航道与海岸工程
学号:
姓名:
日期:
2016.12
哈尔滨工程大学
2016年12月
第1章设计基本资料1
1.1设计背景1
1.2设计标准、规范1
第2章船闸总体设计2
2.1船闸的基本尺度2
2.1.1闸室有效长度2
2.1.2闸室有效宽度2
2.1.3门槛水深3
2.2闸首的结构的初步设计3
2.3船闸线数和级数4
2.4船闸各部分高程的确定5
2.4.1船闸闸门门顶高程5
2.4.2闸首墙顶高程5
2.4.3闸室墙顶高程5
2.4.4闸室底板高程5
2.4.5闸首门槛顶和引航道底高程6
2.4.6靠船建筑物和导航建筑物顶高程6
2.5引航道平面布置及尺度确定7
2.5.1引航道平面布置7
2.5.2引航道长度7
2.5.3引航道宽度8
2.5.4引航道水深9
2.6船闸的通过能力计算9
2.7船闸的耗水量计算11
2.8船闸附属设施布置12
2.8.1系船设备12
2.8.2安全防护和检修设施12
2.8.3消防和救护12
第3章输水系统、闸首、闸阀门选择13
3.1输水系统的设计的基本原则13
3.2输水系统的设计要求、输水系统的选择13
3.3闸首、闸阀门的选择和设计13
3.3.1船闸概述13
3.3.2闸首的结构的选择13
3.3.3闸门、阀门的选择14
3.3.4人字闸门结构设计14
3.3.5闸室结构初步设计15
第1章设计基本资料
1.1设计背景
东江某水利枢纽是一项以改善水环境、发电为主,兼顾航运,并具有改善城市供水和农田灌溉条件,发展旅游业等多项综合利用效益的水流枢纽工程.根据广东省东江航道技术等级的划分,该航道为Ⅳ级航道,最大通航船舶为500t,该河段主要通航船舶为100t、300t.
1.2设计标准、规范
（1）课程设计任务书;
（2）设计所参考的诸多相关标准;
（3）相关本专业本科教材,《航道工程》等.
1.3设计资料
序号
工程项目
指标
备注
1
设计水平年
2020
2
船闸级数
单极
3
通航规模
Ⅳ级
4
航道设计标准（米）
55×3.0×330
船宽×航深×弯曲半径
5
船队尺度（米）
113×10.8×1.6
93×9.2×1.3
188×7.0×1.0
1顶2×500t
1顶2×300t
1拖5×100t
6
船闸年通过能力（万t）
360
7
最大过船吨位
500t
8
船闸设计标准
1000t
一次通行过闸
9
通航期（天）
360
10
最高通航水位（P=10%）（米）
12.01/11.79
上游/下游
11
最低通航水位（P=98%）（米）
6.4/0.2
上游/下游
12
正常蓄水位（米）
12.01
13
地形地质
坝址下伏基岩主要为第四系冲积岩、花岗岩、岩层状相对较稳定.
表1.1设计资料一览表
第2章船闸总体设计
2.1船闸的基本尺度
船闸基本尺度是指闸室有效长度、闸室有效宽度及门槛水深.船闸基本尺度应根据船型、船队以及船闸在设计水平年限内各期（近期、后期）过闸客货运量及过船量（过闸船舶总载重吨位）确定,并应尽量使设计船队能一次过闸.
2.1.1闸室有效长度
闸室有效长度,是指船舶过闸时,闸室内可供船舶安全停泊的长度.由《航道工程学》,其计算公式为:
（2-1）
式中:
Lx—闸室有效长度（米）;
lc—设计最大过闸船队、船舶的长度,船队设计长度（米）:
当一闸次只有一个船队过闸时,为设计船队（舶）长（对于解队过闸的船队,则为过闸时最长一组船舶的长度）;当同闸次有两个或两个以上船队（舶）纵向排列过闸时,则为各设计船队（舶）长度之和加上船队（舶）间的停泊间隔长度;每闸次只有一个船队过闸,取最大船型长度188米.
lf—富裕长度（米）视过闸船队（舶）类型不同,按下列数据采用:
顶推船队
拖带船队
非机动船
据设计资料,顶推船队的lf≥2+0.06×113=8.78米,取整为9.0米.则闸室的有效长度取为200米.
2.1.2闸室有效宽度
是指闸室内两侧墙面最突出部分之间的最小距离.对斜坡式闸室,其有效宽度为两侧垂直靠船设施之间的最小距离.
闸室有效宽度Bx可按下式计算:
（2-2）
式中:
Bx—闸室有效宽度（米）;
∑bc—同闸次过闸船队（舶）并列停泊的最大总宽度（米）,当只有一个船队（舶）过闸时,则为设计最大船队（舶）的宽度b;
bf—富裕宽度（米）,可按下列数据数据采用:
bc取最大船型宽度10.8米,bf取为1.2米,则Bx=12米,根据《船闸设计总体规范》,取12米.
2.1.3门槛水深
是指在设计最低通航水位时门槛上的最小深度,与船队（舶）最大吃水和进闸速度等有关,对船队（舶）操纵性和工程造价都有较大影响.门槛水深H应满足:
（2-3）
式中:
H—门槛水深（米）;
T—设计最大过闸船队（舶）的满载吃水.
H=1.6×1.6=2.56,取2.60米
在确定船闸的基本尺度时,还应考虑船闸的最小过水断面的断面系数n的要求.根据实验和观察,若n过小,则船队（舶）可能产生碰底现象.为保证船队（舶）安全顺利地进闸,一般要求:
（2-4）
式中:
Ω—最低通航水位时,闸室过水断面面积（米2）,Ω=Bx×H;
Φ—最大设计过闸船队（舶）满载吃水时船中断面水下部分的断面面积（米2）.
Ω=12×2.60=31.2米2,Φ=1.6×10.8=17.28米2,n=1.81.
2.2闸首的结构的初步设计
根据受力和结构的特点,闸首在长度方向上一般由3段组成.对于不同的门型,各段尺寸亦各异.
（1）门前段长度l1
门前段长度l1主要根据工作闸门形式、检修尺度、门槽构造及检修要求确定.据国内已建船闸的统计,当工作闸门采用人字闸门、检修闸门槽设于闸首外与导墙接缝时,门前段的长度最小,一般为1.0米左右.取1.0米.
（2）门龛段长度l2
对于人字闸门,其门龛段长度l2为:
（2-5）
式中:
Bc—闸首的口门宽度（米）;取12米;
d—门龛深度（米）,一般为门厚加0.40~0.80米;根据行业实践,一般取为200米米;
θ—闸门与船闸横轴线的夹角,一般取20°~22.5°,取22.5°.
l2=7.68米,取8.00米.
（3）闸门支持段长度l3
闸门支持段主要应满足结构稳定及强度的要求,并应考虑输水廊道进出口布置的要求.人字闸门的支持段长度,目前设计仍是假定在其独立工作条件下进行稳定和强度的验算确定的,因此需要有足够的长度.
据已建船闸支持段尺度的统计,l3的变化幅度较大,其范围如下:
（2-6）
式中:
H为设计水头（米）,取11.81米.
经计算,l3取10米.
2.3船闸线数和级数
由《航道工程学》,知影响船闸级数的因素很多,也很复杂,单极船闸与多级船闸的水头也无明确界限,一般可按下述范围考虑:
H≤20米,单极船闸（H为水头）;
20米＜H≤40米,单极或双级船闸;
H＞40米,双级或多级船闸.
该河段水头差小于20米,且项目要求为单极船闸,现取单极船闸,单线船闸能够满足设计水平年内的运输要求,故采用单线船闸.
2.4船闸各部分高程的确定
船闸的高程包括船闸顶部高程和底部高程.船闸顶部高程包括门顶、墙顶、导航和靠船建筑物顶、堤顶等各部分.由于各部分建筑物的位置和作用不同,确定高程的依据也不同.
2.4.1船闸闸门门顶高程
对溢洪船闸的闸门顶高程应为上游最高通航水位加安全超高.其中安全超高值由相关规范规定值确定,船闸等级为Ⅳ级船闸,安全超高值取0.5米.
2.4.2闸首墙顶高程
船闸闸首内布置有闸门、启闭机及机电设备,为满足船闸运行的布置要求,墙顶高程应根据闸门的门顶高程、结构布置和构造要求确定.因为设计船闸位于枢纽工程中,按照规范要求船闸上闸首墙顶高程设计与坝顶高程相同,下游闸首顶部高程与闸室墙顶高程相同.
2.4.3闸室墙顶高程
船闸闸室墙顶高程应根据过闸船舶安全停泊、通航和交通要求具体确定.为了避免船闸船舶在船闸涨、泄水时,船舷挂住墙顶造成事故,所以闸室顶高程由上游最高通航水位加超高值确定.根据《航道工程学》,500t驳船空载干舷高度取为1.7米.
2.4.4闸室底板高程
闸室内水位和闸首处水位相同,避免船舶入闸时触底发生危险,根据《航道工程学》,船闸闸底板高程不应高于船闸上下游闸首门槛顶部高程.
2.4.5闸首门槛顶和引航道底高程
上、下游闸首门槛顶高程分别由上、下游设计最低通航水位与门槛最小水深确定.上、下游引航道底高程分别为上、下游设计最高通航水位与引航道设计最小水深确定.设计中引航道底高程取原河道底高程.
2.4.6靠船建筑物和导航建筑物顶高程
靠船建筑物和上、下游导航建筑物顶高程分别为上、下游设计最高通航水位加超高确定.设计中超高值取为1.7米,船闸主要水工建筑物高程如表2.1所示.
表2.1设计高程一览表
序号
部位
高程（米）
拟定原则
1
上游闸门顶
12.51
最高通航水位加超高
2
上闸首墙顶
13.71
不低于闸门、闸室顶高程
3
上闸首门槛高程
9.41
上游设计最低通航水位减去门槛水深
4
上游导航墙顶
13.71
上游设计最高通航水位加超高
5
上游靠船墩顶
13.71
上游设计最高通航水位加超高
6
上游引航道底高程
原河底
上游设计最低通航水位减去通航水深
7
下游闸门顶
12.51
上游设计最高通航水位加超高
8
下闸首墙顶
13.71
不低于闸门、闸室顶高程
9
下闸首门槛高程
-2.40
下游设计最低通航水位减去门槛水深
10
下游导航墙顶
8.10
下游设计最高通航水位加超高
11
下游靠船墩顶
8.10
下游设计最高通航水位加超高
12
下游引航道底高程
-2.40
下游设计最低通航水位减去通航水深
13
闸室墙顶
13.71
上游设计最高通航水位加超高
14
闸室底板顶
-2.40
下游设计最低通航水位减去门槛水深
2.5引航道平面布置及尺度确定
2.5.1引航道平面布置
引航道的平面布置直接影响船队（舶）进出闸的时间从而影响船闸的通过能力.在确定引航道的平面布置时,应根据船闸的工程等级、线数、设计船型船队、通过能力等,结合地形地质、水质、水流、泥沙及上、下游航道等条件综合考虑.该船闸等级为Ⅳ级船闸,由于对称型引航道的轴线与船闸轴线重合,等待过闸的船舶（队）停靠在航道一侧的靠船建筑物旁,船舶（队）沿曲线行驶,出闸可以沿直线.船舶进闸行程短,出闸速度快,船闸的通过能力较大.现采用对称式引航道布置.
2.5.2引航道长度
图2.1
导航段l1紧靠闸首,船舶出闸时,在船尾尚未驶出闸首前必须沿船闸抽线直线行驶,不能转向.只有当船尾通过闸首边界后,船首才能离开船闸轴线转向.因此,导航段长度l1应满足:
（2-7）
式中:
lc—设计船队（舶）的长度,对顶推船队为全船队长,对拖带船队或单船为其中最大的船舶长度.
lc取最大船型长度188米,l1取190米.
调顺段l2是进出闸船舶从引航道航线转到船闸轴线或从船闸轴线转到引航道航线,或曲线进闸船舶由停靠轴线到船闸轴线所需要的长度.调顺段的长度可采用:
（2-8）
l2=1.5×188=282米,取285米.根据《航道工程学》,可以将l1与l2重合,共取285米.
停泊段l3是供等待过闸的船舶（队）停靠并与出闸船舶（队）避让交错的一段航道,其长度应满足:
（2-9）
l3取190米.
当引航道内停泊的船舶（队）数不止一个时,则l3段的长度应按实际需要加长.为便于待过闸的船舶（队）停靠,在l3段布置有靠船建筑物.
当引航道直线段宽度与航道的宽度不一致时,需用渐变的方法将其连接起来,渐变连接的这一段引航道称为过渡l4,其长度为:
（2-10）
船舶以一定速度通过口门区进入引航道,停车后会在惯性作用下滑行一段距离,这段从引航道口门到停泊段l3前沿的长度称为制动段l4＇,可按下式估算:
（2-11）
式中:
α—顶推船队制动距离系数,在船队进口门航速为2.5~4.5米/s时,可取2.5~4.5之间的数.取α=2.5,l4＇=470米.引航道长为945米.
2.5.3引航道宽度
单线船闸引航道宽度应按双向过闸确定,即出闸船舶与停在靠船码头等候进闸的船舶会让所需要的宽度,并考虑停泊段一侧停船和两侧停船两中情况.采用哪一种情况,则应根据船闸重要性和等级、客货运量、过船数量和过船密度等情况确定.
当停泊段两侧都停泊等候进闸的船舶（队）,则引航道宽度为:
（2-12）
当停泊段只有一侧停泊等候进闸的船舶,则引航道宽度为:
（2-13）
式中:
B0—设计最低通航水位时,设计最大船舶（队）满载吃水船底处的引航道宽度（米）;
bc—设计最大船舶（队）的船宽;
bc1—一侧等候同次过闸并列停泊船舶（队）的总宽度（米）;
bc2—另一侧等候同次过闸并列停泊船舶（队）的总宽度（米）;
Δb—船距、岸距（米）,船距取Δb=0.5bc.
该航运枢纽为Ⅳ机船闸,且主要以改善水环境和发电为主,兼顾船舶航运,现考虑停泊段只有一侧有等候船舶的情况.B0=10.8+10.8+10.8=32.4,取45米.
2.5.4引航道水深
引航道的设计水深是设计最低通航水位时引航道底宽内的最小水深,等于设计船队（舶）满载吃水加富裕水深.富裕水深主要包括:
航行船队（舶）保持良好操纵性所需的最小富裕深度;船队（舶）航行下沉速度;船闸灌泄水、电站运用和风浪产生的睡眠波动的降低值;淤积富裕深度等.综合这些因素,引航道最小水深应满足:
（2-14）
式中:
H0—在设计最低通航水位时引航道底宽内的最小水深（米）;
T—设计最大船队（舶）满载吃水深度（米）.
Ⅰ、Ⅱ级船闸采用H0/T≥1.5;Ⅳ级以下船闸采用H0/T≥1.4.
H0=1.4×1.6=2.24米,取3米.
为了降低航行的阻力,引航道的断面系数n应满足:
（2-15）
式中:
ω—设计最低通航水位时,引航道的浸水断面面积（米2）;
φ—设计最大船舶（队）满载吃水的船舶中腰横截面的浸水面积（米2）.
n=7.8≥7.
2.6船闸的通过能力计算
船舶、船队进出闸时间,可根据其运行距离和进出闸速度确定,并符合下列规定:
（1）单向过闸,进闸为船舶、船队的船首自引航道停靠位置至闸室内停泊位置之间的距离L1;出闸为船舶、船队的船尾自闸室内停泊位置至闸门外侧边缘的距离L2.
（2）双向过闸,进闸为船舶、船队自引航道停靠位置至闸室内停泊位置之间的距离L3;出闸为船舶、船队的船尾自闸室内停泊位置至靠船建筑物之间的距离L4.
L1=188+19=207米,L2=188+19=207米,L3=19+285+188=492米,L4=285+19+188=492米.
根据《船闸设计总体规范》,单向船队进闸速度v1=0.5米/s,双向船队进闸速度v2=0.7米/s,单向出闸的速度v3=0.7米/s,双向出闸速度为v4=1.0米/s.
船闸一次过闸时间可按下式计算:
单向过闸:
（2-16）
双向过闸:
（2-17）
式中:
T1—单向一次过闸时间（米in）;
T2—双向一次过闸时间（米in）;
t1—开（关）闸门时间（米in）;根据《船闸启闭机设计规范》,船闸口门为12米,取2米in.
t2—单向进闸时间（米in）;经计算,取7米in;
t3—闸室灌（泄）水时间（米in）;初步取6米in;
t4—单向出闸时间（米in）;取5米in;
t5—船队进（出）闸间隔时间（米in）;无实测资料,根据规范取3米in;
t2＇—双向进闸时间（米in）;取12米in;
t4＇—双向出闸时间（米in）;取8.5米in;.
计算得T1=38米in,T2=73米in,由于上行与下行船队（舶）很难保证到达船闸的均匀性,在设计中一般采用船队（舶）单向过闸与双向过闸所需时间的平均值来计算昼夜过闸次数.计算过闸时间取为:
（2-18）
T=37.25米in.
在一般的情况下,船闸的通过能力是指设计水平年期限内,每年自两个方向（上、下行）通过船闸的货物的总吨数,即年过闸货运量.
若已知船舶（队）一次过闸的时间为T,则船闸没昼夜过闸次数为:
（2-19）
式中:
τ—船闸每昼夜的平均工作时间,一般取20~22h;取22h;
T—船舶（队）一次过闸的时间（米in）,取37.25米in.得n=35.
若船闸每年通航天数为N,一次过闸平均吨位为G,则船闸年通过能力P可按下式计算:
（2-20）
式中:
P—船闸年过闸货运量（t）;
n—日平均过闸次数（次）;
n0—每昼夜非运货船过闸次数（次）;主要以通货船为主,取0;
N—船闸年通航天数（天）;取360d;
G—一次过闸平均吨位;取均值700t;
α—船舶装载系数,与货物种类、流向和批量有关,可取为0.5~0.8;取0.7;
β—运量不平衡系数,一般取为1.3~1.5,也可根据统计资料,取为年最大月货运量和年平均月货运量的比值.取1.5;
得P=411万t＞360万t.
2.7船闸的耗水量计算
船闸一天的耗水量可按下式计算:
（2-21）
式中:
—一天内平均耗水量（米3/s）;
V—一次过闸用水量（米3）;
q—闸门、阀门的漏水损失（米3/s）;
e—止水线每米上的渗漏损失[米3/ （s·米）],当水头小于10米时,取0.0015~0.0020米3/ （s·米）;当水头大于10米时,取0.002~0.003米3/ （s·米）;
u—闸门、阀门止水线总长度（米）.
（2-22）
式中:
V0—单级船闸一次过闸平均用水量（米3）;
C—闸室水域面积（米2）=上、下闸首之间的水域长度（米）×水域宽度（米）;
H—计算水头（米）,采用上下游平均水位差.
单极船闸双向一次过闸时,用水量为单向过闸用水量的一半.
C=200×12=2400米2
H=（12.01+11.79）/2-（0.2+6.4）/2=8.56米
V0=20544米3
V0＇=V0/2=10272米3
V0＇＇=15408米3
u=3.1×3+14.91×3+12.98×4=105.95米
计算得q=0.212米3/s,
6.99米3/s.
2.8船闸附属设施布置
2.8.1系船设备
闸室墙、引航道等靠船建筑物的顶部宜设置固定系船柱.本设计中船闸设计水头大于5米,采用浮式系船柱,第一个系船柱布置距离闸首8米处,各系船柱间距为21米.
2.8.2安全防护和检修设施
在船闸里设置3处爬梯,根据《船闸设计总体规范》,其第一道中线距上、下闸首边缘的距离为12~18米,本设计中取12米.
2.8.3消防和救护
在闸首、闸室等部位设置消防栓、灭火器、灭火材料等有关器材,并在船闸位置设置专用的消防通道、消防水泵.
第3章输水系统、闸首、闸阀门选择
3.1输水系统的设计的基本原则
在船闸建筑物上为闸室灌水和泄水而设置的包括进水口、输水廊道、出水口及消能室等全部设施称为船闸的输水系统.输水系统是船闸的重要组成部分之一,直接关系到过闸船舶的停泊安全,船闸的通过能力及船闸工程投资等.
船闸输水系统的设计应满足下列基本要求:
（1）灌水和泄水的时间不大于为满足船闸通过能力所规定的输水时间;
（2）船舶（队）在闸室及上、下游引航道内具有良好的停泊条件和航行条件;
（3）船闸各部分不应因水流冲刷、空蚀等造成破坏;
（4）布置简单、检修方便、工程投资少.
3.2输水系统的设计要求、输水系统的选择
由《船闸输水系统设计规范》输水系统可以分为集中输水系统和分散输水系统两种.输水系统的类型可以根据判别系数按下式初步选定:
（3-1）
式中:
米—判别系数;
H—设计水头（米）,根据设计资料,H=12.01-0.2=11.81米;
T—闸室灌水时间（米in）,据《航道工程学》,一般取7~12米in,取10米in.
经计算,得米=2.9,选择分散输水系统.
3.3闸首、闸阀门的选择和设计
3.3.1船闸概述
船闸闸首,是船闸工程的关键部位,不仅布置在闸首的设备较多,而且受力状态特别复杂,闸首是克服水头的主要结构.闸首结构的安全稳定将是整个船闸正常工作的保证,因此设计时应尤为慎重.
3.3.2闸首的结构的选择
闸首结构按其受力状态可分为整体式结构和分离式结构.在土基上为避免由于边墩不均匀沉降而影响闸门的正常工作,一般采用整体式闸首结构;岩基上的闸首,则可采用分离式结构.设计资料中,东江地质条件良好,先选择整体式结构.
3.3.3闸门、阀门的选择
人字闸门现在是我国大、中型船闸中广泛采用的一种门型,人字闸门启闭小、运行灵活可靠、结构布置合理、节省材料且人字闸门承压能力好,所以设计船闸闸门采用人字闸门结构.
3.3.4人字闸门结构设计
（1）门扇的长度ln
（3-2）
式中:
Bk—为闸门口门宽度（米）,取12米.
米—门扇支撑点至闸室边闸墙的垂直距离,米=0.8~1.23米;取1米;
θ—门扇面与船闸横向中心线夹角,取22.5°.
计算得ln=7.58米.
（2）门扇厚度
（3-3）
取tn=0.1×7.58=0.758米.
（3）闸门高度
（3-4）
式中:
H—船闸设计水头,本设计取11.81;
hk—门槛水深,取2.6米;
k—门板顶部高程,设计取0.2米;
米—闸门底部和门槛的距离,设计取0.2米.
经计算,上游闸门取14.81米,下游闸门取14.41米.
3.3.5闸室结构初步设计
船闸闸室结构有斜坡式和直立式两种.斜坡式闸室具有结构简单、造价低的优点,但使用不方便,且耗水量大,目前很少采用,现采用直立式整体式结构.
设计闸室为坞式结构,在闸室墙身下部位布置主廊道,采用整体式现浇结构,满足横支廊道出水的布置要求,同时增加结构的整体稳定性.墙后回填土与闸墙顶平齐,按照规范要求,设计墙顶宽度为2米,
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